基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统及方法技术方案

一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统及方法，该系统包括串联MMC、并联MMC、控制电路；串联MMC、并联MMC形成基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构，分别通过变压器连接至电网侧和负载侧。该方法包括abc静止坐标系下的MMC模型变换得到dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型；获得MMC在dq旋转坐标系下的串联MMC、并联MMC的小信号模型；利用并联MMC输出补偿电流和稳定直流侧电压；利用串联MMC输出补偿电压。本发明专利技术针对基波正序电压分量、基波正序电流分量采用PI调节器，其他分量采用准PR调节器实现无静差控制，不仅针对畸变、谐波及无功功率等情况进行补偿，还对不平衡电源电压及不平衡负载的情况进行补偿，使负载得到可靠供电。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及柔性交流输配电及电力电子
，特别涉及一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统及方法。
技术介绍
现代工业电网中，电机的启动、大负荷的启停、负荷的非线性等各种干扰导致工业电网电压畸变、不平衡电压的上升和下降、电压闪变、负载电流不平衡等，引起工业电网电能质量明显下降。而随着大量新技术的广泛应用，各种检测控制设备等敏感负荷所占的比重越来越大，相应地对电网电能质量的要求越来越高。那么，为了给用户提供纯净的电源，电能质量综合补偿装置的研究非常重要。统一电能质量调节器UPQC(UnifiedPowerQualityConditioner)能够对工业电网电能质量实现综合补偿，为用户提供稳定、可靠的绿色电源。但是，目前的UPQC拓扑结构由于受到单个功率器件耐压能力的限制只能应用到低压场合，而无法满足中压大功率场合的要求。为解决此问题，UPQC拓扑结构的各个桥臂必然会通过串联以及并联多个开关器件的方式来降低单个开关器件所承受的电压，因此增加了开关器件控制的复杂性。将多电平技术应用到UPQC领域，研究一种新型的UPQC拓扑结构是非常必要的。文献“Amultilevelconverter-baseduniversalpowerconditioner”，提出了一种5电平的二极管箝位式的电能质量调节器。文献“Multilevelvoltage-source-convertertopologiesforindustrialmedium-voltagedrives”提出此种拓扑应用在中高压场合会有很大的局限性，如需要大量的电容，电容信号采集复杂，为保持电容电压平衡需要复杂的调制策略等，因此用二极管钳位型实现的UPQC仅限于三或四电平。文献“基于模块化多电平换流器MMC(ModularMultilevelConverter)拓扑的新型中压统一电能质量控制器”和文献“基于MMC的统一电能质量调节器控制策略研究”对于MMC-UPQC补偿功能进行了研究，但均聚焦在电网电压的畸变、负载电流的谐波及无功功率等方面，没有针对不平衡电源电压及不平衡负载的情况进行探讨。而电网在实际运行过程中，可能会发生各种不平衡，从而影响某些重要负荷的正常运行，甚至会导致某些设备发生故障保护，带来较大的经济损失。所以为提高电网电能质量，有必要对MMC-UPQC在电网发生不平衡、畸变、谐波等各种电能质量问题时的综合补偿控制功能进行研究。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统及方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统，包括：串联于电网和负载之间的模块化多电平换流器即串联MMC；与负载并联的模块化多电平换流器即并联MMC；控制电路：根据电网侧电压、电流信号和负载侧电压、电流信号，分别通过串联MMC和并联MMC补偿控制电网侧引起的电压质量问题和负载侧引起的电流质量问题；串联MMC、并联MMC共用直流环节，形成基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构，串联MMC、并联MMC分别通过变压器连接至电网侧和负载侧，控制电路包括串联侧控制器、并联侧控制器，分别连接串联MMC、并联MMC。一种采用所述系统的电网电能质量控制方法，包括：步骤1、利用基尔霍夫电压定律、电流定律分析串联MMC、并联MMC的各相上下桥臂与直流侧组成的回路，得到abc静止坐标系下的MMC模型，利用Park变换矩阵将abc静止坐标系下的模型进行变换，得到dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型；步骤2、采用小信号分析的方法，将dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型中的电气量用小信号表示，获得MMC在dq旋转坐标系下的串联MMC、并联MMC的小信号模型；步骤3、控制电路利用并联MMC输出补偿电流和稳定直流侧电压；步骤4、控制电路利用串联MMC输出补偿电压。所述步骤3包括：步骤3-1、串联MMC、并联MMC所形成的基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构中，并联侧控制策略采用双环控制，电压外环采用PI控制来维持直流侧电压，电流内环采用前馈解耦控制对并联MMC网侧电流的d轴分量、q轴分量进行解耦控制；步骤3-2、将负载电流与基波正序有功电流的差值作为电流补偿量注入电网；步骤3-3、电流内环控制过程中在负载电流发生畸变和不平衡时，基波正序电流分量采用PI调节器实现无静差控制，其它电流分量采用准PR调节器实现无静差控制。所述步骤4包括：步骤4-1、串联MMC、并联MMC所形成的基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构中，串联侧控制策略采用双环控制，电压外环采用PI控制获得电流内环的参考指令值，电流内环采用前馈解耦控制对串联MMC网侧电流的d轴分量、q轴分量进行解耦控制；步骤4-2、将电网电压与负载电压参考值的差值作为电压补偿量注入电网；步骤4-3、电流内环在电网电压发生畸变和不平衡时，基波正序电压分量采用PI调节器实现无静差控制，其它电压分量采用准PR调节器实现无静差控制。本专利技术的有益效果：1)本专利技术利用一种新型的基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构，能够克服现有技术的不足，在中压大功率领域具有明显的应用优势，如无需增加高压直流母线电容(或串联连接)，输出电平数量多，电压谐波含量少。2)本专利技术针对除基波正序电流、电压以外的分量采用准PR调节器实现无静差控制，不仅可以针对系统畸变、谐波及无功功率等情况下进行补偿，还可以针对不平衡电源电压及不平衡负载的情况进行补偿，较好地解决了来自电网电压的电能质量问题，使负载可以得到优质可靠的供电，同时也较好地控制来自负载侧的电能质量问题向电网扩散，使系统的电能质量得到了全面的改善。附图说明图1是本专利技术具体实施例中基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统结构示意图；图2是本专利技术具体实施例中MMC数学建模流程图；图3是本专利技术具体实施例中三相MMC拓扑结构图，(a)为三相MMC拓扑结构，(b)为子模块SM拓扑结构；图4是本专利技术具体实施例中利用并联MMC输出补偿电流和稳定直流侧电压的控制框图；图5是本专利技术具体实施例中串联MMC的基波正序电压外环PI调节器示意图；图6是本专利技术具体实施例中控制器利用串联MMC输出补偿电压的控制框图；图7是本专利技术具体实施例中补偿电网电压畸变实验波形，(a)畸变的电网电压，(b)补偿后的负载电压波形；图8是本专利技术具体实施例中无功功率与谐波的综合补偿实验波形，(a)补偿前电网的a相电压与电流波形，(b)补偿后电网的a相电压与电流波形；图9是本专利技术具体实施例中电网电压不平衡补偿实验波形，(a)补偿前电网的b相与c相电压波形，(b)补偿后负载的b相与c相电压波形；图10是本专利技术具体实施例中非线性及不平衡负载的补偿实验波形，(a)负载电流波形，(b)补偿后电网电流波形，(c)补偿后电网的a相电压与电流波形。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统，如图1所示，包括：串联于电网和负载之间的模块化多电平换流器即串联MMC；与负载并联的模块化多电平换流器即并联MMC；控制电路：根据电网侧电压、电流信号和负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统，其特征在于，包括：串联于电网和负载之间的模块化多电平换流器即串联MMC；与负载并联的模块化多电平换流器即并联MMC；控制电路：根据电网侧电压、电流信号和负载侧电压、电流信号，分别通过串联MMC和并联MMC补偿控制电网侧引起的电压质量问题和负载侧引起的电流质量问题；串联MMC、并联MMC共用直流环节，形成基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构，串联MMC、并联MMC分别通过变压器连接至电网侧和负载侧，控制电路包括串联侧控制器、并联侧控制器，分别连接串联MMC、并联MMC。

【技术特征摘要】
1.一种基于统一电能质量调节器的电网电能质量控制系统，其特征在于，包括：串联于电网和负载之间的模块化多电平换流器即串联MMC；与负载并联的模块化多电平换流器即并联MMC；控制电路：根据电网侧电压、电流信号和负载侧电压、电流信号，分别通过串联MMC和并联MMC补偿控制电网侧引起的电压质量问题和负载侧引起的电流质量问题；串联MMC、并联MMC共用直流环节，形成基于MMC的统一电能质量调节器UPQC拓扑结构，串联MMC、并联MMC分别通过变压器连接至电网侧和负载侧，控制电路包括串联侧控制器、并联侧控制器，分别连接串联MMC、并联MMC。2.一种采用权利要求1所述系统的电网电能质量控制方法，其特征在于，包括：步骤1、利用基尔霍夫电压定律、电流定律分析串联MMC、并联MMC的各相上下桥臂与直流侧组成的回路，得到abc静止坐标系下的MMC模型，利用Park变换矩阵将abc静止坐标系下的模型进行变换，得到dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型；步骤2、采用小信号分析的方法，将dq旋转坐标系下的微分方程矩阵模型中的电气量用小信号表示，获得MMC在dq旋转坐标系下的串联MMC、并联MMC的小信号模型；步骤3、并联侧控制器利用并联MMC输出补偿电流和稳定直流侧电压；步骤4、串联侧控制器利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜艳华，张连勇，孙方红，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21