CN101741093A - 一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法 - Google Patents

一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法 Download PDF

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Abstract

一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，属于电力***领域，解决了现有无功补偿技术无法在满足补偿连续变化无功的同时实现对电网***的完全补偿，补偿容量存在浪费且***成本高的问题。本发明所述的***采用M组TSC并联接入电网、SVG的三相输出端分别连接一个电感的一端，三个电感的另一端分别连接电网的三相的结构，所述的无功补偿和谐波治理的控制方法：控制器对采集的电流、电压值进行处理，依据投切规则获得TSC的控制参数实现分级无功补偿，结合瞬时无功功率理论获得SVG控制参数实现各级之间剩余无功的补偿。本发明在负载中含有谐波电流的情况下实现了快速连续的无功补偿和谐波治理，用于电力***无功补偿。

Description

一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法
技术领域
本发明涉及一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，属于电力***领域。
背景技术
现有配电***中存在许多无功变化频繁而又剧烈的设备如轧钢机、注塑机、异步电机（软起动）和港口起重机等，往往会引起电压跌落及低功率因数的问题，这不仅使得配电网线损增大，同时还对一些供电电压质量要求高的精密设备产生极大的危害，因此，对无功补偿装置的要求更高。现有的配电网无功补偿装置主要有无源式的固定电容器、晶闸管投切电容器、无源式的固定电容器和晶闸管控制电抗器组合及有源式的静止无功发生器等。
上述装置存在以下不足：
1、无源式的固定电容器无法补偿变化的无功；
2、晶闸管投切电容器可以对无功进行分级补偿，但无功连续变化时，不能做到完全补偿；而且当***中含有谐波时，为了防止晶闸管投切电容器与***发生谐振，需要在晶闸管投切电容器电容支路中串入阻波电抗器，增加了装置的成本，降低了无功补偿容量；
3、无源式的固定电容器和晶闸管控制电抗器组合可以对无功实现连续补偿，但晶闸管控制电抗器会产生谐波，同时由于晶闸管控制电抗器产生滞后无功，因此无源式的固定电容器的容量与晶闸管控制电抗器容量之和要大于***所需补偿的无功容量；
4、静止无功发生器可以对无功进行快速连续补偿，在运行时产生的谐波小，无须设置有滤波器，不存在与***谐振的可能，稳态性能和动态性能均优于无源式的无功补偿装置，但目前成本较高，绝大多数用户难以承受，因此限制了静止无功发生器的工程化和实用化进程。
发明内容
本发明的目的是为解决现有无功补偿技术无法在满足补偿连续变化无功的同时实现对电网***的完全补偿，补偿容量存在浪费且***成本高的问题，提供一种无功补偿和谐波治理***及应用此***实现无功补偿和谐波治理的控制方法。
本发明是通过下述方案予以实现的：一种无功补偿和谐波治理***，它由无源无功补偿部分、控制部分和有源无功补偿及谐波治理部分组成，无源无功补偿部分与有源无功补偿及谐波治理部分并联接入电网，
所述的无源无功补偿部分由M组晶闸管投切电容器并联组成，两个反向并联的晶闸管构成的晶闸管阀组和补偿电容器C串联成一支路，三组所述的支路采用三角形连接方式进行连接构成一组晶闸管投切电容器，连接点分别接入到电网的三相中，其中，M为大于1的整数，
所述的有源无功补偿及谐波治理部分由一个静止无功发生器和三个电感组成，静止无功发生器由电压源型三相全桥逆变器组成，电压源型三相全桥逆变器的三相输出端分别连接一个电感的一端，三个电感的另一端分别连接到电网的三相中，
所述的控制部分由控制器、TSC驱动电路、SVG驱动电路、第一光耦隔离电路和第二光耦隔离电路组成，控制器通过第一光耦隔离电路连接TSC驱动电路以实现对TSC驱动电路的控制，TSC驱动电路的M个控制信号输出端分别与M组晶闸管投切电容器的门极触发端相连，控制器通过第二光耦隔离电路连接SVG驱动电路以实现对SVG驱动电路的控制，SVG驱动电路的6个控制信号输出端分别与静止无功发生器的6个门极触发端相连。
应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，无功补偿和谐波治理的过程为：
步骤一、检测电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，检测负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，检测静止无功发生器输出的a相电流的瞬时值i Fa及静止无功发生器输出的c相电流的瞬时值i Fc，检测静止无功发生器直流母线电压的瞬时值u dc；
步骤二、控制器根据采样得到的负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，利用晶闸管投切电容器投切规则计算出晶闸管投切电容器的投切组合方式W，TSC驱动电路发出TSC投切信号S 1~S M 以完成上述投切方式组合；
步骤三、控制器根据采样得到的电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，利用瞬时无功功率理论计算出静止无功发生器补偿电流的指令值i * Fa；
步骤四、控制器根据采样得到的静止无功发生器输出的a相电流的瞬时值i Fa、静止无功发生器输出的c相电流的瞬时值i Fc、静止无功发生器直流母线电压的瞬时值u dc及在步骤三中得到的静止无功发生器补偿电流指令值i * Fa，采用直接电流控制方法生成PWM信号，SVG驱动电路发出SVG投切信号P 1~P 6。
本发明采用无源无功补偿与有源无功补偿联合无功补偿的方式对电网***进行无功补偿，当负载中的无功发生变化时，所述的一种无功补偿和谐波治理***中，晶闸管投切电容器对所需无功进行分级补偿，静止无功发生器对晶闸管投切电容器各级之间剩余无功进行补偿。本发明所述的控制器采用全数字控制方法，使得所述的一种无功补偿和谐波治理***在负载波动剧烈的情况下仍具有良好的动态性能和稳态精度。当负载中含有谐波电流时，静止无功发生器实现对负载中含有的谐波电流进行过滤，抑制晶闸管投切电容器与***发生谐振，因此，晶闸管投切电容器的每条支路中无须再串联阻波电抗器，节约***成本。本发明结合静止无功发生器对无功补偿的快速性和连续性及晶闸管投切电容器在补偿大容量无功时的成本优势，提供了一种对负载在含有谐波电流环境下大容量无功快速连续补偿的高性价比方案，具有良好的社会经济效益，适于在电力***内推广使用。
附图说明
图1是一种无功补偿和谐波治理***的结构示意图；图2是应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法的流程图；图3是采用TSC与SVG联合无功补偿的方式对负载进行补偿的容量示意图，其中，带“△”的线段是电网***所需无功的容量示意，带“×”的线段是晶闸管投切电容器TSC对所需无功进行分级补偿的容量示意，带“□”的线段是静止无功发生器SVG对晶闸管投切电容器TSC各级之间剩余无功进行补偿的容量示意，带“○”的线段是采用TSC与SVG进行联合无功补偿的无功补偿容量示意；图4是晶闸管投切电容器TSC的投切规则的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3具体说明本实施方式。一种无功补偿和谐波治理***由无源无功补偿部分1、控制部分2和有源无功补偿及谐波治理部分3，无源无功补偿部分1与有源无功补偿及谐波治理部分3并联接入电网，
所述的无源无功补偿部分1由M组晶闸管投切电容器TSC并联组成，两个反向并联的晶闸管D构成的晶闸管阀组和补偿电容器C串联成一支路，三组所述的支路采用三角形连接方式进行连接构成一组晶闸管投切电容器TSC，连接点分别接入到电网的三相中，其中，M为大于1的整数，
所述的有源无功补偿及谐波治理部分3由一个静止无功发生器SVG和三个电感L组成，静止无功发生器SVG由电压源型三相全桥逆变器组成，电压源型三相全桥逆变器的三相输出端分别连接一个电感L的一端，三个电感L的另一端分别连接到电网的三相中，
所述的控制部分2由控制器2-1、TSC驱动电路2-2、SVG驱动电路2-3、第一光耦隔离电路2-4和第二光耦隔离电路2-5组成，控制器2-1通过第一光耦隔离电路2-4连接TSC驱动电路2-2以实现对TSC驱动电路2-2的控制，TSC驱动电路2-2的M个控制信号输出端分别与M组晶闸管投切电容器TSC的门极触发端相连，控制器2-1通过第二光耦隔离电路2-5连接TSC驱动电路2-3以实现对SVG驱动电路2-3的控制，SVG驱动电路2-3的6个控制信号输出端分别与静止无功发生器SVG的6个门极触发端相连。
本实施方式中所述的控制器2-1是采用DSP与CPLD联合的方式进行控制的。DSP，即数字信号处理器，由于其具有强大的数据处理能力和出色的运行速度在本***中主要用于数据采集和处理；CPLD，即复杂可编程逻辑器件，由于其具有优良的实时测控能力在本***中主要用于控制。
本发明采用无源无功补偿与有源无功补偿联合无功补偿的方式对电网***进行无功补偿，当负载中的无功发生变化时，所述的一种无功补偿和谐波治理***中，晶闸管投切电容器TSC对所需无功进行分级补偿，静止无功发生器SVG对晶闸管投切电容器TSC各级之间剩余无功进行补偿。本发明所述的控制器2-1采用全数字控制方法，使得所述的一种无功补偿和谐波治理***在负载波动剧烈的情况下仍具有良好的动态性能和稳态精度。当负载中含有谐波电流时，静止无功发生器SVG实现对负载中含有的谐波电流进行过滤，抑制晶闸管投切电容器TSC与***发生谐振，因此，晶闸管投切电容器TSC的每条支路中无须再串联阻波电抗器，节约***成本。本发明结合静止无功发生器SVG对无功补偿的快速性和连续性及晶闸管投切电容器TSC在补偿大容量无功时的成本优势，提供了一种对负载在含有谐波电流环境下大容量无功快速连续补偿的高性价比方案。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种无功补偿和谐波治理***的不同之处在于：
所述的M组晶闸管投切电容器TSC，第m组晶闸管投切电容器TSC中补偿电容C的值，是根据预先设定的晶闸管投切电容器TSC补偿容量值而确定，其中，m是从1到M的自然数。
本实施方式是对具体实施方式一中晶闸管投切电容器TSC中补偿电容C的电容值的进一步的补充说明，补偿电容C的电容值是根据晶闸管投切电容器TSC的补偿容量确定的，本实施方式预先设定M组晶闸管投切电容器TSC分别按照单位补偿容量的2 n-1倍进行容量补偿，采用此种编码方式补偿晶闸管投切电容器TSC容量，M组晶闸管投切电容器TSC的补偿容量分别为单位补偿容量的1倍、2倍、4倍、……、2N-1倍，其中，n为1到N的自然数，N为不大于M的自然数。
不同组晶闸管投切电容器TSC中补偿电容C的电容值可以是相等的，因此，M组晶闸管投切电容器TSC中可以有补偿容量相同的晶闸管投切电容器TSC。
具体实施方式三：下面结合图1、图2、图3具体说明本实施方式。应用具体实施方式一中所述的一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，无功补偿和谐波治理的过程为：
步骤一、检测电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，检测负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，检测静止无功发生器SVG输出的a相电流的瞬时值i Fa及静止无功发生器SVG输出的c相电流的瞬时值i Fc，检测静止无功发生器SVG直流母线电压的瞬时值u dc；
步骤二、控制器2-1根据采样得到的负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，利用晶闸管投切电容器TSC投切规则计算出晶闸管投切电容器TSC的投切组合方式W，TSC驱动电路2-2发出TSC投切信号S 1~S M 以完成上述投切方式组合；
步骤三、控制器2-1根据采样得到的电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，利用瞬时无功功率理论计算出静止无功发生器SVG补偿电流的指令值i * Fa；
步骤四、控制器2-1根据采样得到的静止无功发生器SVG输出的a相电流的瞬时值i Fa、静止无功发生器SVG输出的c相电流的瞬时值i Fc、静止无功发生器SVG直流母线电压的瞬时值u dc及在步骤三中得到的静止无功发生器SVG补偿电流指令值i * Fa，采用直接电流控制方法生成PWM信号，SVG驱动电路2-3发出SVG投切信号P 1~P 6。
本发明采用无源无功补偿与有源无功补偿联合无功补偿的方式对电网***进行无功补偿，当负载中的无功发生变化时，晶闸管投切电容器TSC根据TSC投切规则计算出晶闸管投切电容器TSC的投切组合方式W，TSC驱动电路2-2发出TSC投切信号S 1~S M 以完成上述投切方式组合，对所需无功进行分级补偿，静止无功发生器SVG利用瞬时无功功率理论计算出静止无功发生器补偿电流的指令值i * Fa，对晶闸管投切电容器TSC各级之间剩余无功进行补偿。当负载中含有谐波电流时，由静止无功发生器SVG实现对负载中含有的谐波电流的过滤，抑制晶闸管投切电容器TSC与***发生谐振。
在三相三线制电力***中，a、b、c三相测量量之和为零，因此，只需测量两相参数，工程上习惯采用对a、c两相进行测量。本实施方式中所述的对电网a相及c相电流值所做的计算和判断，也可以扩展到电网三相中的任意两相。
图3中，纵坐标表示的是补偿容量，通常，将感性无功补偿容量定义为正值，容性无功补偿容量定义为负值。Q Fmax表示的是晶闸管投切电容器TSC单位补偿容量，Q Lmax表示的是与电网***所需补偿容量的最大值，是感性无功，-Q Lmax表示的容性无功。
具体实施方式四：下面结合图1、图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式三所述的应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法不同之处在于：
在步骤二中，所述的晶闸管投切电容器TSC投切规则为：
步骤二·一、将M组晶闸管投切电容器TSC按照补偿容量从小到大排序为第1组、第2组、…、第M组；
步骤二·二、M组晶闸管投切电容器TSC按照不同的投切组合方式，实现无源无功补偿容量有2 M -1种组合，将无源无功补偿容量按从小到大编为Q 1、Q 2、…、
Figure 2010101213613100002DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤二·三、由步骤二·一及步骤二·二可以获得无源无功补偿容量Q 1、Q 2、…、
Figure 186132DEST_PATH_IMAGE002
与晶闸管投切电容器TSC投切组合方式W 1、W 2、…、
Figure 2010101213613100002DEST_PATH_IMAGE004
一一映射的Q-W关系表格；
步骤二·四、电网***所需的无功补偿容量为Q L，当Q j<Q L<Q j+1时，选择投切组合方式W j。
本实施方式是对具体实施方式三中晶闸管投切电容器TSC的投切规则做进一步的补充说明，将M组晶闸管投切电容器TSC按照补偿容量从小到大进行排序，M组晶闸管投切电容器TSC可以有2 M -1种投切组合方式W 1、W 2、…、
Figure 829997DEST_PATH_IMAGE004
，对应的就可以得到2 M -1种无源无功补偿容量Q 1、Q 2、…、
Figure 28897DEST_PATH_IMAGE002
，无源无功补偿容量Q按从小到大的顺序排列，制成无源无功补偿容量Q与晶闸管投切电容器TSC投切组合方式W映射成Q-W关系表格的形式。根据电网所需的具体无功补偿容量Q L，判断其在Q-W关系表格中所在的位置，即当Q L位于（Q j，Q j+1）之间时，选取投切组合方式W j，TSC驱动电路2-2发出M组TSC投切信号S 1~S M 。
此过程实现了对TSC投切组合方式的确定，晶闸管投切电容器TSC能够实现自动投切，完成了晶闸管投切电容器TSC对无功的分级补偿。
具体实施方式五：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三所述的应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法不同之处在于：
在步骤三中，控制器2-1根据采样得到的电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，基于瞬时无功理论计算出电网电流中的无功电流与谐波电流分量之和i saq，采用i * Fa=ki saq控制策略，确定静止无功发生器SVG补偿电流指令值i * Fa，其中，k由希望达到的SVG补偿率B计算得到，k=B/(1-B)。
本实施方式是对具体实施方式三的补充说明，所述的一种无功补偿和谐波治理***根据上述方法获得静止无功发生器SVG补偿电流指令值i * Fa，以静止无功发生器SVG输出电流为反馈值，采用直接电流控制方法生成PWM六组信号P 1~P 6，经SVG驱动电路2-3功率放大后控制静止无功发生器SVG中三相全桥逆变器开关器件的通断。

Claims (5)

1.一种无功补偿和谐波治理***，其特征在于：它由无源无功补偿部分（1）、控制部分（2）和有源无功补偿及谐波治理部分（3）组成，无源无功补偿部分（1）与有源无功补偿及谐波治理部分（3）并联接入电网，
所述的无源无功补偿部分（1）由M组晶闸管投切电容器（TSC）并联组成，两个反向并联的晶闸管（D）构成的晶闸管阀组和补偿电容器C串联成一支路，三组所述的支路采用三角形连接方式进行连接构成一组晶闸管投切电容器（TSC），连接点分别接入到电网的三相中，其中，M为大于1的整数，
所述的有源无功补偿及谐波治理部分（3）由一个静止无功发生器（SVG）和三个电感（L）组成，静止无功发生器（SVG）由电压源型三相全桥逆变器组成，电压源型三相全桥逆变器的三相输出端分别连接一个电感（L）的一端，三个电感（L）的另一端分别连接到电网的三相中，
所述的控制部分（2）由控制器（2-1）、TSC驱动电路（2-2）、SVG驱动电路（2-3）、第一光耦隔离电路（2-4）和第二光耦隔离电路（2-5）组成，控制器（2-1）通过第一光耦隔离电路（2-4）连接TSC驱动电路（2-2）以实现对TSC驱动电路（2-2）的控制，TSC驱动电路（2-2）的M个控制信号输出端分别与M组晶闸管投切电容器（TSC）的门极触发端相连，控制器（2-1）通过第二光耦隔离电路（2-5）连接SVG驱动电路(2-3)以实现对SVG驱动电路（2-3）的控制，SVG驱动电路（2-3）的6个控制信号输出端分别与静止无功发生器（SVG）的6个门极触发端相连。
2.根据权利要求1所述的一种无功补偿和谐波治理***，其特征在于：
所述的M组晶闸管投切电容器（TSC），第m组晶闸管投切电容器（TSC）中补偿电容C的值，是根据预先设定的晶闸管投切电容器（TSC）补偿容量值而确定，其中，m是从1到M的自然数。
3.应用权利要求1所述的一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，其特征在于：
无功补偿和谐波治理的过程为：
步骤一、检测电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，检测负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，检测静止无功发生器（SVG）输出的a相电流的瞬时值i Fa及静止无功发生器（SVG）输出的c相电流的瞬时值i Fc，检测静止无功发生器（SVG）直流母线电压的瞬时值u dc；
步骤二、控制器（2-1）根据采样得到的负载a相电流的瞬时值i La及负载c相电流的瞬时值i Lc，利用晶闸管投切电容器（TSC）投切规则计算出晶闸管投切电容器（TSC）的投切组合方式W，TSC驱动电路（2-2）发出TSC投切信号S 1~S M 以完成上述投切方式组合；
步骤三、控制器（2-1）根据采样得到的电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，利用瞬时无功功率理论计算出静止无功发生器（SVG）补偿电流的指令值i * Fa；
步骤四、控制器（2-1）根据采样得到的静止无功发生器（SVG）输出的a相电流的瞬时值i Fa、静止无功发生器（SVG）输出的c相电流的瞬时值i Fc、静止无功发生器（SVG）直流母线电压的瞬时值u dc及在步骤三中得到的静止无功发生器（SVG）补偿电流指令值i * Fa，采用直接电流控制方法生成PWM信号，SVG驱动电路（2-3）发出SVG投切信号P 1~P 6。
4.根据权利要求3所述的应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，其特征在于：
在步骤二中，所述的晶闸管投切电容器（TSC）投切规则为：
步骤二·一、将M组晶闸管投切电容器（TSC）按照补偿容量从小到大排序为第1组、第2组、…、第M组；
步骤二·二、M组晶闸管投切电容器（TSC）按照不同的投切组合方式，实现无源无功补偿容量有2 M -1种组合，将无源无功补偿容量按从小到大编为Q 1、Q 2、…、
Figure 2010101213613100001DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤二·三、由步骤二·一及步骤二·二可以获得无源无功补偿容量Q 1、Q 2、…、
Figure 743141DEST_PATH_IMAGE002
与晶闸管投切电容器（TSC）投切组合方式W 1、W 2、…、
Figure 2010101213613100001DEST_PATH_IMAGE004
一一映射的Q-W关系表格；
步骤二·四、电网***所需的无功补偿容量为Q L，当Q j<Q L<Q j+1时，选择投切组合方式W j。
5.根据权利要求3所述的应用一种无功补偿和谐波治理***实现无功补偿和谐波治理的控制方法，其特征在于：
在步骤三中，控制器（2-1）根据采样得到的电网a相电流的瞬时值i sa及电网c相电流的瞬时值i sc，基于瞬时无功理论计算出电网电流中的无功电流与谐波电流分量之和i saq，采用i * Fa=ki saq控制策略，确定静止无功发生器（SVG）补偿电流指令值i * Fa，其中，k由希望达到的SVG补偿率B计算得到，k=B/(1-B)。
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