本發(fā)明涉及一種基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置及方法，尤其涉及一種基于回路電壓控制策略的能夠針對(duì)電網(wǎng)諧波、無(wú)功、有功不平衡進(jìn)行綜合電能質(zhì)量治理裝置的控制方法。

背景技術(shù)：

在社會(huì)快速發(fā)展的今天，與人們生活息息相關(guān)的就是電能的利用。無(wú)論在民用還是工業(yè)領(lǐng)域，電能的消耗都在逐年增加，因此隨之而來(lái)的就是供電和用電的質(zhì)量問(wèn)題。從普遍意義上講，供電和用電的質(zhì)量包括電壓、電流的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)量值的偏差、波形畸變的程度、閃變等對(duì)用電設(shè)備造成影響的供電和用電問(wèn)題。目前，隨著用電負(fù)荷的大型化、精密化、節(jié)能化，電力電子器件被廣泛的應(yīng)用在設(shè)備中，造成非線性負(fù)荷的數(shù)量越來(lái)越多，給電網(wǎng)帶來(lái)了大量的諧波污染；隨著電動(dòng)機(jī)的大量使用，使得電網(wǎng)的無(wú)功需求也是越來(lái)越大；隨著民用設(shè)備的增加、智能化家居的推廣，配網(wǎng)的三相負(fù)荷不平衡也越來(lái)越嚴(yán)重；這些問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的工作運(yùn)行造成很大的安全隱患。

同時(shí)，電力有源濾波器利用有源逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)電網(wǎng)的諧波污染進(jìn)行有效的治理；靜止無(wú)功發(fā)生器能夠控制輸出的目標(biāo)值為系統(tǒng)需要補(bǔ)償無(wú)功電流；三相功率平衡裝置是在電力有源濾波器和靜止無(wú)功發(fā)生器的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中的零序和負(fù)序電流補(bǔ)償而使電網(wǎng)達(dá)到三相功率平衡的效果。三者針對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的一個(gè)方面進(jìn)行有效的治理，提高了電網(wǎng)的質(zhì)量，凈化了電網(wǎng)，并且在應(yīng)用的過(guò)程中起到了良好的效果，得到了大量的推廣。但是，三者均只能在一個(gè)方面進(jìn)行治理，無(wú)法對(duì)三個(gè)方面進(jìn)行綜合控制管理，因此無(wú)法對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的改善起到全方面的作用，不能使設(shè)備的用電環(huán)境達(dá)到最佳優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的問(wèn)題是：提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)諧波污染、功率因數(shù)偏低、三相功率不平衡所引起供電和用電質(zhì)量問(wèn)題的綜合治理，能夠改善電網(wǎng)質(zhì)量，優(yōu)化用電環(huán)境，提高設(shè)備運(yùn)行以及電網(wǎng)運(yùn)行可靠性的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置及方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

所述的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟1)、通過(guò)系統(tǒng)電壓互感器采集電壓信號(hào)，采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得系統(tǒng)電壓的數(shù)字量信號(hào)，系統(tǒng)電壓的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相系統(tǒng)電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)usa、usb、usc，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)計(jì)算出三相系統(tǒng)電壓的過(guò)零點(diǎn)及相位

通過(guò)輸出電流互感器采集電流信號(hào)，采集的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得輸出電流的數(shù)字量信號(hào)，輸出電流的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相輸出電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)iaout、ibout、icout；

通過(guò)直流電壓互感器采集直流電壓信號(hào)，采集的直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得直流電壓的數(shù)字量信號(hào)，直流電壓的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到直流電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)，然后對(duì)直流電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)進(jìn)行一個(gè)工頻時(shí)間周期的累加求和并除以在一個(gè)工頻時(shí)間周期內(nèi)的采樣次數(shù)，得到直流電壓有效值udc；

通過(guò)負(fù)載電流互感器采集負(fù)載電流信號(hào)，負(fù)載電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得負(fù)載電流的數(shù)字量信號(hào)，負(fù)載電流的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相負(fù)載電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)ila、ilb、ilc；

步驟2)、通過(guò)步驟1)獲得的三相系統(tǒng)電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)usa、usb、usc、三相系統(tǒng)電壓的過(guò)零點(diǎn)及相位輸出電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)iaout、ibout、icout、直流電壓有效值udc和三相負(fù)載電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)ila、ilb、ilc計(jì)算諧波電流、無(wú)功電流和負(fù)序有功電流疊加一起后的補(bǔ)償目標(biāo)值：iatarget、ibtarget、ictarget；

步驟3)依據(jù)pwm脈寬調(diào)制原理，假設(shè)三相每個(gè)控制周期igbt的開(kāi)通時(shí)間為taon、tbon、tcon，根據(jù)回路電壓的系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，得到系統(tǒng)回路電壓方程如下：

即：

同時(shí)可以得到：

步驟4)、通過(guò)分別計(jì)算出三相pwm波的占空比，pwm以計(jì)算出的占空比為依據(jù)生成觸發(fā)脈沖序列，經(jīng)igbt驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管igbt導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制逆變單元輸出，達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)值。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的諧波電流、無(wú)功電流和負(fù)序有功電流疊加一起后的補(bǔ)償目標(biāo)值iatarget、ibtarget、ictarget的計(jì)算過(guò)程如下所示：

(1)計(jì)算正序有功電流ipp、負(fù)序有功電流ipn、正序無(wú)功電流iqp、負(fù)序無(wú)功電流iqn

(2)將得到的ipp、ipn、iqp、iqn進(jìn)行低通濾波處理，保留其直流分量，得到正序有功電流直流分量ippd、負(fù)序有功電流直流分量ipnd、正序無(wú)功電流直流分量iqpd和負(fù)序無(wú)功電流直流分量iqnd；

(3)計(jì)算三相負(fù)載電流基波分量b_ila0、b_ilb0、b_ilc0

在計(jì)算過(guò)程中，去掉ipnd、iqpd、iqnd三者的分量計(jì)算，則可得到分離出諧波電流、無(wú)功電流、負(fù)序有功電流三相的正序有功基波分量：

(3)由負(fù)載電流正序有功基波電流b_ila、b_ilb、b_ilc和瞬時(shí)負(fù)載電流ila、ilb、ilc相減后得到含有諧波電流、無(wú)功電流、負(fù)序有功電流疊加的補(bǔ)償目標(biāo)值：

iatarget＝(b_ila)-ila

ibtarget＝(b_ilb)-ilb

ictarget＝(b_ilc)-ilc。

進(jìn)一步的優(yōu)選，所述的步驟3)中回路電壓的系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型為：

依據(jù)電路回路電壓原理，在任何時(shí)刻，沿著電路中的任一回路繞行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒為零，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，得到系統(tǒng)單相的等效電路，回路電壓方程為：

us-ud+ul+ur＝0

式中：us為系統(tǒng)相電壓；

其中，δt：在軟件設(shè)定控制頻率下的pwm的控制時(shí)間周期，taon：a相在pwm的控制時(shí)間周期內(nèi)的開(kāi)通時(shí)間；

ul為相電抗兩端的電壓：其中，iatarget為a相補(bǔ)償目標(biāo)值；iaout為a相實(shí)際輸出瞬時(shí)值；三相輸出電抗的電感值均為l；

ur為系統(tǒng)相等效電阻的分壓，由于等效電阻很小，在計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)，計(jì)算結(jié)果不影響補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)。

整理方程后得到：

所述的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置，包括系統(tǒng)電源，系統(tǒng)電源通過(guò)輸出電抗器連接三相全橋逆變單元，三相全橋逆變單元的直流側(cè)連接串接的電容c1和電容c2，電容c1和電容c2連接直流電壓互感器，直流電壓互感器連接控制系統(tǒng)的直流電壓采集端口；

所述的系統(tǒng)電源與輸出電抗器之間連接系統(tǒng)電壓互感器，系統(tǒng)電壓互感器連接控制系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓采集端口，輸出電抗器與三相全橋逆變單元之間穿有輸出電流互感器，輸出電流互感器連接控制系統(tǒng)的輸出電流采集端口，三相全橋逆變單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路連接控制系統(tǒng)的pwm輸出端口，控制系統(tǒng)的負(fù)載電流采集端口連接負(fù)載電流互感器。

進(jìn)一步的優(yōu)選，控制系統(tǒng)的直流電壓采集端口、系統(tǒng)電壓采集端口、輸出電流采集端口和負(fù)載電流采集端口分別通過(guò)調(diào)理電路和采樣信號(hào)總線連接ad轉(zhuǎn)換芯片，ad轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)控制總線和數(shù)據(jù)總線連接fpga，fpga連接通訊接口485can和io口，pwm輸出端口連接fpga。

進(jìn)一步的優(yōu)選，ad轉(zhuǎn)換芯片包括ad01、ad02和ad03。

本發(fā)明所具有的有益效果是：

本發(fā)明所述的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置及方法通過(guò)正序有功電流的基波計(jì)算，能夠直接得到諧波電流、無(wú)功電流、負(fù)序有功電流的三者疊加的補(bǔ)償目標(biāo)值，同時(shí)能夠利用回路電壓的控制算法，直接計(jì)算出pwm波輸出的占空比，簡(jiǎn)化了空間矢量等算法的復(fù)雜計(jì)算過(guò)程，具有消除電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功、平衡三相負(fù)荷的功能，同時(shí)綜合解決了電網(wǎng)所存在的普遍的電能質(zhì)量問(wèn)題，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，凈化了電網(wǎng)，優(yōu)化用電環(huán)境，提高設(shè)備運(yùn)行以及電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的回路電壓簡(jiǎn)化示意圖；

圖中，1、三相全橋逆變單元；2、輸出電抗器；3、控制系統(tǒng)；4、系統(tǒng)電壓互感器；5、負(fù)載電流互感器；6、輸出電流互感器；7、驅(qū)動(dòng)電路；8、直流電壓互感器；9、系統(tǒng)電源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步描述：

如圖1-2所示，本發(fā)明所述的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置的控制方法，包括以下步驟：

步驟1)、通過(guò)系統(tǒng)電壓互感器采集電壓信號(hào)，采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得系統(tǒng)電壓的數(shù)字量信號(hào)，系統(tǒng)電壓的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相系統(tǒng)電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)usa、usb、usc，通過(guò)過(guò)零檢測(cè)計(jì)算出三相系統(tǒng)電壓的過(guò)零點(diǎn)及相位

通過(guò)輸出電流互感器采集電流信號(hào)，采集的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得輸出電流的數(shù)字量信號(hào)，輸出電流的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相輸出電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)iaout、ibout、icout；

通過(guò)直流電壓互感器采集直流電壓信號(hào)，采集的直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得直流電壓的數(shù)字量信號(hào)，直流電壓的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到直流電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)，然后對(duì)直流電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)進(jìn)行一個(gè)工頻時(shí)間周期的累加求和并除以在一個(gè)工頻時(shí)間周期內(nèi)的采樣次數(shù)，得到直流電壓有效值udc；

通過(guò)負(fù)載電流互感器采集負(fù)載電流信號(hào)，負(fù)載電流信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路和ad轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲得負(fù)載電流的數(shù)字量信號(hào)，負(fù)載電流的數(shù)字量信號(hào)輸送至fpga進(jìn)行處理后，得到三相負(fù)載電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)ila、ilb、ilc；

步驟2)、通過(guò)步驟1)獲得的三相系統(tǒng)電壓實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)usa、usb、usc、三相系統(tǒng)電壓的過(guò)零點(diǎn)及相位輸出電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)iaout、ibout、icout、直流電壓有效值udc和三相負(fù)載電流實(shí)際的離散的瞬時(shí)值信號(hào)ila、ilb、ilc計(jì)算諧波電流、無(wú)功電流和負(fù)序有功電流疊加一起后的補(bǔ)償目標(biāo)值：iatarget、ibtarget、ictarget；

步驟3)依據(jù)pwm脈寬調(diào)制原理，假設(shè)三相每個(gè)控制周期igbt的開(kāi)通時(shí)間為taon、tbon、tcon，根據(jù)回路電壓的系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，得到系統(tǒng)回路電壓方程如下：

即：

同時(shí)可以得到：

步驟4)、通過(guò)分別計(jì)算出三相pwm波的占空比，pwm以計(jì)算出的占空比為依據(jù)生成觸發(fā)脈沖序列，經(jīng)igbt驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管igbt導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制逆變單元輸出，達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)值。

所述的諧波電流、無(wú)功電流和負(fù)序有功電流疊加一起后的補(bǔ)償目標(biāo)值iatarget、ibtarget、ictarget的計(jì)算過(guò)程如下所示：

(1)計(jì)算正序有功電流ipp、負(fù)序有功電流ipn、正序無(wú)功電流iqp、負(fù)序無(wú)功電流iqn

(2)將得到的ipp、ipn、iqp、iqn進(jìn)行低通濾波處理，保留其直流分量，得到正序有功電流直流分量ippd、負(fù)序有功電流直流分量ipnd、正序無(wú)功電流直流分量iqpd和負(fù)序無(wú)功電流直流分量iqnd；

(3)計(jì)算三相負(fù)載電流基波分量b_ila0、b_ilb0、b_ilc0

在計(jì)算過(guò)程中，去掉ipnd、iqpd、iqnd三者的分量計(jì)算，則可得到分離出諧波電流、無(wú)功電流、負(fù)序有功電流三相的正序有功基波分量：

(3)由負(fù)載電流正序有功基波電流b_ila、b_ilb、b_ilc和瞬時(shí)負(fù)載電流ila、ilb、ilc相減后得到含有諧波電流、無(wú)功電流、負(fù)序有功電流疊加的補(bǔ)償目標(biāo)值：

iatarget＝(b_ila)-ila

ibtarget＝(b_ilb)-ilb

ictarget＝(b_ilc)-ilc。

所述的步驟3)中回路電壓的系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型為：

依據(jù)電路回路電壓原理，在任何時(shí)刻，沿著電路中的任一回路繞行方向，回路中各段電壓的代數(shù)和恒為零，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，得到系統(tǒng)單相的等效電路，回路電壓方程為：

us-ud+ul+ur＝0

式中：us為系統(tǒng)相電壓；

其中，δt：在軟件設(shè)定控制頻率下的pwm的控制時(shí)間周期，taon：a相在pwm的控制時(shí)間周期內(nèi)的開(kāi)通時(shí)間；

ul為相電抗兩端的電壓：其中，iatarget為a相補(bǔ)償目標(biāo)值；iaout為a相實(shí)際輸出瞬時(shí)值；三相輸出電抗的電感值均為l；

ur為系統(tǒng)相等效電阻的分壓，由于等效電阻很小，在計(jì)算時(shí)忽略不計(jì)，計(jì)算結(jié)果不影響補(bǔ)償?shù)木珳?zhǔn)。

整理方程后得到：

如圖1所示，所述的基于回路電壓的綜合電能質(zhì)量治理裝置，包括系統(tǒng)電源9，系統(tǒng)電源9通過(guò)輸出電抗器2連接三相全橋逆變單元1，三相全橋逆變單元1的直流側(cè)連接串接的電容c1和電容c2，電容c1和電容c2連接直流電壓互感器8，直流電壓互感器8連接控制系統(tǒng)3的直流電壓采集端口。

所述的系統(tǒng)電源9與輸出電抗器2之間連接系統(tǒng)電壓互感器4，系統(tǒng)電壓互感器4連接控制系統(tǒng)3的系統(tǒng)電壓采集端口，輸出電抗器2與三相全橋逆變單元1之間穿有輸出電流互感器6，輸出電流互感器6連接控制系統(tǒng)3的輸出電流采集端口，三相全橋逆變單元1通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路7連接控制系統(tǒng)3的pwm輸出端口，控制系統(tǒng)3的負(fù)載電流采集端口連接負(fù)載電流互感器5。

所述的控制系統(tǒng)3的直流電壓采集端口、系統(tǒng)電壓采集端口、輸出電流采集端口和負(fù)載電流采集端口分別通過(guò)調(diào)理電路和采樣信號(hào)總線連接ad轉(zhuǎn)換芯片，ad轉(zhuǎn)換芯片通過(guò)控制總線和數(shù)據(jù)總線連接fpga，fpga連接通訊接口485can和io口，pwm輸出端口連接fpga，ad轉(zhuǎn)換芯片包括ad01、ad02和ad03。

本發(fā)明具有消除電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功、平衡三相負(fù)荷的功能，不但綜合解決了電網(wǎng)所存在的普遍的電能質(zhì)量問(wèn)題，還提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，凈化了電網(wǎng)，優(yōu)化用電環(huán)境，提高設(shè)備運(yùn)行以及電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

本發(fā)明并不僅限于上述具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍內(nèi)做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。