一种动态电压补偿装置及其多模式快速切换控制方法与流程

1.本发明属于电能质量技术领域，特别涉及一种动态电压补偿装置及其多模式快速切换控制方法。


背景技术：

2.电能质量问题范围很广，通常可分为稳态和暂态两类。稳态电能质量指标包括因系统无功功率不平衡引起的电压偏差(高电压、低电压)，由非线性负荷引起的谐波畸变，以及由冲击性负荷引起的电压波动和闪变问题等等；暂态电能质量包括电压暂降、暂升、短时中断等，产生暂态电能质量问题的干扰主要来自自然界、系统故障和操作等，如短路故障是造成大部分电压突然跌落或供电中断的主要原因，持续时间约为10～50个周波，波及面非常广。
3.稳态电能质量问题将造成设备绝缘老化、寿命下降、线路过载、损耗增大、保护自动化二次设备误动等一系列危害，随着生活水平的提高，大量生活生产电气设备的使用，尤其是大量非线性、冲击性负荷的出现，使稳态电能质量指标持续恶化、超标，必须遵照“谁污染、谁治理”的原则，采取科学、有效的补偿治理措施，保证谐波、电压波动、偏差等稳态电能质量指标合格。
4.此外，暂态电能质量问题同样不能忽视，电压暂降、暂升、短时中断等问题已成为威胁敏感负荷供电可靠性的主要因素。经统计，自动化程度高的电力客户每年遭受数十次暂态电能质量问题干扰，其中电压暂降和中断而造成的事故数约占事故总数的83％，远多于正常完全供电中断而引起的事故次数。许多敏感负荷对电能质量的要求很高，能忍受供电中断时间很短，即使系统处于暂态过程，也要保证优质电力供应，否则会引起严重的不良后果，如汽车厂、芯片厂、纺织厂等许多敏感工业用户，每年因暂态电能质量干扰承受了巨大经济损失。
5.为了解决上述技术问题，基于电力电子技术的用户电力技术(customer power)成为改善电能质量的工具，代表技术有有源电力滤波器(apf)、动态电压调节器(dvr)。但上述设备功能单一，利用率低，很容易造成资源浪费，如apf仅能够滤除低次谐波，无法改善电压偏差、波动等稳态电能质量指标，对暂态电能质量指标更是无能为力；dvr只能改善电压暂降，且短时工作，绝大部分工况下处于待机状态。
6.因此，有必要提出一种既能够有效解决电压暂降、暂升、短时中断等暂态电能质量问题，提供动态电压补偿，又能够实现电压偏差、电压波动、谐波畸变等稳态电能质量指标治理的电能装置。


技术实现要素：

7.针对现有技术缺陷，本发明提供了一种动态电压补偿装置及其多模式快速切换控制方法。
8.为实现上述技术目的，本发明提供一种动态电压补偿装置，其包括电网侧电流采
样互感器(1)、电网侧断路器(2)、输入侧电流采样互感器(3)、晶闸管旁路阀(4)、电网侧换流器连接电抗器(5)、电网侧换流器(6)、直流支撑电容器(7)、负荷侧换流器(8)、负荷侧换流器连接电抗器(9)、输出侧电流采样互感器(10)、负荷侧断路器(11)、负荷直供断路器(12)、整机控制保护系统(13)；其中，所述电网侧电流采样互感器(1)连接于所述交流电源进线侧与所述第一交流母线之间；所述电网侧断路器(2)、所述输入侧电流采样互感器(3)、所述电网侧换流器连接电抗器(5)、所述电网侧换流器(6)依次串联连接于所述第一交流母线与所述直流母线之间；所述负荷直供断路器(12)、所述负荷侧断路器(11)、所述输出侧电流采样互感器(10)、所述负荷侧换流器连接电抗器(9)、所述负荷侧换流器(8)依次串联连接于所述第一交流母线与所述直流母线之间；所述晶闸管旁路阀(4)串联连接于所述输入侧电流采样互感器(3)出口端与所述输出侧电流采样互感器(10)输入端之间；所述电网侧换流器(6)与所述负荷侧换流器(8)分别连接于所述直流支撑电容器(7)两侧；所述整机控制保护系统(13)接收所述电网侧电流采样互感器(1)、所述输出侧电流采样互感器(10)的采样信号，并向所述晶闸管旁路阀(4)、所述电网侧换流器(6)、所述负荷侧换流器(8)输出控制信号。
9.优选地，所述电网侧电流采样互感器(1)为三台单相电流互感器，分别采样交流电源进线侧a相、b相和c相电流信号ia、ib、ic，该三相电流采样信号ia、ib、ic输入整机控制保护系统(13)。
10.优选地，所述电网侧断路器(2)为三相断路器。
11.优选地，所述输入侧电流采样互感器(3)为三台单相电流互感器，分别采样所述电网侧断路器(2)与所述电网侧换流器连接电抗器(5)之间的三相电流信号i
a1
、i
b1
、i
c1
，该三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
输入整机控制保护系统(13)。
12.优选地，所述晶闸管旁路阀(4)包括6只晶闸管，分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6，该晶闸管采用反向并联接线方式，分为三组，其中t1与t2反向并联后接于a相，t3与t4反向并联接于b相，t5与t6反向并联接于c相。
13.优选地，所述电网侧换流器连接电抗器(5)由三台电抗器l
a1
、l
b1
、l
c1
组成，该电抗器l
a1
、l
b1
、l
c1
分别串联于所述输入侧电流采样互感器(3)与所述电网侧换流器(6)之间，三相电抗器的电感值均为第一电感值l1。
14.优选地，所述电网侧换流器(6)包括六只可关断器件v11、v12、v13、v14、v15、v16以及与其反并联的二极管，其采用三相桥式电压源接线方式。
15.优选地，所述负荷侧换流器(8)包括六只可关断器件v21、v22、v23、v24、v25、v26以及与其反并联的二极管，其采用三相桥式电压源接线方式。
16.优选地，所述负荷侧换流器连接电抗器(9)由三台电抗器l
a2
、l
b2
、l
c2
组成，该电抗器l
a2
、l
b2
、l
c2
分别串联于所述负荷侧换流器(8)与所述输出侧电流采样互感器(10)之间，三相电抗器的电感值均为第二电感值l2。
17.优选地，所述输出侧电流采样互感器(10)采用三台单相电流互感器，分别采样所述负荷侧断路器(11)与所述负荷侧换流器连接电抗器(9)之间的三相电流信号i
a2
、i
b2
、i
c2
，该三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
输入整机控制保护系统(13)。
18.优选地，所述负荷侧断路器(11)和所述负荷直供断路器(12)不同时闭合。
19.优选地，所述整机控制保护系统(13)采用数字化可编程处理器，实现信号转换、指
标计算、逻辑控制、pwm脉冲信号输出等功能，输出四组控制信号，分别为晶闸管旁路阀(4)导通关断信号、电网侧换流器(6)三相pwm脉冲信号、负荷侧换流器(8)三相pwm脉冲信号、直流常规负荷1～n供电回路断路器分合控制信号。
20.本发明还提供一种应用于上述动态电压补偿装置的多模式快速切换控制方法，所述控制方法包括：
21.第一步，断开所述负荷直供断路器(12)，手动投入所述电网侧断路器(2)、所述负荷侧断路器(11)，设置所述动态电压补偿装置的运行状态定值：高电压动作定值u
set1
、低电压动作定值u
set2
、直流电压运行值u
dcset
、动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
、动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
、暂态输出电压u
dset
；
22.第二步，当交流电源电压正常，即第一交流母线三相电压信号同时满足u
set1
》u
a1
》u
set2
、u
set1
》u
b1
》u
set2
、u
set1
》u
c1
》u
set2
时，整机控制保护系统(13)输出晶闸管旁路阀(4)连续导通信号，电网侧换流器(6)按电网侧换流器第一控制方法进行工作，其将所述直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号ia、ib、ic与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
经无功功率计算后反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器(5)电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器(6)的pwm控制信号，以将直流电压逐渐升高至目标值，具备直流电源、直流常规负荷、直流敏感负荷用电条件；负荷侧换流器(8)按负荷侧换流器(8)第一控制方法进行工作，其将所述三相电流采样信号ia、ib、ic与其自身经过dq变换、低通滤波、dq反变换后得到的电流值分别求得差值后，经滞环比较器、d触发器后输出所述负荷侧换流器(8)的pwm控制信号，以输出与采样点谐波电流相位相反、幅值相等的谐波电流，降低非线性负荷注入电网的谐波电流；
23.第三步，当交流电源电压异常，即第一交流母线三相电压信号出现如下u
a1
》u
set1
、u
b1
》u
set1
、u
c1
》u
set1
、u
a1
《u
set1
、u
b1
《u
set2
、u
c1
《u
set2
任意一种情况时；整机控制保护系统(13)停发晶闸管旁路阀(4)导通信号，电网侧换流器(6)、负荷侧换流器(8)均切换至第二控制方法进行工作，在上述两种第二控制方法下，整机控制保护系统(13)停发晶闸管旁路阀(4)触发信号，同时向电网侧换流器(6)、负荷侧换流器(8)发出控制信号，以使晶闸管旁路阀(4)快速关断；
24.第四步，当交流电压恢复正常，即第一交流母线三相电压信号同时满足u
set1
》u
a1
》u
set2
、u
set1
》u
b1
》u
set2
、u
set1
》u
c1
》u
set2
后，整机控制保护系统(13)发出晶闸管旁路阀(4)持续导通信号，电网侧换流器(6)切换至所述电网侧换流器第一控制方法继续工作，负荷侧换流器(8)切换至所述负荷侧换流器换流器第一控制方法继续工作。
25.优选地，所述控制方法还进一步包括，当所述晶闸管旁路阀(4)三相全部关断后，所述电网侧换流器(6)、所述负荷侧换流器(8)均切换至第三控制方法进行工作；其中，所述电网侧换流器(6)第三控制方法包括，将所述直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
进行无功功率计算得到无功电流iq，三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别与所述高电压动作定值u
set1
和所述低电压动作定值u
set2
比较结果来决定的动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
和动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
与上述无功电流iq的差值输入pi调节器，所述三
相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器(5)电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器(6)的pwm控制信号；所述负荷侧换流器(8)第三控制方法包括，将所述直流电压运行值u
dcset
与第二交流母线电压的d轴分量u
d2
的差值输入pi调节器，第二交流母线电压的q轴分量u
q2
反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
与所述三相电压信号u
a2
、u
b2
、u
c2
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述负荷侧换流器连接电抗器(9)电感值l2共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述负荷侧换流器(8)的pwm控制信号，以输出幅值、频率稳定的三相交流电压。
26.优选地，所述控制方法还进一步包括：当交流电源电压异常时，所述整机控制保护系统(13)检测到电压暂降、中断事件时，通过向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送分闸控制信号，使直流常规负荷退出系统。
27.优选地，所述控制方法还进一步包括：当交流电压恢复正常时，还进一步包括，所述整机控制保护系统(13)通过向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送合闸控制信号，使直流常规负荷恢复用电。
28.优选地，所述控制方法还进一步包括：当需要检修设备时，将所述电网侧断路器(2)、所述负荷侧断路器(11)断开，所述敏感负荷直供断路器(12)闭合，使装置退出运行状态，装置检修不影响敏感负荷正常用电。
29.优选地，所述控制方法还进一步包括：所述负荷侧断路器(11)和所述负荷直供断路器(12)不同时闭合。
30.与现有技术相比，本发明的优点在于：
31.本发明提供的动态电压补偿装置不仅能够有效解决电压暂降、暂升、短时中断等暂态电能质量问题，提供动态电压补偿，而且能够实现电压偏差、电压波动、谐波畸变等稳态电能质量指标治理，补偿无功功率，提高功率因数，从而实现真正意义上的多目标电能质量指标综合治理，解决现有apf或dvr装置功能单一，设备利用率低下等缺点和不足。
32.本发明提供的动态电压补偿装置具有多个交流、直流端口，交流端口分为交流常规负荷、交流敏感负荷，直流端口不仅可以接入直流电源，还可以接入直流常规负荷和直流敏感负荷，满足多种电气设备的不同用电特性和供电可靠性要求。
33.本发明提供的动态电压补偿装置多模式快速切换控制方法通过将稳态、暂态控制和补偿指标进行分解，各种工况下电网侧换流器和负荷侧换流器相互配合，该方法简化了换流器控制策略，提高了补偿效果，降低了换流器的电气应力，避免换流器过载。
34.本发明提供的动态电压补偿装置可在暂态电能质量问题发生时，通过电网侧残压和直流电源为直流母线充能，保证直流系统电压稳定，因此本装置不需要大容量的储能装置，直流环节仅需要小容量的电容器即可工作，降低了装置的尺寸和重量。
35.本发明提供的动态电压补偿装置中所使用的电子设备，如晶闸管旁路阀(4)、电网侧换流器(6)、负荷侧换流器(8)均可期运行，器件、驱动、光纤等任何元器件故障均可以通过监测回路及时发现，避免设备带故障运行，消除暂态补偿时设备无法正常工作的隐患。
附图说明
36.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
37.图1是本发明所公开动态电压补偿装置优选的电气主接线图；
38.图2是本发明所公开电网侧换流器的第1种控制策略“同步整流/逆变策略”示意图；
39.图3是本发明所公开电网侧换流器的第2种控制策略“晶闸管快速关断策略”示意图；
40.图4是本发明所公开电网侧换流器的第3种控制策略“动态无功支撑策略”示意图；
41.图5是本发明所公开负荷侧换流器的第1种控制策略“稳态谐波消除策略”示意图；
42.图6是本发明所公开负荷侧换流器的第2种控制策略“晶闸管快速关断策略”示意图；
43.图7是本发明所公开负荷侧换流器的第3种控制策略“恒压恒频逆变策略”示意图；
44.图8是本发明所公开动态电压补偿装置的优选控制方法示意图。
具体实施方式
45.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
46.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员再没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
48.本发明所公开的动态电压补偿装置为低压设备，其采用交流400/230v三相电源供电，具有交流输出母线和直流输出母线，其中交流输出母线可接入多组交流敏感负荷，直流输出母线可接入直流电源(如分布式光伏)、直流常规负荷和直流敏感负荷。
49.在稳态运行情况下，该动态电压补偿装置补偿交流电源进线侧无功和谐波电流，保证供电电压偏差、电压波动、谐波畸变率等各项稳态电能质量指标合格，同时提高功率因数，降低网损，保证电网高效运行；当电源发生电压暂降、暂升、短时中断等暂态电能质量事件时，该动态电压补偿装置通过快速切换供电回路，为交、直流敏感负荷连续供电，提高供电可靠性，避免敏感负荷停电造成的经济损失。
50.以下结合附图对本发明作进一步详述。
51.如图1所示，为实现上述技术目的，本发明提供一种动态电压补偿装置，其包括电网侧电流采样互感器1、电网侧断路器2、输入侧电流采样互感器3、晶闸管旁路阀4、电网侧换流器连接电抗器5、电网侧换流器6、直流支撑电容器7、负荷侧换流器8、负荷侧换流器连
接电抗器9、输出侧电流采样互感器10、负荷侧断路器11、负荷直供断路器12、整机控制保护系统(控保系统)13。
52.所述电网侧电流采样互感器1连接于所述交流电源进线侧与所述第一交流母线之间；所述电网侧断路器2、所述输入侧电流采样互感器3、所述电网侧换流器连接电抗器5、所述电网侧换流器6依次串联连接于所述第一交流母线与所述直流母线之间；所述负荷直供断路器12、所述负荷侧断路器11、所述输出侧电流采样互感器10、所述负荷侧换流器连接电抗器9、所述负荷侧换流器8依次串联连接于所述第一交流母线与所述直流母线之间；所述晶闸管旁路阀4串联连接于所述输入侧电流采样互感器3出口端与所述输出侧电流采样互感器10输入端之间；所述电网侧换流器6与所述负荷侧换流器8分别连接于所述直流支撑电容器7两侧；所述整机控制保护系统13接收所述电网侧电流采样互感器1、所述输出侧电流采样互感器10的采样信号，并向所述晶闸管旁路阀4、所述电网侧换流器6、所述负荷侧换流器8输出控制信号。
53.优选地，所述电网侧电流采样互感器1为三台单相电流互感器，分别采样交流电源进线侧a相、b相和c相电流信号ia、ib、ic，该三相电流采样信号ia、ib、ic输入整机控制保护系统13。
54.优选地，所述电网侧断路器2为三相断路器。
55.优选地，所述输入侧电流采样互感器3为三台单相电流互感器，分别采样所述电网侧断路器2与所述电网侧换流器连接电抗器5之间的三相电流信号i
a1
、i
b1
、i
c1
，该三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
输入整机控制保护系统13。
56.优选地，所述晶闸管旁路阀4包括6只晶闸管，分别为t1、t2、t3、t4、t5、t6，该晶闸管采用反向并联接线方式，分为三组，其中t1与t2反向并联后接于a相，t3与t4反向并联接于b相，t5与t6反向并联接于c相。
57.优选地，所述电网侧换流器连接电抗器5由三台电抗器l
a1
、l
b1
、l
c1
组成，该电抗器l
a1
、l
b1
、l
c1
分别串联于所述输入侧电流采样互感器3与所述电网侧换流器6之间，三相电抗器的电感值均为第一电感值l1。
58.优选地，所述电网侧换流器6包括六只可关断器件v11、v12、v13、v14、v15、v16以及与其反并联的二极管，其采用三相桥式电压源接线方式，按照三相pwm调制模式工作。
59.优选地，所述负荷侧换流器8包括六只可关断器件v21、v22、v23、v24、v25、v26以及与其反并联的二极管，其采用三相桥式电压源接线方式，按照三相pwm调制模式工作。
60.优选地，所述负荷侧换流器连接电抗器9由三台电抗器l
a2
、l
b2
、l
c2
组成，该电抗器l
a2
、l
b2
、l
c2
分别串联于所述负荷侧换流器8与所述输出侧电流采样互感器10之间，三相电抗器的电感值均为第二电感值l2。
61.优选地，所述输出侧电流采样互感器10采用三台单相电流互感器，分别采样所述负荷侧断路器11与所述负荷侧换流器连接电抗器9之间的三相电流信号i
a2
、i
b2
、i
c2
，该三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
输入整机控制保护系统13。
62.优选地，所述负荷侧断路器11和所述负荷直供断路器12具备机械或电气互锁，且上述两个断路器不同时闭合。
63.优选地，所述整机控制保护系统13采用数字化可编程处理器，实现信号转换、指标计算、逻辑控制、pwm脉冲信号输出等功能，输出四组控制信号，分别为晶闸管旁路阀4导通
关断信号、电网侧换流器6三相pwm脉冲信号、负荷侧换流器8三相pwm脉冲信号、直流常规负荷1～n供电回路断路器分合控制信号。
64.该动态电压补偿装置电气接口接入三条母线，分别为第一交流母线、第二交流母线和直流母线。
65.为便于说明电气接线方式，将该动态电压补偿装置内部主要的电气节点进行编号如下：第一交流母线的三相电气节点分别标识为u
a1
、u
b1
、u
c1
，第二交流母线的三相电气节点分别标识为u
a2
、u
b2
、u
c2
，电网侧断路器2下口侧的三相电气节点分别标识为u
a3
、u
b3
、u
c3
，负荷侧断路器11下口侧的三相电气节点分别标识为u
a4
、u
b4
、u
c4
，电网侧换流器6交流侧的三相电气节点分别标识为u
a5
、u
b5
、u
c5
，负荷侧换流器8交流侧的三相电气节点分别标识为u
a6
、u
b6
、u
c6
，直流母线的正负极电气节点分别标识为u
dc
、u
dc-。
66.电网侧电流采样互感器1标注“*”端子分别接至交流电源进线侧a、b、c相，非标注“*”端子分别接至第一交流母线的a、b、c相，用于测量交流电源进线侧a相、b相和c相电流信号，三相电流采样信号ia、ib、ic输入整机控制保护系统13。
67.电网侧断路器2上口接入第一交流母线，下口接至输入侧电流采样互感器3标注“*”端。
68.输入侧电流采样互感器3标注“*”端子分别接至电网侧断路器2下口，非标注“*”端子分别接至电气节点u
a3
、u
b3
、u
c3
。
69.晶闸管旁路阀4左侧接至电气节点u
a3
、u
b3
、u
c3
，右侧接至电气节点u
a4
、u
b4
、u
c4
。晶闸管t1和t2正反逆并联后接于电气节点u
a3
和u
a4
之间，晶闸管t3和t4正反逆并联后接于电气节点u
b3
和u
b4
之间，晶闸管t5和t6正反逆并联后接于电气节点u
c3
和u
c4
之间。
70.电网侧换流器连接电抗器5标注“*”侧接至电气节点u
a3
、u
b3
、u
c3
，非标注“*”侧接至电网侧换流器6的交流侧电气节点u
a5
、u
b5
、u
c5
。
71.电网侧换流器6的交流侧电气节点u
a5
、u
b5
、u
c5
接至电网侧换流器连接电抗器5非标注“*”侧，内部v11和v14串联后中点接至电气端点u
a5
，v13和v16串联后中点接至电气端点u
b5
，v15和v12串联后中点接至电气端点u
c5
，v11、v13、v15三个器件的集电极短接在一起接至直流正极母线u
dc
，v14、v16、v12三个器件的发射极短接在一起接至直流负极母线u
dc-。
72.直流支撑电容器7的正极端子接至直流正极母线u
dc
，负极端子接至直流负极母线u
dc-。
73.负荷侧换流器8的交流侧电气节点u
a6
、u
b6
、u
c6
接至负荷侧换流器连接电抗器9非标注“*”侧，内部v21和v24串联后中点接至电气端点u
a6
，v23和v26串联后中点接至电气端点u
b6
，v25和v22串联后中点接至电气端点u
c6
，v21、v23、v25三个器件的集电极短接在一起接至直流正极母线u
dc
，v24、v26、v22三个器件的发射极短接在一起接至直流负极母线u
dc-。
74.负荷侧换流器连接电抗器9标注“*”侧接至输出侧电流采样互感器10非标注“*”侧，非标注“*”侧连接至负荷侧换流器8的交流侧电气节点u
a6
、u
b6
、u
c6
。
75.输出侧电流采样互感器10标注“*”侧接至电气节点u
a4
、u
b4
、u
c4
，非标注“*”侧连接至负荷侧换流器连接电抗器9标注“*”侧。
76.负荷侧断路器11上口接至第二交流母线三相电气节点u
a2
、u
b2
、u
c2
，下口接至电气节点u
a4
、u
b4
、u
c4
。
77.负荷直供断路器12上口接至第一交流母线三相电气节点u
a1
、u
b1
、u
c1
，下口接至第
二交流母线三相电气节点u
a2
、u
b2
、u
c2
。
78.整机控制保护系统13输入六组电气量信号，分别为第一交流母线三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
，第二交流母线三相电压信号u
a2
、u
b2
、u
c2
，直流母线的正负极电压信号u
dc
，交流电源进线侧三相电流采样信号ia、ib、ic，输入侧三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
，输出侧三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
。整机控制保护系统13输出四组控制信号，分别为晶闸管旁路阀4导通关断信号、电网侧换流器6pwm脉冲信号、负荷侧换流器8pwm脉冲信号、直流常规负荷1～n供电回路断路器分合控制信号。
79.下面对本发明所公开动态电压补偿装置的工作原理进行说明。
80.交直流用电设备(含电源、负荷)分为五类：交流常规负荷、交流敏感负荷、直流常规负荷、直流敏感负荷、直流电源。其中交流常规负荷全部接入第一交流母线三相电气节点u
a1
、u
b1
、u
c1
，交流敏感负荷全部接入第二交流母线三相电气节点u
a2
、u
b2
、u
c2
，直流常规负荷、直流敏感负荷、直流电源则全部接入直流母线的正极电气节点u
dc
和负极电气节点u
dc-。
81.当电网侧断路器2、负荷侧断路器11断开，负荷直供断路器12闭合时，动态电压补偿装置进入检修隔离状态，交流电源通过第一交流母线为交流常规负荷供电，通过第二交流母线为交流敏感负荷供电，第一交流母线和第二交流母线等同于同一条母线，直流母线接入的直流常规负荷、直流敏感负荷、直流电源退出运行；当电网侧断路器2、负荷侧断路器11闭合，负荷直供断路器12断开时，装置退出检修隔离、进入工作状态，第一交流母线为交流常规负荷供电，第二交流母线为交流敏感负荷供电，直流母线接入的直流常规负荷、直流敏感负荷、直流电源投入运行。
82.优选地，本发明所公开的动态电压补偿装置的控制方法为基于同步旋转坐标系(dq坐标系)及相应的比例-积分(pi)控制算法。该控制方法在同步旋转坐标系下建立电网侧、负荷侧换流器的数学模型，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。电网侧换流器、负荷侧换流器均采用内环-外环控制模式，其内环控制为经典的dq轴解耦控制，各种模式下其算法一致，仅外环控制在不同的工作阶段、不同的换流器具有不同的控制目标。电网侧换流器6、负荷侧换流器8均具备3种控制策略。
83.本发明通过将稳态、暂态控制和补偿指标进行分解，各种工况下电网侧换流器和负荷侧换流器相互配合，分工明确，稳态情况下基波无功电流补偿由电网侧换流器完成，谐波电流补偿由负荷侧换流器完成；晶闸管关断过程中，电网侧换流器和负荷侧换流器配合工作，加快晶闸管关断速度；暂态补偿过程中，电网侧换流器为负荷侧换流器提供能量支撑，同时为故障电网提供容性(感性)无功电流支撑，加快电压恢复速度。该方法简化了换流器控制策略，使得不同的换流器分别具有不同的控制目标，从而提高了补偿效果，降低了换流器的电气应力，避免换流器过载。
84.下面结合附图对电网侧换流器和负荷侧换流器的控制策略进行详细说明。
85.本发明所公开动态电压补偿装置的运行状态定值包括：高电压动作定值u
set1
、低电压动作定值u
set2
、直流电压运行值u
dcset
、动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
、动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
、暂态输出电压u
dset
。
86.电网侧换流器6的第一控制方法为“同步整流/逆变策略”，其具体流程如附图2所示。该电网侧换流器第一控制方法包括：将所述直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的
差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号ia、ib、ic与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
经无功功率计算后反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器5电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号。
87.通过该电网侧换流器第一控制方法，外环d轴控制目标为直流母线电压u
dc
趋近设定值u
dcset
，当直流电源发电功率高于直流常规负荷和直流敏感负荷的用电需求时，电网侧换流器6将过剩的直流功率逆变送至交流电网，当直流电源发电功率低于直流常规负荷和直流敏感负荷的用电需求时，电网侧换流器6将交流侧功率整流成直流功率为直流负荷供电；外环q轴控制目标为无功功率趋近于0，进而使交流电源进线侧功率因数近似为1，最大限度减少无功需求。外环控制的输出信号依次输入内环解耦控制、dq反变换、pwm调制环节后输出电网侧换流器6的pwm控制信号。
88.电网侧换流器6的第二控制方法为“晶闸管快速关断策略”，其具体流程如附图3所示。该电网侧换流器第二控制方法包括：整机控制保护系统13检测到电压暂降、暂升、中断等暂态电能质量事件后停发晶闸管旁路阀4触发信号，同时向电网侧换流器6、负荷侧换流器8发出控制信号加快晶闸管电流关断，对电网侧换流器6来说，通过晶闸管旁路阀4电流为正方向时，电网侧换流器6对应相别下管导通，通过晶闸管旁路阀4电流为负方向时，电网侧换流器6对应相别上管导通，电网侧换流器6和负荷侧换流器8配合工作，使晶闸管旁路阀4加速、快速关断。
89.电网侧换流器6的第3种控制策略为“动态无功支撑策略”，其具体流程如附图4所示。该电网侧换流器第三控制方法包括：将直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
进行无功功率计算得到无功电流iq，三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别与所述高电压动作定值u
set1
和所述低电压动作定值u
set2
比较结果来决定的动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
和动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
与上述无功电流iq的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器5电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号。
90.通过该电网侧换流器第三控制方法，外环d轴控制目标为直流母线电压u
dc
，当直流电源发电功率高于直流负荷的用电需求时，电网侧换流器6将过剩的直流功率逆变送至交流电网，当直流电源发电功率低于直流负荷的用电需求时，电网侧换流器6将交流侧功率整流成直流功率为直流负荷供电；外环q轴控制目标为装置自身无功电流输出达到容性(感性)极大值，当第一交流母线三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
同时高于u
set1
时，装置输出最大感性无功电流i
lmax
，当第一交流母线三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
同时低于u
set2
时，装置输出最大容性无功电流i
cmax
。外环控制的输出信号依次输入内环解耦控制、dq反变换、pwm调制环节后输出电网侧换流器6的pwm控制信号。
91.负荷侧换流器8第一控制方法为“稳态谐波消除策略”，其具体流程如附图5所示。该负荷侧换流器8第一控制方法包括：将所述三相电流采样信号ia、ib、ic与其自身经过dq变换、低通滤波、dq反变换后得到的电流值分别求得差值后，经滞环比较器、d触发器后输出所
述电网侧换流器6的pwm控制信号。
92.该负荷侧换流器8第一控制方法采用定时比较电流跟踪型pwm控制方法，输出与采样点幅值相等、相位相反的谐波电流注入电网，使交流电源进线侧谐波电流降低。电网侧电流ia、ib、ic经dq变换后，n次正序分量将变为dq坐标系下的n-1次分量，n次负序分量将变为dq坐标系下的n 1次分量，只有基波正序分量转换为dq坐标系下的直流分量，通过低通滤波器(lpf)滤除高频分量，得到代表电网侧电流ia、ib、ic基波分量的直流分量，然后用id、iq减去其中的直流分量，即可得到电网侧电流ia、ib、ic中需要补偿的谐波分量i
d*
和i
q*
，将i
d*
和i
q*
进行dq反变换后送入滞环比较器、定时d触发器后输出负荷侧换流器8的pwm控制信号。
93.负荷侧换流器8第二控制方法为“晶闸管快速关断策略”，其具体流程如图6所示。该负荷侧换流器8第二控制方法包括：整机控制保护系统13检测到电压暂降、暂升、中断等暂态电能质量事件后停发晶闸管旁路阀4触发信号，同时向电网侧换流器6、负荷侧换流器8发出晶闸管强迫关断信号，对负荷侧换流器8来说，通过晶闸管旁路阀4电流为正方向时，负荷侧换流器8对应相别上管导通，通过晶闸管旁路阀4电流为负方向时，负荷侧换流器8对应相别下管导通，电网侧换流器6和负荷侧换流器8配合工作，使晶闸管旁路阀4加速关断。
94.负荷侧换流器8第三控制方法为“恒压恒频逆变策略”，其具体流程如图7所示。该负荷侧换流器第三控制方法包括，将所述直流电压运行值udcset与第二交流母线电压的d轴分量u
d2
的差值输入pi调节器，第二交流母线电压的q轴分量u
q2
反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
与所述三相电压信号u
a2
、u
b2
、u
c2
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述负荷侧换流器连接电抗器9电感值l2共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号，以输出幅值、频率稳定的三相交流电压。
95.通过该负荷侧换流器第三控制方法，外环d轴控制第二交流母线电压的d轴分量u
d2
达到目标值暂态输出电压u
dset
，q轴分量u
q2
为0，外环控制的输出信号依次输入内环解耦控制、dq反变换、pwm调制环节后输出负荷侧换流器8的pwm控制信号。该模式下负荷侧换流器8输出幅值、频率恒定的三相交流电压源，保证交流敏感负荷持续、稳定供电。
96.在一个优选实施例中，当整机控制保护系统13检测到电压暂降、中断事件后，向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送分闸控制信号，使直流常规负荷退出系统，通过自动切负荷提高了本发明装置的动态电压补偿带载能力和供电时间，进一步保证了交流敏感负荷、直流敏感负荷的供电可靠性。
97.在一个优选实施例中，当电压恢复后，整机控制保护系统13向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送合闸控制信号，使直流常规负荷恢复运行。
98.如图8所示，本发明所公开的动态电压补偿装置的一个优选控制方法具体如下：
99.一种动态电压补偿装置的多模式快速切换控制方法，所述控制方法包括：
100.第一步，断开所述负荷直供断路器12，手动投入所述电网侧断路器2、所述负荷侧断路器11，设置所述动态电压补偿装置的运行状态定值：高电压动作定值u
set1
、低电压动作定值u
set2
、直流电压运行值u
dcset
、动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
、动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
、暂态输出电压u
dset
。
101.第二步，当交流电源电压正常，即第一交流母线三相电压信号同时满足u
set1
》u
a1
》u
set2
、u
set1
》u
b1
》u
set2
、u
set1
》u
c1
》u
set2
时，整机控制保护系统13输出晶闸管旁路阀4连续导通信
号，晶闸管旁路阀4持续导通，双方向通流，使第二交流母线带电具备交流敏感负荷供电条件；电网侧换流器6按电网侧换流器第一控制方法进行工作，其将所述直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号ia、ib、ic与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
经无功功率计算后反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器5电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号，以将直流电压逐渐升高至目标值，使其符合直流电源、直流常规负荷、直流敏感负荷用电条件；负荷侧换流器8按负荷侧换流器8第一控制方法进行工作，其将所述三相电流采样信号ia、ib、ic与其自身经过dq变换、低通滤波、dq反变换后得到的电流值分别求得差值后，经滞环比较器、d触发器后输出所述负荷侧换流器8的pwm控制信号，以输出与采样点谐波电流相位相反、幅值相等的谐波电流，降低非线性负荷注入电网的谐波电流，改善电压质量。同时，交流常规负荷、交流敏感负荷、直流常规负荷、直流敏感负荷、直流电源分别接入对应的母线正常工作。
102.第三步，当交流电源电压异常，即第一交流母线三相电压信号出现如下u
a1
》u
set1
、u
b1
》u
set1
、u
c1
》u
set1
、u
a1
《u
set1
、u
b1
《u
set2
、u
c1
《u
set2
任意一种情况时；整机控制保护系统13停发晶闸管旁路阀4导通信号，电网侧换流器6、负荷侧换流器换流器8均切换至第二控制方法进行工作，在上述两种第二控制方法下，整机控制保护系统13停发晶闸管旁路阀4触发信号，同时向电网侧换流器6、负荷侧换流器8发出控制信号，以使晶闸管旁路阀4快速关断。
103.第四步，当交流电压恢复正常，即第一交流母线三相电压信号同时满足u
set1
》u
a1
》u
set2
、u
set1
》u
b1
》u
set2
、u
set1
》u
c1
》u
set2
后，整机控制保护系统13发出晶闸管旁路阀4持续导通信号，电网侧换流器6切换至所述电网侧换流器第一控制方法继续工作，负荷侧换流器换流器8切换至所述负荷侧换流器换流器第一控制方法继续工作。
104.优选地，所述控制方法还进一步包括，当所述晶闸管旁路阀4三相全部关断后，所述电网侧换流器6、所述负荷侧换流器8均切换至第三控制方法工作。
105.其中，电网侧换流器6第三控制方法包括，将所述直流电压运行值u
dcset
与直流母线电压u
dc
的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
进行无功功率计算得到无功电流iq，三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别与所述高电压动作定值u
set1
和所述低电压动作定值u
set2
比较结果来决定的动态无功支撑模式下最大感性无功电流i
lmax
和动态无功支撑模式下最大容性无功电流i
cmax
与上述无功电流iq的差值输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a1
、i
b1
、i
c1
与所述三相电压信号u
a1
、u
b1
、u
c1
分别进行dq变换，上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述电网侧换流器连接电抗器5电感值l1共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号，从而使得交流电网残余电压通过电网侧换流器6支撑直流侧电压，直流母线仅剩余直流电源和直流敏感负荷，直流电源也能够为直流母线电压提供支撑，当第一交流母线三相电压高于u
set1
时，装置输出最大感性无功电流i
lmax
，当第一交流母线三相电压低于u
set2
时，装置输出最大容性无功电流i
cmax
。
106.负荷侧换流器8第三控制方法包括，将所述直流电压运行值udcset与第二交流母线电压的d轴分量u
d2
的差值输入pi调节器，第二交流母线电压的q轴分量u
q2
反向输入pi调节器，所述三相电流采样信号i
a2
、i
b2
、i
c2
与所述三相电压信号u
a2
、u
b2
、u
c2
分别进行dq变换，
上述两个pi调节器和dq变换的输出信号连同所述负荷侧换流器连接电抗器9电感值l2共同经过内环解耦控制后经dq反变换、pwm调制后输出所述电网侧换流器6的pwm控制信号，以输出幅值、频率稳定的三相交流电压，将直流侧电能逆变后为敏感负荷提供幅值、频率稳定的三相交流电压，保证敏感负荷连续、可靠供电，减少暂态电能质量问题带来的经济损失。
107.优选地，所述控制方法还进一步包括，当交流电源电压异常时，还进一步包括，所述整机控制保护系统13检测到电压暂降、中断事件时，通过向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送分闸控制信号，使直流常规负荷退出系统。
108.优选地，所述控制方法还进一步包括，当交流电压恢复正常时，还进一步包括，所述整机控制保护系统13通过向直流常规负荷1～n供电回路断路器发送合闸控制信号，使直流常规负荷恢复用电。
109.优选地，所述控制方法还进一步包括，当需要检修设备时，将所述电网侧断路器2、所述负荷侧断路器11断开，所述敏感负荷直供断路器12闭合，使装置退出运行状态，装置检修不影响敏感负荷正常用电。
110.优选地，所述控制方法还进一步包括，所述负荷侧断路器11和所述负荷直供断路器12不同时闭合。
111.如上所述，本发明所公开动态电压补偿装置具有稳态电能质量指标综合治理、暂态电压补偿、稳态向暂态快速切换三种状态，与此相对应，电源侧换流器和负荷侧换流器均采用3种控制方法，电源侧换流器3种控制方法分别为“同步整流/逆变策略”、“晶闸管快速关断策略”和“动态无功支撑策略”，负荷侧换流器3种控制方法分别为“稳态谐波消除策略”、“晶闸管快速关断策略”和“恒压恒频逆变策略”。稳态补偿情况下，电源侧换流器和负荷侧换流器均采用第一控制方法，电源侧换流器和负荷侧换流器配合工作，分别补偿无功电流和谐波电流，改善电压偏差、电压波动、波形畸变等各项稳态电能质量指标，提高功率因数，降低网损；稳态向暂态切换过程中，电源侧换流器和负荷侧换流器均采用第二控制方法，晶闸管旁路阀电流为正时，电源侧换流器对应相别下管导通，负荷侧换流器对应相别上管导通，通过晶闸管旁路阀电流为负时，电源侧换流器对应相别上管导通，负荷侧换流器对应相别下管导通，电源侧换流器和负荷侧换流器配合工作，使晶闸管旁路阀加速、快速关断。暂态补偿情况下，电源侧换流器和负荷侧换流器均采用第三控制方法，电网侧换流器为负荷侧换流器提供能量支撑，同时为故障电网提供容性(感性)无功支撑，加快电压恢复速度，负荷侧换流器等效为幅值、频率恒定的三相交流电压源，保证交流敏感负荷持续、稳定供电。
112.需要强调的是，本发明所述的实施例是实例性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。