本发明属于电力系统领域，主要用于治理直流配网中广泛存在的电压暂降、跌落与电压暂升问题，具体涉及一种基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法。
背景技术：
1、随着研究的深入与发展，电力电子设备在电力系统中得到了广泛的应用，基于电力电子变换器的高压直流输配电技术也得到了快速的发展，但由此带来的谐波问题也日渐增多，同时由于负荷端中非线性负荷的普遍使用，使得谐波的问题变得更加严重。谐波影响着电力系统的稳定运行，宏观来讲，即对于电网而言通常以波动的形式影响着电压和电流的波形，微观来看则常会对系统的通讯和负荷的正常运行产生影响，尤其对于精密仪器，严重情况下可能将损坏设备。要深入研究直流电能质量的防护治理，当前国际上集中关注的另一常见典型问题，即电压的暂降和暂升这样的短时变动上。由于传统动态电压恢复器设备在使用过程中仅补偿一部分因干扰而降落或突增的系统电压，因此无需承担负载需求的全部电压。与传统不间断电源相比，具有容量小(通常仅为负载容量的1/5)，造价低的经济性优势。已在传统交流配电系统中有所应用，这也为直流配电系统的动态电压恢复器研究提供参考，但是传统动态电压恢复器一般只适用于高压电网，不适合单极系统，而且无法在电压骤升时迅速遏止电压，缺少足够的及时性，无法立刻解决波动问题。
2、电力系统瞬态信号特征提取分析已广泛应用于信号检测领域。目前，通过多层小波分解方法提取电力系统的瞬态特性不仅存在计算复杂的问题，还会造成能量泄露和混叠，对于信号特征提取的准确性也会降低。通过提出多尺度熵的概念，基于多层小波分解方法结合香农熵算法而提出的的香农小波分析法也被用于检测电力系统的稳态信号。但通过该方法对电力系统中的瞬态信号进行提取同样存在着对信号特性提取不准确的问题。
3、随着分布式电源及新式充放电设备的发展，可以使用微源参与网络功率的调整工作。因直流配电系统的特殊性，不存在无功功率，故而当前直流系统出现的大部分电能质量问题都与系统有功功率波动或缺额相关。目前进行多级负载能量的分配与调控或通过分布式可控负载进行电能的控制可以将电压维持在额定值附近，但该方式的经济型不足，以优化电力电子变流装置接口的控制策略来改善系统电能质量是目前较为经济的一种方式，但控制模式的选择会极大地影响操作和运行所带来的问题，因此本发明考虑利用外接附加装置的方法进行对电能质量的针对性控制。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，可进行高准确、快速，低成本的的电力系统电压补偿、在电压骤升时遏止电压，快速维持电压稳定，有效解决新能源出力变动、极性故障、直流负载投切等因素干扰而引起的电压波动，在毫秒级产生响应，具备超过秒级的连续作用时间，来补偿或平抑母线电压，确保关键性负载的供电质量。
2、明确电压波动抑制技术机理。基于电力电子变换器的高压直流输配电技术的快速发展，由此带来的谐波问题也日渐增多，不同于传统的交流系统，在直流系统中没有相位、频率以及无功功率问题，因此很大程度上影响直流系统电能质量因素的就是谐波，因而如何减少谐波是保证直流配电网电能质量的关键所在。因此如何减少或者抑制谐波影响是目前直流配电网发展亟需解决的问题。抑制谐波的思路主要有两条：一是主动抑制，从工程自身入手，对装置进行制造改造，从源头上减少谐波注入，将其指标控制在安规范围内。二是被动抑制，即通过增设外部的设备以及计算机辅助进行处理，从而达到降低甚至是彻底消除系统中谐波的问题。
3、主动抑制方法有：(1)在电力系统中，不同电压等级的电网短路容量不同，高压电网的短路容量往往大于中低压电网的短路容量，因而其承受谐波的能力也较大。于是为了减少谐波，常对可以产生较大谐波的电力电子设备尽可能的直接接入高等级的电网。也可以扩大敏感负荷与非线性负荷之间的电气距离，使之较为分散。(2)针对整流器或者逆变器阀组元件产生的低次谐波，可以通过采取增加换流设备的相数或者是脉冲数的方式。(3)采用多重整流电流，将多个方波进行叠加产生阶梯波，使之与正弦波类似。(4)使绕组磁通内产生的谐波无法注入系统。
4、被动抑制方法有：(1)无源滤波器(passive power filter,ppf)。它是利用电容和电感构成谐振点，因滤波器与谐波源的感抗和容抗相等而达到消除效果，对特定频率的谐波有效，不能随着系统运行工况的变化而实施动态补偿。它的形式有单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。优点是结构简单、成本低、运行可靠；(2)有源滤波器(active powerfilter,apf)。本质上是一种波形发生装置，能自动跟踪幅值及频率都变化的谐波进行动态补偿。它的工作原理是对谐波经过采样、移相后，产生一个与待补偿谐波信号互补的信号，两者将在谐波产生点实现抵消。apf包括串联型和并联型，串联型有源电力滤波器主要消除电压型谐波源，并联型有源电力滤波器则适用于电流型负载的谐波补偿。优点是实时性与补偿精度良好，一机多能。(3)混合滤波器见图1。它集合了ppf与apf特点，兼具低成本和大容量的优势，其中的无源部分主要承担滤除谐波和补偿无功的责任，而有源部分主要是改善无源的滤波特性，节省容量。常见的结构形式如图1所示。目的都是进一步减少有源部分的容量，降低设备价格；(4)采用pwm技术，全数字化处理器模块对谐波进行精准抑制和消除，实现谐波的监测与智能控制。例如等脉宽控制法、电流控制法，三角波与梯形波比较法等。
5、在实际直流输电工程中，常常使用12脉波换流器，它的结构相对简单，是通过两组6脉波换流器在直流线路侧进行串联，换流变压器通过星-星和星-三角接线很容易得到两侧电压相差三十度，但若想得到更高的脉波数及相应的换相电压，各设备元器件之间的空间位置和接线将变得非常复杂，甚至影响系统的安全稳定运行，经济性也较差。所以在工程中我们很少采用谐波主动抑制的方式，往往是应用附加设备进行谐波被动抑制工作。随着电子技术的发展，功率器件的容量增大成本降低，将有源滤波与现代网络和计算机技术相结合，实现谐波的智能化、信息化治理将成为未来方向。
6、要深入研究直流电能质量的防护治理，当前国际上集中关注的另一常见典型问题，即电压的暂降和暂升这样的短时变动上。据调查表明，在电网运行中70％～90％的敏感负载受损的罪魁祸首都是电压的暂时跌落。母线电压波动期间，那些对电压敏感的负载可能被迫脱网运行。引发母线电压的暂态变化，对大部分设备的运行及控制产生不良影响，严重时导致整个系统崩溃，故而维系母线电压的稳定极为重要。在交流系统电能质量的控制中，用于改善电压暂降及短期中断的典型且普遍的有效设备是固态切换开关(ssts)、不间断电源(uninterruptible power system,ups)和动态电压恢复器(dynamic voltagerestorer,dvr)。ssts主要用于具有多回路接入的配电网络。切换设备使用半导体固态开关，当工作电路压降时，它将迅速切换到备用电路，一般适用于高压电网，但不合适单极系统。不间断电源又称交流电稳压器，能实现稳压、稳频、滤波等功能，保护电力系统中的特别部件免受干扰。动态电压恢复器是一种串联型电压补偿装置，能在很短的时间内迅速启动，保护关键性敏感负载免受系统中波动的影响。由于动态电压恢复器设备在使用过程中仅补偿一部分因干扰而降落或突增的系统电压，因此无需承担负载需求的全部电压。与不间断电源相比，具有容量小(通常仅为负载容量的1/5)，造价低的经济性优势。已在传统交流配电系统中有所应用，这也为直流配电系统的动态电压恢复器研究提供参考。
7、本发明的技术方案是：
8、步骤1：直流式动态电压恢复器的拓扑结构，
9、直流式动态电压恢复器针对直流母线的敏感负载电压进行实时采集，据检测到的电压信息与额定的参考电压作对比，判别是否属于电压暂升或暂降的情况；由控制系统发出指令信号，根据系统中所关注的负载的参考电压，计算出所需补偿电压的幅值；再经过双有源全桥高频隔离变换器，通过控制桥臂各开关管的开断次序，影响变换器的能量流动，用以补偿电压跌落或是平抑电压暂升，将输出电压与电网实时电压相加供应给敏感负载，稳定负载所需电压，维持直流母线稳定；
10、步骤2：直流式动态电压恢复器的各单元数学模型，包括(1)dab数学模型、(2)h桥换向电路模型；
11、步骤3：直流式动态电压恢复器控制策略；引入dc/dc变换器反馈控制系统，实现dab能量流动的闭环控制。
12、本发明步骤1中直流式动态电压恢复器其结构包括储能单元-高频隔离变换器-换向单元，直流式动态电压恢复器串联在直流配电网中，为敏感负载提供电压补偿作用，接入点为敏感负载前端：
13、(1)储能单元
14、储能单元为蓄电池；
15、(2)高频隔离变换器的拓扑结构
16、在储能单元与敏感负载之间需要一个能量相互流动的高速通道，高频隔离变换器使用双向dc/dc变换器，双向dc/dc变换器通过dc/ac，ac/dc两级结构进行电能的高频转换；
17、(3)换向单元。
18、本发明步骤1中(2)高频隔离变换器的拓扑结构中，双向dc/dc变换器的六个工作模态：
19、a.t0-t1时段：s1、s4、s6、s7处于正向导通状态，变压器t一次侧由d1、d4续
20、流，二次侧由d6、d7续流，高频变压器的电感电流il由负的最大值递增至零，此时有
21、u1＝u1+nu2
22、b.t1-t2时段：s1、s4、s6、s7导通,il由零开始继续单调递增，ul不变，此时
23、
24、c.t2-t3时段：t2时刻，s6、s7断开，电流经d5、d8续流，s1、s4状态保持不变，u1＝u1-nu2(假设u1>nu2)，il继续单调增加，但增加的速率不同于t2-t3时段，可以求得t3时刻的电感电流：
25、
26、d.t3-t4时段：t3时刻，s1、s7断开，il开始下降，此时：
27、u1＝u1-nu2
28、e.t4-t5时段：il由零变为负值持续降低，和状态4时的下降速率相同，ul维持不变，t5时的电感电流：
29、
30、f.t5-t6时段：t5时刻，s5、s8断开，一次测的开关管状态维持不变，此时u1＝-u1+nu2，t6时刻的电感电流有：
31、
32、il(t0)＝-il(t3)，有：
33、
34、
35、
36、电压乘以电感电流即为经电感传输的功率，即联立可得dab变换器的输入功率为：
37、
38、输入电流为：
39、
40、输出电流为：
41、
42、若dab连接的负荷以等效电阻表示，则dab单元输出电压可以表示为：
43、
44、则经以上分析可得，通过控制移相比d就可以控制其电压的输出和功率的传动。
45、本发明步骤1中的(3)换向单元为：
46、双向dc/dc变换器的电压采集点处于电容c的两侧，换向单元的投入意味着将双向dc/dc变换器正着或反着接入系统，也正是实现电源电压与双向dc/dc变换器电压幅值的相加亦或相减；换向单元由4个晶闸管组成，控制着双向dc/dc变换器与直流配电网的连接，电压平稳时，ga开通，晶闸管的开关状态为关，电网不需要与储能单元进行能量交换，直流式动态电压恢复器无需输出功率，发挥作用，仅作为电网与负载的联结通道；当直流电网出现电压暂降时，负载电压出现缺额，ga导通，电容c正接，直流式动态电压恢复器对系统呈现“+”，即直流式动态电压恢复器的输出电压与电网电压相加，补偿缺额；当配电网出现电压暂升情况时，需要对多出的部分进行平抑，将这部分能量传送至储能单元进行存储，此时是通过gb的导通实现电容c反接入系统，晶闸管的开关状态为开，给直流式动态电压恢复器的输出量冠以负号，再与电网电压相加。
47、本发明步骤2中的(1)dab数学模型为：
48、单个桥臂的工作特性：其中上下两个开关管互补导通，以电源中点电压为参考点，当上管导通时该结构的输出电压为+v，当下管导通时，输出电压为-v；
49、输出电压与开关管逻辑变量之间的关系式为：
50、vout＝2v{s1(t)-|s2(t)}
51、原副边桥臂中点输出电压的时域表达式：
52、vp(t)＝vm(t){s1(t)-s2(t)}
53、vs(t)＝vout(t){s3(t)-s4(t)}
54、原边桥臂电压up与副边桥臂间电压us相差角度在电感l上产生电压差。
55、由上式可知，通过控制移相比d就可以控制其电压的输出；根据以上公式建立其等效平均开关电路模型；
56、将非线性电路转换为线性电路，对dab变换器进行小信号动态建模，对状态变量i1、i2、u1、u2引入小扰动，并消除稳态量和高次量整理后可得：
57、
58、
59、令可得到dab的小信号模型。
60、经dab数学模型分析，可以推导出输入电压和输出电压之间的传递函数为：
61、
62、输出电流与移相比d之间的传递函数传递函数为：
63、
64、其中：
65、
66、上述即为dab的输入与输出之间的数学关系，显而易见，通过对输出电流io.进行调控以得到dab副边桥口需要输出电压的u2。该过程是利用pwm技术对igbt的8个开关管进行控制，使之产生相应的波形信号实现的。
67、本发明步骤2中的(2)h桥换向电路模型：
68、采用igbt构成的h桥电路，控制直流式动态电压恢复器的接入模式，整个运行过程中，换向次数有限；将负载的参考指令电压u*与负载两端的实际电压u进行比较，差值u*-u被送入滞环比较器，当差值大于h时，更改开关状态，其中h为半滞环宽度；
69、将u≤u*置为高电平，u>u*置为低电平；h桥的输入为高或低电平，输出为+1或-1；桥臂上的4个管子相当于4个开关，输入信号为高电平时，ga1、ga2导通，gb1、gb2关闭，电感ld上左端高电平，右端低电平。输入信号置低电平时，ga1、ga2关闭，gb1、gb2导通，电感ld左端低电平，右端高电平。
70、本发明步骤3中直流式动态电压恢复器的控制策略：
71、引入dc/dc变换器反馈控制系统，dc/dc变换器反馈控制系统由dc/dc变换器电路、pwm调制器、功率器件驱动器、反馈控制单元构成，电压从输出部分输出后，输入到反馈网络h(s)，由反馈网络判断电压暂升或是暂降，随即与参考电压比较进行补偿，补偿后通过pwm调制器通过将直线与三角波比较，产生四路方波，触发开关管依次动作对电压补偿；控制部件为dab变换器，控制器部分的输入为敏感负载测量点的参考电压设定值uref与负载的实时电压测量值u1的差值urefl，与dab实时输出电压u2做差后，进入反馈控制单元中的pi控制器，产生电流的参考给定值，再经过电流内环控制器，将输出的电压值输入到驱动信号发生器内；以上将实现dab能量流动的闭环控制；换相单元ga、gb的开关是通过电压指令控制实现：将直流母线电压的设定参考值与直流母线电压的实际值作比较，当实际值低压设定参考值时，ga控制导通，当实际值高于设定值时，控制gb导通。
72、本发明剖析了造成直流配电网电能质量下降的扰动形成机理。通过模型构建及数学推导，明确了交流侧三相电压不平衡及交流测的电压谐波是影响直流侧电能质量的主要原因。再经过双有源全桥高频隔离变换器，通过控制桥臂各开关管的开断次序，影响变换器的能量流动，用以补偿电压跌落或是平抑电压暂升，将输出电压与电网实时电压相加供应给敏感负载，稳定负载所需电压，维持直流母线稳定。这种设备具有容量小、造价低的经济性优势，且已在传统交流配电系统中有所应用，为直流配电系统的动态电压恢复器研究提供了参考。
73、与现有的技术比较，本发明的优点是:
74、1、本发明采用先进的检测和识别技术，能够快速、准确地检测和识别电压暂降和暂升，并立即采取相应的补偿措施，从而有效地提高直流母线的稳定性和可靠性。
75、这对于保障敏感负载的正常运行和提高整个电力系统的稳定性具有重要意义。
76、2、本发明采用了较小的容量和较低的造价，相对于其他电能质量控制器，具有更好的经济性优势。这使得该发明在具有广泛的应用前景的同时，也降低了电能质量控制的成本，为企业和个人节省了电力开支。
77、3、本发明采用了较小的容量和较低的造价，相对于其他电能质量控制器，具有更好的经济性优势。这使得该发明在具有广泛的应用前景的同时，也降低了电能质量控制的成本，为企业和个人节省了电力开支。
1.一种基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于步骤1中直流式动态电压恢复器其结构包括储能单元-高频隔离变换器-换向单元，直流式动态电压恢复器串联在直流配电网中，为敏感负载提供电压补偿作用，接入点为敏感负载前端：
3.根据权利要求2所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于步骤1中(2)高频隔离变换器的拓扑结构中，双向dc/dc变换器的六个工作模态：
4.根据权利要求2所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于步骤1中的(3)换向单元为：
5.根据权利要求1所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于：步骤2中的(1)dab数学模型为：
6.根据权利要求1所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于步骤2中的(2)h桥换向电路模型：
7.根据权利要求1所述的基于直流式动态电压恢复器的直流配电网电能质量治理方法，其特征在于步骤3中直流式动态电压恢复器的控制策略：
