CN101183791A - 一种静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统及其控制方法，在静止无功补偿器SVC中增加了有源电力滤波器APF和控制装置。并利用三相不平衡负载平衡化补偿控制方法实现负载负序电流的补偿，同时利用特定次谐波补偿技术实现SVC与APF的解耦控制，确保了联合运行系统的安全稳定运行。本发明在具备SVC基本功能的同时，通过APF提高了无源滤波器的滤波性能，抑制无源部分与电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理。

Description

一种静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种静止无功补偿器(SVC)和有源电力滤波器(APF)联合运行系统及其控制方法。

背景技术

随着电力电子器件在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重。另外，有很多电力用户，如电弧炉，因其特有的工作特性导致了其所在电网也具有电压波动严重、负序分量大、高次谐波多、电网功率因数低。因此，提高电网功率因数、补偿负序电流、抑制谐波污染越来越多的受到人们的关注。

采用电力电子装置就近吞吐无功和吸收谐波源产生的谐波电流，是提高功率因数和抑制谐波污染的有效措施。目前，TCR型静止无功补偿器(SVC)以其高性价比而被公认为无功补偿的最佳装备，并以其响应快的特点有效解决了电压波动问题，而且还可以通过分相调节对三相不对称负载进行平衡化补偿以消除负序分量、通过在并联电容器上串联小的调谐电抗器组成单调谐无源滤波器，提供容性无功的同时滤除固定次谐波。但是由于SVC本身也是谐波源，如果给每次谐波都安装滤波支路则会体积庞大，而且无源滤波器的滤波性能受系统参数影响大，并且只能补偿固定次谐波，同时不可避免的存在与电网等效阻抗发生串并联谐振的可能。近年来，有源电力滤波器(APF)因其良好的谐波治理性能，越来越受到人们的关注，但受开关器件容量及电压等级的限制很难应用于中高压系统。混合型有源电力滤波器(HAPF)兼有无源滤波器和有源电力滤波器的优点，并且可以应用于中高压系统，是目前采用较为广泛的谐波治理和无功补偿装置。而与SVC相比，HAPF只能补偿固定容量的无功功率，不具备SVC正负连续调节无功的能力。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种静止无功补偿器(SVC)和有源电力滤波器(APF)联合运行系统及其控制方法，可应用于中高压系统，在具备SVC基本功能的同时，通过APF提高了无源滤波器的滤波性能，抑制无源部分与电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理。

为达到上述目的，本发明提供一种静止无功补偿器SVC和有源电力滤波器APF联合运行系统，包括静止无功补偿器SVC、有源电力滤波器APF及控制装置，其中静止无功补偿器SVC由晶闸管控制电抗器TCR以及无源滤波器PPF组成，其中无源滤波器PPF由电容器串联调谐电感组成，APF与基波谐振支路并联后再与静止无功补偿器SVC中的无源滤波器PPF相串联组成输出端，所述输出端接入控制装置中的DSP控制器，所述DSP控制器的输出端分别通过驱动电路和光纤接入APF和TCR。

相应地，一种静止无功补偿器SVC和有源电力滤波器APF联合运行系统的控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网三相电压、三相负载电流和TCR接入电网后TCR、供电电源间三相电流和APF输出电流的瞬时值e_a、e_b、e_c；i_L1a、i_L1b、i_L1c；i_La、i_Lb、i_Lc和i_Fha、i_Fhb、i_Fhc；

2)根据采样值e_a、e_b、e_c和i_L1a、i_L1b、i_L1c利用瞬时功率理论并求解基波电压的有效值，基波电流的正序分量和负序分量；

3)利用三相不平衡负载平衡化补偿控制方法，求取SVC需要接入电网的等效电纳值，并利用查表法求取TCR的各相导通角；

4)APF采样基于检测负载谐波电流的控制策略，实现抑制PPF与电网等效阻抗间的串并联谐振的功能；

5)根据采样值i_La、i_Lb、i_Lc和i_Fha、i_Fhb、i_Fhc利用特定次谐波补偿控制方法实现电网谐波电流的动态治理。

本发明的工作原理为：所述SVC与APF联合运行系统中，SVC由晶闸管控制电抗器TCR以及无源滤波器PPF组成，通过对TCR三相不对称控制来消除电网三相不对称负载引起的负序电流，通过在电容器上串联小的调谐电感组成无源滤波器，提供容性无功的同时滤除固定次谐波，最后APF与基波谐振支路并联后再与SVC中的无源部分相串联作为输出端接入电网，利用基于检测负载谐波电流的控制策略实现动态治理电网谐波，用来消除电网及SVC引起的谐波电流，同时抑制电容器与电网等效阻抗间可能的串并联谐振。本发明利用三相不平衡负载平衡化补偿控制方法实现负载负序电流的补偿。同时利用特定次谐波补偿技术实现SVC与APF的解耦控制，确保了联合运行系统的安全稳定运行。

本发明技术效果具体在于：

(1)SVC和APF构成的综合补偿系统结构，SVC进行动态无功补偿，并实现负序电流的补偿；APF进行动态谐波治理，抑制PPF与电网阻抗间可能的串并联谐振。

(2)SVC的控制与APF的控制相互独立、没有形成闭环，因此他们同时工作时不会产生稳定性问题，方便实行独立控制；TCR产生的谐波由APF来补偿，可以更好地滤除谐波。

(3)在SVC和APF联合运行系统中，TCR式静补的基本工作原理就是利用电力电子技术，根据负载的变化情况迅速计算出TCR所需投入的等效电纳，然后快速调节晶闸管的导通角使静补呈现出相应的等效电感(或电容)，达到平衡化补偿的目的。

(4)APF与基波谐振支路并联后再与SVC结构中的无源滤波器串联接入电网，构成基波串联谐振注入式混合型结构。该结构中有源部分因与基波谐振支路并联，不承受基波电压，大大降低了APF的容量。因此，适用于中高压大容量谐波治理与无功补偿的场合。通过对APF采用合适的控制策略，可以显著提高无源部分的滤波性能，并有效抑制无源部分与电网等效阻抗间的串并联谐振现象。当APF采用“特定次数谐波补偿”方法时，APF与SVC间的耦合程度低，联合系统稳定性高。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1是本发明中SVC与APF联合运行系统的结构框图；

图2是本发明中SVC与APF联合运行系统的原理示意图；

图3是本发明中SVC三相不平衡负载平衡化补偿控制框图；

图4是本发明中SVC与APF联合运行系统单相等效电路图；

图5是本发明中APF特定次谐波补偿控制框图；

图6是本发明中APF采用特定次谐波补偿控制时系统开环传递函数频谱图。

具体实施方式

参见图1，本发明的一种SVC与APF联合运行系统，在SVC系统中增加了小容量的APF部分和控制装置，其中静止无功补偿器SVC由晶闸管控制电抗器TCR以及无源滤波器PPF组成，其中无源滤波器PPF由电容器串联调谐电感组成，APF与基波谐振支路并联后再与静止无功补偿器SVC中的无源滤波器PPF相串联组成输出端，所述输出端接入控制装置中的DSP控制器，所述DSP控制器的输出端分别通过驱动电路和光纤接入APF和TCR。所述SVC与APF联合运行系统在具备SVC基本功能的同时，通过APF提高了无源滤波器的滤波性能，抑制无源部分与电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理。系统采用具有高性价比而被公认为无功补偿的最佳装备的TCR型静止无功补偿器SVC，并以其响应快的特点有效解决了电压波动问题，而且还可以通过分相调节对三相不对称负载进行平衡化补偿以消除负序分量、通过在电容器上串联小的电感组成单调谐无源滤波器，提供容性无功的同时滤除固定次谐波。

该系统利用SVC进行无功功率的动态连续补偿，并利用平衡化补偿控制技术实现负载负序电流的补偿；APF起到提高无源滤波器滤波性能，抑制无源滤波器与电网等效阻抗间可能的串并联谐振的作用。在所述SVC与APF联合运行系统中SVC的控制与APF的控制相互独立、没有形成闭环，因此他们同时工作时不会产生稳定性问题，方便实行独立控制；另外TCR产生的谐波由APF来补偿，可以更好地滤除谐波。

参见图2，本发明通过检测电网三相电压，负载三相电流实现TCR接入点至电源端的负载电流以及APF输出电流；并利用SVC三相不平衡负载补偿控制方法和APF特定次谐波补偿控制方法分别实现无功功率的动态调节、负序电流的快速补偿和谐波的动态治理、电网谐振抑制。

参见图3，本发明的SVC三相不平衡负载平衡化补偿控制方法包括以下步骤：

检测出三相电路各相电压和电流的瞬时值e_a、e_b、e_c和i_L1a、i_L1b、i_L1c；将电压和电流变换到α-β坐标系，可得：

$e=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{3}(E_{+,n}{e}^{\mathrm{jn\ωt}}+E_{-,n}^{*}{e}^{-\mathrm{jn\ωt}})$

$i=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\sqrt{3}(I_{+,n}{e}^{\mathrm{jn\ωt}}+I_{-,n}^{*}{e}^{-\mathrm{jn\ωt}})$

I_+，n、I_-，n分别表示为n次电流正序和负序电流的有效值；E_+，n、E_-，n分别表示n次电压正序和负序电压有效值。+与-号分别表示n次电压和电流的正序与负序有效值；

假设电网电压是对称的，并且相对于电流，其畸变情况是可以忽略不计的。电网电压可以表示为：

$E=\sqrt{3}{E}_{+,1}{e}^{\mathrm{j\ωt}}$

此时，基波电流正序分量和负序分量可以通过下式获得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Re}\left(I_{+,1}\right)-\mathrm{jIm}\left(I_{+,1}\right)=\frac{n_{\mathrm{av}}}{{3E}_{+,1}}=\frac{p_{\mathrm{av}}^n+j{q}_{\mathrm{av}}^n}{{3E}_{+,1}}\\ \mathrm{Re}\left(I_{-,1}\right)-\mathrm{jIm}\left(I_{-,1}\right)=\frac{s_{\mathrm{av}}}{{3E}_{+,1}}=\frac{p_{\mathrm{av}}+j{q}_{\mathrm{av}}}{{3E}_{+,1}}\end{array}\right.$

其中，Re(I_+，1)和Im(I_+，1)分别表示基波正序的实部和虚部，Re(I_-，1)和Im(I_-，1)分别表示基波负序的实部和虚部，下标av表示平均值；

使负序分量，正序分量的虚部为0：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{-,1}^L+I_{-,1}^{\mathrm{\ΔT}}+I_{-,1}^F=0\\ \mathrm{Im}(I_{+,1}^L+I_{+,1}^{\mathrm{\ΔT}}+I_{+,1}^F)=0\end{array}\right.$

上标L、ΔT、F分别表示负载，TCR以及无源滤波器PPF；+、-和1分别表示正序、负序和基波成分。

由上式求解可获得SVC需要接入电网的等效电纳值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ab}\left(\mathrm{pu}\right)}^{\mathrm{\ΔT}}=\frac{I_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{\ΔT}}}{E/X_L}=\\ -\frac{1}{Q^{\mathrm{\ΔT}}}[Q^F+\frac{1}{{\left(E_{+,1\left(\mathrm{pu}\right)}^L\right)}^2}(q_{\mathrm{av}}^L+\sqrt{3}{p}_{\mathrm{av}}^{\mathrm{nL}}+q_{\mathrm{av}}^{\mathrm{nL}})\\ I_{\mathrm{bc}\left(\mathrm{pu}\right)}^{\mathrm{\ΔT}}=\frac{I_{\mathrm{bc}}^{\mathrm{\ΔT}}}{E/X_L}=\\ -\frac{1}{Q^{\mathrm{\ΔT}}}[Q^F+\frac{1}{{\left(E_{+,1\left(\mathrm{pu}\right)}^L\right)}^2}(q_{\mathrm{av}}^L-2q_{\mathrm{av}}^{\mathrm{nL}})]\\ I_{\mathrm{ca}\left(\mathrm{pu}\right)}^{\mathrm{\ΔT}}=\frac{I_{\mathrm{ca}}^{\mathrm{\ΔT}}}{E/X_L}=\\ -\frac{1}{Q^{\mathrm{\ΔT}}}[Q^F+\frac{1}{{\left(E_{+,1\left(\mathrm{pu}\right)}^L\right)}^2}(q_{\mathrm{av}}^L-\sqrt{3}{p}_{\mathrm{av}}^{\mathrm{nL}}+q_{\mathrm{av}}^{\mathrm{nL}})]\end{array}\right.$

其中，Q^F和Q^ΔT分别表示无源滤波器组和TCR三相无功功率的和。由于TCR电流的基波分量与晶闸管导通角之间满足如下关系：

$I_{1\left(\mathrm{pu}\right)}=\frac{\mathrm{\δ}-\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}$

将等效电纳值带入上式即可求取TCR各相的导通角。根据把各导通角的值，经触发电路控制TCR各相晶闸管，从而实现不对称负载时无功功率的动态补偿和负序电流的消除。

参见图4，为了实现APF动态治理电网谐波，并抑制SVC的无源部分与电网等效阻抗间可能的串并联谐振，本发明采用了基于检测负载谐波电流的控制策略，并控制：

i_C＝-i_Lh

由图4和基尔霍夫定律，可得系统的电路方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{Sh}}=Z_{\mathrm{Sh}}{I}_{\mathrm{Sh}}+U_{\mathrm{Fh}}\\ U_{\mathrm{Fh}}=Z_{\mathrm{Fh}}{I}_{\mathrm{Fh}}+U_C\\ U_C=Z_{\mathrm{Rh}}{I}_{\mathrm{Rh}}\\ I_{\mathrm{Sh}}=I_{\mathrm{Fh}}\\ I_{\mathrm{Fh}}=I_{\mathrm{Rh}}+I_C\\ I_C=-I_{\mathrm{Lh}}\end{array}\right.$

由上式可以求得谐波源谐波抑制函数为：

$\frac{I_{\mathrm{Sh}}}{I_{\mathrm{Lh}}}=\frac{Z_{\mathrm{Fh}}}{Z_{\mathrm{Fh}}+Z_{\mathrm{Sh}}+Z_{\mathrm{Rh}}}$

电网谐波抑制函数：

$\frac{I_{\mathrm{Sh}}}{U_{\mathrm{Sh}}}=\frac{1}{Z_{\mathrm{Fh}}+Z_{\mathrm{Sh}}+Z_{\mathrm{Rh}}}$

通过谐波源谐波抑制函数来分析APF抑制并联谐振的性能，用电网谐波抑制函数来分析APF抑制串联谐振的性能。结果表明采样本发明所述控制策略时，APF具有良好的滤波效果和谐振抑制性能。

参见图5，本发明的APF特定次谐波补偿控制方法包括以下步骤：检测出逆变器输出电流采样信号i_I(t)；

计算出e″(t)为逆变器输出电流参考信号i_ref ^*(t)与采样信号i_I(t)的差值e(t)；

利用公式可知e(t)的广义积分y_I(t)满足以下频域方程：

$y_I\left(s\right)=E\left(S\right)\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{G}_m\left(S\right)=E\left(S\right)\underset{m=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2S}{S^2+{\left(m{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2}$

但实际上，对于有源电力滤波器而言，只需要考虑有限的几次谐波，则

$y_I\left(s\right)=E\left(S\right)\underset{m\⊆N}{\mathrm{\Σ}}\frac{2S}{S^2+{\left(m{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2}$

其中N为APF需滤除的谐波次数集合，为N{2，3，5，7，11，13，17，19，23}；通过常规PI控制，APF的基于广义积分算法的等效控制为

$y_{\mathrm{Ieq}}\left(s\right)=e\left(s\right)(K_P+\underset{m\⊆N}{\mathrm{\Σ}}\frac{2K_{\mathrm{Im}}s}{s^2+{\left(m{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2})$

式中，K_P为比例系数，K_Im为对m次谐波的积分系数；

本发明充分利用以前的控制量信息，大大减小了控制算法的计算量，得到的结果为

$u_{\mathrm{Im}}\left(k\right)=\frac{2K_{\mathrm{Im}}[\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{ref}}\left(k\right)-\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{ref}}(k-1)]+2u_{\mathrm{Im}}(k-1)-u_{\mathrm{Im}}(k-2)}{1+{\left(m{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2}$

可知只要保留上两个控制周期的谐波分量提取式积分控制量u_Im(k-1)和u_Im(k-2)以及上一个控制周期的电流误差Δi_ref(k-1)，可以很方便地获得新的广义积分控制量u_Im(k)；

基于特定次谐波补偿控制算法的离散等效控制率为：

$u_{\mathrm{eq}}^0\left(k\right)=K_P\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{ref}}\left(k\right)+\underset{m\⋐H}{\mathrm{\Σ}}{u}_{\mathrm{Im}}\left(k\right);$

通过图6可以看出广义积分控制器可以使得2次、5次、7次、11次、13次、17次、19次和23次谐振频率及其附近频段处的增益极大，这意味着稳态时，在谐振频率处控制器可以实现零稳态跟踪误差。同时，可以看出，广义积分器对其余频段的谐波具有很大的衰减，实现了对“特定次数谐波的补偿”，达到了SVC和APF解耦的目的。

Claims (2)

1.一种静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统，包括静止无功补偿器SVC，其特征在于，还包括有源电力滤波器APF及控制装置，其中静止无功补偿器SVC由晶闸管控制电抗器TCR以及无源滤波器PPF组成，其中无源滤波器PPF由电容器串联调谐电感组成，APF与基波谐振支路并联后再与静止无功补偿器SVC中的无源滤波器PPF相串联组成输出端，所述输出端接入控制装置中的DSP控制器，所述DSP控制器的输出端分别通过驱动电路和光纤接入APF和TCR。

2.一种如权利要求1所述静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测电网三相电压、三相负载电流和TCR接入电网后TCR、供电电源间三相电流和APF输出电流的瞬时值e_a、e_b、e_c；i_L1a、i_L1b、i_L1c；i_La、i_Lb、i_Lc和i_Fha、i_Fhb、i_Fhc；

2)根据采样值e_a、e_b、e_c和i_L1a、i_L1b、i_L1c利用瞬时功率理论并求解基波电压的有效值，基波电流的正序分量和负序分量；

3)利用三相不平衡负载平衡化补偿控制方法，求取SVC需要接入电网的等效电纳值，并利用查表法求取TCR的各相导通角；

4)APF采样基于检测负载谐波电流的控制策略，实现抑制PPF与电网等效阻抗间的串并联谐振的功能；

5)根据采样值i_La、i_Lb、i_Lc和i_Fha、i_Fhb、i_Fhc利用特定次谐波补偿控制方法实现电网谐波电流的动态治理。

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