CN101068082B - 一种综合补偿装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种综合补偿装置和方法，它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器。所述晶闸管投切电容器和有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件，它首先根据负载电流、电网电压及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量，再向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，完成补偿支路的投切操作；确定有源电力滤波器补偿电流的指令信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令信号的变化。它同时发挥了晶闸管投切电容器补偿容量大和有源电力滤波器连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标。

Description

一种综合补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及一种谐波、无功综合补偿装置和方法，属于柔性交流输电技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统、电气化铁道、冶金、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用，使电网谐波污染越来越严重。同时，这些设备还会产生大量无功，使电网功率因数偏低。电网中的谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，降低电气设备的使用寿命，干扰通讯等；电网中的无功会提高设备容量，增加线路损耗，增大线路的电压降。因此，为了保证电网的供电质量，保障电力系统的安全、经济运行，必须加强电网谐波抑制和无功补偿。

解决电网的谐波和无功问题，有两条基本思路：一是装设补偿装置；二是对电力电子装置进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1。后一思路已得到实施，但是这一思路还处于发展阶段。针对目前电网谐波和无功问题，切实可行的解决方法是设置滤波补偿装置。

目前采用的补偿方式主要有无源滤波器、静止动态无功补偿装置(SVC)、有源电力滤波器等这几种方式。无源滤波器是一种传统补偿方法，在实际应用中发挥了很大作用，但它只能补偿特定次的谐波和固定容量的无功，谐振频率依赖于元件参数及系统阻抗的变化，因此滤波性能不稳定。对于变化范围较大的负载，无源滤波器易导致过补和欠补问题。

静止式动态无功补偿装置(SVC)近年得到广泛使用，主要有相控电抗器(Thyristor Controlled Reactor，简称TCR)和晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchor Capacitor，简称TSC)这两种形式。TCR通常与无源滤波器配合使用，能无级补偿无功，但也只能补偿几次固定谐波，同时存在损耗大，本身产生谐波的缺点。TSC具有损耗小，本身不产生谐波的优点，但只能滤除几次固定谐波和有级补偿无功。

谐波抑制和无功补偿的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(Active PowerFilter，简称APF)，有源电力滤波器能对电网谐波、无功和负序电流进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且在日本、欧美等国获得广泛应用，取得比无源滤波器好得多的滤波效果。但由于单独使用的有源电力滤波器容量小、成本高，所以使其推广应用受到很大的局限性。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种综合补偿装置和方法，它采用有源电力滤波器与TSC相结合的谐波、无功综合补偿方式，不仅可以克服单独使用有源电力滤波器和TSC的缺点，而且可以吸取两者的优点，以得到一种综合补偿效果好、成本较低的新型电力滤波装置。

一种综合补偿装置，它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件。晶闸管投切电容器模块采用一个或一个以上的高次阶LC滤波支路，各支路分别通过开关器件在靠近负载侧与电网相连。

一种用在具有检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器的综合补偿装置的方法，其特征在于它包括以下步骤：

第一步，采集负载电流i_L和经晶闸管投切电容器模块补偿后负载电流i′_L及电网电压U，根据负载电流i_L、电网电压U及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量；

第二步，根据晶闸管投切电容器模块和有源电力滤波器的容量大小决定向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，选择晶闸管投切电容器模块是否投入以及投入哪几组滤波补偿支路，并向晶闸管投切电容器模块的晶闸管组发出触发脉冲，完成晶闸管投切电容器模块的滤波补偿支路的投切操作；

第三步，实时采集晶闸管投切电容器模块补偿后的负载电流i′_L及电网电压U，计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号，该指令信号与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反；

第四步，采用三角波比较方式，将补偿电流的指令信号与实际输出电流的差值经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路开关器件的控制信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令信号的变化。

本发明的谐波、无功综合补偿装置和方法，由有源电力滤波器APF、耦合变压器T、真空接触器K、TSC、控制系统等组成。有源电力滤波器通过连接电抗器L、真空接触器K及耦合变压器T与电网并联。TSC由5次、7次、11/13次无源滤波支路(具体包括几条支路可根据滤波和无功性能指标确定)通过晶闸管(Thyristor)电子开关与电网并联。控制系统包括信号输入输出、信号调理、保护逻辑、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块等组成。

本发明改变了原来有源电力滤波器和TSC只出现单独使用的方式。通过控制系统的协同控制，由TSC补偿负载大部分的基波无功和主要谐波，有源电力滤波器则补偿剩余的谐波和无功。这样既克服了TSC只能有级调节无功补偿，滤波次数固定的缺陷，又解决了有源电力滤波器补偿容量小的问题。同时发挥了TSC补偿容量大和APF连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标。

本发明中有源部分需要的功率小，因此不会增加很多成本，但却可以极大地改善补偿效果。并可以抑制电网的“背景谐波”对TSC的影响，防止TSC支路与电网发生谐振，大大增强了补偿系统的整体安全性和可靠性，提高了整个系统的性能。因此，本发明具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明装置示意图；

图2为本发明电路原理图；

图3是本发明检测控制单元原理示意图；

图4是变流器模块三角波比较法原理图；

图5是本发明装置的一个实例；

图6是本发明投入使用后达到的补偿效果。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的有源电力滤波器和TSC相结合的谐波、无功综合补偿装置及其工作原理作进一步地详细描述。

如图1、2所示，它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件。采用三组高次阶LC滤波支路，各支路分别通过晶闸管投切电容器模块的晶闸管组在靠近负载侧与电网相连。

最右边是非线性负载，晶闸管投切电容器模块(TSC)靠近负载侧与电网并联，它由三组分别为5次、7次和11/13次无源滤波支路组成(具体包括几条支路可根据滤波和无功性能要求确定)。控制箱通过接收控制系统发出的指令信号，由电子开关控制各支路在电压过零点投入，电流过零点切除，其中开关器件采用SCR。有源电力滤波器在TSC电源侧，通过连接电抗器L、真空接触器K及耦合变压器T与电网并联，有源电力滤波器的主电路采用三相桥式电压型逆变器结构，其中开关器件采用IGBT，控制信号来自控制系统的驱动电路。

谐波和无功主要由TSC进行补偿，TSC未补偿完的谐波由有源电力滤波器补偿。通过适当控制，有源电力滤波器能抑制TSC和电网可能发生的谐振。有源电力滤波器还可对无功功率进行补偿，使系统从整体上讲能够对无功功率进行连续补偿。这样，整个系统的性能优于TSC。而且，有源电力滤波器的容量可以远小于其单独使用时的容量，大大降低了成本。

本发明的有源电力滤波器和TSC之间采用协同控制，检测控制单元如图3所示，它包括信号输入输出、信号调理、保护逻辑、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块组成。

信号测量电路同时采集负载电流i_L和经TSC补偿后负载电流i′_L及电网电压U。控制系统首先根据负载电流i_L、电网电压U及目标功率因数

计算出负载需要补偿的无功容量Q_f，然后根据TSC和有源电力滤波器的容量大小决定向TSC发出不同的投切指令。设TSC每支路补偿容量为Q_T，这样TSC可提供的补偿容量可以为Q_T、2Q_T和3Q_T，为了能让补偿装置能达到连续补偿的目的，有源电力滤波器的容量设为Q_A＝Q_T/2，由它可提供的补偿容量为-Q_T/2～Q_T/2，因此整个装置能提供的补偿容量为-Q_T/2～7Q_T/2。控制系统按照以下规则确定TSC补偿指令Q_T ^*，Q_T ^*决定TSC投切组数。

当Q_f≤Q_T/2时， $Q_T^{*}=0,$ TSC各支路均不投，0～-Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当Q_T/2＜Q_f≤3Q_T/2时， $Q_T^{*}=Q_T,$ TSC投入一组支路，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当3Q_T/2＜Q_f≤5Q_T/2时， $Q_T^{*}=2Q_T,$ TSC投入两组支路，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当5Q_T/2＜Q_f时， $Q_T^{*}=3Q_T,$ TSC三组支路同时投入，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿。

数字I/O电路根据补偿指令Q_T ^*向TSC的晶闸管控制器发出相应的投切指令，晶闸管组投切控制器接到指令后自动寻找最佳时刻通过光缆向晶闸管组发出触发脉冲，完成补偿支路的投切操作。

同时对于有源电力滤波器部分，信号测量电路实时采集TSC补偿后的负载电流i′_L及电网电压U，通过以双DSP+CPLD为核心的数模混合电路，快速、准确地计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号i_c ^*，i_c ^*应与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反。电流跟踪控制电路根据补偿电流的指令信号i_c ^*和实际补偿电流之间的关系，得出控制主电路各个器件通断的PWM信号。

PWM控制电路采用三角波比较方式，如图4所示，将指令信号i_C ^*与实际输出电流i_C的差值Δic经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路电力电子器件的控制信号，其控制目的是使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令信号的变化。

比较器的输入为： $u_i\left(t\right)=K_C(i_C^{*}-i_C)=K_C*A*i_C,$ 则有源电力滤波器主电路的输出电压uo(t)可以表示为：

$u_0\left(t\right)=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{u_{\mathrm{tri}}}{u}_i\left(t\right)$

上式中，Udc为有源电力滤波器主电路直流侧电容电压，Utri为脉宽调制电路三角波的幅值。若电源电压为Es(t)，有源电力滤波器输出的补偿电流为：

$i_C\left(t\right)=\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}[u_0\left(t\right)-e_S\left(t\right)]\mathrm{dt}$

综合补偿装置的故障保护包括有源电力滤波器保护和TSC保护，有源电力滤波器保护主要包括：过流、短路、失压及掉电保护；IGBT模块故障保护保护；直流电压过压保护；TSC保护采用专门的微机保护装置，其保护主要为：过流保护、差流保护、过压保护、失压保护、电容器故障保护。

图5是另一个实例。有源电力滤波器采用通用的IBBM90B型IGBT变流器模块，模块采用3300V/1200A的IGBT元件和一个支撑电容器。IBBM90B模块集成了7个3300V/1200A的IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂及斩波桥臂。此外主电路还包括放电回路继电器、斩波电阻、充电电阻、放电电阻。主电路的交流输出电压为760V，容量为1Mvar，直流电压1600V。电网电压为10kV，输出电流，直流电压可在1500-1800V之间调节。模块的开关频率为2kHZ，死区时间小于17us，直流电容为320uF。脉冲分配单元和IGBT门控单元间的触发和反馈采用光纤传输，有较高的抗干扰能力和隔离作用。TSC分5次、7次和11/13次3组滤波支路，每组容量为2Mvar。这样补偿装置的补偿容量可以从1Mvar～-7Mvar进行连续补偿，补偿效果见图6所示。

从图6可见，投入本发明的综合补偿装置后，电网电流中的谐波电流显著降低，功率因数稳定在目标值。这种补偿装置的有源电力滤波器容量仅占到装置总补偿容量的12.5％，因此它具有很高的实用价值。

Claims (3)

1.一种综合补偿装置，包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件；所述晶闸管投切电容器模块由三组分别为5次、7次和11/13次无源滤波支路组成，各无源滤波支路分别通过晶闸管投切电容器模块的晶闸管组在靠近负载侧与电网相连；最右边是非线性负载，晶闸管投切电容器模块靠近负载侧与电网并联；有源电力滤波器在晶闸管投切电容器模块后侧，通过连接电抗器(L)、真空接触器(K)及耦合变压器(T)与电网并联，有源电力滤波器的主电路采用三相桥式电压型逆变器结构，其中开关器件采用IGBT，控制信号来自检测控制单元的驱动电路；由晶闸管投切电容器模块补偿负载大部分的基波无功和主要谐波，有源电力滤波器则补偿剩余的谐波和无功；其特征在于：有源电力滤波器和晶闸管投切电容器模块之间采用协同控制，检测控制单元包括信号输入输出、信号调理、保护逻辑、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块。

2.一种用在综合补偿装置的方法，该综合补偿装置具有检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源滤波器，其特征在于它包括以下步骤：

第一步，采集负载电流i_L和经晶闸管投切电容器模块补偿后负载电流i′_L及电网电压U，根据负载电流i_L、电网电压U及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量；

第二步，根据晶闸管投切电容器模块和有源电力滤波器的容量大小决定向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，选择晶闸管投切电容器模块是否投入以及投入哪几组滤波补偿支路，并向晶闸管投切电容器模块的晶闸管组发出触发脉冲，完成晶闸管投切电容器模块的滤波补偿支路的投切操作；

第三步，实时采集晶闸管投切电容器模块补偿后的负载电流i′_L及电网电压U，计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号，该指令信号与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反；

第四步，采用三角波比较方式，将补偿电流的指令信号与实际输出电流的差值经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路开关器件的控制信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令信号的变化。

3.如权利要求2的一种用在综合补偿装置的方法，其特征在于所述第二步按照以下原理进行：

设晶闸管投切电容器模块的各滤波补偿支路无功补偿容量为Q_T，晶闸管投切电容器模块可提供的无功补偿容量为Q_T、2Q_T和3Q_T；为了能达到连续补偿的目的，有源电力滤波器的容量设为Q_A＝Q_T/2，由它可提供的补偿容量为-Q_T/2～Q_T/2，因此整个装置能提供的补偿容量为-Q_T/2～7Q_T/2；Q_f为负载需要补偿的无功容量，

为晶闸管投切电容器补偿指令，协调控制系统按照以下规则确定晶闸管投切电容器模块的投切数量：

当Q_f≤Q_T/2时，

各滤波补偿支路均不投，0～-Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当Q_T/2＜Q_f≤3Q_T/2时，

投入一组滤波补偿支路，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当3Q_T/2＜Q_f≤5Q_T/2时，

投入两组滤波补偿支路，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿；

当5Q_T/2＜Qf时，

三组滤波补偿支路同时投入，-Q_T/2～Q_T/2由有源电力滤波器补偿。

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