无变压器式统一电能质量调节器及其调制方法和控制方法

本发明涉及低压配电网电压质量治理和电力电子，具体地，涉及一种无变压器式统一电能质量调节器及其调制方法和控制方法，同时涉及一种相应的调制系统和控制系统。

背景技术：

1、近年来，日趋严重的环境危机及不可再生化石能源短缺问题推进了能源消费结构的转变步伐，低压配电系统中不仅将大规模接入光伏、储能等分布式电源，也会广泛接入电动汽车充电桩/站、数据中心等大功率直流型负荷，其间歇性、不确定性、波动性的特点使得低压配电线路节点电压容易出现频繁波动、越限等问题，对区域用户的供电质量和新型源荷消纳接入能力造成不利影响，低压配电网在电压控制方面面临巨大挑战。因此，电压质量的治理和控制成为当今研究热点。

2、面对低压配电线路电压质量问题，当前使用的调压手段或设备包括：1)传统调压方案：采用有载调压变压器(on load tap changer，oltc)，该方法成本低、控制简单，但存在动作时延且不能频繁调节；2)无功调压方案：采用静止无功发生器(static vargenerator,svg)等无功补偿装置，但调节性能受线路较高的r/x阻感比特性限制；3)有功调压方案：通过削减分布式能源出力或配置储能装置，但经济性较差；4)柔性有载调压方案：①采用全功率背靠背型vsc，但成本高且效率低。②采用动态电压恢复器(dynamic voltagerestorer,dvr)或统一电能质量调节器(unified power qual ity conditioner,upqc)，能够有效改善电压质量，但变压器的存在使得装置成本高、体积大、占地面积大等缺点。因此，有必要研究一种新型无变压器式的统一电能质量调节器拓扑结构。

3、经过检索发现：

4、公开号为cn109980949a的中国发明专利申请《一种基于软开关电路的统一电能质量调节器》，输入侧由三个半桥桥臂组成三相变流器电路，通过lc滤波器和变压器与三相电网串连，输出侧由另外三个半桥桥臂组成三相变流器，通过输出滤波电感与负载端的电网并连，每个半桥桥臂由上下串联的两个主开关管组成；在六个半桥桥臂的正、负公共母线之间接入由辅助开关管、箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关管和辅助开关管两端并联谐振电容。本发明将辅助开关管与主开关管的驱动脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关管的零电压开通。但是该调节器虽然能够在每个开关周期内实现所有开关管的零电压开通，提高电路效率并提升系统功率密度，但仍然不可避免地使用了三相变压器，存在装置成本高、体积大、占地面积大的缺点。

5、公开号为cn115065054a的中国发明专利申请《一种三相统一电能质量调节器upqc控制方法》，获取系统调制参数，设置有源矢量；根据有源矢量合成虚拟矢量；将虚拟矢量和有源矢量分布设置在不同的扇区内；分别计算不同扇区内的虚拟矢量的作用时间和有源矢量的作用时间；根据虚拟矢量的作用时间和有源矢量的作用时间输出pwm信号控制电能质量调节器工作；本发明通过控制统一电能质量调节器的虚拟矢量作用序列和虚拟矢量作用时间，有效抑制了统一电能质量调节器直流母线电感电流纹波。但是该控制方法仅适用于两电平变换器构成的三相统一电能质量调节器svpwm调制，对于三电平变换器并不适用。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种无变压器式统一电能质量调节器及其调制方法和控制方法。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种无变压器式统一电能质量调节器，包括：三相调节器子结构，其中每一相所述调节器子结构均包括：anpc三电平变流器以及与所述anpc三电平变流器连接的输出半桥模块；其中：

3、所述输出半桥模块，包括：2个串联连接的开关管sx7和sx8，形成的串联结构的中点作为所述输出半桥模块的输出交流端口，用于与配电线路的负载侧串联，形成的串联结构的两端作为所述输出半桥模块的输入端；

4、所述anpc三电平变流器，包括：6个开关管sx1～sx6其中，开关管sx1、sx2、sx3和sx4串联连接，形成的串联结构的两侧作为直流端口分别连接直流侧上下两个公共连接点，形成的串联结构的串联中点连接直流侧公共连接中点，形成的串联结构的另外2个串联点与一个由开关管sx5和sx6串联构成的输出半桥结构，所述开关管sx5和sx6的串联中点作为所述anpc三电平变流器的输入交流端口，用于与配电线路的电源侧串联；直流侧上公共连接点与公共连接中点之间以及公共连接中点与下公共连接点之间分别连接三相共用的第一直流电容cdc1和第二直流电容cdc2，用于提供直流侧电压；

5、其中，x为a、b和c，分别表示三相中的a相、b相和c相。

6、优选地，所述输入交流端口的电压被电源侧钳位，通过调节电源侧提供的交流电流，从而调节电源侧提供的有功功率及无功功率，实现所述直流端口电压的稳定；所述输出交流端口为负载侧提供稳定且恒定的交流电压，通过调节所述输出交流端口的交流电压幅值和相位，实现对电压的补偿。

7、根据本发明的第二个方面，提供了一种用于本发明上述中任一项所述的无变压器式统一电能质量调节器的调制方法，采用三电平svpwm调制方式，对所述调节器的输入交流端口和输出交流端口的开关管进行控制，使得两个端口的电压矢量具有相同的相位，包括：

8、将两个端口的参考电压矢量由abc坐标系变换到αβ坐标系，得到αβ坐标系下的参考电压分量；

9、根据得到的αβ坐标系下的参考电压分量，提取出参考电压分量的幅值及相位角，并根据相位角及三电平svpwm调制方式的扇区划分原则，判断当前参考电压分量所位于大扇区的编号；

10、根据确定后的参考电压分量所在的大扇区，进一步判断参考电压分量所在的小扇区的编号；

11、根据小扇区编号所获得的两个端口的参考电压分量的具体位置，计算相应小扇区内电压矢量的作用时间；

12、确定每个大扇区的各个小扇区内电压矢量的作用顺序；

13、根据电压矢量作用时间及作用顺序，计算三相调制波的值；

14、将计算得到的三相调制波的值分别与幅值在0～1与-1～0、频率为开关频率的正负载波进行比较，得到输入交流端口和输出交流端口的pwm波；

15、根据得到的相应pwm波分别对输入交流端口和输出交流端口的开关管进行控制，使得两个端口的电压矢量具有相同的相位。

16、根据本发明的第三个方面，提供了一种用于本发明上述中任一项所述的无变压器式统一电能质量调节器的调制系统，在所述调节器的输入交流端口和输出交流端口均采用三电平svpwm调制方式，使得两个端口的电压矢量具有相同的相位，包括：

17、clarke变换模块，该模块用于将两个端口的参考电压矢量由abc坐标系变换到αβ坐标系，得到αβ坐标系下的参考电压分量；

18、大扇区判断模块，该模块用于根据得到的αβ坐标系下的参考电压分量，提取出参考电压分量的幅值及相位角，并根据相位角及三电平svpwm调制方式的扇区划分原则，判断当前参考电压分量所位于大扇区的编号；

19、小扇区判断模块，该模块用于根据确定后的参考电压分量所在的大扇区，进一步判断参考电压分量所在的小扇区的编号；

20、作用时间计算模块，该模块用于根据小扇区编号所获得的两个端口的参考电压分量的具体位置，计算相应小扇区内电压矢量的作用时间；

21、时间逻辑排序模块，该模块用于确定每个大扇区的各个小扇区内电压矢量的作用顺序；

22、调制波计算模块，该模块用于根据电压矢量作用时间及作用顺序，计算三相调制波的值；

23、载波比较生成pwm模块，该模块用于将计算得到的三相调制波的值分别与幅值在0～1与-1～0、频率为开关频率的正负载波进行比较，得到输入交流端口和输出交流端口的pwm波；

24、开关管控制模块，该模块用于根据得到的相应pwm波分别对输入交流端口和输出交流端口的开关管进行控制，使得两个端口的电压矢量具有相同的相位。

25、根据本发明的第四个方面，提供了一种用于本发明上述中任一项所述的无变压器式统一电能质量调节器的控制方法，包括：

26、提供一输入交流端口电压电流双闭环控制策略，用于控制输入交流端口电流dq轴分量等于参考值igd*和igq*，并使电源侧功率因数为1，通过该输入交流端口电压电流双闭环控制策略，得到输入交流端口svpwm调制所需的三相参考电压；

27、提供一输出交流端口电压开环控制策略，通过该输出交流端口电压开环控制策略，使输出交流端口电压矢量的幅值等于参考值uld*，输出交流端口电压矢量的相位等于输入交流端口电压矢量的相位，得到输出交流端口svpwm调制所需的三相参考电压；

28、提供一直流侧中点电位平衡控制策略，通过该直流侧中点电位平衡控制策略，控制注入调制波的零序电压，进而控制中点电流使得中点电位不发生偏移。

29、根据本发明的第五个方面，提供了一种用于本发明上述中任一项所述的无变压器式统一电能质量调节器的控制系统，包括：

30、输入交流端口电压电流双闭环控制模块，该模块用于控制输入交流端口电流dq轴分量等于参考值igd*和igq*，并使电源侧功率因数为1，得到输入交流端口svpwm调制所需的三相参考电压；

31、输出交流端口电压开环控制模块，该模块用于使输出交流端口电压矢量的幅值等于参考值uld*，输出交流端口电压矢量的相位等于输入交流端口电压矢量的相位，得到输出交流端口svpwm调制所需的三相参考电压；

32、直流侧中点电位平衡控制模块，该模块用于控制注入调制波的零序电压，进而控制中点电流使得中点电位不发生偏移。

33、由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

34、本发明提供的无变压器式统一电能质量调节器及其调制方法和控制方法，与现有的电压调节装置相比，拓扑中不含工频变压器，而采用三电平变流器拓展端口的形式实现电压的调节，因此具有成本更低、体积更小、占地面积更小、损耗更低等优点。

35、本发明提供的无变压器式统一电能质量调节器及其调制方法和控制方法，与现有的单矢量svpwm调制方法相比，结合所述无变压器式统一电能质量调节器的双端口(输入交流端口和输出交流端口)特性，通过合成2个同相位参考电压矢量，适应拓扑本身的双端口特性，同时能够输出两个同相位的参考电压矢量，实现对配电网线路电压的调节。