一種混合型電能質量治理方法
?。ㄒ唬┘夹g原創性及重要性：
為了實現大容量、低成本、高性能的無功功率、諧波電流、負序電流和電壓閃變等電能質量問題的治理，本發明提出了由廉價、大容量無源補償部分和小容量、高性能有源部分組成的新型并聯混合有源和無源電能質量補償裝置，其拓撲結構見圖2。其中無源部分由三角形連接的TCR、星型TSC和固定電容補償器（簡稱FC）組成，以補償變化較慢（20ms以上）的無功功率，并治理負序電流；而有源部分由多個直流側獨立的三相全橋逆變器并聯組成，各個逆變器既可工作在諧波工況，也可工作在無功工況，或者兼而有之，治理快速變化的無功功率和諧波，其補償機理見圖4。
圖4 混合治理系統補償機理
本發明專利從拓撲構造、控制策略以及工程使用技術等多個方面進行保護，取得了四個方面的技術創新，目前均無替代方案。
(1)首次提出一種基于無源和有源結合的拓撲新模式，是一種低成本、高性能的補償技術，成本降低58%。
如圖2所示是基于有源器件IGBT和無源器件晶閘管相組合的混合系統和協同控制方法，實現無功功率、諧波、負序電流和電壓閃變的同時治理。其無源部分可以單獨是TSC、TCR或者FC，也可以是它們之間的任意組合；有源部分采用直流側獨立型多重化逆變器并聯方式，逆變單元模塊化設計，可以根據實際需要方便擴能和冗余設計，模塊故障檢修時不影響整個系統運行。
整個系統適用于各種電壓等級，例如我國的35kV/10kV/6kV/3kV/1kV/690V/380V。這是工程實踐中的技術發明，已經實現工程化和產業化，是一種性價比高、補償效果好的補償裝置和方法。
(2)首次提出一種載波變頻的諧波抑制新技術，實現開關頻率的自主調節，諧波補償能力提高35%。
本專利技術有源部分的主要任務是補償快速變化（5~20ms）的無功功率和主要的諧波電流，因此會出現需要APF補償的諧波較大，同時需要治理的無功功率少，或者情況相反。但由于APF的開關器件IGBT等通過的電流值和開關頻率是反比例變化的，即通過大電流時，需要降低開關頻率。
為了提高有源容量的利用率，本專利提出一種根據需要補償的目標無功功率的大小實時改變開關頻率和響應的過流保護值，使得其工作在大容量無功工況下是低開關頻率，而工作在小容量無功工況下是高開關頻率，這樣有利于諧波的抑制效果。無功量的大小和頻率的選擇根據器件的特征制定相應的規則，根據規則控制控制載波的周期來改變開關頻率。
(3)首次提出基于自適應模糊控制和瞬時功率平衡的雙閉環電壓控制技術，調節速度提高20%、控制精度提高36%。
基于自適應模糊控制和瞬時功率平衡的雙閉環電壓控制技術的實現了有功和無功電流的解耦，并實現電流到電壓的通過公式計算的直接轉換，減少了單獨使用雙閉環設計的復雜度，相比PI調節縮短了計算時間和計算量。同時利用逆變器發出的電流構成一個反饋電流內環彌補等效電阻和等效電感值不精確的缺陷，其控制框圖如圖5：
圖5 混合電能質量治理系統拓撲控制框圖
同時考慮由于直流電壓是一個相對穩定的控制對象，普通的PI控制器能滿足要求，而電網電壓受電網、負載、補償等多種制約，通常的PI調節的控制參數是通過試驗，并折中暫態和穩態過程以達到一種較滿意的效果，這顯然會影響其在大擾動或小擾動下的控制效果。本專利引入自適應模糊控制的電網電壓控制，以控制快速對電壓進行補償，抑制閃變。其具體原理如下。
(4) 首次提出一種全控器件的窄脈沖抑制新方法，實現了IGBT“死區安全保護”再升級，延長了設備的使用壽命。
由于調制波和載波均為數字信號，比較時在兩者的交點處發生多次比較的可能，如圖7所示，當調制波在與載波信號相交的地方發生更新，則必然會出現多次翻轉，從而產生危害極大的窄脈沖，如果窄脈沖過短便會造成器件未完全關斷變重新開啟或者是未完全開啟便關斷，威脅器件安全工作和系統正常運行，并且使得輸出電流畸變。
圖7 窄脈沖產生原理
本專利設計了一種新型的自然比較機制，能夠有效的剔除窄脈沖。鑒于前面提到的窄脈沖是調制波與載波的多次比較造成的，設計如下圖8所示的脈沖翻轉的鎖定機制。這個鎖機制的上鎖信號為PWM脈沖的翻轉信號，而解鎖信號則為載波的波峰跟波谷。當調制波與載波在交點比較發生翻轉后完成后，立即上鎖，在解鎖之前禁止PWM脈沖信號發生翻轉，從而杜絕了PWM脈沖在交點處的多次翻轉，消除了窄脈沖。
圖8 解鎖機制
提出了有源開關器件的窄脈沖抑制數字鎖新方法，脈沖生成時間由11us減少至7us，波形擬合度提高4%。該方法通過FPGA實現，簡單可靠，防止了窄脈沖導致的器件失效造成的安全隱患，降低了輸出電流的畸變。
?。ǘ┘夹g優勢：
本專利產品彌補了傳統的無源和有源補償產品的不足，在諧波補償能力、響應時間、設備損耗等方面具有明顯的技術優勢，代表了該領域的發展新方向，推動了電能質量行業的發展。
?。?）諧波補償能力提升52%，保證了供電安全。
傳統的無源濾波補償裝置只能補償固定次的諧波，且存在與系統發送并聯諧振的風險；而有源濾波裝置的開關頻率固定，只能濾除13次以內的諧波。本專利技術產品的開關頻率可以實現動態調節，且調節范圍寬，可以實現29次以內的任意次諧波補償，無諧振等存在，保證了供電安全。
?。?）實現無功、諧波和負序的同時治理，電能利用率提高8%。
傳統的無源補償裝置響應速度較慢，無法同時實現多種治理功能；有源補償裝置的調節范圍受限，控制功能較單一。本專利技術結合無源和有源補償技術，用無源實現粗調節，有源實現精調節，擴展了裝置的控制功能，提高了響應速度，實現多種電能質量的同時治理，電能利用率提高8%以上。
（3）動態響應時間比傳統技術快4倍，電壓閃變改善率達76.5%。
傳統逆變器采用雙閉環控制法, 這種控制方法的魯棒性好，其不足之處是必須設計4個PI 調節器，并且利用PI控制進行有功和無功電流的解耦控制，實際應用時參數難確定，使得動態響應時間較長，控制精度偏低。本專利技術采用自適應模糊控制和瞬時功率平衡的雙閉環電壓控制技術，動態響應時間比傳統快4倍以上。
（4）綜合指標與現有技術相比，優勢顯著
與現有技術相比，在調節模式、諧波治理、負序治理、電壓跌落治理、運行成本等方面優勢顯著。
?。ㄈ┘夹g通用性：
本專利技術既適用于新增負載的電能質量問題的全面治理，也適用于對既有補償裝置的擴能和性能改善；整套技術成熟，可靠。目前由于大容量的兼備無功、諧波和負序治理的純有源濾波器還受限于電力電子器件的水平，本專利產品在一定時期內不能被替代。
隨著電力電子器件技術的不斷成熟，基于晶閘管、IGBT的電力變換產品發展迅速，結合公司目前所從事的產品，本專利相關技術在公司的光伏逆變器、能量回饋系統、大功率整流器、高壓變頻器、機車電傳動系統、風電逆變器得到了應用，促進了這些產品的技術的提升及產品的升級換代。
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