CN1026375C - 有抑制高次谐波功能的无功功率补偿设备 - Google Patents

Abstract

根据负荷电压(V_S)和电流(i_L)求出高次谐波功率分量(P_h，Q_h)和基波无功功率分量(Q_o)。然后求出使高次谐波功率分量(P_h，Q_h)和基波无功功率分量(Q_o)不致超过预定极限值的增益。将高次谐波功率分量(P_h，Q_h)和基波无功功率分量(Q_o)分别乘以各增益，求出限幅的高次谐波功率分量(P_h′，Q_h′)和基波无功功率分量(Q_o′)。根据限幅的高次谐波功率分量(P_h′，Q_h′)和基波无功功率分量(Q_o′)产生输出电流指令。输出电流加到逆变器上，逆变器又给电力***提供补偿电流(ic)。

Description

本发明涉及一种有抑制高次谐波功能的无功功率补偿设备。

有人提出过补偿电力***负荷电流的无功电流分量和高次波分量的补偿设备，具体作法是给电力***接上一个逆变器，以便向电力***提供补偿电 流。图1示出了这种补偿设备中的电流指令计算装置，它与一个逆变器配合使用，向电力***提供补偿电流。

图1中，PQ计算电路3作为功率矢量计算电路根据一个电流检测器（图中未出示）检测出的电力***负荷电流i和***电压，也就是根据所谓瞬时P-Q理论，计算瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q。Hirofumi    AKAGTI等人在1983年第103卷第7期的《日本电气工程协会论文集B》第483至490页上写的题为“瞬时无功功率及其应用的综合理论”一文中介绍了瞬时P-Q理论。

功率计算电路4根据PQ计算电路3的输出求出待补偿的各分量。功率计算电路4根据瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q求出高次谐波有功功率分量P_h、基波无功功率Q和高次谐波无功功率分量Q_h。反向PQ计算电路6作为逆向计算电路根据求出的各分量P_h、Q₀和Q_h和***电压V_s计算以下式表示的电流指令ic^＊。

绝对值限幅器7将电流指令ic^＊钳位到这样的量值，使补偿电流供应逆变器的输出不超过其额定值。经钳位的电流指令ic^＊加到逆变器上。

由于图7所示的绝对值限制器7将ic^＊钳位到这样的电流指令ic^＊，使得逆变器的输出电流不超过其额定值，因而产生了波形饱和现象，也就是因波的钳位而产生畸变，产生了电流指令ic^＊中含有高次谐波的问题。

图2的方框图示出了另一种传统的电流指令计算装置。这里所谓自动增益控制电路不是由图1所示的绝对值限制器7而是由峰值检测器16、逆函数计算电路17c和乘法器19构成。从逆向PQ计算电路6输出的电流指令ic^＊作为乘法器19的一个输入加到乘法器19上，还加到峰值检测器16上。峰值检测器16检测出电流指令ic^＊的峰值，并保持该峰值。峰值检测器16保持的峰值超过逆变器的额定值时，逆函数计算电路17c就计算增益K。增益K是通过逆函数计算确定的，使电流指令不超过逆变器的额定值。计算出来的增益K作为乘法器19的另一个输入加到乘法器19上。乘法器19将电流指令ic^＊乘以增益K，以便将电流指令ic^＊输出到逆变器上。

在图2所示的这个自动增益控制电路中，高次谐波分量和基波无功功率分量都一律受到限制。因此，即使高次谐波分量或基波无功功率分量超过某一极限值，两种分量都受到限制，因而产生了逆变器的性能不能有效利用的问题。

本发明就是要解决上述问题。本发明的目的是提供一种这样的功率补偿设备，它既能将补偿逆变器的输出电流抑制在某一额定值范围内而不致产生要不然因钳位电流指令而产生的高次谐波，又能有效地利用逆变器的性能。

为达到上述目的，本发明提供一种具抑制高次谐波功率的无功功率补偿装置，该无功功率补偿装置配备有下列各部分：功率矢量计算电路，用以根据连接到电力***的负荷的电压和电流计算瞬时有功功率和瞬时无功功率;功率计算电路，用以根据功率矢量计算电路计算出来的瞬时有功功率和瞬时无功功率求出高次谐波有功功率分量、基波无功功率分量和高次谐波无功功率分量;限幅器，用以限定功率计算电路求出的高次谐波有功和无功功率分量及基波无功功率分量的量值，使其等于或小于各相应的限幅值;逆向功率矢量计算电路，用以根据限幅器所限幅的高次谐波有功和无功功率分量及负荷电压计算输出电流指令值;以及逆变器，用以将输出电流指令值所控制的输出电流作为补偿电流加到电力***上。

附图中：

图1示出了带绝对值限幅器的传统电流指令计算装置;

图2示出了另一种具有自动增益控制电路的传统电流值指令计算装置;

图3示出了根据本发明的一个实施例带有一个电流指令计算装置的功率补偿设备;

图4的方框图示出了图3所示的功率补偿设备的电流指令计算装置;

图5的方框图示出了与图3所示的功率补偿设备的电流指令计算装置不同的限幅器。

图3示出了根据本发明的一个实施例的结构。图3中与图1中所示相同的元件都同样的编号表示。

参看图3。负荷电流从电源9经由电力***的 母线10加到负荷11上。在电力***母线10的负荷侧，***电压Vs由电压检测器12加以检测，负荷电流iL由电流检测器13加以检测。电流指令计算装置1根据电流检测器13检测出的负荷电流iL和电压检测器12检测出的***电压VVs计算补偿电流iC的电流指令i^＊。在直流端子之间有一个电容器2c的逆变器2其根据电流指令所产生的补偿电流i_c经由变压器14加到电力***母线10上，以分别补偿包含在负荷电流i_L中的基波无功电流分量、高次谐波有功电流分量和高次谐波无功电流分量。

电流指令计算装置1的PQ计算电路3、功率计算电路4、逆向PQ计算电路6和绝对值限幅器7与传统设备的相类似。和传统设备的不同点在于，限幅器5接在功率计算电路4与逆向PQ计算电路6之间。此限幅器5将功率计算电路4求出的高次谐波分量P_h和Q_n以及基波功率分量Q。的量值限定到预定的极限值。图4示出了限幅器5的详细结构。

参看图4。矢量绝对值计算电路15a接收高次谐波P_h和Q_n，并计算以下式表示的高次谐波功率W_h：

矢量绝对值计算电路15a的输出端连接有一个峰值检测器16，峰值检测器16检测并保持高次谐波功率W_h的峰值。峰值检测器16的输出端连接有一个逆函数计算电路17a。在判断出功率W_h超过极限值h_max时，逆函数计算电路17a计算出将高次谐波功率W_h限定到极限值h_max所需的增益K₁。此外还配备有绝对值限幅器18，该限幅器接收基波无功功率分量Q₀，并调整增益K₂，以便将基波无功功率分量Q₀。限定到极限值Q_0max。此外还配合有三个乘法器19a、19b和19c，这三个乘法器接收高次谐波分量P_h和Q_h以及基波无功功率分量Q₀作为它们的一个输入，并接收获自逆函数计算电路17a和绝对值限幅器18的增益K₁、K₁和K₂作为它们的另一个输入。从各乘法器输出的高次谐波分量P_h′和Q_h′加到反向计算电路6上。

下面说明如上构制的实施例设备的工作情况。

功率计算电路4计算高次谐波分量P_h和Q_h以及基波无功功率分量Q₀。矢量绝对值计算电路15a计算高次谐波功率W_h的量值。峰值检测器16检测并保持高次谐波功率的峰值。根据峰值检测器16所保持的高次谐波功率的峰值判断高次谐波功率W_h超过极限值h_max时，逆函数计算电路17a就计算将高次谐波功率W_h限定到极限值h_max所需的增益K₁。绝对值限幅器18接收基波无功功率分量Q₀，并在基波无功功率分量Q₀的幅值超过极限值Q_0max时调节增益K₂将基波无功功率分量Q₀的量值限定到极限值Q_0max。乘法器19a、19b和19c将高次谐波分量P_h乘以增益K₁，高次谐波分量Q_h乘以K₁，基波无功功率分量Q₀乘以增益K₂，以求出高次谐波分量P_h′和Q_h′以及基波无功功率分量Q₀′，然后将这些分量加到逆向PQ计算电路6上。高次谐波功率的极限值h_max和基波无功功率分量的极限值h_max是根据补偿逆变器的额定值、负荷条件等适当确定的。极限值不一定要设定成固定值，它们可以根据负荷情况和运行情况动态地加以改变。在上述情况下，可以保持作为高次谐波功率指令的高次谐波分量P_h′和Q_h′以及作为基波无功功率指令的基波无功功率分量Q₀′使其等于或小于极限值。

逆向PQ计算电路利用限幅器5求出的高次谐波分量P_h′和Q_h′以及基波无功功率分量Q′₀计算下式表示的输出电流指令ic^＊：

计算出来的输出电流指令ic^＊单独考虑高次谐波分量和基波无功功率分量彼此的极限值。因而从理论上可以这样说，如果逆变器2的输出电流ic由（3）式计算出来的输出电流指令ic^＊控制，如果基波无功功率值与高次谐波指令值的上限值的和调整到设备的额定值范围内，则输出电流ic不会超过设备的额定值。

在图3所示的实施例中，绝对值限幅器7设在反向PQ计算电路6与逆变器2之间。这个绝对值限幅器7不一定需要，只是为了万一限幅器5出故障作为限幅器5的后备装置罢了。限幅器7的工作情况与图1所示的限幅器7相似，因而它输出输出电流指令ic^＊，以限定逆变器2的输出电流ic。

图5示出了限幅器5的另一种结构。这个限幅器5不分别处理高次谐波功率分量和基波无功功率 分量，而是由一个矢量绝对值计算电路15b根据高次谐波分量P_h和Q_h以及基波无功功率分量Q₀计算待补偿的高次谐波功率分量W_c。高次谐波功率分量W_c可用下式求出：

峰值检测器16检测并保持高次谐波功率分量的峰值。逆函数计算电路17b计算将逆变器输出功率限定到等于或小于一极限值所需的一般增益K₃。增益K₃作为乘法器19a、19b和19c公用的一个输入加到这些乘法器上。结构如图5所示的限幅器5也能保持输出电流指令ic^＊，使其等于或小于预定值。

从本发明的上述说明可知，输出电流指令不含有要不然因钳位电流指令而产生的高次谐波分量，而且可以将逆变器的输出补偿电流抑制在额定值范围内。此外，通过分别限定高次谐波分量和基波无功分量（图4），能有效利用设备的性能。

Claims (6)

1、一种有抑制高次谐波功能的无功功率补偿设备，其特征在于，它包括：

功率矢量计算装置(3)，用以根据连接到一个电力***上的负荷的电压和电流计算瞬时有功功率(P)和瞬时无功功率(Q)；

功率计算装置(4)，用以根据由所述功率矢量计算装置计算出来的所述瞬时有功功率(P)和瞬时无功功率(Q)求出高次谐波有功功率分量(P_h)、基波无功功率分量(Q_o)和高次谐波无功功率分量(Q_h)；

限幅器(5)，用以将由所述功率计算装置求出的所述高次谐波有功和无功功率分量(P_h，Q_h)以及基波无功功率分量(Q_o)的量值限定到等于或小于相应极限值的值；

逆向功率矢量计算装置(6)，用以根据由所述限幅器限定的所述高次谐波有功和无功功率分量(P^′ _h，Q^′ _h)和所述负荷电压计算输出电流指令值(ic^″)；和

逆变器(2)，用以将由所述输出电流指令值所控制的输出电流(i)作为补偿电流加到所述电力***上。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述限幅器（5）用不同的增益限定由所述功率计算装置求出的所述高次谐波有功和无功功率分量（P_h，Q_h）和基波无功功率分量（Q₀）量值。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述限幅器（5）包括：

矢量绝对值计算装置（15a），用以根据由所述功率计算装置求出的所述高次谐波有功和无功功率分量（P_h，Q_h）以及基波无功功率分量（Q）计算高次谐波功率（W_h＝（P² _h+Q² _h）^1/2）;

峰值检测装置（16），用以检测并保持所述高次谐波功率（W_h）的峰值;

逆函数计算装置（17a），用以计算所述高次谐波有功分量（P_h）和高次谐波无功功率分量（Q_h）的第一增益（K₁），以便将所述峰值限定到等于或小于一个预定值（h_max）的值;

乘法装置（19a，19b），用以将所述高次谐波有功和无功功率分量（P_h，Q_h）乘以所述第一增益（K₁），以此计算出所述经限幅的高次谐波分量（P′_h，Q′_h）;

绝对值限幅器（18），用以调整第二增益（K₂），以便将由所述功率计算装置（4）求出的所述基波无功功率（Q₀）限定到某预定值（Q_max）;和

乘法装置（19c），用以将所述基波无功功率分量（Q₀）乘以所述第二增益（K₂），以此计算所述经限幅的基波无功功率分量（O′）。

4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述限幅器（5）用同样的增益限定所述功率计算装置求出的所述高次谐波有功和无功功率分量（P_h，Q_h）以及基波无功功率分量（Q_h）的量值。

5、根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述限幅器（5）包括：

矢量绝对值计算装置（15a），用以分别根据所述功率计算装置（4）求出的所述高次谐波有功功率分量（P_h）、基波无功功率分量（Q₀）和高次谐波无功功率分量（Q_h）计算待补偿的功率｛（P² _h+（Q_O+Q_h）²｝^1/2;

峰值检测装置（16），用以检测和保持由所述矢量绝对值计算装置计算出来的所述补偿功率的峰值;

逆函数计算装置（17b），用以计算将所述补偿功率的所述峰值限定到等于或小于某预定值所需用的增益（K₃）;和

乘法装置（19，a19b，19c），用以将所述高次谐波有功功率分量（P_h）、基波无功功率分量（Q_O）和高次谐波无功功率分量乘以所述第三增益（K₃），以此来计算所述经限幅的高次谐波有功功率分量（P_h′）和高次谐波无功功率分量（Q_h′）。

6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述逆向功率矢量计算装置（6）与逆变器（2）之间连接有一个绝对值限幅器（7），该限幅器（7）将所述输出电流指令值（ic^＊）限幅到等于或小于某预定值的值。

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