本发明涉及一种配网低压台区组合型电能质量综合治理系统及方法，可用于配网低压台区低电压、谐波、三相不平衡等电能质量综合治理，属于低压智能配电领域。
背景技术：
配网低压台区通常采用三相四线制供电方式，负荷(如电饭煲、电脑、洗衣机、冰箱等)多为单相负荷，因单相用电负荷用电行为的不一致性，造成三相不平衡已成为一种常态，并且居民用电情况受季节、天气、节假日等因素影响，导致三相不平衡情况存在更大的不确定性。几乎所有的配网低压台区都存在三相不平衡现象，不平衡发生率几近100％，不平衡度超标的配变更是达到60％～70％。另外，部分低压台区供电半径大、配变容量有限、线径小，造成线路上电压较大，末端低电压、谐波和电压波动等问题也较为突出。
近年来，随着光伏扶贫、电能替代、返乡创业等政策和项目的广泛推进，进一步加剧三相电网的用电不平衡问题，并向电网注入大量高次谐波电流，加重台区电压畸变。当大量的扶贫光伏接入配网时，可能会改变配网的功率潮流，导致供电末端电压偏高的问题。因此，配网低压台区电能质量问题往往是多因素并存的，且相互影响，在电能质量治理时需要多措并举才能实现优质供电的目的。
目前配网台区电能质量治理装置主要有串联电容器补偿装置、串联调压器、静止型动态无功发生器(svg)、有源电力滤波器(apf)等，上述装置只能实现单一电能质量治理，需要同时按照多台设备才能完成多个电能质量指标的治理，造成设备接线复杂、供电可靠性下降、投资增加等一系列问题。
技术实现要素：
考虑到以上提及的挑战和困难，本专利提出一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，所述组合型电能质量综合治理装置包括台区电能质量综合控制器、三相四线制电压源换流器vsc和换相开关，其中，电能质量综合控制器与配电变压器低压侧的台区电流互感器相连，采集台区电流采样信号，电能质量综合控制器将控制信号传递给电压源换流器vsc和换相开关，三相四线制电压源换流器vsc与配电变压器低压侧的输出相连进行无功电流、谐波电流和不平衡电流的综合补偿，换相开关位于负载和配电变压器低压侧之间，按照换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。所述配网低压台区组合型电能质量综合治理装置的台区电能质量综合控制器由换相开关切换模块和vsc调节模块两部分组成，vsc调节模块执行电压源换流器vsc的以快速电流反馈的直接电流控制策略；换相开关切换模块执行换相开关的以全局最优化算法得到的换相操作，台区电能质量综合控制器同时检测配电变压器低压出线三相电流值和电压值，其中换相开关切换模块实时监测配电变压器低压出线的三相电流、各换相开关出口侧电流，并实时计算电流平均值及电流不平衡度，如果在一定监测周期内配电变压器低压侧三相负荷不平衡度超限，则读取配电变压器低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，通过全局最优化算法求出开关预动作的最优解，发出最优换相控制指令，各换相开关单元执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配，其中vsc调节模块采集三相电流值，将abc坐标系下的三相交流量变换为dq坐标系下的两轴直流量，将直流信号与变换后有功信号id相比较作为有功通道控制信号id*来稳定直流电压；将交流侧母线电压有效值信号与变换后无功信号iq相比较作为无功通道控制信号iq*；将dq坐标系下的两轴直流量id*、iq*变换为abc坐标系下的三相交流量，与相电流直接相减得到各相参考电流(iaref、ibref、icref)，计算出的参考电流(iaref、ibref、icref)中包含谐波电流分量、台区剩余零序和负序电流分量、用于调制台区电压的无功电流分量和用于维持直流电压恒定的有功电流分量。
本发明不同于以往的配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其控制策略是综合了换相开关切换模块和vsc调节模块，由于换相开关在负荷侧进行了切换控制，能够真正实现负荷侧的不平衡补偿，因此，台区侧的不平衡电流相比没有换相开关的补偿方案显著减小，从而降低了台区侧补偿设备三相四线制电压源换流器vsc的工作负担和装机容量。由于电力电子设备的损耗和开关频率及电流大小有关，因此，随着装置容量下降，其工作电流和损耗值也显著下降，避免了采用电力电子类补偿设备带来的损耗大、运行费用高的问题。
附图说明
图1配网低压台区组合型电能质量综合治理装置接入电网结构示意图
图2换相开关工作原理示意图
图3三相四线制电压源换流器vsc拓扑结构示意图
图4电能质量综合治理装置整机控制策略
图5vsc调节模块直接电流补偿策略
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如附图1所示，组合型电能质量综合治理装置由台区电能质量综合控制器、三相四线制电压源换流器vsc和换相开关三部分组成。电能质量综合控制器与配电变压器低压侧的台区电流互感器相连，采集台区电流采样信号，电能质量综合控制器将控制信号传递给电压源换流器vsc和换相开关，三相四线制电压源换流器vsc与配电变压器低压侧的输出相连进行无功电流、谐波电流和不平衡电流的综合补偿，换相开关位于负载和配电变压器低压侧之间。
其中，台区电能质量综合控制器是整个系统的控制核心，换相开关和电压源换流器vsc是装置的执行机构，电能质量综合控制器与电压源换流器vsc安装于台区主变低压侧，可独立安装，也可安装于综合配电箱(jp)内替代传统无功补偿装置，从而简化台区设计，节约空间。
电能质量综合控制器和换相开关之间通过电力载波或gprs通信进行信息交互。电能质量综合控制器、电压源换流器vsc和换相开关相互配合完成对配网台区电能质量指标的综合治理。
换相开关直接安装在负荷侧，为三相四线输入，单相输出的换相切换装置，如图2所示。换相开关直接将单相负荷在a、b、c三相之间切换。换相开关切换速度快，切换过程不超过10ms，不会影响负荷正常用电。晶闸管反并联阀与交流接触器并联结构极大地降低了装置损耗，且省去了晶闸管散热系统。因此，换相开关具有速度快、损耗低的优势。为了防止发生相间短路，换相开关a、b、c三相具备机械闭锁功能。
电压源换流器vsc是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的目标电流，实现无功电流、谐波电流和不平衡电流的综合补偿目的。用于低压台区的电压源换流器vsc采用三相半桥结构带中性点引出的拓扑结构。如图3所示。
基于配网低压台区组合型电能质量综合治理装置接入电网结构示意图，配网低压台区组合型电能质量综合治理装置的台区电能质量综合控制器由换相开关切换模块和vsc调节模块两部分组成，如图4所示。
其中，由换相开关切换模块实时监测配电变压器低压出线的三相电流、各换相开关出口侧电流，并实时计算电流平均值及电流不平衡度，如果在一定监测周期内(设置为10分钟)配电变压器低压侧三相负荷不平衡度超限(越限定值设置为10％)，则读取配电变压器低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，通过全局最优化算法求出开关预动作的最优解，发出最优换相控制指令，各换相开关单元按照规定换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。全局最优化算法可以采用遗传算法、声搜索或者粒子群算法。
vsc调节模块采用以快速电流反馈为特征的直接电流控制策略，将abc坐标系下的三相交流量变换为dq坐标系下的两轴直流量，简化了换流器的数学模型，使控制器的设计变得简单，且控制效果良好。将直流信号与变换后有功信号id相比较作为有功通道信号id*，来稳定直流电压，保证设备稳定工作。将交流侧母线电压有效值信号与变换后无功信号iq相比较作为无功通道信号iq*。将dq坐标系下的两轴直流量id*、iq*变换为abc坐标系下的三相交流量，与相电流直接相减得到各相目标电流。vsc调节模块直接电流控制策略如图5所示。
计算出的参考电流(iaref、ibref、icref)中包含谐波电流分量、台区剩余零序和负序电流分量、用于调制台区电压的无功电流分量和用于维持直流电压恒定的有功电流分量，因此，该策略可以实现多个电能质量指标的综合补偿。
本发明不同于以往的配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其控制策略是综合了换相开关切换模块和vsc调节模块，由于换相开关在负荷侧进行了切换控制，能够真正实现负荷侧的不平衡补偿，因此，台区侧的不平衡电流相比没有换相开关的补偿方案显著减小，从而降低了台区侧补偿设备三相四线制电压源换流器vsc的工作负担和装机容量。由于电力电子设备的损耗和开关频率及电流大小有关，因此，随着装置容量下降，其工作电流和损耗值也显著下降，避免了采用电力电子类补偿设备带来的损耗大、运行费用高的问题。
基于上述内容，本专利提出的配网低压台区组合型电能质量综合治理装置充分发挥了换相开关和vsc各自的技术优势，实现了优势互补、协调运行的目的，该装置能够实现配网低压台区三相不平衡电流、谐波电流、无功电流、电压偏差等多种稳态电能质量问题的综合治理。和纯电力电子型补偿设备，如静止无功发生器svg、有源滤波器apf相比，由于本装置的vsc部分不需要进行不平衡治理，整机容量、运行损耗和设备体积都显著下降，解决了使用电力电子型补偿设备增加线损的诟病。本装置采用负荷侧安装的换相开关，解决了常规不平衡治理装置只能补偿台区侧不平衡，而不能补偿线路和负荷侧不平衡的问题。在治理方法上，改变了以往就地单一补偿的模式，达到优化全线路电压的目的；由于所有治理设备可监控，对于设备状态及运行效果可及时评估。
这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。
1.一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其特征在于：所述组合型电能质量综合治理装置包括台区电能质量综合控制器、三相四线制电压源换流器vsc和换相开关，其中，电能质量综合控制器与配电变压器低压侧的台区电流互感器相连，采集台区电流采样信号，电能质量综合控制器将控制信号传递给电压源换流器vsc和换相开关，三相四线制电压源换流器vsc与配电变压器低压侧的输出相连进行无功电流、谐波电流和不平衡电流的综合补偿，换相开关位于负载和配电变压器低压侧之间，按照换相流程执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。
2.如权利要求1所述的一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其特征在于：所述配网低压台区组合型电能质量综合治理装置的台区电能质量综合控制器由换相开关切换模块和vsc调节模块两部分组成，vsc调节模块执行电压源换流器vsc的以快速电流反馈的直接电流控制策略；换相开关切换模块执行换相开关的以全局最优化算法得到的换相操作。
3.如权利要求2所述的一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其特征在于：台区电能质量综合控制器同时检测配电变压器低压出线三相电流值和电压值，其中换相开关切换模块实时监测配电变压器低压出线的三相电流、各换相开关出口侧电流，并实时计算电流平均值及电流不平衡度，如果在一定监测周期内配电变压器低压侧三相负荷不平衡度超限，则读取配电变压器低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据，通过全局最优化算法求出开关预动作的最优解，发出最优换相控制指令，各换相开关单元执行换相操作，实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配。
4.如权利要求3所述的一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其特征在于：台区电能质量综合控制器同时检测配电变压器低压出线三相电流值和电压值，其中vsc调节模块采集三相电流值，将abc坐标系下的三相交流量变换为dq坐标系下的两轴直流量，将直流信号与变换后有功信号id相比较作为有功通道控制信号id*来稳定直流电压；将交流侧母线电压有效值信号与变换后无功信号iq相比较作为无功通道控制信号iq*；将dq坐标系下的两轴直流量id*、iq*变换为abc坐标系下的三相交流量，与相电流直接相减得到各相参考电流(iaref、ibref、icref)。
5.如权利要求4所述的一种配网低压台区组合型电能质量综合治理装置，其特征在于：计算出的参考电流(iaref、ibref、icref)中包含谐波电流分量、台区剩余零序和负序电流分量、用于调制台区电压的无功电流分量和用于维持直流电压恒定的有功电流分量。
技术总结