CN101388549B

CN101388549B - 混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法

Info

Publication number: CN101388549B
Application number: CN2008101069795A
Authority: CN
Inventors: 范瑞祥; 孙旻
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
Priority date: 2008-07-04
Filing date: 2008-07-04
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2028-07-04
Also published as: CN101388549A

Abstract

本发明公开了一种混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波协调控制方法，它包括：根据混合型电能质量调节器无源滤波器的调谐次数，确认无需发出补偿谐波的频率；判断系统功率因数，若不在0.9～0.99之间，仅进行基波补偿；否则再判断控制母线电压谐波是否超国标，若不超标，则选取需补偿谐波中含量最高的3～5个频率的谐波和基波进行补偿；超标则再判断功率因数，若高于0.94，则仅对谐波进行补偿；若不高于0.94，则仍将基波和谐波进行补偿。本发明通过引入功率因数和电压谐波的在线判断，确保在不同工况下解决电能质量问题，充分利用调节器的动态容量，兼顾谐波和无功及负序的补偿，适合于同时装设有无源滤波器的混合型补偿装置。

Description

混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种电能质量调节器的协调控制方法，特别涉及一种兼顾基波无功、负序和谐波的混合型电能质量调节器的协调控制方法。

背景技术

随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大，与此同时谐波的污染也日益严重，对于电能质量治理设备而言往往需要对谐波无功甚至负序同时进行补偿。采用无源滤波装置兼顾谐波治理和无功补偿是目前应用的主流，而单独采用有源装置虽然效果更好，但由于费用问题导致容量一般而言不可能太大，因此结合有源装置及无源滤波器组的混合型电能质量调节装置相对而言具备更好的性价比，成为近期应用研究的重点。

就控制方法而言，单对混合型装置的研究较少，且大多是以单独的谐波抑制或是无功动态补偿为主，即使是综合补偿也采用的是调制基波无功加所有谐波的形式，未考虑合理分配有源部分的容量，对于不同工况的适应性有限，无法进行有重点有目的的补偿，同时在采用三角波调制过程中由于幅值限制也易产生新的谐波污染。考虑到实际应用中有源装置的动态容量相对是较为有限的，在已设置无源滤波器的基础上，对某些次数的谐波加以补偿是没有意义的，因此使混合型电能质量调节装置的控制方法具有更强的频率选择性及基波和谐波容量分配的协调性将具有极大的实际意义。

发明内容

为解决混合型电能质量调节装置的补偿频率选择的优化性和基波及谐波容量分配的协调性，本发明提供了一种混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法。

本发明实现方案如下：根据混合型电能质量调节器所设置的无源滤波器的调谐次数，确认无需发出补偿谐波的频率；采集计算功率因数λ和控制母线电压谐波总畸变率THDu；判断系统功率因数是否在0.9至0.99之间，若不在，则将各次需要补偿的谐波的比例和积分系数设为0，仅进行基波无功和负序的补偿；若功率因数确在0.9至0.99之间，则再行判断控制母线电压谐波总畸变率是否超国标，若不超标，则比较选取需补偿谐波中含量最高的3～5个频率的谐波和基波一同进行综合补偿；否则再判断功率因数是否高于0.94，若高于，则将基波的比例和积分系数设为0，仅对通过比较获得的含量最高的需要补偿的3～5个频率的谐波进行补偿；若功率因数不高于0.94，则仍然对基波无功和负序及3～5个频率的主要谐波实施综合补偿。对控制算法所得到的控制量进行基于三角载波的PWM调制，先行判断输出控制量幅值与三角载波幅值：控制量幅值小于三角载波幅值，即输出在容量范围之内，进行三角波调制计算，获取脉宽数据；控制量幅值高于三角载波幅值，将三角波幅值调整为输出控制量幅值的1.05～1.2倍后再行调制计算获取脉宽数据，保证调节器既按最大容量以控制所得的容量分配比例进行输出，又保证不会在调制过程中产生新的谐波。

本发明方法所述控制算法采用逆变器直流侧电压直接PI控制算法和基于广义积分的基波和谐波分频PI控制算法。

本发明所述基于广义积分的基波与谐波分频PI控制的算法采用增量迭代式。

本发明的有益效果在于：通过引入功率因数和电压谐波的在线判断，合理确定电能质量调节器的补偿重点，有利于最大限度地利用调节器动态容量解决最为迫切的电能质量问题。由于补偿算法具备一定的频率选择性，使得调节器补偿方式更为灵活，避免了容量的浪费，更适合于同时装设有无源滤波器的混合型补偿装置。通过判断在线调整三角载波幅值方法的应用，保证了调节器在任何情况下都能够按所需的控制比例以最大方式输出补偿电流，避免了调制过程中由于计算原因产生附加谐波的状况。

附图说明

图1为本发明混合型电能质量调节器协调控制方法整体流程图。

具体实施方式

以下结合实施例对照附图对本发明进行详细说明。

实施例1：

参见图1，根据混合型电能质量调节器协调控制的基本流程，首先考虑混合型电能质量调节器设置的无源滤波器的调谐次数及现场的实际情况，确认无需发出补偿谐波的频率，使得下面的补偿控制更有针对性，避免容量的浪费。

第二步是采集计算系统功率因数λ和控制母线电压畸变率THDu，比较确定其中需要补偿的含量最大的3个频率的谐波。接下来对系统功率因数λ进行判断，根据其差异主要分以下逻辑进行控制：(1)功率因数不在0.9至0.99之间，此时表明系统的功率因数严重偏低或者是系统过补偿，此时无功的动态调整将成为最关键的因素，因此将各次谐波的比例积分系数K_Pn和K_In置零后进入具体控制算法，相当于电能质量调节器将全部容量仅用于对基波无功和负序的补偿；(2)功率因数在0.9至0.99之间，此时表明系统的功率因数是基本可以接受的，则需再行判断控制母线电压总畸变率，以确认以何种方式进行谐波的补偿，这中间同样也分为两个不同逻辑：(a)电压谐波总畸变率未超出国标，此时表明系统当前条件下的电能质量是基本可以接受的，只需在线选取3个频率的需补偿谐波，其余谐波比例积分系数置零，进入具体控制算法，相当于对基波无功和负序及3个频率的主要谐波进行综合补偿，以达到进一步提升综合电能质量的目的；(b)电压谐波总畸变率超出国标，此时表明谐波含量过高成为主要问题，原则上调节器容量的分配需要尽量以谐波治理为主，但若此时的功率因数也刚过0.9，则有可能由于将容量全部用于谐波补偿，在下个控制周期又使得功率因数不合格，则补偿策略又必须回到以基波无功为主，从而导致调节器在两种基本策略之间来回震荡，对系统电能质量的稳定及改善毫无益处，因此需再次判断功率因数是否在0.94以上。若高于0.94则基本可以确保调节器即使将全部容量用于谐波补偿也不至于使得功率因数不达标，因此在这种情况下可以将基波的比例积分控制系数置零，将基本策略定为完全以所选定的3个频率的谐波补偿为主；若低于0.94，为避免调节器基本控制策略的震荡反复，将以基本无功和谐波的综合补偿为主。确定基波无功负序与谐波补偿的主次并配置完成相应比例积分控制系数后，即可进入具体控制算法。该算法以基于瞬时无功功率理论的电流检测方法为基础，结合直流侧电压的直接PI控制算法和补偿电流的增量迭代式广义积分频控制算法，获取需要调制的控制量。PWM调制采用三角波法，当控制输出量超出调节器额定容量时，控制量幅值小于三角载波幅值，即输出在容量范围之内，进行正常的三角波调制计算，获取脉宽数据；将三角载波幅值变化为其最值的1.05倍后再进行调制计算，使得调节器能基本按所需控制量比例以最大容量输出。

控制算法以基于瞬时无功功率理论的电流检测方法为基础，通过PARK变换经由低通滤波器获得有功电流的直流值，同时令无功电流直流值为零，将直流侧电压设定值与测量值的差值作为输入进行PI调节，所得输出与有功电流直流值叠加，叠加值进行矩阵反变换后即获得基波有功电流，其负值与检测电网电流值相加得到需补偿的谐波与基波电流值e(k)，e(k)进入广义积分控制器进行控制计算。广义积分的最大特点是能够对周期量进行分频积分，因此该控制器能够根据先前所确定的比例积分系数对输入量中的基波和谐波进行有选择性的分频控制计算，具体计算采用增量迭代式，最终输出表达式为

u_{C} (k) = u_{C} (k - 1) + Σ K_{Pn} e_{c} (k) + \frac{2 K_{In} e_{C} (k) + 2 u_{In} (k - 1) - u_{In} (k - 2)}{1 + {(n ω_{S})}^{2}}

其中

e_{c} (k) = \frac{e (k) + 3 e (k - 1) - 3 e (k - 2) - e (k - 3)}{6} .

说明：式中u_C(k)为输出的控制量，u_C(k-1)为前次输出的控制量，K_Pn为n次谐波的控制比例系数，K_In为n次谐波的控制积分系数，e(k)、e(k-1)、e(k-2)和e(k-3)分别为当前、前一次、前两次和前三次的控制误差，e_c(k)为控制误差变化值，u_In(k-1)和u_In(k-2)分别为n次谐波前一次和前两次的积分控制输出值，ω_S为基波角速度。

实施例2：

本实施例在每次进行补偿时对5个频率的谐波进行补偿，采用三角波法进行PWM调制，当控制输出量超出调节器额定容量时，控制量幅值小于三角载波幅值，即输出在容量范围之内，进行正常的三角波调制计算，获取脉宽数据；将三角载波幅值变化为其最值的1.2倍后再进行调制计算。其它步骤与实施例1相同。

Claims

1.一种混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法，包括以下步骤：

1.1)根据混合型电能质量调节器所设置的无源滤波器的调谐次数，确认无需发出补偿谐波的频率；

1.2)采集计算功率因数λ和控制母线电压谐波总畸变率THDu；

1.3)判断系统功率因数：

1.31功率因数不在0.9至0.99之间，将各次谐波的比例积分系数置零，进入具体控制算法，相当于仅对基波无功和负序进行补偿；

1.32功率因数在0.9至0.99之间，再行判断控制母线电压谐波总畸变率：

1.321电压谐波总畸变率未超出国标，在线选取3～5个频率的需补偿谐波，其余谐波比例积分系数置零，进入具体控制算法，相当于对基波无功和负序及3～5个频率的主要谐波进行综合补偿；

1.322电压谐波总畸变率超出国标，再次判断功率因数是否在0.94以上：

功率因数高于0.94，将基波的比例积分系数置零，相当于仅对3～5个频率的主要谐波进行补偿；功率因数不高于0.94，同样对基波无功和负序及3～5个频率的主要谐波实施综合补偿；

1.33对控制算法所得到的控制量进行基于三角载波的PWM调制，先行判断输出控制量幅值与三角载波幅值：

控制量幅值小于三角载波幅值，即输出在容量范围之内，进行三角波调制计算，获取脉宽数据；

控制量幅值高于三角载波幅值，将三角波幅值调整为输出控制量幅值的1.05～1.2倍后再行调制计算获取脉宽数据，保证调节器既按最大容量以控制所得的容量分配比例进行输出，又保证不会在调制过程中产生新的谐波。

2.根据权利要求1所述的混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法，其特征在于：控制算法是逆变器直流侧电压直接PI控制算法和基于广义积分的基波与谐波分频PI控制算法，其流程如下：

2.1检测电网电流，采用基于瞬时无功功率理论的检测方法，通过PARK变换经由低通滤波器获得有功电流的直流值，同时令无功电流直流值为零；

2.2将直流侧电压设定值与测量值的差值作为输入进行PI调节，所得输出与有功电流直流值叠加；

2.3将叠加值进行矩阵反变换获得基波有功电流，其负值与检测电网电流值相加得到需补偿的谐波与基波电流值，即控制目标值；

2.4上步获得的控制目标值通过广义积分进行基波与谐波分频PI控制，将所得的不同频率的值累加获得控制递增量；

2.5与前次控制目标值相加得到实际用于调制的控制量。

3.根据权利要求2所述混合型电能质量调节器的无功、负序和谐波的协调控制方法，其特征在于：基于广义积分的基波与谐波分频PI控制的算法采用增量迭代式，其控制量计算如下：

其中式中u_C(k)为输出的控制量，u_C(k-1)为前次输出的控制量，K_Pn为n次谐波的控制比例系数，K_In为n次谐波的控制积分系数，e(k)、e(k-1)、e(k-2)和e(k-3)分别为当前、前一次、前两次和前三次的控制误差，e_C(k)为控制误差变化值，u_In(k-1)和u_In(k-2)分别为n次谐波前一次和前两次的积分控制输出值，ω_S为基波角速度。