一種統一電能質量調節裝置及方法

《一種統一電能質量調節裝置及方法》是深圳供電局有限公司、清華大學、張家港智慧型電力研究院有限公司於2014年11月26日申請的專利，該專利的公布號為CN104393599A，申請公布日為2015年3月4日，發明人是張華贏、鬍子珩、姚森敬、曹軍威、楊明博、王淼。該發明涉及電力系統技術領域。

《一種統一電能質量調節裝置及方法》包括DVR變流器、第一及第二APF變流器、第一及第二直流儲能電容、變壓器、第一及第二電抗器和網路控制器；DVR變流器、第一直流儲能電容及APF變流器並聯形成用於電壓補償的第一補償迴路；DVR變流器、第二直流儲能電容及第二APF變流器並聯形成用於諧波處理和無功補償的第二補償迴路；網路控制器用於實現控制第一補償迴路的電壓補償及控制第二補償迴路的諧波處理和無功補償。實施該發明實施例，能夠在電網出現電壓跌落時，穩定直流電容來補償電壓跌落，同時及時進行諧波處理和無功補償。

2020年11月，《一種統一電能質量調節裝置及方法》獲得第六屆廣東專利獎銀獎。

（概述圖為《一種統一電能質量調節裝置及方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種統一電能質量調節裝置及方法
• 申請人：深圳供電局有限公司、清華大學、張家港智慧型電力研究院有限公司
• 申請日：2014年11月26日
• 申請號：2014106871237
• 公布號：CN104393599A
• 公布日：2015年3月4日
• 發明人：張華贏、鬍子珩、姚森敬、曹軍威、楊明博、王淼
• 地址：廣東省深圳市羅湖區深南東路4020號電力調度通信大樓
• 分類號：H02J3/01(2006.01)I、H02J3/16(2006.01)I
• 代理機構：深圳匯智容達專利商標事務所
• 代理人：潘中毅、熊賢卿
• 類別：發明專利

專利背景

UPQC（UnifiedPowerQualityConditioner，統一電能質量調節裝置）通常由串聯型電壓源變流器和並聯型電壓源變流器通過公共直流母線結合而成，其安裝在用戶側的諧波負載附近，可以同時對電壓和電流進行補償。串聯型電壓源變流器起到DVR（DynamicVoltageRestorer，動態電壓補償器）的作用，可抑制電壓波動，補償電源電壓諧波，消除配電系統中經常發生的電壓暫升或電壓暫降問題，提高裝置的阻尼。並聯型電壓源變流器起到APF（ActivePowerFilter，有源電力濾波器）的作用，可濾除負載諧波電流，補償負載無功功率。

如圖1所示，2014年11月之前的技術中UPQC結合了DVR和APF的變流器結構，DVR變流器D1*和APF變流器F1*共用一個直流儲能環節C1*，DVR變流器D1*經串聯變壓器T1*接於電網系統側，具有維持連線點處電壓、補償電壓閃變和不對稱的功能，APF變流器F1*經串聯電抗器L1*接於負載側，主要用於補償諧波和無功電流，同時維持DVR變流器D1*和APF變流器F1*之間的直流電壓恆定。其中，DVR變流器D1*和APF變流器F1*均為雙向PWM（Pulse-WidthModulation，脈衝寬度調製）變流器，既可以工作在整流狀態，也可以工作在逆變狀態；DVR變流器D1*經串聯變壓器T1*輸出基波正序補償電壓，向電網注入功率，同時也可以輸出諧波補償電壓；APF變流器F1*向電網注入諧波補償，同時可以輸出無功電流。

UPQC工作過程中，需要協調DVR功能和APF功能，當出現電壓跌落時，DVR功能啟動，此時APF功能有兩種選擇：一、同步穩定直流電容C1*電壓，用於電壓跌落補償；二、補償諧波，不再維持直流電容C1*電壓。

以上APF功能的兩種選擇均有不足之處，其不足之處在於：針對第一種選擇方式，UPQC不再有諧波和無功補償，當串聯側正進行電壓補償時，電網的諧波和無功會出現峰值，需及時進行諧波處理和無功補償；針對第二種選擇方式，DVR補償功能受限，因DVR功能僅靠直流電容C1*及其附屬儲能裝置儲存的能量完成，能量用完則DVR補償功能結束，直至直流電容C1*恢復至正常狀態，才可進行下一次DVR補償動作。

發明內容

專利目的

《一種統一電能質量調節裝置及方法》實施例所要解決的技術問題在於，提供一種統一電能質量調節裝置及方法，能夠在電網出現電壓跌落時，穩定直流電容來補償電壓跌落，同時及時進行諧波處理和無功補償。

技術方案

《一種統一電能質量調節裝置及方法》所述裝置包括DVR變流器、第一APF變流器、第二APF變流器、第一直流儲能電容、第二直流儲能電容、變壓器、第一電抗器、第二電抗器和網路控制器；其中，所述DVR變流器、第一直流儲能電容及第一APF變流器相併聯後三者間形成為第一補償迴路，且所述第一補償迴路的一端從所述DVR變流器側通過所述變壓器與電網側相連，另一端從所述第一APF變流器側通過所述第一電抗器與負載側相連，用於在所述電網側的電壓跌落時，進行電壓補償，維持所述DVR變流器和所述第一APF變流器之間的直流電壓恆定。

所述DVR變流器、第二直流儲能電容及第二APF變流器相併聯後三者間形成為第二補償迴路，且所述第二補償迴路的一端從所述DVR變流器側通過所述變壓器與所述電網側相連，另一端從所述第二APF變流器側通過所述第二電抗器與所述電網側相連，用於在所述電網側的電壓跌落時，進行諧波處理和無功補償；所述網路控制器還同時與所述DVR變流器、第一APF變流器及第二APF變流器相連，用於當檢測到所述電網側的當前電壓小於預設的閾值時，確定所述電網側的電壓跌落，啟動所述DVR變流器進行電壓補償，並控制所述第一APF變流器維持所述第一直流儲能電容的電壓恆定，以及控制所述第二APF變流器進行諧波處理和無功補償；或當檢測到所述電網側的當前電壓大於預設的閾值時，確定所述電網側的電壓無跌落，切斷所述DVR變流器電壓補償，並控制所述第一APF變流器進行諧波處理和無功補償，以及控制所述第二APF變流器給所述第二直流儲能電容充電。

其中，所述裝置還包括至少一與所述網路控制器相連的錄波儀，所述錄波儀用於預存一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據所述負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間傳送至所述網路控制器；其中，所述工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；所述網路控制器還根據每一錄波儀傳送的負載側電網參數變化規律，預設每一負載對應的補償算法。其中，所述參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數。

該發明實施例還提供了一種統一電能質量調節方法，其在前述的裝置中實現，所述方法包括：檢測電網側當前電壓的大小情況；當檢測到所述當前電壓小於預定的閾值時，確定所述電網側的電壓無跌落，切斷所述裝置中的DVR變流器電壓補償，並控制第一APF變流器進行諧波處理和無功補償，以及控制第二APF變流器給第二直流儲能電容充電；當檢測到所述當前電壓大於所述預定的閾值時，確定所述電網側的電壓跌落，啟動所述DVR變流器進行電壓補償，並控制所述第一APF變流器維持第一直流儲能電容的電壓恆定，以及控制所述第二APF變流器進行諧波處理和無功補償。

其中，所述方法進一步包括：獲取任一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據所述負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間；其中，所述工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；根據所述確定的對應的負載側電網參數變化規律，確定所述負載對應的補償算法，且在獲取到所述負載啟動時，確定所述負載對應的補償啟動時間，在所述確定的補償啟動時間到達時，對所述負載通過對應的預設補償算法進行諧波處理和無功補償。其中，所述參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數。

有益效果

實施《一種統一電能質量調節裝置及方法》實施例，具有如下有益效果：

1、在該發明實施例中，由於裝置中存在有兩個補償迴路，在電網側電壓跌落時，第一補償迴路中的第一APF變流器用於電壓補償，第二補償迴路中的第二APF變流器用於諧波和無功補償，從而實現既能在第一補償迴路中穩定電壓恆定確保電壓跌落補償效果，又能在第二補償迴路中及時進行諧波和無功補償；

2、在該發明實施例中，由於裝置中採用了與負載一一對應的錄波儀，錄波儀中存儲有負載在所有工作狀態下對負載側電網參數的變化規律，而裝置中的網路控制器則預先存儲有對應每一負載所有工作狀態下的補償算法，從而使得裝置中的網路控制器可以根據預先存儲的補償算法，減小從突變到治理的延時，同時可提高補償質量。

附圖說明

圖1為2014年11月之前的技術提供的統一電能質量調節裝置的結構示意圖；

圖2為該發明實施例提供的統一電能質量調節裝置的結構示意圖；

圖3為該發明實施例提供的統一電能質量調節方法的流程圖。

權利要求

1.一種統一電能質量調節裝置，其特徵在於，所述裝置包括DVR變流器、第一APF變流器、第二APF變流器、第一直流儲能電容、第二直流儲能電容、變壓器、第一電抗器、第二電抗器和網路控制器；其中，所述DVR變流器、第一直流儲能電容及第一APF變流器相併聯後三者間形成為第一補償迴路，且所述第一補償迴路的一端從所述DVR變流器側通過所述變壓器與電網側相連，另一端從所述第一APF變流器側通過所述第一電抗器與負載側相連，用於在所述電網側的電壓跌落時，進行電壓補償，維持所述DVR變流器和所述第一APF變流器之間的直流電壓恆定；所述DVR變流器、第二直流儲能電容及第二APF變流器相併聯後三者間形成為第二補償迴路，且所述第二補償迴路的一端從所述DVR變流器側通過所述變壓器與所述電網側相連，另一端從所述第二APF變流器側通過所述第二電抗器與所述電網側相連，用於在所述電網側的電壓跌落時，進行諧波處理和無功補償；所述網路控制器還同時與所述DVR變流器、第一APF變流器及第二APF變流器相連，用於當檢測到所述電網側的當前電壓小於預設的閾值時，確定所述電網側的電壓跌落，啟動所述DVR變流器進行電壓補償，並控制所述第一APF變流器維持所述第一直流儲能電容的電壓恆定，以及控制所述第二APF變流器進行諧波處理和無功補償；或當檢測到所述電網側的當前電壓大於預設的閾值時，確定所述電網側的電壓無跌落，切斷所述DVR變流器電壓補償，並控制所述第一APF變流器進行諧波處理和無功補償，以及控制所述第二APF變流器給所述第二直流儲能電容充電。

2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括至少一與所述網路控制器相連的錄波儀，所述錄波儀用於預存一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據所述負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間傳送至所述網路控制器；其中，所述工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；所述網路控制器還根據每一錄波儀傳送的負載側電網參數變化規律，預設每一負載對應的補償算法。

3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數。

4.一種統一電能質量調節方法，其特徵在於，其在如權利要求1至3中任一項所述的裝置中實現，所述方法包括：檢測電網側當前電壓的大小情況；當檢測到所述當前電壓小於預定的閾值時，確定所述電網側的電壓無跌落，切斷所述裝置中的DVR變流器電壓補償，並控制第一APF變流器進行諧波處理和無功補償，以及控制第二APF變流器給第二直流儲能電容充電；當檢測到所述當前電壓大於所述預定的閾值時，確定所述電網側的電壓跌落，啟動所述DVR變流器進行電壓補償，並控制所述第一APF變流器維持第一直流儲能電容的電壓恆定，以及控制所述第二APF變流器進行諧波處理和無功補償。

5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括：獲取任一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據所述負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間；其中，所述工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；根據所述確定的對應的負載側電網參數變化規律，確定所述負載對應的補償算法，且在獲取到所述負載啟動時，確定所述負載對應的補償啟動時間，在所述確定的補償啟動時間到達時，對所述負載通過對應的預設補償算法進行諧波處理和無功補償。

6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數。

實施方式

如圖2所示，為該發明實施例提供的一種統一電能質量調節裝置，該裝置包括DVR變流器D1、第一APF變流器F1、第二APF變流器F2、第一直流儲能電容C1、第二直流儲能電容C2、變壓器T1、第一電抗器L1、第二電抗器L2和網路控制器M；其中，DVR變流器D1、第一直流儲能電容C1及第一APF變流器F1相併聯後三者間形成為第一補償迴路11，且第一補償迴路11的一端從DVR變流器D1側通過變壓器T1與電網側相連，另一端從第一APF變流器F1側通過第一電抗器L1與負載側相連，用於在電網側的電壓跌落時，進行電壓補償，維持DVR變流器D1和第一APF變流器F1之間的直流電壓恆定。

DVR變流器D1、第二直流儲能電容C2及第二APF變流器F2相併聯後三者間形成為第二補償迴路12，且第二補償迴路12的一端從DVR變流器D1側通過變壓器T1與電網側相連，另一端從第二APF變流器F2側通過第二電抗器L2與電網側相連，用於在電網側的電壓跌落時，進行諧波處理和無功補償；網路控制器M還同時與DVR變流器D1、第一APF變流器F1及第二APF變流器F2相連，用於當檢測到電網側的當前電壓小於預設的閾值時，確定電網側的電壓跌落，啟動DVR變流器D1進行電壓補償，並控制第一APF變流器F1維持第一直流儲能電容C1的電壓恆定，以及控制第二APF變流器F2進行諧波處理和無功補償；或當檢測到電網側的當前電壓大於預設的閾值時，確定電網側的電壓無跌落，切斷DVR變流器D1電壓補償，並控制第一APF變流器F1進行諧波處理和無功補償，以及控制第二APF變流器F2給第二直流儲能電容C2充電。

在該發明實施例中，DVR變流器D1由IGBT（InsulatedGateBipolarTransisto，絕緣柵雙極型電晶體）模組、驅動電路及保護電路組成，其功能為檢測電網電壓的畸變和基波偏差，作為電壓指令，對DVR變流器D1進行控制，使得DVR變流器D1通過變壓器T1輸出一個與電網電壓畸變和基波偏差相抵消的補償電壓，從而保證負載電壓是一個額定的正弦電壓。

第一APF變流器F1同樣由IGBT模組、驅動電路及保護電路組成，其功能包括：1、檢測負載的無功和諧波電流，作為電流指令，對該變流器F1進行控制，使得該變流器F1輸出與負載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實現對負載無功和諧波電流的補償，使得電網輸入電流為正弦波電流，功率因數為1；2、當電網電壓出現波動，系統工作在DVR狀態時，該變流器F1停止無功補償功能，只負責有功輸入，為DVR穩定第一直流儲能電容C1的直流電壓，不再參與電網的諧波和無功治理。

第二APF變流器F2同樣由IGBT模組，驅動電路及保護電路組成，其功能包括：1、檢測負載在切入、實時工作、切出條件下通過區域網路傳送的狀態信息，在網路控制器M中查找對應負載的切入、實時工作、切出的固化APF程式，根據固化程式作為電流指令，對該變流器F2進行控制，使得該變流器F2輸出與負載無功和諧波電流大小相等的無功和諧波，從而實現對負載無功和諧波電流的補償，使得電網輸入電流為正弦波電流，功率因數為1；2、當電網電壓出現波動需要進行DVR補償時，則該變流器F2進行無功和諧波補償。

網路控制器M作為裝置的控制核心，基於匯流排結構的DSP+FPGA架構，用於完成電網電壓採集，控制策略調試，補償算法實現，電壓電流指令輸出及其他系統功能。除包含上述基本功能外，網路控制器M還控制錄波儀R進行特定負載的錄波，並將錄波數據存儲於錄波儀R中，錄波儀R安裝在用戶的特定負載側與網路控制器M通信，從而基於區域網路的UPQC就可以根據用戶的用電習慣、實時用電策略，調整控制器輸出，對用戶進行用電質量補償。

因此，裝置還包括至少一與網路控制器M相連的錄波儀R，錄波儀R用於預存一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間傳送至網路控制器M；其中，工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數等等。相對應的，網路控制器M將根據每一錄波儀傳送的負載側電網參數變化規律，預設每一負載對應的補償算法。

應當說明的是，網路控制器M還要存儲用戶用電設備信息，與用戶用電設備進行TCP/IP通信，通信內容包括命令傳輸包和參數傳輸包；其中，命令傳輸包內容包括設備ID號，設備動作指令（切入或切出或正在運行中），動作預期時間，時間校準，數據校驗等，因此網路控制器M中預設的補償算法可根據用戶用電設備信息，為任一負載設定有負載在任一工作狀態下對應的補償算法，從而使得裝置中的網路控制器M可以根據預先存儲的補償算法，減小從突變到治理的延時，同時可提高補償質量。

作為一個例子，負載每次切入、切出及正常使用狀態下，都需設定UPQC工作於錄波狀態，則UPQC檢測負載動作對負載側電網造成的電能質量波動影響，並將數據錄入錄波儀，前後存取時間可由用戶設定，可以並不限於錄製電壓跌落的前後1.5秒時間，切入、切出的後2秒時間，正常工作狀態的2~5秒時間，作為負載設備的跌落、諧波、切入切出影響的參考。錄波儀記錄負載設備參數後，與負載設備的切入、切出或正常使用狀態關聯，當負載側準備啟動、停止設備時，首先通過區域網路口與UPQC通信，將裝置錄波參數通過TCP/IP傳送給網路控制器，網路控制器裝載算法，等待設備啟動。當檢測到設備啟動後，根據預先計算的電壓電流指令對負載產生的諧波無功進行補償，可大大減小低通濾波帶來的時間延遲，同時減小PI參數調節延時，顯著提高統一電能質量調節裝置的軟體、硬體延時，加快針對特定負載的電能質量治理反應速度。

綜上，該發明實施例提供的統一電能質量調節裝置有如下幾種工作狀態：

（1）啟動狀態：UPQC上電，UPQC完成網路控制器自檢，I/O口狀態初始化，系統參數初始化，直流電容電壓穩定，LAN通信測試及錄波儀掃描等工作；

（2）第一APF變流器補償狀態：當UPQC自檢通過，且未檢測到設定的電壓跌落範圍時（以單相電壓檢測為例），裝置工作在第一APF變流器補償狀態。在此狀態下，UPQC負責進行對負載的無功補償、諧波抑制及第一直流儲能電容的電壓穩定三個部分工作；

（3）第二APF變流器補償狀態：工作模組包括DVR變流器、第二APF變流器、網路控制器、第二電抗器及IGBT功率器件。在此狀態下，UPQC只根據用戶的負載特性，利用固化在網路控制器中的控制策略（即補充算法）進行無功和諧波的治理，包括針對負載啟動的補償固化策略執行，負載切出的補償固化程式以及特定負載工作過程中的補償固化程式。當電網側發生電壓跌落時，第二APF變流器功能轉為被動無功治理和諧波治理，輸出電流為無功輸出電流和諧波治理電流的失量和。此時，第一APF變流器在網路控制器的控制下只負責吸收電網有功功率，將第一直流存儲電容的電壓穩定至但不限於800V，為DVR功能提供持續不斷的有功支撐；

（4）被動補償狀態：工作模組包括DVR變流器、第一APF變流器、網路控制器及IGBT功率器件。在此狀態下，UPQC利用DVR變流器和第一APF變流器進行被動補償，即只通過檢測到的電網參數進行被動補償，不考慮負載側負載特性；此時第二APF變流器利用IGBT反向二極體進行布控整流，將第二直流村能電容充電至但不限於500V，為系統增加無功補償能力；

（5）UPQC主動被動混合狀態：工作模組包括DVR變流器、第一APF變流器、第二APF變流器、網路控制器、第一電抗器、第二電抗器及IGBT功率器件。在此狀態下，UPQC即執行被動狀態，同時兼顧系統的固化補償功能，即被動補償的過程中如果收到主動補償調節指令（如負載有切入、切出等動作時，錄波儀通過區域網路傳送信號給網路控制器），則會在被動補償狀態下切換到主動補償狀態，基於錄波數據進行有針對的無功和諧波補償；

（6）跌落狀態下的第二APF變流器補償狀態：當電網側出現電壓跌落時，APF功能由第二APF變流器完成，此時第一APF變流器只負責為第一直流存儲電容提供有功輸入，維持該電容的直流電壓穩定，第二APF變流器進入無功和諧波補償狀態，優點在於可以將電壓補償DVR功能工作時產生的無功有效禁止，使電力系統與DVR有效隔離；

（7）錄波狀態：工作模組包括DVR變流器、第一APF變流器、第二APF變流器、網路控制器、第一電抗器、第二電抗器、IGBT功率器件及多個錄波儀。在此狀態下，UPQC的補償功能工作在被動補償狀態下，網路控制器利用第二APF變流器對特定負載進行錄波。錄波內容包括負載切入、切出及負載正常工作狀態等條件下的負載側電網參數變化規律。錄波儀在完成錄波數據載入後，安裝在負載側，當負載設備發生切入、切出動作時，錄波儀通過區域網路口向UPQC傳送控制命令，UPQC接收到錄波儀傳送的命令後，會在通信數據內容中的設定時間內啟動基於錄波數據的控制策略，即啟動區域網路口傳過來的錄波數據，並在UPQC內執行，以補償特定負載產生的無功和諧波。

如圖3所示，為該發明實施例提供的一種統一電能質量調節方法，其在前述的裝置中實現，所述方法包括：

步驟S101、檢測電網側當前電壓的大小情況；

步驟S102、當檢測到所述當前電壓小於預定的閾值時，確定所述電網側的電壓無跌落，切斷所述裝置中的DVR變流器電壓補償，並控制第一APF變流器進行諧波處理和無功補償，以及控制第二APF變流器給第二直流儲能電容充電；

步驟S103、當檢測到所述當前電壓大於所述預定的閾值時，確定所述電網側的電壓跌落，啟動所述DVR變流器進行電壓補償，並控制所述第一APF變流器維持第一直流儲能電容的電壓恆定，以及控制所述第二APF變流器進行諧波處理和無功補償。

為了實現錄波功能，使得裝置中的網路控制器可以根據預先存儲的補償算法，減小從突變到治理的延時，同時可提高補償質量，所述方法進一步包括：獲取任一負載在所有工作狀態下形成對負載側電網參數的變化規律，並根據所述負載當前的工作狀態，將對應的負載側電網參數變化規律及對應的補償啟動時間；其中，所述工作狀態包括負載切入狀態、負載切出狀態和正常工作狀態；所述參數包括負載在當前工作狀態下的電壓電流指令、PI參數、濾波參數和諧波次數；根據所述確定的對應的負載側電網參數變化規律，確定所述負載對應的補償算法，且在獲取到所述負載啟動時，確定所述負載對應的補償啟動時間，在所述確定的補償啟動時間到達時，對所述負載通過對應的預設補償算法進行諧波處理和無功補償。

榮譽表彰

2020年11月，《一種統一電能質量調節裝置及方法》獲得第六屆廣東專利獎銀獎。