一种无串联隔离变压器的单相UPQC拓扑及控制方法与流程

一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑及控制方法
技术领域
1.本发明属于电能质量治理技术领域，尤其涉及一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑及控制方法。


背景技术：

2.为实现低碳环保型社会建设目标，以风电、光伏为代表的新能源，逐步改变着发电侧格局，新能源发电技术也愈加成熟。然而，受风能和太阳能不确定性、随机性的影响，新能源发电站输出功率波动较大。因此新能源发电系统并网后会引起电网电压波动和闪变等问题。当敏感型负荷从电网取电时，波动的电网电压会造成负荷工作异常，甚至损坏负荷，给用户造成经济损失。同时，随着电力电子技术的快速发展，大量非线性、冲击性以及不对称负荷和设备接入电网，导致电网电流出现畸变。电网电流中谐波和无功含量上升，严重时将危害现代工业的生产发展以及电网系统的稳定运行。因此，电能质量的提高是时代发展的必要趋势，研究如何有效提高电能质量具有显著的意义。
3.统一电能质量控制器(upqc)是一种电能质量综合调节装置。它结合了串并联补偿装置的特点，既能抑制电流谐波，又能补偿电压波动以及无功电流。不论是负荷或者电网出现电能质量问题，upqc都能较好的进行补偿。upqc以电力电子技术为基础，具有实现电压控制、平衡化补偿、有源滤波及不间断供电的作用，同时具有较好的发展前景和独特的研究价值。因此，研究能够改善配电系统多重电能质量问题的upqc具有重要的意义。
4.由于upqc的串联部分和并联部分共用直流储能单元，因此在电网和设备之间要进行隔离，否则会出现电容直通、相间短路等问题。目前大多数研究选择在串联部分接入交流电网处增加工频隔离变压器。但是由于串联变压器的非线性特点，使得它的引入也带来了以下不利因素。首先，串联变压器的短路电抗降低了开环控制下的电压精度，从而影响装置的性能。其次，串联变压器的接入增加了装置的功率损耗，降低了装置的效率，增加了系统成本。最后，串联变压器还存在饱和以及电压跌落时的瞬间涌流等问题。因此，亟需一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑，并研究该拓扑的控制方法。
5.公开号为cn102593859b的中国发明专利，公开了一种基于mmc的三相upqc拓扑电路，并公开了以下结构：并联模块分别连接串联模块、输电线路a相线路、输电线路b相线路和输电线路c相线路，第一隔离变压器、第二隔离变压器和第三隔离变压器的原边绕组分别安装在输电线路a相线路、输电线路b相线路和输电线路c相线路上，第一隔离变压器的副边绕组的一端连接串联模块中的第一电抗器和第二电抗器的公共节点，第二隔离变压器的副边绕组的一端连接串联模块中的第三电抗器和第四电抗器的公共节点，第三隔离变压器的副边绕组的一端连接串联模块中的第五电抗器和第六电抗器的公共节点。第一隔离变压器的副边绕组的另一端、第二隔离变压器的副边绕组的另一端和第三隔离变压器的副边绕组的另一端连接在一起。在该发明中，串联部分通过隔离变压器串入系统，不仅会增加系统成本，还会因为串联变压器的非线性特点影响upqc的性能。
6.公开号为cn215498282u的中国实用新型专利公开了一种变压器、upqc系统，变压
器包括：变压器本体；串联补偿抽头，该串联补偿抽头由变压器本体的高压侧绕组引出，用于将变压器本体的输出电压的调整至upqc需要的电压等级；变压器本体的高压侧呈y型连接，且通过串联侧变流器低通滤波电抗与直流母线上的串联侧变流器连接；变压器本体的低压侧呈δ型连接，且依次通过隔离变压器和并联侧变流器低通滤波电抗与直流母线上的并联侧变流器连接。该专利能够将串联侧直接接到电网的新型变压器的高压侧，通过调节新型变压器高压侧的分接头，把电压降低至串联变流器可接入电压。相对于传统upqc结构，该装置是通过一台新型变压器和三台隔离变压器取代了传统upqc结构中的三台降压变压器和串联变压器。该装置中存在隔离变压器，会因隔离变压器非线性特点影响upqc的性能。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的是提出一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑及控制方法，省去串联部分接入交流电网处的工频隔离变压器，通过一个额外的变压器绕组实现隔离，减小系统体积，降低系统成本，并且避免了串联部分接入交流电网处的工频隔离变压器的非线性特征对upqc性能的影响。
8.为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
9.一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑，单相upqc拓扑包括三绕组降压变压器、滤波电容、滤波电感、单相逆变器、单相整流器、直流支撑电容和电抗器；
10.三绕组降压变压器原边绕组的两个端子与输电网相连，副边两个绕组(α,β)的四个端子分别标记为v、z、t、y，滤波电容一端与单相逆变器输出端子o1相连，同时连接负荷，滤波电容另一端通过滤波电感连接单相逆变器输出端子o2，同时与三绕组降压变压器副边α绕组的v端子相连；α绕组的z端子与地相连；β绕组的t端子与单相整流器的输出端子o4相连；β绕组的y端子通过电抗器与单相整流器的输出端子o3相连；单相逆变器与单相整流器共用一个直流支撑电容。
11.进一步的，单相逆变器为单相全桥电路，滤波电容两端并联一个旁路开关s1，用于切除故障的单相逆变器。单相整流器为单相全桥电路，电抗器与β绕组的y端子连接处串联一个旁路开关s2，用于切除故障的单相整流器。
12.进一步的，单相逆变器和单相整流器中的电力电子器件为全控型开关器件。
13.本发明还提供了一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑的控制方法，控制方法的目的为控制三绕组降压变压器原边绕组电流与电压基波同相位，负荷电压为正弦交流电压，控制方法包括锁相环算法、负荷电流检波算法、指令电流生成算法、指令电压生成算法、逆变器电压控制算法；整流器电流控制及电容电压控制算法。
14.进一步的，控制方法包括以下步骤：
15.s1：锁相环算法对三绕组降压变压器原边或副边的电网电压进行锁相，得到电压相位基准sin(ωt)，为控制系统提供相位基准；
16.s2：负荷电流检波算法通过检测负荷电流中的有功、无功和谐波成分，为生成整流器电流指令提供依据；
17.s3：指令电流生成算法生成整流器的电流指令；
18.s4：指令电压生成算法生成逆变器的电压指令；
19.s5：逆变器电压控制算法用于实现逆变器输出电压的闭环控制；
20.s6：整流器电流控制及电容电压控制算法用于实现整流器输出电流的闭环控制，并维持直流侧电容电压稳定。
21.进一步的，负荷电流检波算法具体为：
22.负荷电流i
l
包含有功成分i
p
和无功及谐波成分i
qh
,其计算方法为：
[0023][0024]
将测量得到的负荷电流i
l
与锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)相乘，将有功电流转换为直流分量，同时将无功和谐波电流转换为交流分量，得到：
[0025][0026]
将上述信号经低通滤波器滤除交流分量，同时将剩余的直流分量扩大2倍便得到有功电流的幅值i
p
，该幅值与锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)相乘，得到负荷电流i
l
中的有功电流分量i
p
，总负荷电流i
l
剔除有功分量i
p
，得到无功及谐波分量之和i
qh
，进一步得到：
[0027][0028]
进一步的，指令电流生成算法具体为：
[0029]
依据上述负荷电流检波算法得到的无功及谐波分量之和i
qh
，结合三绕组降压变压器副边α绕组和β绕组变比(n
αβ
，n
β
)，可得到单相整流器输出的电流指令值i
cref
为：
[0030]icref
＝-i
qhnβ
/n
α
。
[0031]
进一步的，指令电压生成算法具体为：
[0032]
依据锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)和期望输出电压幅值uo可得到单相逆变器输出电压指令值u
cref
为：
[0033]ucref
＝uosin(ωt)-u
α
。
[0034]
进一步的，逆变器电压控制算法具体为：
[0035]
将单相逆变器输出电压指令值u
cref
与采样到的单相逆变器输出电压uc采样值进行比较，二者差值经闭环调节器处理，生成调制信号u1，将调制信号与三角载波比较，得到开关信号g1。
[0036]
进一步的，单相整流器电流控制及电容电压控制算法具体为：
[0037]
单相整流器直流侧电容电压指令值u
dcref
与直流侧电容电压u
dc
比较，其差值经闭环调节器处理，生成微调有功电流指令δi
p
，微调有功电流分量δi
p
折算到三绕组变压器副边β绕组后，加上电流指令值i
cref
便是最终整流器的输出电流指令值，整流器输出电流指令值与采样到的整流器输出电流ic比较，其差值经闭环调节器处理，生成调制信号u2，调制信号与三角载波比较，得到开关信号g2。
[0038]
与现有技术相比，本发明提供的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑及控制方法具有以下有益效果：
[0039]
电能质量控制技术的研究具有巨大的经济和社会效益，是电力研究领域中的一个热点。电压暂升、电压暂降、三相不平衡电压、谐波电压、无功电流、谐波电流、不平衡电流等电能质量问题的危害日趋严重。但目前现有的装置大都以并联或串联的方式接入系统，且只能解决部分电能质量问题。
[0040]
统一电能质量控制器upqc包括并联部分和串联部分，其中串联部分用于解决电压问题，具备dvr、dups功能；并联部分用于解决电流问题，具备d-statcom、apf功能。两部分既可以解耦后独立运行实现各自功能，又可以联合运行实现统一的综合功能。
[0041]
正是因为upqc在电力系统内的重要地位，对upqc的优化和改进相关的技术层出不穷，改进的出发点和落脚点也不尽相同，比如公开号为cn201210015325.8的中国发明专利公开一种基于mmc的三相upqc拓扑电路，主要解决了大容量统一电能质量控制器接入高压系统时，造成设备体积大生产成本高的问题，没有考虑用其他器件替代隔离变压器；又如公开号为cn103280798a的中国发明专利，公开了一种用于负荷增容的upqc拓扑电路及控制调节方法，主要解决了负荷增加到超过隔离变压器额定电流的时，upqc失去作用的问题的问题，该专利也没有对隔离变压器做改进或者去除。
[0042]
由此可见，upqc内有隔离变压器已经被很多本领域技术人员认为是必要的，尽管隔离变压器的存在会在一定程度上影响upqc的性能，也就是说本领域技术人员不容易想到去掉隔离变压器，所以本专利中发明人提出的“用一个额外的变压器绕组实现隔离，减小系统体积，降低系统成本，避免了串联部分接入交流电网处的工频隔离变压器的非线性特征对upqc性能的影响”是不易想到的。
[0043]
另外，本发明提供的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑，与传统单相upqc拓扑相比，具有工频变压器数量少、开关管电压应力低等优点。工频变压器数量方面，本发明仅需要增加一个额外的绕组实现隔离，省掉了体积较大、成本较高的工频隔离变压器；开关管电压应力方面，通过设置三绕组降压变压器副边β绕组变比，可以降低单相整流器开关管的电压应力。
[0044]
在取得上述优势的前提下，本发明还具有高可靠性的优点，体现在当变流器发生故障并从电路中切除时，本发明的单相upqc拓扑仍然可以通过三绕组降压变压器副边α绕组对负荷供电，仍可保证负荷的正常工作。
附图说明
[0045]
图1为本发明提供的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑结构图；
[0046]
图2为本发明提供的无串联隔离变压器的单相upqc控制方法框图；
[0047]
图3为负荷电流检波算法和指令电流生成算法的一体化控制框图；
[0048]
图4为指令电压生成算法和逆变器电压控制算法的一体化控制框图；
[0049]
图5为整流器电流控制及电容电压控制算法控制框图；
[0050]
图6、图7为本发明的仿真结果；
[0051]
其中，图6子图(a)为电网电压ug，子图(b)为电网电流ig，子图(c)为负荷电压u
l
，子图(d)为负荷电流i
l
，子图(e)为直流侧电容电压u
dc
；图7子图(a)为逆变器指令电压u
cref
，子
图(b)为逆变器输出电压uc，子图(c)为整流器指令电流i
cref
，子图(d)为整流器输出电流ic。
具体实施方式
[0052]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0053]
本发明的内容包括一种无串联隔离变压器的单相upqc拓扑和控制方法两个部分。
[0054]
本发明提出的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑如图1所示，包含1台三绕组降压变压器、1个滤波电容、1个滤波电感、1个单相逆变器、1个单相整流器、1个直流支撑电容和1个连接电抗器。三绕组降压变压器原边绕组的两个端子与输电网相连，副边两个绕组(α,β)的四个端子分别标记为v、z、t、y。滤波电容一端与单相逆变器输出端o1相连，同时连接负荷。滤波电容另一端通过滤波电感连接单相逆变器输出端子o2，同时与三绕组降压变压器副边α绕组的v端子相连；α绕组的z端子与地相连；β绕组的t端子与单相整流器的输出端子o4相连；β绕组的y端子通过电抗器与单相整流器的输出端子o3相连；单相逆变器与单相整流器共用一个直流支撑电容。
[0055]
滤波电容两端并联一个旁路开关s1，用于切除故障的单相逆变器。电抗器与β绕组的y端子连接处串联一个旁路开关s2，用于切除故障的单相整流器。
[0056]
在一些优选的实施例中，单相逆变器为单相全桥电路，单相整流器为单相全桥电路，包括四个开关器件，四个开关器件两两串联后并联形成全桥，直流支撑电容c与全桥电路并联连接，单相逆变器和单相整流器中的电力电子开关器件为全控型开关器件。开关器件不局限于igbt，也可以是mosfet等其他全控型开关器件。
[0057]
电流和电压的参考方向如图1所示。ig为电网侧电流；ug为电网侧电压；(u
α
,i
α
)为三绕组降压变压器副边α绕组的电压和电流；(u
β
,ic)为三绕组降压变压器副边β绕组电压和电流；(n
α
,n
β
)分别为三绕组降压变压器副边α绕组、β绕组的变比；uc为滤波电容两端电压；(ul,i
l
)为负荷电压和电流。
[0058]
为了便于理解，对本发明提供的拓扑的工作原理进行详细阐述。单相upqc的控制目标是控制电网侧电流与电网侧电压基波同相位，负荷电压为正弦交流电压。为了实现该目标，单相逆变器输出电压uc和单相整流器输出电流ic需满足特定的条件，这些特定条件可用反推法求得。假定电网侧电流ig与电网侧电压ug基波同相位，负荷电压u
l
为正弦交流电压。则三绕组降压变压器副边β绕组电流ic表达式为：
[0059][0060]
其中，负荷电流i
l
包含有功成分i
p
和无功及谐波成分i
qh
,其计算方法为：
[0061][0062]
因此，单相逆变器期望输出电压u
cref
等于负荷电压u
l
与三绕组降压变压器副边α绕组的电压u
α
之差。其表达式为
[0063]ucref
＝uosin(ωt)-u
α
＝uosin(ωt)-n
α
ug[0064]
单相整流器期望输出电流i
cref
等于负荷电流i
l
中需要补偿的无功及谐波成分i
qh
折算到三绕组降压变压器副边β绕组后的电流。其表达式为
[0065]icref
＝-i
qhnβ
/n
α
。
[0066]
本发明还提供一种无串联隔离变压器的单相upqc的控制方法。
[0067]
本发明提出的无串联隔离变压器的单相upqc的控制方法框图如图2所示。
[0068]
控制方法的目的为控制三绕组降压变压器原边绕组电流与电压基波同相位，负荷电压为正弦交流电压，控制方法包括锁相环算法、负荷电流检波算法、指令电流生成算法、指令电压生成算法、逆变器电压控制算法；整流器电流控制及电容电压控制算法。
[0069]
控制方法包括以下步骤：
[0070]
s1：锁相环算法对三绕组降压变压器原边或副边的电网电压进行锁相，得到电压相位基准sin(ωt)，为控制系统提供相位基准；
[0071]
s2：负荷电流检波算法通过检测负荷电流中的有功、无功和谐波成分，为生成整流器电流指令提供依据；
[0072]
s3：指令电流生成算法生成整流器的电流指令；
[0073]
s4：指令电压生成算法生成逆变器的电压指令；
[0074]
s5：逆变器电压控制算法用于实现逆变器输出电压的闭环控制；
[0075]
s6：整流器电流控制及电容电压控制算法用于实现整流器输出电流的闭环控制，并维持直流侧电容电压稳定。
[0076]
接下来将对负荷电流检波算法、指令电流生成算法、指令电压生成算法、逆变器电压控制算法、整流器电流控制及电容电压控制算法的工作原理进行详细阐述。
[0077]
1)负荷电流检波算法
[0078]
负荷电流i
l
包含有功成分i
p
和无功及谐波成分i
qh
,其详细表达式可写为：
[0079][0080]
为了检测其中的有功成分，将采样得到的负荷电流i
l
与锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)相乘，将有功电流转换为直流分量，同时将无功和谐波电流转换为交流分量。详细数学运算表达式可写为
[0081]
[0082][0083]
将上述信号经低通滤波器滤除交流分量，同时将剩余的直流分量扩大2倍得到有功电流的幅值i
p
。该幅值与锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)相乘，得到负荷电流i
l
中的有功电流分量i
p
。总负荷电流i
l
剔除有功分量i
p
，得到无功及谐波分量之和i
qh
。相关表达式可写为：
[0084][0085]
2)指令电流生成算法
[0086]
依据上述负荷电流检波算法得到的无功及谐波分量的和i
qh
，结合三绕组降压变压器副边α绕组和β绕组变比(n
α
，n
β
)，得到单相整流器输出的电流指令值i
cref
表达式为：
[0087]icref
＝-i
qhnβ
/n
α
。
[0088]
3)指令电压生成算法
[0089]
依据锁相环提供的电压相位基准sin(ωt)和期望的输出电压幅值uo可得到单相逆变器输出电压指令值u
cref
为：
[0090]ucref
＝uosin(ωt)-u
α
。
[0091]
4)逆变器电压控制算法
[0092]
单相逆变器需施加闭环控制算法促使输出电压跟随指令电压。逆变器输出电压指令值u
cref
与采样到的逆变器输出电压uc比较，其差值经闭环调节器处理，生成调制信号u1。将调制信号与三角载波比较，得到开关信号g1；
[0093]
5)整流器电流控制及电容电压控制算法
[0094]
单相整流器需施加闭环控制算法促使输出电流跟随指令电流，同时维持电容电压稳定。将整流器直流侧电容电压指令值u
dcref
与直流侧电容电压采样值u
dc
比较，差值经闭环调节器处理，生成微调有功电流指令δi
p
。微调有功电流分量δi
p
折算到三绕组变压器副边β绕组后，加上电流指令值i
cref
得到最终整流器的输出电流指令值。将整流器输出电流指令值与采样到的整流器输出电流ic比较，差值经闭环调节器处理，生成调制信号u2。将调制信号与三角载波比较，得到开关信号g2。
[0095]
接下来通过对具体实施例的仿真来论证本发明的可行性及优越性。
[0096]
按照本发明提出的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑，构建一个单相upqc，包含1台三绕组降压变压器、1个滤波电容、1个滤波电感、1个单相全桥逆变电路、1个单相全桥整流电路、1个直流支撑电容和1个电抗器。参照图1的电路结构和图2至图5的控制框图进行电路及控制算法构建。
[0097]
基于以上配置，本发明在matlab/simulink中搭建了仿真模型。电网侧电压基波有效值为同时串联3次、5次、7次谐波电压源模拟电网侧电压谐波，负荷使用电阻与电感串联。具体的仿真参数如下表所示。
[0098][0099][0100]
图6、图7为本发明的仿真结果；其中，图6子图(a)为电网电压ug，子图(b)为电网电流ig，子图(c)为负荷电压u
l
，子图(d)为负荷电流i
l
，子图(e)为直流侧电容电压u
dc
；图7子图(a)为逆变器指令电压u
cref
，子图(b)为逆变器输出电压uc，子图(c)为整流器指令电流i
cref
，子图(d)为整流器输出电流ic。
[0101]
由图6可以看出，在电网电压ug波形存在畸变的情况下，通过单相逆变器进行谐波电压补偿，负荷电压u
l
呈良好的正弦交流波形。通过单相整流器进行无功电流补偿，实现电网电压基波与电网电流同相位。
[0102]
由图7可以看出，谐波电压检测值和实际补偿量相等，说明逆变器对电网电压暂升、暂降和谐波分量具有良好的补偿效果。同时，负荷无功电流检测值和实际补偿量相等，说明整流器对负载电流中的基波无功分量具有良好的补偿效果。
[0103]
在0.5s时刻之后，电网电压幅值升高10％，负荷电压仍能较好地保持在额定值附近，证明了该模型具有良好的动态性能。整个过程中能较好维持直流母线电压的稳定。仿真结果证明了本发明所提的无串联隔离变压器的单相upqc拓扑及控制方法的可行性及优越性。