一种户用电能质量综合抗扰装置及其控制方法与流程

本发明属于电能质量控制领域，具体为一种户用电能质量综合抗扰装置及其控制方法。

背景技术：

1、随着能源互联网的大力发展，光伏和风电等新能源大规模并网，电网负荷结构发生了重大变化，大量非线性负荷、冲击性负荷以及大功率负荷接入电网，使得电能质量问题日益严重，严重影响了居民的日常生产生活。因此，有效改善居民用户入户端的电能质量问题十分必要。

2、居民用户入户端的电能质量问题有两方面来源，一方面，配网侧电能质量问题，如：电网侧电压突增突减，电网侧电压谐波与无功等问题；另一方面，各类居民家用电器的广泛应用，使用户侧谐波与无功问题更加突出。现有的电能质量治理技术包括：无功补偿与谐波治理，典型电能质量治理装置有动态电压恢复器(dvr)、有源电力滤波器(apf)、静止无功发生器(svg)等。现有技术存在的缺陷为：(1)现有的装置功能单一，只能单独治理一项或两项典型电能治理问题，比如单独治理无功或谐波，无法两者兼顾；(2)当前电能质量综合治理装置未考虑弱电网(如：居民侧电网)特性导致的电网谐振问题。

3、如中国专利申请cn111193264a提出一种电能质量治理综合控制方法，通过实时监测电力系统中电压和电流的变化，采集当前时刻的电压波形和电流波形，通过离散傅里叶变换计算出电流分量，即基波电流、2～50次的谐波电流分量，然后结合电压计算出无功功率、有功功率、视在功率、功率因数、各次谐波电压及畸变率、各次谐波电流及波畸变率这些电力参数，并设置有无功补偿、谐波消除、混合补偿三种补偿模式。但是该发明方案没有考虑弱电网侧特性导致的电网谐振问题。

4、综上，虽然现有技术中各类无功补偿及谐波治理设备，能够解决一定程度上的电能质量问题，但是这些装置功能单一、安装上较为复杂、没有考虑弱电网特性导致的电网谐振问题且无法适应当前的电能质量治理的需要。

5、随着新能源大量并网也使得电网越来越表现出弱电网特性，即含有较大的电网阻抗和丰富的电网电压背景谐波。在具有高阻抗的弱电网情况下，并网装置与电网之间会形成一个动态的互联系统，电网阻抗与并网装置相互影响，产生谐振振荡问题，而电网电压背景谐波会引起并网电流的畸变，使其无法满足并网电流谐波标准。针对电气特性复杂的弱电网，如何设计出能够确保户用电能质量综合抗扰装置可靠地接入弱电网并能实现电能质量治理功能的控制方法具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术中各类无功补偿及谐波治理设备功能单一、安装上较为复杂、没有考虑弱电网特性导致的电网谐振，且无法适应当前的电能质量治理的需要的问题，本发明提供一种户用电能质量综合抗扰装置及其控制方法，该装置可实现居民侧电能质量治理，并能同时治理电网侧与用户侧的电能治理问题，并且可在弱电网条件下稳定运行。

2、为了解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种户用电能质量综合抗扰装置，包括电网补偿模块、负载补偿模块、电网接入模块、控制系统；

4、弱电网侧通过电网接入模块与负载侧相连；

5、电网补偿模块与负载补偿模块通过直流母线电性相连；

6、所述电网补偿模块串联接入电网接入模块，所述负载补偿模块并联接入电网接入模块；

7、所述控制系统连接电网补偿模块、负载补偿模块、电网接入模块，控制各个模块工作，实现所述抗扰装置的不同工作模式，包括电网补偿模式、负载补偿模式、综合修复模式。

8、所述电网补偿模式是指当控制系统检测到弱电网侧电能质量问题时，控制系统输出驱动信号，控制电网补偿模块向电网侧发送电压补偿信号；

9、所述负载补偿模式是指当控制系统检测到负载侧电能质量问题时，控制系统输出驱动信号，控制负载补偿模块在负载侧发送电流补偿信号；

10、所述综合修复模式是指当控制系统检测到弱电网侧与负载侧均存在电能质量问题时，同时控制电网补偿模块和负载补偿模块同时实现对应的电压补偿和电流补偿。

11、本发明进一步包括以下优选方案。

12、所述电网补偿模块包括由第一功率半导体开关构成的第一h桥电路、第一滤波电感、第一滤波电容、第一直流侧电容与第一驱动电路；所述第一h桥电路一端与所述第一滤波电感和第一滤波电容相连，另一端与第一直流侧电容相连，电网侧出现电能质量问题时，所述第一驱动电路接收控制系统输出的控制信号用于驱动第一h桥电路此时处于逆变工作状态，向电网侧发送与需补偿部分大小相等方向相反的电压信号，实现电网侧电能质量管理。

13、所述负载补偿模块包括由第二功率半导体开关组成的第二h桥电路、第二滤波电感、第二滤波电容、第二直流侧电容与第二驱动电路；所述第二h桥电路一端与所述第二滤波电感和第二滤波电容相连，另一端与所述储能电容相连；当负载侧出现电能质量问题时，所述第二驱动电路接收控制系统输出的控制信号驱动第二h桥电路此时处于可逆工作状态，向负载侧发送与需补偿部分大小相等方向相反的电流信号，实现电网侧电能质量管理。

14、所述控制系统包括采样信号处理单元、电网侧闭环控制单元、电网侧调制波生成单元、电网侧谐振检测单元、电网侧谐振保护单元、电网侧spwm单元、负载侧闭环控制单元、负载侧调制波生成单元、负载侧谐振检测单元、负载侧谐振保护单元、有源阻尼单元、负载侧spwm单元；

15、所述采样信号单元采集弱电网侧电压vs、电网侧补偿后电网电压vc、电网侧补偿后电网电流ic、电网补偿模块补偿电流if1、负载补偿模块补偿电流if2；

16、电网侧谐振检测单元根据弱电网侧电压vs判断是否存在电网谐振，电网侧补偿后电网电压vc经过αβ-dq坐标变换后输入至电网侧闭环控制单元，经过闭环控制后输出电网侧应补偿的电压值至电网侧调制波生成单元，由电网侧调制波生成单元加上电网补偿模块的补偿电流，以及前馈电压即电网侧补偿后电网电压生成调制波信号，电网侧spwm单元根据调制波信号生成脉宽调制信号至第一驱动电路；

17、负载侧谐振检测单元根据电网侧补偿后电网电压vc判断负载侧是否存在谐振，电网侧补偿后电网电流ic经过αβ-dq坐标变换后提取的有功分量icd输入至负载侧闭环控制单元，经过闭环控制后输出负载侧应补偿的电流值至负载侧调制波生成单元，由负载侧调制波生成单元生成调制波信号输入至负载侧spwm单元，负载侧spwm单元生成脉宽调制信号至第二驱动电路。

18、将弱电网侧电压vs输入至锁相电路，得到电网电压初始相位θ，将电网电压初始相位θ作为电网侧补偿后电网电压vc在αβ-dq坐标变换中的电压基波初始相位值。

19、当电网侧谐振检测单元判断电网侧存在谐振时，则电网侧谐振保护单元生成的电网侧谐振保护信号pr为低电平，传输至电网侧spwm单元封锁脉冲；

20、若判断电网侧无谐振，则电网侧谐振保护单元生成的电网侧谐振保护信号pr为高电平，不封锁脉冲；

21、电网侧spwm单元同时接受调制波vf1-pwm、电网侧谐振保护信号pr，采用双极性调制生成脉宽调制信号。

22、负载侧闭环控制单元将icd通过低通滤波器乘以基波分量作为负载侧指令电流，电网侧补偿后电网电流ic与负载侧指令电流作比较通过pi控制器输出作为负载侧补偿的有功给定值ld；

23、在负载侧闭环控制单元内设定一个直压给定值，电网补偿模块与负载补偿模块之间的直流电压与直压给定值作比较通过pi控制器输出直流侧电压控制信号ih；

24、负载侧补偿的有功给定值ld与直流侧电压控制信号ih相加组成负载侧闭环控制单元输出信号ild作为应补偿的电流值。

25、负载侧谐振检测单元判断负载侧存在谐振时，则通过有源阻尼单元输出有源阻尼单元输出信号ipcd至负载侧调制波生成单元；

26、在所述负载侧调制波生成单元中，将负载侧闭环控制单元输出信号ild与负载侧与负载补偿模块补偿电流相加后，再加上有源阻尼单元输出信号ipcd以及前馈电压即电网侧补偿后电网电压，生成负载侧补偿电流if1-pwm。

27、一种基于所述综合抗扰装置的户用电能质量综合抗扰控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

28、步骤1、在每个采样周期内，控制系统采集的弱电网侧电压vs、电网侧补偿后电网电压vc、电网侧补偿后电网电流ic、以及电网补偿模块补偿电压vo、电网补偿模块补偿电流if1、负载补偿模块补偿电流if2，并对采集信号进行预处理；

29、步骤2、控制系统根据采集信号判断电网侧、负载侧是否存在电能质量问题；

30、当只有电网侧存在电能质量问题时，则进入步骤3；

31、当只有负载侧存在电能质量问题时，则进入步骤4；

32、当电网侧和负载侧同时存在质量问题时，则进入步骤5；

33、步骤3、控制系统根据弱电网侧电压vs信号和电网侧谐振信号，生成电网侧脉宽调制信号至第一驱动电路，控制控制电网补偿模块串联在电压接入模块中，向电网侧发送电压补偿信号，使综合抗扰装置工作在电网补偿模式；

34、步骤4、控制系统根据电网侧补偿后电网电流ic信号和负载侧谐振信号，生成负载侧脉宽调制信号至第二驱动电路，控制负载补偿模块并联接入电网接入模块，向负载侧发送电流补偿信号，使综合抗扰装置工作在负载补偿模式；

35、步骤5、控制系统同时控制电网补偿模块向电网侧发送电压补偿信号，以及控制负载补偿模块向负载侧发送电流补偿信号，使综合抗扰装置工作在综合修复模式。

36、在步骤1中，所述预处理包括对采集数据的异常数据剔除、缺失数据插值、和归一处理。

37、在步骤3中，具体包括：

38、3.1、将步骤1中处理后得到的弱电网侧电压信号输入spll锁相环中进行处理，得到电网电压初始相位θ，对电网侧补偿后电网电压vc信号进行αβ-dq坐标变换，并将坐标变换后的有功分量vcd、无功分量vcq传输至电网侧闭环控制单元；3.2、在电网侧闭环控制单元中，将vcd的给定值设为其有效值，vcq的给定值设为0，然后将vcd、vcq分别与其给定值比较，经过pi控制器输出电网侧补偿的有功给定值vfd和无功给定值vfq；

39、3.3、电网侧谐振检测单元对采集到的弱电网侧电压vs信号进行分析，判断电网侧是否存在谐振，若存在谐振，则电网侧谐振检测单元输出谐振指示信号vpcc，否则谐振指示信号vpcc取值为0；

40、3.4、当电网侧谐振检测单元输出的vpcc信号不为0时，电网侧谐振保护单元模块输出的保护信号pr为低电平保护信号，传输至电网侧spwm单元封锁脉冲输出否则输出的保护信号pr为高电平信号，不封锁spwm输出；

41、3.5、电网侧调制波生成单元根据电网侧闭环控制单元输出的有功给定值vfd和无功给定值vfq以及前馈电压生成电网补偿调制信号vf1-pwm；

42、3.6将vf1-pwm与保护信号pr相加后输入电网侧spwm单元生成电网侧脉宽调制信号至电网补偿模块中的第一驱动电路。

43、13.根据权利要求12的户用电能质量综合抗扰控制方法，其特征在于：

44、在步骤4中，具体包括：

45、4.1、将步骤1中处理后得到的电网侧电流ic信号进行αβ-dq坐标变换，，将坐标变换后的有功分量icd、无功分量icq传输至负载侧闭环控制单元；

46、4.2、在负载侧闭环控制单元中，将icd的给定值设为其有效值，icq的给定值设为0，然后将icd、icq分别与其给定值比较，经过pi控制器输出负载侧有功补偿给定值id和无功补偿给定值iq；

47、4.3、负载侧谐振检测单元对采集到的vc信号进行分析，判断负载侧是否存在谐振，若存在谐振，则负载侧谐振检测单元输出谐振指示信号vpcc，否则谐振指示信号vpcc取值为0；

48、4.4、当负载侧谐振检测单元输出的vpcc信号不为0时，负载侧谐振保护单元输出的保护信号pr为低电平，否则为高电平不封锁；

49、4.5、负载侧调制波生成单元根据id、iq以及前馈电流生成负载补偿调制信号if1-pwm；

50、4.6、将if1-pwm与pr相加后输入负载侧spwm单元生成负载侧脉宽调制信号至负载补偿模块中的第二驱动电路。本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本技术公开了一种户用电能质量综合抗扰装置及其控制方法，优点主要体现在：该装置可同时、高效、动态、实时治理用户入户端的电能质量问题，如：低电压、无功、谐波等问题，有效解决电压跌落与偏高问题；同时通过对装置控制方法的创新，能够在使得装置保证电能质量补偿效果的前提下，在弱电网条件下稳定可靠地长时间运行。