一种upqc拓扑结构及控制方法
1.本发明申请是基于申请人于2020年4月22日提交的中国专利号202010322062x，专利名称“一种统一电能质量调节器控制方法”所提出的分案申请。
技术领域
2.本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及配电网电能质量控制技术。
背景技术：3.随着现代社会的高速发展，精密仪器与敏感用户逐渐增多，对供电质量要求大幅度提高；与此同时随着近些年智能电网的迅速发展，大量像电力电子设备和异步电动机之类的设备接入电网当中，使得谐波与无功问题与日俱增。配电网瞬时故障导致的电压升降以及电压电流谐波问题严重影响了电力应用的安全性与可靠性，甚至造成了大量的经济损失。统一电能质量调节器(upqc)将串联式有源电力滤波器(apf)和并联式有源电力滤波器(dvr)通过直流母线耦合，从而同时解决电压和电流方面的电能质量问题。
4.传统的upqc由并联与串联两个apf组成，根据串联侧与并联侧的位置划分为“左并右串”与“左串右并”两种结构。
5.近些年来，国内外学者对传统的upqc的拓扑进行了不同程度上的改进，例如，在期刊《电工技术学报》2016年1月，第31卷，第2期，第215-220页刊登“一种串联侧三相解耦型统一电能质量控制器”一文(作者王浩,刘进军等)提出了一种新拓扑结构的mmc-upqc，该mmc-upqc串联侧可补偿包含负序和零序分量的不平衡电压暂升/暂降，并可降低流经串联侧变换器的交流电流，从而提高系统的安全性和可靠性。专利号为cn103280798a的中国专利提出一种用于负荷增容的拓扑电路及控制调节方法，使负荷容量增容改造以后,还能充分利用的补偿功能而不至于由于电流超标而使装置退出运行。上述拓扑依旧没有跳出传统upqc的结构，此种结构的特点为实时补偿性，为此需要大容量的直流母线，从而会使成本大幅度升高。
6.基于传统拓扑结构的upqc实时补偿而导致成本高的问题，如图1所示，一种旨在降低成本的同时又能满足电压要求的新型upqc被提出，同时，需要针对上述新型upqc拓扑提出其协调控制方法。
技术实现要素：7.为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题就是提供一种upqc拓扑结构及控制方法，从而能够在大幅度减少成本的情况下，满足电压需求。
8.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
9.一方面，提供了一种upqc拓扑结构，包括apf部分和dvr部分，所述apf部分包括二极管钳位式三电平变换器、中点接地式直流母线和低通滤波器，所述dvr部分包括三相桥式变换器、直流母线、低通滤波器和由双向二极管并联机械开关组成的高速开关，所述高速开关处于闭合状态时，此时配电网给负载供电，upqc负责滤除线路中的电流谐波，所述高速开
关处于断开状态时，此时upqc为提供与电网同频同相的电能。
10.另外一方面，提供了一种upqc控制方法，配合所述的upqc拓扑结构使用，通过检测线路中的电压有效值、电压谐波总畸变率和电流有效值，判断网侧是否出现问题，进而选择高速开关的状态，让upqc两部分进行投切，包括如下步骤：
11.步骤1：产生电流补偿信号和电压补偿信号，并根据电流补偿信号和电压补偿信号分别产生apf与dvr的控制信号；
12.步骤2：分别计算电源电压有效值、电源电压谐波总畸变率和线路电流值；
13.步骤3：将步骤2中计算得出的三个数值与设置的响应阀值进行比较，判断是否出现相关问题；
14.步骤4：根据步骤3中的判断结果，选择投切apf和dvr，如果系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个，则断开高速开关，停止apf输出，开始dvr输出，如果系统没有出现任何问题，则闭合高速开关，开始apf输出，停止dvr输出；
15.步骤1包括如下步骤：
16.步骤1.1：通过dq0法检测线路电流谐波获得电流补偿信号；
17.步骤1.2：对步骤1.1中获得的电流补偿信号，通过三角波比较法产生apf控制信号g
apf
；
18.步骤1.3：通过基于无功理论的方法追踪网测频率与相位，产生电压补偿信号；
19.步骤1.4：对1.3中获得的电压补偿信号，通过三角波比较法产生dvr控制信号g
dvr
；
20.步骤2包括如下步骤：
21.步骤2.1：电源电压有效值计算，将输入信号平方、过低通滤波器、乘以2和开方,得出电源电压有效值u
x
；
22.步骤2.2：电源电压谐波总畸变率计算，将输入信号分别求取有效值v
rms
、平均值v
dc
和傅里叶分解v
1rms
，将三者平方后用有效值的平方减去平均值的平方和傅里叶分解的平方，得到的数值开方后得到v
hrms
，最后用v
hrms
除以v
1rms
得出电源电压谐波总畸变率thd
x
；
23.步骤2.3：线路电流值计算，将输入信号平方、乘以频率、积分、将积分值向右平移一个周期，用积分值减去平移一个周期后的值和开方，得到线路电流值i
x
；
24.步骤3包括如下步骤：
25.步骤3.1：将u
x
与阀值u
min
进行比较，判断u
x
是否小于um，如果是则输出l
ux
＝“1”，否则输出l
ux
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到lu；
26.步骤3.2：将thd
x
与阀值thd
max
进行比较，判断thd
x
是否大于thd
max
，如果是则输出l
thdx
＝“1”，否则输出l
thdx
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到l
thd
；
27.步骤3.3：将i
x
与阀值i
min
进行比较，判断i
x
是否小于i
min
，如果是则输出l
ix
＝“1”，否则输出l
ix
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到li；
28.步骤4中，将步骤3中的3个结果信号与运算，获得最终判断结果l，如果l＝1，认为系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个；如果l＝0，认为系统没有出现任何问题。
29.优选的，通过锁相环pll获得电压角频率，三相电流i
a,b,c
，通过abc/dq0变化后获得id与iq，后经过低通滤波器lpf获得与后经过dq0/abc获得电流基波信号i
af,bf,cf
，用i
a,b,c
减去i
af,bf,cf
就能获得电流补偿信号i
ah,bh,ch
。
30.优选的，通过锁相环pll获得电压角频率，三相电压v
a,b,c
，通过park变换后获得vd与vq，后经过低通滤波器lpf后获得与后经过公式(1)计算获得a相电压正序初相角后经过公式(2)pwm调制波产生电压补偿信号v
af,bf,cf
，
[0031][0032][0033]
其中，v
cm
是载波峰值，u
om
是输出电压峰值，u
dc
是直流母线电压。
[0034]
优选的，电源电压有效值计算的理论依据为假设a相电压为
[0035][0036]
对两边进行平方并经过倍角公式转化后得到
[0037][0038]
优选的，所述低通滤波器滤波频率为50-100hz。
[0039]
优选的，电源电压谐波总畸变率计算的理论依据为thd定义
[0040][0041][0042]
优选的，电源电流有效值计算理论依据为有效值定义
[0043][0044]
取积分范围为一个电源周期，则t
n-t
n-1
＝t＝1/f＝1/50，由此公式(5)变为
[0045][0046]
变化后得到
[0047][0048]
所述频率为50hz，所述周期为0.02s。
[0049]
本发明采用上述技术方案，通过检测线路中的电压有效值、电压谐波总畸变率(thd)和电流有效值，判断网侧是否出现问题，进而选择高速开关的状态，让upqc两部分进行投切，从而实现电流滤波与电压支撑的功能，实现新型upqc的电能质量治理。
[0050]
因此，具有如下有益效果：
[0051]
传统upqc的补偿策略均为实时补偿方式，即电流有多少谐波就抵消多少，电压跌
落多少就补多少。这就意味着需要大容量直流母线来满足这种补偿策略，对于对电压直流要求不高的负载而言，这是不必要的。
[0052]
本发明upqc的补偿策略为交替补偿方式，其中apf部分与传统upqc别无二致，但是dvr部分为并不是实时补偿。由于负载对于电压要求不高，所以电压在负载所能允许的幅值内跌落时，dvr不进行补偿；当电压跌落超过允许幅值时，dvr投入，作为一个三相逆变器为负载供电。
[0053]
由于新型upqc的补偿策略不需要实时补偿，所以所需直流母线容量会降低，从而减少成本。
[0054]
本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。
附图说明
[0055]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：
[0056]
图1是本发明的一种新型upqc的控制方法所使用的拓扑结构。
[0057]
图2是本发明的一种新型upqc的控制方法的控制总流程图。
[0058]
图3是本发明的一种新型upqc的控制方法的电流补偿信号环节流程图。
[0059]
图4是本发明的一种新型upqc的控制方法的电压补偿信号环节流程图。
[0060]
图5是本发明的一种新型upqc的控制方法的投切总流程图。
[0061]
图6是本发明的一种新型upqc的控制方法的相关数值计算流程图。
[0062]
图7是本发明的一种新型upqc的控制方法的阀值比较流程图。
[0063]
图8是本发明的一种新型upqc的控制方法的投切逻辑环节框图。
[0064]
其中，1.相关数值计算环节，2.电压有效值计算环节，3.电压thd计算环节，4.电流有效值计算环节，5.电压跌落判断环节，6.电压thd过大判断环节，7.断路判断环节，8.投切逻辑产生环节。
具体实施方式
[0065]
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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
基于传统拓扑结构的upqc实时补偿而导致成本高的问题，一种旨在降低成本的同时满足对电压质量要求不高的负载所需的新型upqc被提出。
[0067]
如图1所示的一种新型upqc拓扑结构，包括apf部分和dvr部分。所述apf部分包括二极管钳位式三电平变换器、中点接地式直流母线和低通滤波器。所述dvr部分包括三相桥式变换器、直流母线、低通滤波器和由双向二极管并联机械开关组成的高速开关。所述高速开关处于闭合状态时，此时配电网给负载供电，upqc负责滤除线路中的电流谐波。所述高速开关处于断开状态时，此时upqc为提供与电网同频同相的电能。
[0068]
本发明还提出一种基于该新型upqc拓扑结构的统一电能质量调节器控制方法。配
合图1所示新型upqc拓扑使用，通过检测线路中的电压有效值、电压谐波总畸变率(thd)和电流有效值，判断网侧是否出现问题，进而选择高速开关的状态，让upqc两部分进行投切，从而实现电流滤波与电压支撑的功能。
[0069]
图2图是本发明的一种新型upqc的控制方法的控制总流程图。其控制包括四个主要环节，分别为补偿策略环节、数值计算环节、问题判断环节与投切逻辑环节四部分。系统开始后立刻产生电压与电流的补偿信号，并且根据补偿信号产生apf与dvr两部分的控制信号。之后进行问题判断，如果判断有问题，则断开高速开关，左侧apf部分不输出，右侧dvr部分输出；如果判断没有问题，则闭合高速开关，左侧apf部分输出，右侧dvr部分不输出。
[0070]
apf与dvr两部分为交替工作模式，即apf部分工作时dvr部分不工作，dvr部分工作时apf部分不工作。所述dvr部分功能为当投入时作为逆变器产生与网侧同频同相的标准正弦电压为负载供电。
[0071]
图3是本发明的一种新型upqc的控制方法的电流补偿信号环节流程图。图中，通过锁相环pll获得电压角频率，三相电流i
a,b,c
通过abc/dq0变化后获得id与iq，后经过低通滤波器lpf获得与后经过dq0/abc获得电流基波信号i
af,bf,cf
，用i
a,b,c
减去i
af,bf,cf
就能获得电流补偿信号i
ah,bh,ch
。
[0072]
图4是本发明的一种新型upqc的控制方法的电压补偿信号环节流程图。图中，通过锁相环pll获得电压角频率，三相电压v
a,b,c
通过park变换后获得vd与vq，后经过低通滤波器lpf后获得与后经过公式(1)计算获得a相电压正序初相角后经过公式(2)pwm调制波产生电压补偿信号v
af,bf,cf
。
[0073][0074][0075]
其中，v
cm
是载波峰值，u
om
是输出电压峰值，u
dc
是直流母线电压。
[0076]
图5是本发明一种新型upqc的控制方法的控制总流程图。图中，相关数值计算环节1由电压有效值计算环节2、电压thd计算环节3、电流有效值计算环节4产生电源电压有效值u
x
(其中下标x＝a,b,c，表示a、b、c三相，下同)、电源电压谐波总畸变率thd
x
和线路电流i
x
。分别送入电压阀值比较环节5、电压thd比较环节6和电流阀值比较环节7，经比较后得到信号lu、l
thd
和li。经过比较后得到的结果经过投切逻辑环节8确定最终输出信号l。
[0077]
图6是本发明一种新型upqc的控制方法的相关数值计算环节。其中：
[0078]
步骤1.1：电源电压有效值计算环节2为将输入信号平方、过低通滤波器、乘以2和开方。其理论依据为假设a相电压为
[0079]
[0080]
对两边进行平方并经过倍角公式转化后得到
[0081][0082]
由公式(4)可以看出，将a相电压值平方处理后，变为一个直流分量与一个2倍频分量的叠加，只需要滤除2倍频分量，再乘2开平方就可以得出电压的幅值um。
[0083]
所述低通滤波器滤波频率为50-100hz。
[0084]
步骤1.2：电源电压thd计算环节3将输入信号分别求取有效值v
rms
、平均值v
dc
和傅里叶分解v
1rms
，将三者平方后用有效值的平方减去平均值的平方和傅里叶分解的平方，得到的数值开方后得到v
hrms
，最后用v
hrms
除以v
1rms
。其理论依据为thd定义
[0085][0086][0087]
步骤1.3：电源电流有效值计算环节4将输入信号平方、乘以频率、积分、将积分值向右平移一个周期，用积分值减去平移一个周期后的值和开方。
[0088]
其理论依据为有效值定义
[0089][0090]
取积分范围为一个电源周期，则t
n-t
n-1
＝t＝1/f＝1/50，由此公式(5)变为
[0091][0092]
变化后得到
[0093][0094]
所述频率为50hz，所述周期为0.02s。
[0095]
图7是本发明的一种新型upqc的控制方法的阀值比较流程图。其中：
[0096]
步骤2.1：电压阀值比较环节5将u
x
与阀值u
min
进行比较，判断u
x
是否小于um，如果是则输出l
ux
＝“1”，否则输出l
ux
＝“0”，获得的l
ux
结果通过与门得到lu；
[0097]
步骤2.2：thd阀值比较环节6将thd
x
与阀值thd
max
进行比较，判断thd
x
是否大于thd
max
，如果是则输出l
thdx
＝“1”，否则输出l
thdx
＝“0”，获得的l
thdx
结果通过与门得到l
thd
；
[0098]
步骤2.3：电流阀值比较环节7将i
x
与阀值i
min
进行比较，判断i
x
是否小于i
min
，如果是则输出l
ix
＝“1”，否则输出l
ix
＝“0”，获得的l
ix
结果通过与门得到li。
[0099]
上述步骤中，所述电压阀值比较环节将三路输入信号分别于设定的电压阀值比较，输出的三路信号经过与门。所述thd阀值比较环节将三路输入信号分别于设定的thd阀值比较，输出的三路信号经过与门。所述电流阀值比较环节将三路输入信号分别于设定的电流阀值比较，输出的三路信号经过与门。
[0100]
图8是本发明的一种新型upqc的控制方法的投切逻辑环节框图。其中：
[0101]
步骤3.1：首先对图2中lu进行判断，如果lu等于“1”，则输出最终信号l＝“1”，否则进行下一步；
[0102]
步骤3.2：对图2中l
thd
新型判断，如果l
thd
等于“1”，则输出最终信号l＝“1”，否则进
行下一步；
[0103]
步骤3.3：对图2中li新型判断，如果li等于“1”，则输出最终信号l＝“1”，否则输出最终信号l＝“0”。
[0104]
因此，投切逻辑环节需将电压阀值比较环节、thd阀值比较环节和电流阀值比较环节结果分别与“1”进行比较，如果存在一个等于“1”的，则输出为1，如果都不等于“1”则输出为0。
[0105]
如果l＝1，认为系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个；如果l＝0，认为系统没有出现任何问题。如果系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个，则断开高速开关，停止apf输出，开始dvr输出，如果系统没有出现任何问题，则闭合高速开关，开始apf输出，停止dvr输出。
[0106]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
技术特征：1.一种upqc拓扑结构，其特征在于，包括apf部分和dvr部分，所述apf部分包括二极管钳位式三电平变换器、中点接地式直流母线和低通滤波器，所述dvr部分包括三相桥式变换器、直流母线、低通滤波器和由双向二极管并联机械开关组成的高速开关，所述高速开关处于闭合状态时，此时配电网给负载供电，upqc负责滤除线路中的电流谐波，所述高速开关处于断开状态时，此时upqc为提供与电网同频同相的电能。2.一种upqc控制方法，配合权利要求1所述的upqc拓扑结构使用，通过检测线路中的电压有效值、电压谐波总畸变率和电流有效值，判断网侧是否出现问题，进而选择高速开关的状态，让upqc两部分进行投切，其特征在于包括如下步骤：步骤1：产生电流补偿信号和电压补偿信号，并根据电流补偿信号和电压补偿信号分别产生apf与dvr的控制信号；步骤2：分别计算电源电压有效值、电源电压谐波总畸变率和线路电流值；步骤3：将步骤2中计算得出的三个数值与设置的响应阀值进行比较，判断是否出现相关问题；步骤4：根据步骤3中的判断结果，选择投切apf和dvr，如果系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个，则断开高速开关，停止apf输出，开始dvr输出，如果系统没有出现任何问题，则闭合高速开关，开始apf输出，停止dvr输出；步骤1包括如下步骤：步骤1.1：通过dq0法检测线路电流谐波获得电流补偿信号；步骤1.2：对步骤1.1中获得的电流补偿信号，通过三角波比较法产生apf控制信号g
apf
；步骤1.3：通过基于无功理论的方法追踪网测频率与相位，产生电压补偿信号；步骤1.4：对1.3中获得的电压补偿信号，通过三角波比较法产生dvr控制信号g
dvr
；步骤2包括如下步骤：步骤2.1：电源电压有效值计算，将输入信号平方、过低通滤波器、乘以2和开方,得出电源电压有效值u
x
；步骤2.2：电源电压谐波总畸变率计算，将输入信号分别求取有效值v
rms
、平均值v
dc
和傅里叶分解v
1rms
，将三者平方后用有效值的平方减去平均值的平方和傅里叶分解的平方，得到的数值开方后得到v
hrms
，最后用v
hrms
除以v
1rms
得出电源电压谐波总畸变率thd
x
；步骤2.3：线路电流值计算，将输入信号平方、乘以频率、积分、将积分值向右平移一个周期，用积分值减去平移一个周期后的值和开方，得到线路电流值i
x
；步骤3包括如下步骤：步骤3.1：将u
x
与阀值u
min
进行比较，判断u
x
是否小于u
m
，如果是则输出l
ux
＝“1”，否则输出l
ux
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到l
u
；步骤3.2：将thd
x
与阀值thd
max
进行比较，判断thd
x
是否大于thd
max
，如果是则输出l
thdx
＝“1”，否则输出l
thdx
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到l
thd
；步骤3.3：将i
x
与阀值i
min
进行比较，判断i
x
是否小于i
min
，如果是则输出l
ix
＝“1”，否则输出l
ix
＝“0”，获得的3路结果通过与门得到l
i
；步骤4中，将步骤3中的3个结果信号与运算，获得最终判断结果l，如果l＝1，认为系统出现电压跌落、电压thd过大与断路问题中的一个或多个；如果l＝0，认为系统没有出现任何问题。
3.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：通过锁相环pll获得电压角频率，三相电流i
a,b,c
，通过abc/dq0变化后获得i
d
与i
q
，后经过低通滤波器lpf获得与后经过dq0/abc获得电流基波信号i
af,bf,cf
，用i
a,b,c
减去i
af,bf,cf
就能获得电流补偿信号i
ah,bh,ch
。4.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：通过锁相环pll获得电压角频率，三相电压v
a,b,c
，通过park变换后获得v
d
与v
q
，后经过低通滤波器lpf后获得与后经过公式(1)计算获得a相电压正序初相角后经过公式(2)pwm调制波产生电压补偿信号v
af,bf,cf
，，其中，v
cm
是载波峰值，u
om
是输出电压峰值，u
dc
是直流母线电压。5.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：电源电压有效值计算的理论依据为假设a相电压为对两边进行平方并经过倍角公式转化后得到6.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：所述低通滤波器滤波频率为50-100hz。7.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：电源电压谐波总畸变率计算的理论依据为thd定义的理论依据为thd定义8.根据权利要求2所述的一种upqc控制方法，其特征在于：电源电流有效值计算理论依据为有效值定义取积分范围为一个电源周期，则t
n-t
n-1
＝t＝1/f＝1/50，由此公式(5)变为
变化后得到所述频率为50hz，所述周期为0.02s。
技术总结本发明公开了一种UPQC拓扑结构及控制方法，UPQC拓扑结构包括APF部分和DVR部分，所述APF部分包括二极管钳位式三电平变换器、中点接地式直流母线和低通滤波器，所述DVR部分包括三相桥式变换器、直流母线、低通滤波器和由双向二极管并联机械开关组成的高速开关，所述高速开关处于闭合状态时，此时配电网给负载供电，UPQC负责滤除线路中的电流谐波，所述高速开关处于断开状态时，此时UPQC为提供与电网同频同相的电能。本发明UPQC的补偿策略为交替补偿方式，不需要实时补偿，所以所需直流母线容量会降低，从而减少成本。从而减少成本。从而减少成本。
技术研发人员：蔡重凯 俞永军 赵越 王轩 陈晓宇 洪金琪 付永生 金百荣
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司 中电普瑞科技有限公司 国网浙江嵊州市供电有限公司
技术研发日：2020.04.22
技术公布日：2022/11/1
