一种附加无功补偿的柔性消弧变换器及其控制方法与流程

本申请涉及电力系统的电力电子设备应用技术领域，具体涉及一种附加无功补偿的柔性消弧变换器及其控制方法。

背景技术：

随着城市配电网的快速发展，配电网中供电线路逐年增多加长，导致系统对地的电容电流变大，导致系统在发生单相接地时，产生接地电弧，危害人身安全。此外，负载形式的多样化，导致对配电网的无功需求越来越大。

目前，利用电力电子设备实现柔性消弧的方案，由于具备快速性、准确性、灵活性等优势逐渐成为业界研究热点，一般采用前级不控整流、后级全控逆变的拓扑形式。在无故障阶段，该方案无法实现无功补偿功能，由于接地故障发生的时间相对全周期运行时间很短，因此该方案的利用率极差，单独配置无功补偿设备会增加设备投资、占地需求也会变大。“一种配电网有源消弧装置电压控制方法”(专利号20171022276.x)公开一种新型消弧补偿装置，即通过电力电子设备在电网中性点补偿特定电压向量来实现消弧，但是该装置无法实现对系统的无功补偿功能。

采用svg等电力电子设备可以实现无功补偿功能，由于该方案无法提供有功功率，在接地故障时，只能提供容性电流，无法实现完全消弧或者可靠消弧，接地故障发生时仍具有电弧危害人身安全风险，目前该方案只适用理论研究。“一种动态无功及消弧补偿综合补偿方法”(专利号201910515519.6)公开的一种控制方法，系统正常运行时进行无功补偿，系统发生接地故障时，无法实现完全消弧，同时该发明无法实现无功的优化控制。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种附加无功补偿的柔性消弧变换器，包括dc/ac变换器、ac/dc变换器和综合控制器，所述dc/ac变换器的交流侧经配电网系统的单相变压器升压后接入配电网系统中性点，用于输出特定交流电压向量，实现所述配电网系统的接地消弧；所述ac/dc变换器和所述dc/ac变换器直流侧互联形成直流母线，所述ac/dc变换器的交流侧接入站变电源，用于控制所述直流母线电压恒定，并给所述站变电源进行无功补偿，无功功率大小随所述dc/ac变换器输出电压、电流信息动态调节；所述综合控制器进行信息采集、控制逻辑运算并发送控制命令至所述ac/dc变换器和所述dc/ac变换器。

根据一些实施例，所述综合控制器包括信息采集单元、第一控制单元和第二控制单元，所述信息采集单元用于采集所述配电网系统的电压、电流信息、所述dc/ac变换器信息和ac/dc变换器信息；所述第一控制单元用于接收所述信息采集单元发送的信息并发送第一控制命令至所述dc/ac变换器；所述第二控制单元用于接收所述信息采集单元发送的信息并发送第二控制命令至所述ac/dc变换器。

根据一些实施例，所述综合控制器还包括控制出口单元，所述控制出口单元用于接收所述第一控制命令并发送至所述dc/ac变换器，以及接收所述第二控制命令并发送至所述ac/dc变换器。

根据一些实施例，所述ac/dc变换器包括三相滤波单元和三相功率变换单元，所述三相功率变换单元经过所述三相滤波单元滤波后接入站变电源，所述三相功率变换单元包括三相半桥结构，所述三相半桥结构包括全控型半导体开关器件。

根据一些实施例，所述dc/ac变换器包括单相滤波单元和单相功率变换单元，所述单相功率变换单元经过所述单相滤波单元滤波，再经所述配电网系统的单相变压器升压后接入配电网系统中性点，所述单相功率变换单元包括单相全桥结构，所述单相全桥结构包括全控型半导体开关器件。

本申请实施例还提供一种如上所述的附加无功补偿的柔性消弧变换器的控制方法，包括：所述综合控制器实时采集配电网系统信息、ac/dc变换器信息、dc/ac变换器信息；正常运行时，所述综合控制器的第一控制单元自动启动所述dc/ac变换器，所述综合控制器的第二控制单元自动启动所述ac/dc变换器；所述ac/dc变换器控制直流母线电压，所述dc/ac变换器待机状态，所述综合控制器的第二控制单元控制所述ac/dc变换器向站变电源注入无功，无功大小根据预设的电压无功下垂特性得出。

根据一些实施例，所述ac/dc变换器控制直流母线电压，所述dc/ac变换器待机状态，所述综合控制器的第二控制单元控制所述ac/dc变换器向站变电源注入无功，无功大小根据预设的电压无功下垂曲线得出，包括：所述第二控制单元根据dc/ac变换器输出电压、电流信息，动态调节下垂系数，再通过电压无功下垂特性得到无功功率指令值；采用无功功率外环、并网电流内环控制方式，控制ac/dc变换器向站变电源补偿无功；采用直流母线电压外环、并网电流内环控制方式，同步控制直流母线电压恒定。

根据一些实施例，所述控制方法还包括：若所述配电网系统发生接地故障，所述综合控制器的第一控制单元进行检测、分析和运算，控制dc/ac变换器运行，闭环输出指定电压向量，将故障相对地电压降为零，实现所述配电网系统接地消弧；所述综合控制器的第二控制单元同步检测系统实时有功大小，通过变系数调节器调节下垂系数，进而调节无功功率大小，保证最大化发出无功的同时ac/dc变换器不过载运行；若所述配电网系统接地故障消除，所述综合控制器的第一控制单元控制dc/ac变换器进入待机状态，所述综合控制器的第二控制单元复归变系数调节器，无功控制随预设电压无功下垂特性运行。

根据一些实施例，所述综合控制器的第一控制单元进行检测、分析和运算，控制dc/ac变换器运行，闭环输出指定电压向量，将故障相对地电压降为零，实现所述配电网系统接地消弧，包括：所述第一控制单元接收和分析所述综合控制器的信息采集单元发送的所述配电网系统的电压、电流信息、所述dc/ac变换器信息和所述ac/dc变换器信息；基于所述配电网系统的电压、电流信息、所述dc/ac变换器信息和ac/dc变换器信息，判断所述配电网系统是否接地故障并计算消弧所需的电压幅值和相位指令；通过交流电压外环、交流电流内环的双闭环控制方式，控制所述dc/ac变换器发出指定电压向量，将故障相对地电压降为零，实现所述配电网系统接地消弧。

根据一些实施例，所述变系数调节器调节下垂系数，进而调节无功功率大小，保证最大化发出无功的同时ac/dc变换器不过载运行中，最大化发出无功的无功功率指令按照下式计算：

其中，为站变电源电压额定值，eavg为站变电源三相电压有效值平均值，sn为dc/ac变换器额定容量，n0为预设的初始下垂系数，uo和ilo为dc/ac变换器输出电压、电流的有效值，为dc/ac变换器输出电压、电流相位差，ke为能效系数

本申请实施例提供的技术方案，一套设备同时实现接地消弧功能和无功补偿功能，提高设备利用率，节省设备投资和占地面积，而这两种功能，可以优先保证接地消弧功能。同时提供一种变系数调节无功功率大小的方法，保证系统进行接地消弧的同时，充分利用剩余容量进行无功补偿，确保设备不超载运行，提高安全性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种附加无功补偿的消弧变换器结构示意图。

图2是本申请实施例提供的一种综合控制器结构示意图。

图3是本申请实施例提供的一种附加无功补偿的消弧变换器控制流程示意图。

图4是本申请实施例提供的一种附加无功补偿的消弧变换器控制框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例提供的一种附加无功补偿的消弧变换器结构示意图。

附加无功补偿的柔性消弧变换器包括dc/ac变换器102、ac/dc变换器101和综合控制器103。

dc/ac变换器102的直流侧接入直流母线，交流侧经配电网系统107的单相变压器105升压后接入配电网系统中性点，用于输出特定交流电压向量，实现配电网系统107的接地消弧。

dc/ac变换器102包括单相功率变换单元1021和单相滤波单元1022。dc/ac变换器102的直流侧接入直流母线，交流侧单相功率变换单元1021经过单相滤波单元1022滤波，再经配电网系统107的单相变压器升压后接入配电网系统中性点，和配电网系统的消弧线圈106并联连接，通过接收综合控制器103控制命令，输出特定幅值和相位的电压向量，实现接地消弧功能。

单相功率变换单元1021包括单相全桥结构，单相全桥结构包括全控型半导体开关器件。

ac/dc变换器101和dc/ac变换器102直流侧互联形成直流母线，ac/dc变换器101的交流侧接入站变电源104，并网运行，通过接收综合控制器103的控制命令，控制实现直流母线电压vdc恒定，并给dc/ac变换器102运行提供恒定直流电压。同时，ac/dc变换器101向站变电源104注入无功功率，进行无功补偿，无功功率大小随dc/ac变换器102输出电压、电流信息动态调节。

ac/dc变换器101包括三相功率变换单元1011和三相滤波单元1012。三相功率变换单元1011经过三相滤波单元1012滤波后接入站变电源104，三相功率变换单元1011包括三相半桥结构，三相半桥结构包括全控型半导体开关器件。

根据一些实施例，三相功率变换单元1011和单相功率变换单元1021的拓扑结构包括但不局限于两电平、三电平和五电平等拓扑本均，半导体开关器件采用全控型开关器件。

综合控制器103进行信息采集、控制逻辑运算并发送控制命令至ac/dc变换器101和dc/ac变换器102，如图2所示。

综合控制器103包括信息采集单元1031、第一控制单元1032和第二控制单元1033。

信息采集单元1031用于采集配电网系统107的电压、电流信息、dc/ac变换器信息和ac/dc变换器信息。第一控制单元1032用于接收信息采集单元1031发送的信息并发送第一控制命令至dc/ac变换器102。第二控制单元1033用于接收信息采集单元1031发送的信息并发送第二控制命令至ac/dc变换器101。

可选地，综合控制器还包括控制出口单元1034，用于接收第一控制命令并发送至dc/ac变换器102，以及接收第二控制命令并发送至ac/dc变换器101。

图3是本申请实施例提供的一种附加无功补偿的消弧变换器控制流程示意图。

在s01中，综合控制器103实时采集配电网系统信息、ac/dc变换器信息、dc/ac变换器信息。

综合控制器103信息采集单元1031实时采集配电网系统电压、电流信息，ac/dc变换器101、dc/ac变换器102的数字量、模拟量等信息，初始化柔性消弧变换器。

在s02中，正常运行时，综合控制器103的第一控制单元1032自动启动dc/ac变换器102，综合控制器103的第二控制单元1033自动启动ac/dc变换器101。

在s03中，ac/dc变换器101控制直流母线电压为参考值vd*c，正常工况下，dc/ac变换器102待机状态运行。综合控制器103的第二控制单元1033控制ac/dc变换器101向站变电源104注入无功，由于dc/ac变换器102待机，有功功率po为零，即下垂系数n＝n0，此时无功补偿限值最大，无功大小根据预设的电压无功下垂特性得出。

第二控制单元1033根据dc/ac变换器输出电压、电流信息，动态调节下垂系数，再通过电压无功下垂特性得到无功功率指令值。采用无功功率外环、并网电流内环控制方式，控制ac/dc变换器101向站变电源104补偿无功。

第二控制单元1033采用直流母线电压外环、并网电流内环的双闭环控制方式，同步控制ac/dc变换器101实现直流母线电压恒定。

直流母线电压控制通过控制并网电流d轴参考指令来实现，实施方式如下。

直流母线电压参考由系统设定，设定原则为其中uo为dc/ac变换器102额定输出电压有效值。直流母线电压参考和直流母线电压vdc经过交流电压外环控制器调节，得到并网电流d轴参考指令

无功补偿控制通过控制并网电流q轴参考指令来实现，实施方式如下。

信息采集单元1031采集dc/ac变换器102的输出电压、电流信息，通过功率计算模块实时计算dc/ac变换器102消耗有功功率po大小，功率计算表达式如下。

其中，ilo为dc/ac变换器102输出电流有效值，为uo和ilo的相位差，ke为能效系数。

变换器补偿的无功功率指令和站变电源104电压存在下垂关系，表达式如下。

其中，eavg＝(ega+egb+egc)/3为站变电源107三相电压的平均值，为站变电源107电压额定值，为ac/dc变换器101无功功率指令，n为下垂系数，n根据有功功率po大小自动调节，调节公式如下。

进一步，根据式(1)、式(3)得到变系数调节器表达式如下。

上述，n0为预设的初始下垂系数，sn为ac/dc变换器101的额定容量。

根据式(2)、式(4)可以得到无功功率指令表达式如下。

功率计算模块根据ac/dc变换器101交流侧三相电压、电流大小，得出实际无功功率qg如下。

qg＝egailasinθa+egbilbsinθb+egcilcsinθc(6)

上述，ila、ilb、ilc为ac/dc变换器101各相并网电流有效值，θa、θb、θc为相电压和相电流之间的相角差。

式(4)和式(5)计算得到的和qg经过无功功率外环控制器，得到并网电流q轴电流指令值

上述两个实施方式得出并网电流d、q轴电流参考指令这里请再参阅图4，ila、ilb、ilc通过abc/dq坐标变换得到并网电流d、q轴实际电流id、iq，与电流参考指令经并网电流内环控制器调节，生成调制波参与pwm调试，生成最终控制命令，驱动ac/dc变换器101三相功率变换单元1011的开关器件，直流侧控制恒定直流母线电压，交流侧进行无功补偿，且无功功率大小根据系统运行状态变系数调节，最大化发挥无功补偿的同时优先保证接地消弧功能。

若配电网系统107发生接地故障，包括如下控制流程。

在s04中，综合控制器103的第一控制单元1032进行检测、分析和运算，控制dc/ac变换器102运行，闭环输出指定电压向量，将故障相对地电压降为零，实现配电网系统107接地消弧。包括以下控制流程。

在s041中，第一控制单元1032接收和分析综合控制器103的信息采集单元1031发送的配电网系统107的电压、电流信息、dc/ac变换器信息和ac/dc变换器信息。

在s042中，第一控制单元1032基于配电网系统107的电压、电流信息、dc/ac变换器信息和ac/dc变换器信息，判断配电网系统107是否接地故障并计算消弧所需的电压幅值u0^*和相位指令。

在s043中，第一控制单元1032通过交流电压外环、交流电流内环的双闭环控制方式，控制dc/ac变换器102发出驱动脉冲，控制dc/ac变换器102快速输出特定的电压向量，将故障相对地电压降为零，实现配电网系统107接地故障消弧。

消弧电压指令和uo经交流电压外环控制器调节得到交流电流内环控制器参考值和实际电感电流ilo通过交流电流内环控制器调节后生成调制波，进行svpwm调制，驱动dc/ac变换器102单相功率变换单元1021的开关器件，输出特定幅值和相位的电压向量，实现接地消弧功能。

综合控制器103的第二控制单元1033同步检测系统实时有功大小，通过变系数调节器调节下垂系数，进而调节无功功率大小，保证最大化发出无功的同时ac/dc变换器101不过载运行。

第二控制单元1033使能变系数调节器。配电网系统阻尼率的大小不同导致dc/ac变换器102提供的有功功率会有不同，变系数调节器内部可设置系统初始有功功率poset，解锁dc/ac变换器102的同时，po的初值为poset并根据式(1)快速调节为最终实际有功功率值，赋值给公式(3)，实时改变下垂系数n，进而改变无功补偿参考值保证实现接地消弧并考虑变换器容量的同时最大化的进行无功补偿。

变系数调节器调节下垂系数，进而调节无功功率大小，保证最大化发出无功的同时ac/dc变换器不过载运行中，最大化发出无功的无功功率指令按照下式计算。

其中，为站变电源电压额定值，eavg为站变电源三相电压有效值平均值，sn为dc/ac变换器额定容量，n0为预设的初始下垂系数，uo和ilo为dc/ac变换器输出电压、电流的有效值，为dc/ac变换器输出电压、电流相位差，ke为能效系数。

在s05中，若配电网系统107接地故障消除，综合控制器103的第一控制单元1032控制dc/ac变换器102进入待机状态，综合控制器103的第二控制单元1033复归变系数调节器，无功控制随预设电压无功下垂特性运行。

第一控制单元1032检测到接地故障消失，闭锁dc/ac变换器102，由于有功功率降低为零，ac/dc变换器101补偿无功自动增加，下垂系数自动复归n0。

本申请中，柔性消弧优先级比无功补偿优先级高，当出现ac/dc变换器101过载时，通过改变下垂斜率降低补偿的无功大小，优先保证消弧功能正常运行。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。