CN100550568C - 谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及实现装置，其实现装置包括主装置和控制装置，主装置包括HAPF、由星型连接的机械式投切电容器组和三角形连接的晶闸管控制电抗器组成的SVC；控制装置包括接入采样模块的电压、电流互感器，和DSP控制器、工控机、通讯模块、MSC逻辑控制电路、TCR导纳-角度计算模块、PWM信号发生模块，以及光端发送机、光端接收机，最后通过隔离及功率放大电路分别接入主装置中的MSC、TCR和HAPF。本发明对混合型有源电力滤波器及静止无功补偿器进行动态协调控制，具有良好的动态、静态性能，鲁棒性，且适应性较强。

Description

谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及其实现装置

技术领域

本发明属于柔性交流输配电系统控制技术领域，特别涉及一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及其实现装置。

背景技术

输配电系统中广泛存在大量的感性负荷，这些负荷在配电系统中会消耗大量的无功功率，降低系统的功率因数，造成线路电压损失加大和电能损耗增加，直接影响着电力企业的经济效益。此外，对于诸如电弧炉、轧钢机这些冲击性无功负荷，还会产生电压的剧烈波动，使电网的供电质量恶化。解决这些问题的有效方法就是进行无功功率补偿。静止无功补偿器(SVC)目前已被广泛地应用于无功补偿，并取得可观的收益，具有控制响应速度快、损耗较小、可靠性高、可以按相控制等优点。SVC装置目前一般有：固定电容器-晶闸管控制电抗器(FC-TCR)、机械式投切电容器-晶闸管控制电抗器(MSC-TCR)、晶闸管投切电容器-晶闸管控制电抗器(TSC-TCR)，这些SVC装置都通过晶闸管控制电抗器(TCR)来补偿感性无功，电容器来补偿容性无功。

TCR本身的工作原理决定了它会产生谐波，实际运行时要达到平衡运行条件是很苛刻的，通常不能满足。这样不平衡就会导致TCR产生的非特征谐波，以及3次、5次、7次、11次、13次谐波流入电网中，造成电网污染。随着电力电子技术的发展，供配电系统中增加了大量的非线性负载，特别是以开关方式工作的静止变流器，以及电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其他非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，对电力系统安全、稳定、经济运行构成巨大的威胁。为了营造“绿色电网”，还电网一个洁净的电气环境，应采取有效的谐波抑制手段。有源电力滤波器(APF-Active Power Filter)，它是一种电力电子装置，能对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿，补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器(PF-Passive Filter)更好的补偿效果，是一种理想的谐波补偿装置。

目前，电力系统中对无功补偿和谐波治理是分别地，单独地进行的，不是按统一的物理模型联合进行治理，不便于维护、经济性差，常出现顾此失彼的情况。对于TCR产生的谐波，一般采用无源电力滤波器进行谐波治理，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。但无源电力滤波器的滤波性能受电网频率、阻抗的影响较大，无源滤波器是由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大，造价高。现有文献公开了采用APF来治理谐波，用晶闸管投切电容器(TSC)来补偿容性无功，存在的不足之处是：APF的容量较小，若扩大其容量势必会增加成本；TSC只是补偿容性无功，不能补偿感性无功，对于容性无功过剩的场合就无能为力了；以波形为入手点对整个系统进行控制，控制器的动态性、稳定性、鲁棒性、适应性较差。与之相比较，以HAPF来治理谐波，容量较大，不仅适合低压场所，而且还适合中高压场所。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足和针对存在的问题，提出一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及其实现装置，基于SVC和HAPF设计复合控制方法对混合型有源电力滤波器及静止无功补偿器进行动态协调控制，具有良好的动态、静态性能，鲁棒性、适应性较强。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法，包括以下步骤：

(1)电压、电流互感器检测电网母线三相电压u_a、u_b、u_c，三相电流i_a、i_b、i_c；静止无功补偿器输出电流i_svc，包括TCR、MSC输出电流i_tcr、i_msc；静止无功补偿器输出电压u_svc；负载电流i_L；

(2)检测得出的电压、电流信号通过2片MAX125采样后，送入DSP控制器；由DSP控制器计算出三相电压基波有效值V₁、电网侧谐波电流i_Sh、负载侧谐波电流i_Lh、TCR谐波电流i_tcr；

(3)计算基波电压有效值V₁与给定电压值V_ref差值V_e，差值经过神经网络整定PI控制器调节后得出SVC控制量导纳B_ref，其离散控制律如下式所示：

B_ref(k)＝B_ref(k-1)+k_p1[V_e(k)-V_e(k-1)]+k_i1[V_e(k)]

(4)根据B_ref分别计算出TCR、MSC补偿导纳B_tcr、B_msc，并控制TCR、MSC触发电路给出晶闸管触发脉冲、电容器投切电平，使SVC补偿的无功符合期望值；

(5)计算电流i_Sh与给定电网谐波电流i_Sh ^*的差值Δi_Sh，对差值Δi_Sh进行调节得到电网谐波电流的补偿量；计算电流i_Lh与给定负载谐波电流i_Lh ^*的差值Δi_Lh，对差值Δi_Lh进行调节得到负载谐波电流的补偿量；计算电流i_tcr与给定TCR谐波电流i_tcr ^*的差值Δi_tcr，对差值Δi_tcr进行调节得到TCR谐波电流的补偿量；

(6)综合负载侧谐波电流和电网谐波电流、TCR谐波电流的补偿量，有源滤波器的控制参考信号为：

U＝K₁·Δi_tcr+K₂·Δi_Lh+K₃·i_sh

经过高频三角载波调制后得出PWM信号，控制有源电力滤波器开关器件IGBT的通断，对谐波进行综合治理；

(7)重复以上步骤，直到达到无功的补偿目标。

本发明还包括一种实现上述控制方法的基于谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF和静止无功补偿器SVC的联合运行控制装置，包括主装置和控制装置，主装置包括谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF、由星型连接的机械式投切电容器组MSC和三角形连接的晶闸管控制电抗器TCR组成的静止无功补偿器SVC；有源电力滤波器经LC滤波器滤波后，通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，再经注入电容C_G接入电网；每相晶闸管控制电抗器由反并联的一对晶闸管与一个线性的空心电抗器相串联组成，三相晶闸管控制电抗器联接成△形并入电网中；三相机械式投切电容器联接成Y形，通过可控的机械开关并入电网中；控制装置包括接入采样模块的电压、电流互感器，所述采样模块的输出端接入DSP控制器，其中有工控机通过通讯模块与DSP控制器双向连接，DSP控制器的输出端分别接入MSC逻辑控制电路，TCR导纳-角度计算模块，PWM信号发生模块，其中MSC逻辑控制电路，TCR导纳-角度计算模块分别通过MSC触发电路，TCR触发电路和PWM信号发生模块一同接入光端发送机，再通过光纤接入光端接收机，光端接收机通过隔离及功率放大电路分别接入主装置中的MSC、TCR和HAPF。

本发明的工作原理详细描述如下：

所述基于谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF和静止无功补偿器SVC的联合运行控制装置，首先将电压、电流互感器转换后的标准电压、电流信号，输入采样模块进行滤波、剔除误差处理；然后由DSP控制器进行运算得出整个装置的控制量，控制量分别经MSC逻辑控制电路，TCR导纳-角度计算模块，PWM信号发生模块后得出各自的控制量，分别控制MSC、TCR、HAPF的触发电路给出触发信号，经光纤无失真传输到现场；触发信号经隔离和功率放大电路后来驱动MSC装置的机械开关、TCR装置的晶闸管、谐振注入式混合有源电力滤波器装置的IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)，从而实现对电力系统谐波的综合治理以及无功的动态补偿。DSP控制器通过通讯模块把采集的实时电压、电流信号传送到工控机，并以各种图形、曲线的形式展示出来。

其中SVC系统由星型连接的机械式投切电容器组MSC和三角形连接的晶闸管控制电抗器TCR组成，MSC粗调提供有级差的容性无功，TCR产生连续可调的感性无功，二者结合产生连续可调的容性与感性无功，具体过程为：通过实时检测电网负荷的无功，根据无功需要决定投入的电容器组的组数产生级差的容性无功，容性无功过剩的情况下，调节TCR中的感性无功，从而最终使得系统无功Q_N＝Q_V(系统所需)-Q_MSC+Q_TCR＝常数或者0；

谐振注入式混合型有源电力滤波器包括有源电力滤波器和无源滤波器组，所述有源电力滤波器的输出与星形联接的耦合变压器的输入端相联，耦合变压器的三相输出的每一相与基波谐振电路并联连接，并经第二电容滤波后接入电网，基波谐振电路由电容与电感串联组成，其振荡频率为电网基波频率。

本发明所述谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法及实现装置，用静止无功补偿器SVC实现对系统无功实时、动态地补偿；用谐振注入式混合型有源电力滤波器HAPF对电网谐波、负载谐波、TCR谐波进行综合治理，可以实现对谐波的动态治理，避免了传统TCR谐波静态治理速度慢、实时性差等缺点；有源滤波器主要承受谐波电压而不承受系统基波电压，流入的基波电流很少，因而有利于减小有源滤波器的容量，降低成本；对无功和谐波进行复合控制，避免了传统无功补偿、谐波治理各自为政、互相冲突的缺点。

附图说明

图1是本发明中所述联合运行控制装置的结构框图。

图2是本发明中所述联合运行控制装置中主装置的电路结构图。

图3是图1中DSP控制器实现的控制方法结构图。

图4是图3所述控制方法中神经网络结构图。

具体实施方式

如图1所示，母线三相电压u_a、u_b、u_c，静止无功补偿器输出电压u_svc；三相电流i_a、i_b、i_c；静止无功补偿器输出电流i_svc；负载电流i_L；有源电力滤波器HAPF输出电流i_HAPF，分别经过电压、电流互感器检测后得出相对应的小信号，经采样模块，即2片共16通道MAX125芯片采样后，输入到DSP控制器，并计算出三相电压基波有效值V₁、电网侧谐波电流i_Sh、负载侧谐波电流i_Lh、TCR谐波电流i_tcr。通过RS485通讯模块把所有采集信号传送到工控机，并以各种图形、曲线的形式展示出来。由上位机中的输入模块键盘给出期望电网谐波电流i_Sh ^*值、期望负载谐波电流i_Lh ^*值、期望TCR谐波电流i_tcr ^*值、期望系统电压值V_ref，通过通讯模块传送给DSP控制器。DSP控制器通过图3所示的复合控制计算得出的控制信号，分别控制HAPF、MSC、TCR的触发电路给出触发信号，经光纤无失真传输到现场，信号经隔离和功率放大电路后来驱动IGBT、机械开关、晶闸管，从而实现对电力系统谐波的综合治理以及无功的动态补偿。

如图2所示，谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法的整体结构主要由：谐振注入式混合有源电力滤波器、晶闸管控制电抗器、机械式投切电容器三部分组成；谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF包括有源电力滤波器APF和无源滤波器组，A相注入支路由电容CG、电容C1、电感L1串接组成单调谐滤波器，电容C1、电感L1串联组成A相基波谐振电路，电容C2、电感L2的串联支路及电容C3、电感L3串联支路为两个单调谐滤波器，调谐在特定的谐波频率处。有源电力滤波器HAPF经LC滤波器滤波后，通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，再经注入电容CG接入电网，另两相注入电路与A相联接相同；每相晶闸管控制电抗器由反并联的一对晶闸管与一个线性的空心电抗器相串联组成，三相晶闸管控制电抗器联接成△形并入电网中；三相机械式投切电容器联接成Y形，通过可控的机械开关并入电网中。

如图3所示，DSP控制器的控制流程包括SVC神经网络整定PI控制和谐振注入式混合型有源电力滤波器HAPF复合控制；其中SVC神经网络整定PI控制主要过程为：基波电压有效值V₁与给定电压值V_ref的差值为V_e，V_e通过神经网络整定PI控制算法得出SVC控制量B_ref，如式(1)所示。神经网络NN采用3层前向BP网络，网络的学习算法采用神经网络多变量学习算法，如图4所示；通过神经网络的自学习、调整权系数，根据系统的运行状态调节PI控制器的参数K_p、K_i。B_ref经过TCR/MSC导纳计算模块(即式2)计算后，分别得到MSC、TCR各自导纳B_msc、B_tcr，其大小决定了MSC投入的数量和TCR导通角度的大小；B_tcr经过导纳-角度函数变换成弧度(晶闸管的导通角)控制了感性无功投入电网的多少；B_msc经过MSC逻辑控制器输出高电平或低电平，来控制电容器投入电网的个数。

B_ref(k)＝B_ref(k-1)+k_p1[V_e(k)-V_e(k-1)]+k_i1[V_e(k)]    (1)

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{ref}}=(1-\frac{B_{\mathrm{msc}}}{B_{\mathrm{\σ}}})B_{\mathrm{msc}}+(1-\frac{2B_{\mathrm{msc}}+B_L}{B_{\mathrm{\σ}}})B_{\mathrm{tcr}}\\ B_{\mathrm{msc}}=n{B}_C\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中B_σ为变压器电纳(这里看作理想变压器)取值为1，n＝1，2...为电容器投入个数。

其中谐振注入式混合型有源电力滤波器控制主要过程为：计算电流i_Sh与给定电网谐波电流i_Sh ^*的差值Δi_Sh，对差值Δi_Sh进行调节得到电网谐波电流的补偿量；计算电流i_Lh与给定负载谐波电流i_Lh ^*的差值Δi_Lh，对差值Δi_Lh进行调节得到负载谐波电流的补偿量；计算电流i_tcr与给定TCR谐波电流i_tcr ^*的差值Δi_tcr，对差值Δi_tcr进行调节得到TCR谐波电流的补偿量。综合负载侧谐波电流和电网谐波电流、TCR谐波电流的补偿量，有源滤波器的控制参考信号为：

U＝K₁·Δi_tcr+K₂·Δi_Lh+K₃·i_sh              (3)

U经过PWM发生器调制，得出逆变器的开关模式。

如图4所示，图3中神经网络NN采用3层前向BP网络，网络的学习算法采用神经网络多变量学习算法。用于PI参数整定的BP神经网络的输入层(j)节点数为2，输入信号为偏差V_e(k)以及偏差增量ΔV_e(k)。即：X₁(k)＝V_e(k)、X₂(K)＝ΔV_e(k)。隐含层(i)节点数为6，输出层(l)节点数为2，分别对应PI控制器的比例和积分两个参数。ω_ij为输入层到隐含层的连接权系数，ω_li为隐含层到输出层的连接权系数。性能指标函数为：

$J=\frac{1}{2}{[r(k+1)-y(k+1)]}^2---\left(4\right)$

上式中，r(k+1)＝V_ref(k+1)，y(k+1)＝V₁(k+1)；

连接权系数ω_li和ω_ij按J对它们的负梯度方向(最速下降法)进行调整和修正。

神经网络隐含层连接权系数计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}(k+1)={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ij}}\left(k\right)+{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{ij}}(k+1)\\ {\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{ij}}(k+1)={\mathrm{\η\δ}}_i{X}_j\left(k\right)+{\mathrm{\α\Δ\ω}}_{\mathrm{ij}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\δ}}_i=f^{\′}\left[X_i\left(k\right)\right]\·\underset{l=0}{\overset{1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_l{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{li}}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(\text{5}\right)$

隐含层神经元的激发函数为：f[X_i(k)]＝tanh[X_i(k)]；

神经网络输出层的连接权系数计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{li}}(k+1)={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{li}}\left(k\right)+{\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{li}}(k+1)\\ {\mathrm{\Δ\ω}}_{\mathrm{li}}(k+1)={\mathrm{\η\δ}}_l{X}_i\left(k\right)+{\mathrm{\α\Δ\ω}}_{\mathrm{li}}\left(k\right)\\ {\mathrm{\δ}}_l=V_e(k+1)\mathrm{sgn}\left[\frac{\∂y(k+1)}{\∂u\left(k\right)}\right]\·\frac{\∂u\left(k\right)}{{\∂X}_l\left(k\right)}\·g^{\′}\left[X_l\right]\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中i＝0，1，3，4，5。输出层神经元的激发函数为 $g\left[X_l\right]=\frac{1}{2}(1+\tanh [X_l\left]\right).$ η为学习速率，α为平滑因子。

Claims (2)

1、一种谐波动态治理与无功动态补偿复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)电压、电流互感器检测电网母线三相电压u_a、u_b、u_c，三相电流i_a、i_b、i_c；静止无功补偿器SVC输出电流i_svc，包括晶闸管控制电抗器TCR、机械式投切电容器组MSC输出电流i_tcr、i_msc；静止无功补偿器输出电压u_svc；负载电流i_L；

(2)检测得出的电压、电流信号通过2片MAX125采样后，送入DSP控制器；由DSP控制器计算出三相基波电压有效值V₁、电网侧谐波电流i_Sh、负载侧谐波电流i_Lh、晶闸管控制电抗器TCR谐波电流i_tcr；

(3)计算基波电压有效值V₁与给定电压值V_ref差值V_e，差值经过神经网络整定PI控制器调节后得出静止无功补偿器SVC控制量导纳B_ref，其离散控制律如下式所示：

B_ref(k)＝B_ref(k-1)+k_p1[V_e(k)-V_e(k-1)]+k_i1[V_e(k)]

(4)根据B_ref分别计算出晶闸管控制电抗器TCR、机械式投切电容器组MSC补偿导纳B_tcr、B_msc，并控制晶闸管控制电抗器TCR、机械式投切电容器组MSC触发电路给出晶闸管触发脉冲、电容器投切电平，使静止无功补偿器SVC补偿的无功符合期望值；

(5)计算电网侧谐波电流i_Sh与给定电网谐波电流i_Sh ^*的差值Δi_Sh，对差值Δi_Sh进行调节得到电网谐波电流的补偿量；计算负载侧谐波电流i_Lh与给定负载谐波电流i_Lh ^*的差值Δi_Lh，对差值Δi_Lh进行调节得到负载侧谐波电流的补偿量；计算晶闸管控制电抗器TCR谐波电流i_tcr与给定晶闸管控制电抗器TCR谐波电流i_tcr ^*的差值Δi_tcr，对差值Δi_tcr进行调节得到晶闸管控制电抗器TCR谐波电流的补偿量；

(6)综合负载侧谐波电流和电网谐波电流、晶闸管控制电抗器TCR谐波电流的补偿量，有源滤波器的控制参考信号为：

U＝K₁·Δi_tcr+K₂·Δi_Lh+K₃·i_sh

经过高频三角载波调制后得出PWM信号，控制有源电力滤波器开关器件IGBT的通断，对谐波进行综合治理；

(7)重复以上步骤，直到达到无功的补偿目标。

2、一种实现权利要求1所述控制方法的基于谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF和静止无功补偿器SVC的联合运行控制装置，包括主装置和控制装置，其特征在于，主装置包括谐振注入式混合有源电力滤波器HAPF、由星型连接的机械式投切电容器组MSC和三角形连接的晶闸管控制电抗器TCR组成的静止无功补偿器SVC；有源电力滤波器HAPF经LC滤波器滤波后，通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，再经注入电容C_G接入电网；每相晶闸管控制电抗器由反并联的一对晶闸管与一个线性的空心电抗器相串联组成，三相晶闸管控制电抗器TCR联接成三角形并入电网中；三相机械式投切电容器组MSC联接成星型，通过可控的机械开关并入电网中；控制装置包括接入采样模块的电压、电流互感器，所述采样模块的输出端接入DSP控制器，其中有工控机通过通讯模块与DSP控制器双向连接，DSP控制器的输出端分别接入机械式投切电容器组MSC逻辑控制电路，晶闸管控制电抗器TCR导纳-角度计算模块，PWM信号发生模块，其中机械式投切电容器组MSC逻辑控制电路，晶闸管控制电抗器TCR导纳-角度计算模块分别通过机械式投切电容器组MSC触发电路，晶闸管控制电抗器TCR触发电路和PWM信号发生模块一同接入光端发送机，再通过光纤接入光端接收机，光端接收机通过隔离及功率放大电路分别接入主装置中的机械式投切电容器组MSC、晶闸管控制电抗器TCR和有源电力滤波器HAPF。

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