CN101359833A - 谐波无功补偿装置及其控制方法 - Google Patents

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张金斗
胡顺全
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Abstract

本发明公开了一种谐波无功补偿装置及其控制方法。其包括旁路柜、输入变压器、控制装置和功率柜，所述的输入变压器为三相输入、多绕组输出、具有曲折形接法的输入变压器，所述功率柜则包含3N个一样功率单元，该功率单元的整流侧输入端子R、S、T连接于所述变压器的输出侧，使每个功率单元具有独立的直流电源，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘；其中每N功率单元级联构成一相，所有功率单元相应三相星形连接或三角形连接后通过电抗器与电网相连。本发明可靠性高、控制灵活，实现谐波无功连续补偿，响应速度快，网侧功率因数高，电流总谐波低。

Description

谐波无功补偿装置及其控制方法
(一)技术领域
本发明涉及一种谐波无功补偿装置，属于电网无功功率补偿和谐波抑制技术领域，本发明还涉及该谐波无功补偿装置的控制方法。
(二)背景技术
随着电力电子技术的发展，各种非线性和时变电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，电力电子装置的关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真。同时在现代配电电网中，存在数量众多、容量大小不等的感性设备电力负荷，如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。因此在电网中安装谐波无功补偿设备，不仅可以提供感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源向感性负荷提供、由线路输送的无功功率，降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，提高功率因数，还可以减少电力系统中的谐波，改善电能质量。
目前，我国常用的谐波无功补偿设备功能单一，主要集中在低压配电网中，并且不能同时进行无功补偿和谐波治理。如LC调谐滤波器，机械式并联电抗器、投切电容器，这些静止型调压手段，因补偿特性受电网阻抗和运行状态影响、调节不连续、响应速度慢，易发生“过补”，很难满足系统运行方式快速变化时的需求。而另一种无功补偿装置SVC(静止无功补偿装置)，响应速度很快，但由于装置补偿系统呈恒阻抗特性，在电网电压低时，无法提供电网所需的无功支持，因此应付突发事件的能力较弱，并且为了抑制谐波，必须装设滤波器，占地面积较大，此外，过多的SVC装置容易引发系统振荡。
在输配电系统中，STATCOM(静止同步补偿器)是一种比较新的武功补偿装置，其通过快速地向电网提供或吸收无功电流，以维持受端电压，增强电压稳定性，提高系统负荷能力，或支撑输电系统关键节点电压，提高系统稳定极限和输电线路的运行极限。
现阶段，STATCOM的主要用途是无功补偿及稳定电压。通常其控制原理主要是通过改变系统电压与STATCOM发出电压的相位差δ，并改变STATCOM发出电压的幅值，实现调节STATCOM从电网吸收的无功功率大小和性质。参考说明书附图2，
Figure A20081014017200051
为电网电压相量，为无功补偿装置输出电压相量，X为输出电抗器的感抗，R为输出电抗器的电阻，则X和R上的总电压降即为
Figure A20081014017200061
和
Figure A20081014017200062
的相量差，通过对流过它们的总电压降的大小和相位控制，控制输入电流大小和相位，即可控制装置从电网吸收的无功电流的性质和大小。不过由于相位差δ是个量值很小的数值，精确的通过这一数值实现无功补偿和稳定电压实现难度比较大，且也因此造成STATCOM控制方式复杂，灵活性差，且响应速度慢，目前只有中、瑞、法、德、美5个国家掌握这一技术。
(三)发明内容
本发明为了克服现有谐波无功补偿装置多数功能单一、运行效率低、谐波含量大、成本高的不足，提供了一种可靠性高、控制灵活，实现谐波无功连续补偿，响应速度快，网侧功率因数高，电流总谐波(THD)低的谐波无功补偿装置。本发明还基于该谐波无功补偿装置提供了一种其控制方法。
本发明采用以下技术方案：
本发明一种谐波无功补偿装置，包括旁路柜、输入变压器、控制装置和功率柜，所述的输入变压器为三相输入、多绕组输出、具有曲折形接法的输入变压器，所述功率柜则包含3N个一样功率单元，该功率单元的整流侧输入端子R、S、T连接于所述变压器的输出侧，使每个功率单元具有独立的直流电源，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘；其中每N功率单元级联构成一相，所有功率单元相应三相星形连接或三角形连接后通过电抗器与电网相连。
上述谐波无功补偿装置，所述功率单元是由整流电路、并联在正负母线之间的均压及滤波吸收电路和位于其后并联在正负母线间的电平电路组成。所述的电平电路为包含功率器件的两电平电路，其中功率器件为IGBT。
上述谐波无功补偿装置，所述功率单元级联个数N≥2，二次绕组错开相位角的大小与功率单元个数相对应，二次绕组错开相位角的大小为60°/N。所述输入变压器为有功电流、主电路整流元件、开关元件和输出电抗器的功率输入器件。
上述谐波无功补偿装置，所述控制装置包括谐波无功电流指令生成单元和电网前级的主电路，以及依次连接于两者之间的电流调节器、电压调节器、PWM脉冲信号产生单元和驱动电路，其中主电路输出端接有分别对其电流取样和电压取样的电流取样电路和电压取样及同步信号生成电路，两取样电路下位分别为所述电流调节器和电压调节器。
上述谐波无功补偿装置，所述控制装置还包括用于采集主电路直流母线电压取样电路，该取样电路经直流电压PI调节器和有功电流指令生成单元接于所述电流调节器。
本发明谐波无功补偿装置的原理是：采用3N个功率单元，每N功率单元级联构成一相，所有功率单元相应三相星形连接或三角形连接后通过电抗器与电网相连，借助于功率单元。本发明的有益效果是：
1)输入变压器采用曲折接法，可以达到减小输入电流的谐波含量，增加市电电网的输入功率因数；
2)采用级联功率单元的控制技术，可以提高等效载波频率，降低输出谐波含量，装置的输出侧无需安装输出滤波器；
3)由于各功率单元之间相对独立，所以可以较容易地引入软开关控制，直流侧的均压比较容易实现；
4)每个功率单元的结构相同，装置易于采用模块化和冗余设计，安装维护简单；
5)通过增加/减少级联功率单元个数灵活的适应不同电压等级和功率单元采用多模块并联技术，可以实现高电压、大容量的级联多电平谐波无功补偿装置，其输出侧可以省掉升压变压器，节约成本。
本发明还提供了依据该谐波无功补偿装置的控制方法，其包括以下步骤：
1)将指令电流Iref与有功电流送入加法器，该加法器的输出送入计算单元
Figure A20081014017200071
并与主电路实际输出电流If送入比较器，构成电流反馈闭环控制；(这里必须和权利要求对应，因为权利要求8的描述和现在的不对应，专利申请的核心在权利要求。)
2)将指令电流Iref与有功电流送入加法器，该加法器的输出送入计算单元
Figure A20081014017200072
并与主电路实际输出电流If送入比较器，构成电流反馈闭环控制；
3)将所述比较器的输出与电流比例--积分调节器的输入相连，其与计算单元的输出求和，构成前馈控制31；
4)所述比例--积分调节器的输出和计算单元
Figure A20081014017200082
的求和结果与电网电压取样Us求和后与装置输出电压取样Uc作比较，构成电压反馈闭环控制，该比较结果送入电压比例--积分调节器，电压比例--积分调节器的输出与前馈控制(32)输入求和作为PWM脉冲信号产生单元的输入；
5)由PWM脉冲信号产生单元将驱动信号传送给主电路，主电路把电流指令通过输出电抗器发送给电网。
上述谐波无功补偿装置的控制方法，所述指令电流Iref为谐波电流指令、无功电流指令或谐波电流与无功电流的合成指令；电网电压取样Us中叠加三次电压谐波成分，或在电网电压信号重构中加入三次电压谐波成分。
(四)附图说明
图1为本发明实施例1主电路系统结构示意图。
图2为本发明实施例1无功补偿装置与电网的等效连接电路。
图3为本发明实施例1功率单元级联结构示意图。
图4为本发明实施例2二电平电路功率单元结构图。
图5为本发明实施例1的控制装置的方块图。
图6为本发明实施例1的双闭环控制方法原理图。
图中，1、整流二极管，2、整流电路，3、均压及滤波吸收电路，4、电平电路，5、功率器件，6、功率单元，7、输入变压器，11、谐波无功电流指令生成单元，12、电流调节器，13、电压调节器，14、PWM脉冲信号产生单元，15、驱动电路，16、主电路，17、电网，18、电压取样及同步信号生成电路，19、电流取样电路，20、直流母线电压取样电路，21、直流电压PI调节器，22、有功电流指令生成单元。
Figure A20081014017200083
电网电压相量，
Figure A20081014017200084
无功补偿装置输出电压相量，X输出电抗器的感抗，R输出电抗器的电阻，Ua、Ub、Uc：电网三相电压，LA、LB、LC：输出电抗器，U、V：二电平功率单元输出，N主电路星点，C1、C2、C3：滤波电容，R1、R2：均压电阻，R、S、T输入交流电。
(五)具体实施方式
实施例1：
参照说明书附图1、2、4、5、6，本实施例谐波无功补偿装置，包括旁路柜、输入变压器7、控制装置和功率柜，所述的输入变压器7为三相输入、多绕组输出、具有曲折形接法的输入变压器，所述功率柜则包含3N个一样的功率单元6，该功率单元的整流侧输入端子R、S、T连接于所述变压器的输出侧，使每个功率单元具有独立的直流电源，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘；其中每N功率单元级联构成一相，所有功率单元相应三相星形连接后通过电抗器与电网相连；功率单元中的电平电路4在输出端产生PWM调制的交流电压波形，功率单元6-A1、6-A2…6-An的输出被级联起来构成逆变器的A相输出，同样功率单元6-B1、6-B2…6-Bn的输出被级联起来构成逆变器的B相输出，功率单元6-C1、6-C2…6-Cn的输出被级联起来构成逆变器的C相输出，相与相之间采用星形联接方式，通过输出电抗器LA、AB、AC与电网三相Ua、Ub、Uc连接。主电路由输入变压器、功率单元和输出电抗器L组成。
所述功率单元6是由整流电路2、并联在正负母线之间的均压及滤波吸收电路3和位于其后并联在正负母线间的电平电路4组成。所述的电平电路4为包含功率器件5的两电平电路，其中功率器件为IGBT，采用IGBT作为主逆变开关管，可靠性高，技术成熟。
所述功率单元6级联个数N≥2，级联功率单元的个数二次绕组错开相位角的大小与功率单元个数相对应，二次绕组错开相位角的大小为60°/N。可以通过增加或减少级联功率单元的个数满足6KV或10KV不同电压等级的要求；功率单元采用多模块并联增加装置的输出。因此，通过改变功率单元的个数和功率单元电路拓扑结构，可以实现高电压、大容量的级联多电平谐波无功补偿装置。
所述输入变压器7为有功电流、主电路整流元件、开关元件和输出电抗器的功率输入器件，向上述个元件提供电能。
所述控制装置包括谐波无功电流指令生成单元11和电网17前级的主电路16，以及依次连接于两者之间的电流调节器12、电压调节器13、PWM脉冲信号产生单元14和驱动电路15，其中主电路输出端接有分别对其电流取样和电压取样的电流取样电路19和电压取样及同步信号生成电路，两取样电路下位分别为所述电流调节器和电压调节器。借助于这两个反馈回路，有效的调整网侧电压和网侧电流，以提高系统运行效率。
所述控制装置还包括用于采集主电路直流母线电压取样电路，该取样电路经直流电压PI调节器和有功电流指令生成单元接于所述电流调节器，以保证各单元直流侧母线电压的稳定和平衡。
为了获得所述的技术效果，本实施例的采用以下控制方法：
1)将指令电流Iref与有功电流送入加法器，该加法器的输出送入计算单元
Figure A20081014017200101
并与主电路实际输出电流If送入比较器，构成电流反馈闭环控制；
2)将所述比较器的输出与电流比例--积分调节器的输入相连，其与计算单元的输出求和，构成前馈控制31；
3)所述比例--积分调节器的输出和计算单元
Figure A20081014017200103
的求和结果与电网电压取样Us求和后与装置输出电压取样Uc作比较，构成电压反馈闭环控制，该比较结果送入电压比例--积分调节器，电压比例--积分调节器的输出与前馈控制(32)输入求和作为PWM脉冲信号产生单元的输入；
4)由PWM脉冲信号产生单元将驱动信号传送给主电路，主电路把电流指令通过输出电抗器发送给电网。
所述指令电流Iref为谐波电流指令、无功电流指令或谐波电流与无功电流的合成指令；电网电压取样Us中叠加三次电压谐波成分，或在电网电压信号重构中加入三次电压谐波成分。
实施例2：
参照说明书附图3，本实施例相对于实施例1，本实施例的输入变压器7次级绕组与功率单元6整流侧输入R、S、T相连，经三相二极管整流电路2，整流电路2的正负母线之间并联了由电容C1、C2、C3和电阻R1、R2组成的均压及滤波吸收电路3，在均压及滤波吸收电路3后的正负母线之间并联了一组二电平电路4，二电平电路4的输出为U、V。

Claims (9)

1.一种谐波无功补偿装置，包括旁路柜、输入变压器(7)、控制装置和功率柜，其特征在于：所述的输入变压器(7)为三相输入、多绕组输出、具有曲折形接法的输入变压器，所述功率柜则包含3N个一样的功率单元(6)，该功率单元的整流侧输入端子R、S、T连接于所述变压器的输出侧，使每个功率单元具有独立的直流电源，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘；其中每N功率单元级联构成一相，所有功率单元相应三相星形连接或三角形连接后通过电抗器与电网相连。
2.根据权利要求1所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述功率单元(6)是由整流电路(2)、并联在正负母线之间的均压及滤波吸收电路(3)和位于其后并联在正负母线间的电平电路(4)组成。
3.根据权利要求2所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述的电平电路(4)为包含功率器件(5)的两电平电路，其中功率器件为IGBT。
4.根据权利要求1至3之一所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述功率单元(6)级联个数N≥2，二次绕组错开相位角的大小为60°/N。
5.根据权利要求1至3之一所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述输入变压器(7)为有功电流、主电路整流元件、开关元件和输出电抗器的功率输入器件。
6.根据权利要求1所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述控制装置包括谐波无功电流指令生成单元(11)和电网(17)前级的主电路(16)，以及依次连接于两者之间的电流调节器(12)、电压调节器(13)、PWM脉冲信号产生单元(14)和驱动电路(15)，其中主电路输出端接有分别对其电流取样和电压取样的电流取样电路(19)和电压取样及同步信号生成电路，两取样电路下位分别为所述电流调节器和电压调节器。
7.根据权利要求6所述的谐波无功补偿装置，其特征在于：所述控制装置还包括用于采集主电路直流母线电压取样电路，该取样电路经直流电压PI调节器和有功电流指令生成单元接于所述电流调节器。
8.一种谐波无功补偿装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将指令电流Iref与有功电流送入加法器，该加法器的输出送入计算单元
Figure A2008101401720003C1
并与主电路实际输出电流If送入比较器，构成电流反馈闭环控制；
2)将所述比较器的输出与电流比例--积分调节器的输入相连，其与计算单元的输出求和，构成前馈控制31；
3)所述比例--积分调节器的输出和计算单元的求和结果
与电网电压取样Us求和后与装置输出电压取样Uc作比较，构成电压反馈闭环控制，该比较结果送入电压比例--积分调节器，电压比例--积分调节器的输出与前馈控制(32)输入求和作为PWM脉冲信号产生单元的输入；
4)由PWM脉冲信号产生单元将驱动信号传送给主电路，主电路把电流指令通过输出电抗器发送给电网。
9.根据权利要求8所述的谐波无功补偿装置的控制方法，其特征在于：所述指令电流Iref为谐波电流指令、无功电流指令或谐波电流与无功电流的合成指令；电网电压取样Us中叠加三次电压谐波成分，或在电网电压信号重构中加入三次电压谐波成分。
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