CN109830967A - 一种分布式无功与谐波补偿***及其控制方法 - Google Patents

一种分布式无功与谐波补偿***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式无功与谐波补偿***及其控制方法，属于无功补偿技术领域。为了解决目前已有补偿装置不能快速连续地完全补偿负载谐波与无功功率、补偿容量浪费且***造价高昂的不足，提供一种低成本、大容量谐波与无功补偿能力以及快速连续的分布式无功与谐波补偿***及其控制方法。一种分布式无功与谐波补偿***，包括若干补偿单元、通讯模块和主站，各补偿单元和主站之间通过通讯模块进行通讯，所述补偿单元主要用于计算得到负载所需补偿的谐波和无功、自动补偿谐波和无功，所述主站实时控制不同节点的补偿单元投切。

Description

一种分布式无功与谐波补偿***及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种无功与谐波补偿***及其控制方法，具体说是一种分布式无功与谐波补偿***及其控制方法，属于无功补偿技术领域。
背景技术
随着电力电子装置广泛应用于工业和民用场合，如石油开采钻机、轧钢机、电弧炉、电气化铁道和港口起重机等，大量谐波电流和无功功率被注入电网，引起电网电压跌落及低功率因数等问题。电网中谐波电流和无功功率的存在不仅使得电网线损增大，还会给一些供电质量要求很高的精密设备带来极大的危害，同时也会给电网的安全稳定运行带来巨大隐患。
目前配电网的无功与谐波补偿装置主要有固定电容器(Fastness Capacitor，FC)、晶闸管投切调谐滤波器(Thyristor Switched Filter，TSF)、晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR)、有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)和静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)等。这些装置中，FC、 TSF和TCR等属于无源补偿装置，其不能连续补偿负载谐波和无功功率，并且这些装置的响应速度较慢，不能满足当前配电网的动态响应要求；APF与SVG 等属于有源补偿装置，虽然能够快速连续补偿负载谐波和无功功率，但是由于电力电子器件耐压等工艺条件以及工程造价的限制，单个补偿功率有限。
近年来为了补偿配电网谐波与无功，逐步发展起无源补偿装置与有源补偿装置相结合的混合补偿装置。目前主流的混合补偿装置有如下几种：
(1)一种配电网静止同步补偿器(Distribution-Level Static ReactiveCompensator，DSTATCOM)与晶闸管投切电容器(thyristor switched capacitor, TSC)协同运行的混合无功补偿***。其中，DSTATCOM用以连续补偿小容量负载无功功率，TSC用以分级补偿大容量负载无功功率。该混合无功补偿***通过TSC与DSTATCOM的组合实现了低成本、大容量的连续无功功率补偿。但是，该混合无功补偿***只能补偿无功而不能补偿负载谐波；同时由于该***只检测负载电流，导致TSC投切时的冲击电流不能被消除而会流入电网。
(2)一种由APF、晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，TCR) 及固定电容器FC组成的联合运行***。其中，APF补偿负载谐波电流，FC与 TCR配合补偿负载无功功率。但是由于固定电容器FC不能动态投切，导致***不能动态跟踪补偿变化着的大容量负载感性无功功率。
(3)一种由单台SVG与多台TSC构成的无功与谐波混合补偿***。其中， TSC分级补偿负载无功功率，SVG补偿剩余无功功率和所有负载谐波。由于装置只检测负载电流，导致TSC投切时的冲击电流以及并网时的特定次谐波电流会流入电网而不能被补偿；并且，在某台TSC发生故障而未投入或切除时，还会导致TSC不能与SVG配合而不能完全补偿负载无功功率。
(4)一种由静止无功发生器与与晶闸管投切调谐滤波器构成的无功与谐波混合补偿***。其中，晶闸管投切调谐滤波器补偿负载无功功率，静止无功发生器补偿剩余无功功率和所有负载谐波。装置检测静止无功发生器与晶闸管投切调谐滤波器组之间的电网的三相电流，实现对负载谐波和无功功率的连续补偿。但是该装置无功补偿容量受限于晶闸管投切调谐滤波器数量，谐波补偿容量受限于静止无功发生器功率。
发明内容
本发明的目的在于解决目前已有补偿装置不能快速连续地完全补偿负载谐波与无功功率、补偿容量浪费且***造价高昂的不足，提供一种低成本、大容量谐波与无功补偿能力以及快速连续的分布式无功与谐波补偿***及其控制方法。
本发明的一种分布式无功与谐波补偿***是通过以下技术方案实现的：
一种分布式无功与谐波补偿***，其特殊之处在于：包括若干补偿单元、通讯模块和主站，各补偿单元和主站之间通过通讯模块进行通讯，所述补偿单元主要用于计算得到负载所需补偿的谐波和无功、自动补偿谐波和无功，所述主站实时控制不同节点的补偿单元投切；
所述通讯模块为无线通信模块或光线通信模块；
所述补偿单元安装在变压器低压侧和负载之间的电网上，包括安装在变压器低压侧、实时检测变压器低压侧的三相电压的第一电压传感器，静止无功发生器，晶闸管投切调谐滤波器组，控制器，安装在负载侧、实时检测负载侧三相电流的第一电流传感器，所述静止无功发生器上设有检测其直流母线电压的第二电压传感器和检测其输出三相电流的第二电流传感器，所述静止无功发生器和所述晶闸管投切调谐滤波器组并联接入电网，所述控制器包括谐波检测模块、电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块、功率跟踪模块；
所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器的输出端均与谐波检测模块的输入端连接，第二电流传感器的输出端与谐波检测模块的输出端经过一个差值运算，运算结果输入到电流跟踪模块，电流跟踪模块的输出端为脉冲宽度调制模块，脉冲宽度调制模块的输出端为静止无功发生器，谐波检测模块的另一输出端为功率跟踪模块，谐波检测模块输出信号给功率跟踪模块，功率跟踪模块反馈的信号给谐波检测模块，功率跟踪模块的输出端为晶闸管投切调谐滤波器；
所述晶闸管投切调谐滤波器组包括一个以上晶闸管投切调谐滤波器；
一种分布式无功与谐波补偿***的控制方法,其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)计算负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流Iah、 Ibh、Ich：第一电压传感器在近变压器低压侧实时获取电网的三相电压Ua、Ub、 Uc，第一电流传感器实时获取负载侧的三相电流Ia、Ib、Ic，第二电压传感器实时获取所述静止无功发生器的直流母线电压Udc输入控制器的谐波检测模块，实时计算得到负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流 Iah、Ibh、Ich，所述当前谐波电流Iah、Ibh和Ich中包含无功功率；
2)补偿负载的部分无功功率：将第1)步计算得到当前基波无功电流Isq输入到功率跟踪模块，功率跟踪模块根据每个晶闸管投切调谐滤波器的输出电流，计算出晶闸管投切调谐滤波器的数量；
通过控制晶闸管投切调谐滤波器的功率驱动电路，而使各晶闸管投切调谐滤波器得到相应的投切信号；各晶闸管投切调谐滤波器再按照各自得到的投切信号进行投切，以补偿负载的部分无功功率；
3)计算静止无功发生器补偿基波无功电流Iq：将第1)计算得到的当前基波无功电流Isq输入功率跟踪模块，所述功率跟踪模块将负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq减去晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm而得到静止无功发生器补偿基波无功电流Iq，功率跟踪模块将ITm反馈给谐波检测模块，静止无功发生器补偿基波无功电流Iq和当前谐波电流Iah、Ibh、Ich共同决定静止无功发生器补偿输出的谐波和无功；
其中，所述晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm按式(Ⅰ)所示方法得到：
ITm＝N6πfcU/[(2π/)2lc-1] (I)
式(Ⅰ)中，l表示单个晶闸管投切调谐滤波器的串联电感值，c表示单个晶闸管投切调谐滤波器的电容值，U表示电网的相电压，f表示电网的基波频率，N表示投入电网的晶闸管投切调谐滤波器数量；
4)补偿负载的剩余无功功率和误差：将第1)步得到的当前谐波电流Iah、 Ibh、Ich作为指令电流对应减去静止无功发生器当前输出的三相电流IGa、IGb、 IGc，由此得到谐波电流误差；该谐波电流误差依次经由所述电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块进行处理后得到所述谐波电流误差的脉冲宽度调制信号，所述静止无功发生器的功率驱动电路按照该谐波电流误差的脉冲宽度调制信号对静止无功发生器输出的三相电流进行调制，由此连续补偿负载的剩余无功功率和谐波；
5)补偿单元的投入：所述通信模块将依据在电网侧获取的电网的当前三相电压(Ua、Ub、Uc)、负载侧的当前三相电流(Ia、Ib、Ic)计算得到的无功和谐波数据传输至主站；主站根据区域内实时功率和谐波情况，遥控投入区域内的补偿单元，补偿单元投入后自动补偿线路中的谐波和无功。
本发明采用若干个补偿单元和一个主站组成混合补偿***共同补偿负载谐波与无功功率。通过检测电网负载侧的三相电流，实时计算负载无功和谐波。通过控制相应数量的晶闸管投切调谐滤波器(TSF)投入到电网中以分级补偿负载所需的大部分无功功率，并由静止无功发生器(SVG)对剩余负载谐波和无功功率进行连续补偿，提高了***的鲁棒性和控制精度。同时主站根据区域内的谐波和无功情况，遥控投入区域内的补偿单元，补偿单元投入后自动补偿线路中的谐波和无功。
本发明设计了一种低成本、大容量谐波与无功补偿能力以及快速连续的谐波与无功补偿能力的***，从而解决现有补偿装置不能快速连续地完全补偿负载谐波与无功功率、补偿容量浪费且***造价高昂等问题。同时补偿单元分布式安装，可以结合现有设备空间进行安装，方便快捷。
本发明的控制器可采用全数字控制方法，同时补偿单元与主站通信采用无线或光线通信方式，使得混合补偿***在负载剧烈波动的情况下仍具有良好的动态性能和稳态精度。
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的优点以及晶闸管投切调谐滤波器(TSF)在补充大容量谐波和无功时的低成本优势，提供了一种大容量无功与谐波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，应用领域广泛，尤其适于应用在石油钻井领域。目前大多数石油开采钻机都是采用柴油发电机组为钻机提供动力，使用本发明方法可避免谐波对发电机组的附加损耗，大量减少柴油消耗，大大降低钻井成本；接入电网后可有效降低噪音污染，改善电能质量，降低***故障，使钻机工作稳定可靠，节能减排。不仅如此，本发明的混合补偿***可安装在移动箱柜内，使其可以方便地随着石油开采钻机一起转移，对周围的环境不会造成任何污染和破坏，安全环保。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：图1的使用状态图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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在没有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。
实施例1。一种分布式无功与谐波补偿***，如图1-2所示，包括若干补偿单元、通讯模块和主站，各补偿单元和主站之间通过通讯模块进行通讯，所述补偿单元主要用于计算得到负载所需补偿的谐波和无功、自动补偿谐波和无功，所述主站实时控制不同节点的补偿单元投切；
所述通讯模块为无线通信模块或光线通信模块；
所述补偿单元安装在变压器低压侧和负载之间的电网上，包括安装在变压器低压侧、实时检测变压器低压侧的三相电压的第一电压传感器，静止无功发生器，晶闸管投切调谐滤波器组，控制器，安装在负载侧、实时检测负载侧三相电流的第一电流传感器，所述静止无功发生器上设有检测其直流母线电压的第二电压传感器和检测其输出三相电流的第二电流传感器，所述静止无功发生器和所述晶闸管投切调谐滤波器组并联接入电网，所述控制器包括谐波检测模块、电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块、功率跟踪模块；
所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器的输出端均与谐波检测模块的输入端连接，第二电流传感器的输出端与谐波检测模块的输出端经过一个差值运算，运算结果输入到电流跟踪模块，电流跟踪模块的输出端为脉冲宽度调制模块，脉冲宽度调制模块的输出端为静止无功发生器，谐波检测模块的另一输出端为功率跟踪模块，谐波检测模块输出信号给功率跟踪模块，功率跟踪模块反馈的信号给谐波检测模块，功率跟踪模块的输出端为晶闸管投切调谐滤波器；
所述晶闸管投切调谐滤波器组包括一个以上晶闸管投切调谐滤波器；
一种分布式无功与谐波补偿***的控制方法,包括以下步骤：
1)计算负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流Iah、 Ibh、Ich：第一电压传感器在近变压器低压侧实时获取电网的三相电压Ua、Ub、 Uc，第一电流传感器实时获取负载侧的三相电流Ia、Ib、Ic，第二电压传感器实时获取所述静止无功发生器的直流母线电压Udc输入控制器的谐波检测模块，实时计算得到负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流 Iah、Ibh、Ich，所述当前谐波电流Iah、Ibh和Ich中包含无功功率；
2)补偿负载的部分无功功率：将第1)步计算得到当前基波无功电流Isq输入到功率跟踪模块，功率跟踪模块根据每个晶闸管投切调谐滤波器的输出电流，计算出晶闸管投切调谐滤波器的数量；
通过控制晶闸管投切调谐滤波器的功率驱动电路，而使各晶闸管投切调谐滤波器得到相应的投切信号；各晶闸管投切调谐滤波器再按照各自得到的投切信号进行投切，以补偿负载的部分无功功率；
3)计算静止无功发生器补偿基波无功电流Iq：将第1)计算得到的当前基波无功电流Isq输入功率跟踪模块，所述功率跟踪模块将负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq减去晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm而得到静止无功发生器补偿基波无功电流Iq，功率跟踪模块将ITm反馈给谐波检测模块，静止无功发生器补偿基波无功电流Iq和当前谐波电流Iah、Ibh、Ich共同决定静止无功发生器补偿输出的谐波和无功；
其中，所述晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm按式(Ⅰ)所示方法得到：
ITm＝N6πfcU/[(2πf)2lc-1] (Ⅰ)
式(Ⅰ)中，l表示单个晶闸管投切调谐滤波器的串联电感值，c表示单个晶闸管投切调谐滤波器的电容值，U表示电网的相电压，f表示电网的基波频率，N表示投入电网的晶闸管投切调谐滤波器数量；
4)补偿负载的剩余无功功率和误差：将第1)步得到的当前谐波电流Iah、Ibh、Ich作为指令电流对应减去静止无功发生器当前输出的三相电流IGa、IGb、 IGc，由此得到谐波电流误差；该谐波电流误差依次经由所述电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块进行处理后得到所述谐波电流误差的脉冲宽度调制信号，所述静止无功发生器的功率驱动电路按照该谐波电流误差的脉冲宽度调制信号对静止无功发生器输出的三相电流进行调制，由此连续补偿负载的剩余无功功率和谐波；
5)补偿单元的投入：所述通信模块将依据在电网侧获取的电网的当前三相电压(Ua、Ub、Uc)、负载侧的当前三相电流(Ia、Ib、Ic)计算得到的无功和谐波数据传输至主站；主站根据区域内实时功率和谐波情况，遥控投入区域内的补偿单元，补偿单元投入后自动补偿线路中的谐波和无功。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种分布式无功与谐波补偿***，其特征在于：包括若干补偿单元、通讯模块和主站，各补偿单元和主站之间通过通讯模块进行通讯，所述补偿单元主要用于计算得到负载所需补偿的谐波和无功、自动补偿谐波和无功，所述主站实时控制不同节点的补偿单元投切。
2.根据权利要求1所述一种分布式无功与谐波补偿***，其特征在于：所述通讯模块为无线通信模块或光线通信模块。
3.根据权利要求1或2所述一种分布式无功与谐波补偿***，其特征在于：所述补偿单元安装在变压器低压侧和负载之间的电网上，包括安装在变压器低压侧、实时检测变压器低压侧的三相电压的第一电压传感器，静止无功发生器，晶闸管投切调谐滤波器组，控制器，安装在负载侧、实时检测负载侧三相电流的第一电流传感器，所述静止无功发生器上设有检测其直流母线电压的第二电压传感器和检测其输出三相电流的第二电流传感器，所述静止无功发生器和所述晶闸管投切调谐滤波器组并联接入电网，所述控制器包括谐波检测模块、电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块、功率跟踪模块。
4.根据权利要求3所述一种分布式无功与谐波补偿***，其特征在于：所述第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器的输出端均与谐波检测模块的输入端连接，第二电流传感器的输出端与谐波检测模块的输出端经过一个差值运算，运算结果输入到电流跟踪模块，电流跟踪模块的输出端为脉冲宽度调制模块，脉冲宽度调制模块的输出端为静止无功发生器，谐波检测模块的另一输出端为功率跟踪模块，谐波检测模块输出信号给功率跟踪模块，功率跟踪模块反馈的信号给谐波检测模块，功率跟踪模块的输出端为晶闸管投切调谐滤波器。
5.根据权利要求3所述一种分布式无功与谐波补偿***，其特征在于：所述晶闸管投切调谐滤波器组包括一个以上晶闸管投切调谐滤波器。
6.根据权利要求1-5任一一种分布式无功与谐波补偿***的控制方法,其特征在于，包括以下步骤：
1)计算负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流Iah、Ibh、Ich：第一电压传感器在近变压器低压侧实时获取电网的三相电压Ua、Ub、Uc，第一电流传感器实时获取负载侧的三相电流Ia、Ib、Ic，第二电压传感器实时获取所述静止无功发生器的直流母线电压Udc输入控制器的谐波检测模块，实时计算得到负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq和当前谐波电流Iah、Ibh、Ich，所述当前谐波电流Iah、Ibh和Ich中包含无功功率；
2)补偿负载的部分无功功率：将第1)步计算得到当前基波无功电流Isq输入到功率跟踪模块，功率跟踪模块根据每个晶闸管投切调谐滤波器的输出电流，计算出晶闸管投切调谐滤波器的数量；
通过控制晶闸管投切调谐滤波器的功率驱动电路，而使各晶闸管投切调谐滤波器得到相应的投切信号；各晶闸管投切调谐滤波器再按照各自得到的投切信号进行投切，以补偿负载的部分无功功率；
3)计算静止无功发生器补偿基波无功电流Iq：将第1)计算得到的当前基波无功电流Isq输入功率跟踪模块，所述功率跟踪模块将负载侧的当前三相电流的当前基波无功电流Isq减去晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm而得到静止无功发生器补偿基波无功电流Iq，功率跟踪模块将ITm反馈给谐波检测模块，静止无功发生器补偿基波无功电流Iq和当前谐波电流Iah、Ibh、Ich共同决定静止无功发生器补偿输出的谐波和无功；
4)补偿负载的剩余无功功率和误差：将第1)步得到的当前谐波电流Iah、Ibh、Ich作为指令电流对应减去静止无功发生器当前输出的三相电流IGa、IGb、IGc，由此得到谐波电流误差；该谐波电流误差依次经由所述电流跟踪模块、脉冲宽度调制模块进行处理后得到所述谐波电流误差的脉冲宽度调制信号，所述静止无功发生器的功率驱动电路按照该谐波电流误差的脉冲宽度调制信号对静止无功发生器输出的三相电流进行调制，由此连续补偿负载的剩余无功功率和谐波；
5)补偿单元的投入：所述通信模块将依据在电网侧获取的电网的当前三相电压(Ua、Ub、Uc)、负载侧的当前三相电流(Ia、Ib、Ic)计算得到的无功和谐波数据传输至主站；主站根据区域内实时功率和谐波情况，遥控投入区域内的补偿单元，补偿单元投入后自动补偿线路中的谐波和无功。
7.根据权利要求6所述一种分布式无功与谐波补偿***的控制方法,其特征在于，所述步骤3)中：所述晶闸管投切调谐滤波器组的当前输出电流之和ITm按式(Ⅰ)所示方法得到：
ITm＝N6πfcU/[(2πf)2lc-1] (I)
式(Ⅰ)中，l表示单个晶闸管投切调谐滤波器的串联电感值，c表示单个晶闸管投切调谐滤波器的电容值，U表示电网的相电压，f表示电网的基波频率，N表示投入电网的晶闸管投切调谐滤波器数量。
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