基于回路电压的综合电能质量治理装置及方法与流程

本发明涉及一种基于回路电压的综合电能质量治理装置及方法，尤其涉及一种基于回路电压控制策略的能够针对电网谐波、无功、有功不平衡进行综合电能质量治理装置的控制方法。

背景技术：

在社会快速发展的今天，与人们生活息息相关的就是电能的利用。无论在民用还是工业领域，电能的消耗都在逐年增加，因此随之而来的就是供电和用电的质量问题。从普遍意义上讲，供电和用电的质量包括电压、电流的稳态及暂态量值的偏差、波形畸变的程度、闪变等对用电设备造成影响的供电和用电问题。目前，随着用电负荷的大型化、精密化、节能化，电力电子器件被广泛的应用在设备中，造成非线性负荷的数量越来越多，给电网带来了大量的谐波污染；随着电动机的大量使用，使得电网的无功需求也是越来越大；随着民用设备的增加、智能化家居的推广，配网的三相负荷不平衡也越来越严重；这些问题对电网的工作运行造成很大的安全隐患。

同时，电力有源滤波器利用有源逆变的拓扑结构，针对电网的谐波污染进行有效的治理；静止无功发生器能够控制输出的目标值为系统需要补偿无功电流；三相功率平衡装置是在电力有源滤波器和静止无功发生器的基础上，通过对系统中的零序和负序电流补偿而使电网达到三相功率平衡的效果。三者针对电网质量的一个方面进行有效的治理，提高了电网的质量，净化了电网，并且在应用的过程中起到了良好的效果，得到了大量的推广。但是，三者均只能在一个方面进行治理，无法对三个方面进行综合控制管理，因此无法对电网质量的改善起到全方面的作用，不能使设备的用电环境达到最佳优化。

技术实现要素：

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是：提供一种能够实现对谐波污染、功率因数偏低、三相功率不平衡所引起供电和用电质量问题的综合治理，能够改善电网质量，优化用电环境，提高设备运行以及电网运行可靠性的基于回路电压的综合电能质量治理装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

所述的基于回路电压的综合电能质量治理装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过系统电压互感器采集电压信号，采集的电压信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得系统电压的数字量信号，系统电压的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相系统电压实际的离散的瞬时值信号usa、usb、usc，通过过零检测计算出三相系统电压的过零点及相位

通过输出电流互感器采集电流信号，采集的电流信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得输出电流的数字量信号，输出电流的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相输出电流实际的离散的瞬时值信号iaout、ibout、icout；

通过直流电压互感器采集直流电压信号，采集的直流电压信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得直流电压的数字量信号，直流电压的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到直流电压实际的离散的瞬时值信号，然后对直流电压实际的离散的瞬时值信号进行一个工频时间周期的累加求和并除以在一个工频时间周期内的采样次数，得到直流电压有效值udc；

通过负载电流互感器采集负载电流信号，负载电流信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得负载电流的数字量信号，负载电流的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相负载电流实际的离散的瞬时值信号ila、ilb、ilc；

步骤2)、通过步骤1)获得的三相系统电压实际的离散的瞬时值信号usa、usb、usc、三相系统电压的过零点及相位输出电流实际的离散的瞬时值信号iaout、ibout、icout、直流电压有效值udc和三相负载电流实际的离散的瞬时值信号ila、ilb、ilc计算谐波电流、无功电流和负序有功电流叠加一起后的补偿目标值：iatarget、ibtarget、ictarget；

步骤3)依据pwm脉宽调制原理，假设三相每个控制周期igbt的开通时间为taon、tbon、tcon，根据回路电压的系统简化模型，得到系统回路电压方程如下：

即：

同时可以得到：

步骤4)、通过分别计算出三相pwm波的占空比，pwm以计算出的占空比为依据生成触发脉冲序列，经igbt驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管igbt导通和关断，从而控制逆变单元输出，达到补偿目标值。

进一步的优选，所述的谐波电流、无功电流和负序有功电流叠加一起后的补偿目标值iatarget、ibtarget、ictarget的计算过程如下所示：

(1)计算正序有功电流ipp、负序有功电流ipn、正序无功电流iqp、负序无功电流iqn

(2)将得到的ipp、ipn、iqp、iqn进行低通滤波处理，保留其直流分量，得到正序有功电流直流分量ippd、负序有功电流直流分量ipnd、正序无功电流直流分量iqpd和负序无功电流直流分量iqnd；

(3)计算三相负载电流基波分量b_ila0、b_ilb0、b_ilc0

在计算过程中，去掉ipnd、iqpd、iqnd三者的分量计算，则可得到分离出谐波电流、无功电流、负序有功电流三相的正序有功基波分量：

(3)由负载电流正序有功基波电流b_ila、b_ilb、b_ilc和瞬时负载电流ila、ilb、ilc相减后得到含有谐波电流、无功电流、负序有功电流叠加的补偿目标值：

iatarget＝(b_ila)-ila

ibtarget＝(b_ilb)-ilb

ictarget＝(b_ilc)-ilc。

进一步的优选，所述的步骤3)中回路电压的系统简化模型为：

依据电路回路电压原理，在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒为零，对系统进行简化后，得到系统单相的等效电路，回路电压方程为：

us-ud+ul+ur＝0

式中：us为系统相电压；

其中，δt：在软件设定控制频率下的pwm的控制时间周期，taon：a相在pwm的控制时间周期内的开通时间；

ul为相电抗两端的电压：其中，iatarget为a相补偿目标值；iaout为a相实际输出瞬时值；三相输出电抗的电感值均为l；

ur为系统相等效电阻的分压，由于等效电阻很小，在计算时忽略不计，计算结果不影响补偿的精准。

整理方程后得到：

所述的基于回路电压的综合电能质量治理装置，包括系统电源，系统电源通过输出电抗器连接三相全桥逆变单元，三相全桥逆变单元的直流侧连接串接的电容c1和电容c2，电容c1和电容c2连接直流电压互感器，直流电压互感器连接控制系统的直流电压采集端口；

所述的系统电源与输出电抗器之间连接系统电压互感器，系统电压互感器连接控制系统的系统电压采集端口，输出电抗器与三相全桥逆变单元之间穿有输出电流互感器，输出电流互感器连接控制系统的输出电流采集端口，三相全桥逆变单元通过驱动电路连接控制系统的pwm输出端口，控制系统的负载电流采集端口连接负载电流互感器。

进一步的优选，控制系统的直流电压采集端口、系统电压采集端口、输出电流采集端口和负载电流采集端口分别通过调理电路和采样信号总线连接ad转换芯片，ad转换芯片通过控制总线和数据总线连接fpga，fpga连接通讯接口485can和io口，pwm输出端口连接fpga。

进一步的优选，ad转换芯片包括ad01、ad02和ad03。

本发明所具有的有益效果是：

本发明所述的基于回路电压的综合电能质量治理装置及方法通过正序有功电流的基波计算，能够直接得到谐波电流、无功电流、负序有功电流的三者叠加的补偿目标值，同时能够利用回路电压的控制算法，直接计算出pwm波输出的占空比，简化了空间矢量等算法的复杂计算过程，具有消除电网谐波、补偿系统无功、平衡三相负荷的功能，同时综合解决了电网所存在的普遍的电能质量问题，提高了电网的电能质量，净化了电网，优化用电环境，提高设备运行以及电网运行可靠性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的回路电压简化示意图；

图中，1、三相全桥逆变单元；2、输出电抗器；3、控制系统；4、系统电压互感器；5、负载电流互感器；6、输出电流互感器；7、驱动电路；8、直流电压互感器；9、系统电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1-2所示，本发明所述的基于回路电压的综合电能质量治理装置的控制方法，包括以下步骤：

步骤1)、通过系统电压互感器采集电压信号，采集的电压信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得系统电压的数字量信号，系统电压的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相系统电压实际的离散的瞬时值信号usa、usb、usc，通过过零检测计算出三相系统电压的过零点及相位

通过输出电流互感器采集电流信号，采集的电流信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得输出电流的数字量信号，输出电流的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相输出电流实际的离散的瞬时值信号iaout、ibout、icout；

通过直流电压互感器采集直流电压信号，采集的直流电压信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得直流电压的数字量信号，直流电压的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到直流电压实际的离散的瞬时值信号，然后对直流电压实际的离散的瞬时值信号进行一个工频时间周期的累加求和并除以在一个工频时间周期内的采样次数，得到直流电压有效值udc；

通过负载电流互感器采集负载电流信号，负载电流信号经过调理电路和ad转换芯片的模数转换后获得负载电流的数字量信号，负载电流的数字量信号输送至fpga进行处理后，得到三相负载电流实际的离散的瞬时值信号ila、ilb、ilc；

步骤2)、通过步骤1)获得的三相系统电压实际的离散的瞬时值信号usa、usb、usc、三相系统电压的过零点及相位输出电流实际的离散的瞬时值信号iaout、ibout、icout、直流电压有效值udc和三相负载电流实际的离散的瞬时值信号ila、ilb、ilc计算谐波电流、无功电流和负序有功电流叠加一起后的补偿目标值：iatarget、ibtarget、ictarget；

步骤3)依据pwm脉宽调制原理，假设三相每个控制周期igbt的开通时间为taon、tbon、tcon，根据回路电压的系统简化模型，得到系统回路电压方程如下：

即：

同时可以得到：

步骤4)、通过分别计算出三相pwm波的占空比，pwm以计算出的占空比为依据生成触发脉冲序列，经igbt驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管igbt导通和关断，从而控制逆变单元输出，达到补偿目标值。

所述的谐波电流、无功电流和负序有功电流叠加一起后的补偿目标值iatarget、ibtarget、ictarget的计算过程如下所示：

(1)计算正序有功电流ipp、负序有功电流ipn、正序无功电流iqp、负序无功电流iqn

(2)将得到的ipp、ipn、iqp、iqn进行低通滤波处理，保留其直流分量，得到正序有功电流直流分量ippd、负序有功电流直流分量ipnd、正序无功电流直流分量iqpd和负序无功电流直流分量iqnd；

(3)计算三相负载电流基波分量b_ila0、b_ilb0、b_ilc0

在计算过程中，去掉ipnd、iqpd、iqnd三者的分量计算，则可得到分离出谐波电流、无功电流、负序有功电流三相的正序有功基波分量：

(3)由负载电流正序有功基波电流b_ila、b_ilb、b_ilc和瞬时负载电流ila、ilb、ilc相减后得到含有谐波电流、无功电流、负序有功电流叠加的补偿目标值：

iatarget＝(b_ila)-ila

ibtarget＝(b_ilb)-ilb

ictarget＝(b_ilc)-ilc。

所述的步骤3)中回路电压的系统简化模型为：

依据电路回路电压原理，在任何时刻，沿着电路中的任一回路绕行方向，回路中各段电压的代数和恒为零，对系统进行简化后，得到系统单相的等效电路，回路电压方程为：

us-ud+ul+ur＝0

式中：us为系统相电压；

其中，δt：在软件设定控制频率下的pwm的控制时间周期，taon：a相在pwm的控制时间周期内的开通时间；

ul为相电抗两端的电压：其中，iatarget为a相补偿目标值；iaout为a相实际输出瞬时值；三相输出电抗的电感值均为l；

ur为系统相等效电阻的分压，由于等效电阻很小，在计算时忽略不计，计算结果不影响补偿的精准。

整理方程后得到：

如图1所示，所述的基于回路电压的综合电能质量治理装置，包括系统电源9，系统电源9通过输出电抗器2连接三相全桥逆变单元1，三相全桥逆变单元1的直流侧连接串接的电容c1和电容c2，电容c1和电容c2连接直流电压互感器8，直流电压互感器8连接控制系统3的直流电压采集端口。

所述的系统电源9与输出电抗器2之间连接系统电压互感器4，系统电压互感器4连接控制系统3的系统电压采集端口，输出电抗器2与三相全桥逆变单元1之间穿有输出电流互感器6，输出电流互感器6连接控制系统3的输出电流采集端口，三相全桥逆变单元1通过驱动电路7连接控制系统3的pwm输出端口，控制系统3的负载电流采集端口连接负载电流互感器5。

所述的控制系统3的直流电压采集端口、系统电压采集端口、输出电流采集端口和负载电流采集端口分别通过调理电路和采样信号总线连接ad转换芯片，ad转换芯片通过控制总线和数据总线连接fpga，fpga连接通讯接口485can和io口，pwm输出端口连接fpga，ad转换芯片包括ad01、ad02和ad03。

本发明具有消除电网谐波、补偿系统无功、平衡三相负荷的功能，不但综合解决了电网所存在的普遍的电能质量问题，还提高了电网的电能质量，净化了电网，优化用电环境，提高设备运行以及电网运行可靠性。

本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。