一种直流配电系统电能质量综合治理电路、装置及方法

本发明涉及配电网，具体涉及一种直流配电系统电能质量综合治理电路、装置及方法。

背景技术：

1、新能源发电技术与电力电子技术的进步改变了直流配电网发展的生态，相比交流配电网，直流配电网对直流型负荷和直流型分布式电源的适配性具有明显优势。虽然直流配电网电能质量优于交流配电网且易于控制，但其扰动特性具有独特特点，电压偏差、电压波动、纹波等稳态事件和电压暂降/中断、电压暂升等暂态事件，仍深刻影响着直流配电网的规划、运行、保护、控制等多个方面。直流微网中稳态事件影响系统供电质量和电气设备安全运行，在暂态电能质量问题中，电压暂降是发生频度最高的事件之一，直流配电网中的负载如变频器、数据中心等对电压的突然变化更加敏感，因此对直流母线的电压暂降要求更加严格。敏感负荷，如直流电机、精密机械工具、可编程逻辑控制器(programmable logiccontrollers，plc)等对电压暂降非常敏感，单个设备的故障可能引发整个生产线的产品报废，将造成巨大经济损失，电压暂降已被认为是影响许多用电设备正常与安全运行的主要电能质量问题。

2、对于上述直流配电网电能质量事件控制，可通过电能质量治理装备的接入，实现电压、谐波自主协同调节，使具备直流纹波治理、电压暂降、电压波动抑制能力。

3、由于直流配电网的等效模型不是无穷大电源，分布式电源功率波动、局部负荷变化、变换器和柔性开关等电力电子设备端口的功率交换均会引起直流配电网电压偏差、暂降。目前直流电能质量治理装置大多通过蓄电池的充放电实现有功功率-电压平衡，若要减小对蓄电池的依赖，降低对于储能设备的配置和投资。有的现有技术将储能配置在敏感负荷处，设计了一种电流内环的前馈控制策略，抑制了由负荷变动造成的直流电压波动。部分现有技术对于高光伏渗透电网，提出局部下垂和分布式控制的协调控制来调节电池储能的充放电，来抑制电压波动。还有部分现有技术借鉴交流电网对电气弹簧的研究经验，利用可控负荷对直流电网的电压变化进行抑制。由于可控负荷容量有限，对电压波动的控制存在一个最大值边界，当其容量位于边界之外时，无法将电压控制到额定值，此时对直流电压的控制能力有限。针对这一问题，有科研人员提出了一种基于可控负荷与蓄电池储能的综合控制策略，虽然利用可控负荷可降低蓄电池的容量要求，提高经济性，但是依然需要储能装备的投入。直流电压偏差要求治理装置的容量大些，目前对于电压偏差治理的研究中大多都需要储能设备的投入，但从前期投资以及占地要求考虑，对于减少或不依靠储能设备的电压偏差/暂降治理装备的研究十分有前景和必要。

4、目前纹波抑制治理方法分为主动治理和被动治理，主动治理是对产生纹波的装置进行改进，但会使系统结构及控制策略变复杂，成本提高、效率降低。被动治理是通过安装有源滤波装置或无源滤波器消除纹波。为了解决上述问题，可以采用不同的纹波提取方法和电流跟踪控制策略实现dc-apf实现对补偿电流的快速响应跟踪，还可以dc-apf等效为阻抗后的波特图分析了其对于二次工频纹波具有良好的滤波效果，但是对于高频纹波滤波作用较差，采用dc-apf和lc滤波器相结合到达抑制各次纹波的效果。其他发明专利提出了一种抑制二次纹波的有源滤波器，由单相电压源型换流器(vsc)交流侧串联电感构成，在使用时将其直流侧接在需要抑制二次纹波的直流母线上。

5、多数现有技术侧重的是稳态电能质量问题，而对于直流暂态电能质量的治理措施，很少有文献提出。动态电压恢复器(dvr)已成为交流系统中最有效、最全面的稳压保护方案之一，而dvr在直流系统中的发展尚处于起步阶段。一种串联稳压器(svr)进行电压跌落和膨胀调节，但采用的直流电力电子式变压器存在系统复杂、运行成本高、控制复杂等缺点。还有一种基于smes的直流负载电压保护用无变压器串联电压恢复器(smes-tlsvr)，虽然具有无变压器的优势，但是由于弥补无变压器结构dvr补偿电压跌落能力有限的问题，提出利用超导技术却增加了前期投资。

6、从上所述现有技术中能看出目前提出的大部分电能质量装备仅能治理单一的电能质量问题，如电压偏差、暂降以及纹波，但是由于直流电压的零频特性及直流配电网自身的结构，纹波与波动、电压偏差与稳态电压不平衡间呈现耦合特性，如何提供一种能够同时治理电压偏差、暂降和纹波的装置是本领域技术人员亟需解决的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种直流配电系统电能质量综合治理电路、装置及方法，用以至少解决现有技术中缺乏治理多种电能质量事件的一体化装备的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种直流配电系统电能质量综合治理电路，包括：双有源变换器dab、直流有源滤波器dc-apf和备用变换器；其中，

4、双有源变换器dab的两侧分别通过直流有源滤波器dc-apf连接于两段直流母线上，其中两段直流母线分别为bus1和bus2，与bus1的两端相连的直流有源滤波器dc-apf为第一dc-apf，与bus2的两端相连的直流有源滤波器dc-apf为第二dc-apf，第一dc-apf通过稳压电容c1与双有源变换器dab的原边全桥相连，第二dc-apf通过稳压电容c2与双有源变换器dab的副边全桥相连；

5、备用变换器连接于稳压电容c1的两端，且与bus1侧敏感负载相连。

6、一种直流配电系统电能质量综合治理装置，基于一种直流配电系统电能质量综合治理电路，与直流侧的dc/ac变换器相连，包括直流配电系统电能质量治理电路和控制模块；

7、控制模块包括检测单元和开关控制单元；其中，

8、检测单元用于检测电压偏差、直流纹波和电压暂降；

9、当检测单元检测到电压偏差后，开关控制单元控制第一dc-apf和第二dc-apf内的对角开关管导通，控制双有源变换器dab采用控压模式通过功率互济实现电压平衡，并由双有源变换器dab滤除高频开关状态下产生的高频纹波成分，dc/ac变换器从bus1取电向敏感负荷供电；

10、当检测单元检测到直流纹波后，开关控制单元控制双有源变换器dab采用控压模式来抑制第一dc-apf和第二dc-apf直流侧电容电压波动和维持直流侧电压稳定，第一dc-apf和第二dc-apf通过跟踪直流母线侧纹波电流控制输出反向补偿电流抑制纹波，dc/ac变换器从bus1取电向敏感负荷供电；

11、当检测单元检测到电压暂降后，开关控制单元控制第二dc-apf的对角开关管和备用变换器导通，并由双有源变换器dab通过控压模式连接第二dc-apf和备用变换器，第一dc-apf中的全控器件开关、dc/ac变换器均关闭，备用变换器从bus2取电向敏感负荷供电。

12、一种直流配电系统电能质量综合治理方法，基于一种直流配电系统电能质量综合治理装置，包括以下步骤：

13、实时检测是否存在电压偏差、直流纹波和电压暂降的情况；

14、当检测到电压偏差后，控制第一dc-apf和第二dc-apf内的对角开关管导通，控制双有源变换器dab采用控压模式通过功率互济实现电压平衡，并由双有源变换器dab滤除高频开关状态下产生的高频纹波成分，dc/ac变换器从bus1取电向敏感负荷供电；

15、当检测到直流纹波后，控制双有源变换器dab采用控压模式来抑制第一dc-apf和第二dc-apf直流侧电容电压波动和维持直流侧电压稳定，第一dc-apf和第二dc-apf通过跟踪直流母线侧纹波电流控制输出反向补偿电流抑制纹波，dc/ac变换器从bus1取电向敏感负荷供电；

16、当检测到电压暂降后，控制第二dc-apf的对角开关管和备用变换器导通，并由双有源变换器dab通过控压模式连接第二dc-apf和备用变换器，第一dc-apf中的全控器件开关、dc/ac变换器均关闭，备用变换器从bus2取电向敏感负荷供电。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种直流配电系统电能质量综合治理电路、装置及方法，具有以下有益效果：

18、本发明首先采用分段直流母线供电，通过能够实现功率双向流动的治理装备连接两段母线，当某一段母线处发生电压偏差时，另一段母线通过装备补偿有功实现有功平衡以维持其直流母线电压基准值。该方案通过分段母线之间的功率互济实现有功平衡以达到电压平衡，省去了储能设备的投入，大大降低了前期资金投入。此处首先考虑能够实现功率双向流动而且研究成熟的双有源桥式转换器(dab)并联在两侧分段母线处。

19、其次针对电压降低幅度大，持续时间短的电压暂降事件，通过功率互济由正常母线承担故障母线处的所有负载的有功消耗以维持其直流电压较为困难，所以此时首先只考虑维持故障母线侧敏感负载的电压，即敏感负载放弃在电压暂降侧母线取电，通过治理装备由另一段直流母线直接供电以维持其正常运行，为保障故障母线侧敏感负载和正常母线侧负载的正常供电，放弃对于电压暂降母线侧其他负载的有功补偿和电压稳定。通过上述分析，在无电压暂降事件发生时，敏感负载从母线处取电，发生电压暂降时，母线处敏感负载的转换器断开，而从装备靠近故障母线的直流端取电，并阻止有功通过装备流入故障母线。

20、最后，目前直流微网纹波治理研究中可采用dc-apf补偿直流母线输出的交流分量达到抑制电流纹波的目标，如果将dc-apf组合到上述治理装备中可实现了电压波动、暂降、纹波治理一体化的预期。在治理电压波动时，不需要dc-apf参与治理，即直接对角导通即可，在治理电压暂降时，需要dc-apf充当开关以防止有功功率流入故障母线侧其他负载。纹波治理时，由母线侧dc-apf输出补偿电流抑制纹波，并通过dab部分实现无功补偿以控制dc-apf中电容电压稳定，由于两段母线均可能需要抑制纹波，由此可将dc-apf分别并联到母线后，再与上述dab部分并联连接。

21、通过分段母线的功率互济治理电压偏差，不仅解决了依靠储能设备实现有功功率-电压平衡的问题，提高了经济效益，对于电压暂降母线侧敏感负载，无需单独的电压恢复器，通过互联单元由正常母线直接供电方式，其控制策略更加简单直接。将治理不同类型电能质量问题的模块高效组合形成的新型拓扑，可综合治理暂/稳态电能质量问题。