一种混合型电能质量治理方法

　　（一）技术原创性及重要性：

　　为了实现大容量、低成本、高性能的无功功率、谐波电流、负序电流和电压闪变等电能质量问题的治理，本发明提出了由廉价、大容量无源补偿部分和小容量、高性能有源部分组成的新型并联混合有源和无源电能质量补偿装置，其拓扑结构见图2。其中无源部分由三角形连接的TCR、星型TSC和固定电容补偿器（简称FC）组成，以补偿变化较慢（20ms以上）的无功功率，并治理负序电流；而有源部分由多个直流侧独立的三相全桥逆变器并联组成，各个逆变器既可工作在谐波工况，也可工作在无功工况，或者兼而有之，治理快速变化的无功功率和谐波，其补偿机理见图4。

图4 混合治理系统补偿机理

　　本发明专利从拓扑构造、控制策略以及工程使用技术等多个方面进行保护，取得了四个方面的技术创新，目前均无替代方案。

　　(1)首次提出一种基于无源和有源结合的拓扑新模式，是一种低成本、高性能的补偿技术，成本降低58%。

　　如图2所示是基于有源器件IGBT和无源器件晶闸管相组合的混合系统和协同控制方法，实现无功功率、谐波、负序电流和电压闪变的同时治理。其无源部分可以单独是TSC、TCR或者FC，也可以是它们之间的任意组合；有源部分采用直流侧独立型多重化逆变器并联方式，逆变单元模块化设计，可以根据实际需要方便扩能和冗余设计，模块故障检修时不影响整个系统运行。

　　整个系统适用于各种电压等级，例如我国的35kV/10kV/6kV/3kV/1kV/690V/380V。这是工程实践中的技术发明，已经实现工程化和产业化，是一种性价比高、补偿效果好的补偿装置和方法。

　　(2)首次提出一种载波变频的谐波抑制新技术，实现开关频率的自主调节，谐波补偿能力提高35%。

　　本专利技术有源部分的主要任务是补偿快速变化（5~20ms）的无功功率和主要的谐波电流，因此会出现需要APF补偿的谐波较大，同时需要治理的无功功率少，或者情况相反。但由于APF的开关器件IGBT等通过的电流值和开关频率是反比例变化的，即通过大电流时，需要降低开关频率。

　　为了提高有源容量的利用率，本专利提出一种根据需要补偿的目标无功功率的大小实时改变开关频率和响应的过流保护值，使得其工作在大容量无功工况下是低开关频率，而工作在小容量无功工况下是高开关频率，这样有利于谐波的抑制效果。无功量的大小和频率的选择根据器件的特征制定相应的规则，根据规则控制控制载波的周期来改变开关频率。

　　(3)首次提出基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的双闭环电压控制技术，调节速度提高20%、控制精度提高36%。

　　基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的双闭环电压控制技术的实现了有功和无功电流的解耦，并实现电流到电压的通过公式计算的直接转换，减少了单独使用双闭环设计的复杂度，相比PI调节缩短了计算时间和计算量。同时利用逆变器发出的电流构成一个反馈电流内环弥补等效电阻和等效电感值不精确的缺陷，其控制框图如图5：

图5 混合电能质量治理系统拓扑控制框图

　　同时考虑由于直流电压是一个相对稳定的控制对象，普通的PI控制器能满足要求，而电网电压受电网、负载、补偿等多种制约，通常的PI调节的控制参数是通过试验，并折中暂态和稳态过程以达到一种较满意的效果，这显然会影响其在大扰动或小扰动下的控制效果。本专利引入自适应模糊控制的电网电压控制，以控制快速对电压进行补偿，抑制闪变。其具体原理如下。

　　(4) 首次提出一种全控器件的窄脉冲抑制新方法，实现了IGBT“死区安全保护”再升级，延长了设备的使用寿命。

　　由于调制波和载波均为数字信号，比较时在两者的交点处发生多次比较的可能，如图7所示，当调制波在与载波信号相交的地方发生更新，则必然会出现多次翻转，从而产生危害极大的窄脉冲，如果窄脉冲过短便会造成器件未完全关断变重新开启或者是未完全开启便关断，威胁器件安全工作和系统正常运行，并且使得输出电流畸变。

图7 窄脉冲产生原理

　　本专利设计了一种新型的自然比较机制，能够有效的剔除窄脉冲。鉴于前面提到的窄脉冲是调制波与载波的多次比较造成的，设计如下图8所示的脉冲翻转的锁定机制。这个锁机制的上锁信号为PWM脉冲的翻转信号，而解锁信号则为载波的波峰跟波谷。当调制波与载波在交点比较发生翻转后完成后，立即上锁，在解锁之前禁止PWM脉冲信号发生翻转，从而杜绝了PWM脉冲在交点处的多次翻转，消除了窄脉冲。

图8 解锁机制

　　提出了有源开关器件的窄脉冲抑制数字锁新方法，脉冲生成时间由11us减少至7us，波形拟合度提高4%。该方法通过FPGA实现，简单可靠，防止了窄脉冲导致的器件失效造成的安全隐患，降低了输出电流的畸变。

　　（二）技术优势：

　　本专利产品弥补了传统的无源和有源补偿产品的不足，在谐波补偿能力、响应时间、设备损耗等方面具有明显的技术优势，代表了该领域的发展新方向，推动了电能质量行业的发展。

　　（1）谐波补偿能力提升52%，保证了供电安全。

　　传统的无源滤波补偿装置只能补偿固定次的谐波，且存在与系统发送并联谐振的风险；而有源滤波装置的开关频率固定，只能滤除13次以内的谐波。本专利技术产品的开关频率可以实现动态调节，且调节范围宽，可以实现29次以内的任意次谐波补偿，无谐振等存在，保证了供电安全。

　　（2）实现无功、谐波和负序的同时治理，电能利用率提高8%。

　　传统的无源补偿装置响应速度较慢，无法同时实现多种治理功能；有源补偿装置的调节范围受限，控制功能较单一。本专利技术结合无源和有源补偿技术，用无源实现粗调节，有源实现精调节，扩展了装置的控制功能，提高了响应速度，实现多种电能质量的同时治理，电能利用率提高8%以上。

　　（3）动态响应时间比传统技术快4倍，电压闪变改善率达76.5%。

　　传统逆变器采用双闭环控制法, 这种控制方法的鲁棒性好，其不足之处是必须设计4个PI 调节器，并且利用PI控制进行有功和无功电流的解耦控制，实际应用时参数难确定，使得动态响应时间较长，控制精度偏低。本专利技术采用自适应模糊控制和瞬时功率平衡的双闭环电压控制技术，动态响应时间比传统快4倍以上。

　　（4）综合指标与现有技术相比，优势显著

　　与现有技术相比，在调节模式、谐波治理、负序治理、电压跌落治理、运行成本等方面优势显著。

　　（三）技术通用性：

　　本专利技术既适用于新增负载的电能质量问题的全面治理，也适用于对既有补偿装置的扩能和性能改善；整套技术成熟，可靠。目前由于大容量的兼备无功、谐波和负序治理的纯有源滤波器还受限于电力电子器件的水平，本专利产品在一定时期内不能被替代。

　　随着电力电子器件技术的不断成熟，基于晶闸管、IGBT的电力变换产品发展迅速，结合公司目前所从事的产品，本专利相关技术在公司的光伏逆变器、能量回馈系统、大功率整流器、高压变频器、机车电传动系统、风电逆变器得到了应用，促进了这些产品的技术的提升及产品的升级换代。

　　专利权人：株洲变流技术国家工程研究中心有限公司