CN101924371B - 一种混合型电能质量治理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一种混合型电能质量治理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电能质量治理方法，尤其是一种应用于供配电系统的新型并联混合型有源和无源电能质量治理方法。
背景技术
[0002] 供配电系统电能质量的好坏直接关系到电力系统稳定、用电设备安全和是否经济用电。随着电力电子装置和敏感负荷的使用日益增加，电能质量问题已经成为国际供电界关注的首要技术问题，其主要体现在电压的波动、谐波、闪变等，以及电流中的无功、负序、 谐波分量的影响等。通过对电能质量的治理不仅可以抑制配电系统的电压波动和闪变等， 还可以提高设备生产率、降低线损和提高设备利用率，从而实现节能降耗的目的。为了解决这一问题，一系列的治理方法陆续出现，主要分为串联、并联或其混合型，其中并联型由于具有投切方便以及各种保护简单的优点，成为了众多公司研究的重点，包括TSCXThyristor Switched Capcitor,晶闸管投切电容器)、TCR (Thyristor Controlled Reactor,晶闸管控制电抗器)、APF (Active Power Filter,有源电力滤波器）、SVG (Static Var Generator, 静止无功发生器）及HAPF (Hybrid Active Power Filter,混合注入式有源电力滤波器)。 其中晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器是以半控器件晶闸管为开关器件，响应时间一般在1-2个工频周期，其中晶闸管投切电容器是分级补偿，有时兼顾某次谐波的部分补偿， 适合于负载波动小的场合；而晶闸管控制电抗器必须与晶闸管投切电容器或者FC (Fixed Capcitor，固定电容补偿）配合使用，具备无功连续可调，但其自身也是谐波源，滤波效果差；而有源电力滤波器和静止无功发生器是以全控器件IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管）或者 IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor, 集成门极换流晶闸管）为开关器件，响应时间远快于晶闸管投切电容器和晶闸管控制电抗器，但由于受全控器件的电压电流水平限制，高压大容量需要数十个器件的并联和串联，成本及控制复杂度高，可靠性较差，因此目前一般使用于低压小容量场合WHAPF由于与固定电容补偿器变量提高部分等效容量，但实际中不能动态调节无功功率输出。
[0003] 在现有技术当中与本专利申请相关的内容主要有以下几篇文献：
[0004] 文献一为由西安赛博电气有限责任公司于2009年6月26日申请，2009年11月 25日公开，公开号为CN101588069的中国发明专利申请公开文件，基于双向动态无功补偿装置的谐波和无功综合补偿系统具体介绍了一种利用了机械投切电容MSC (Mechanically Switched Capacitor，机械投切电容器）和静止无功发生器和有源电力滤波器组成的并联系统，如图I所示。这种方法是利用有源电力滤波器治理谐波，利用MSC来降低静止无功发生器的容量，比单独实用静止无功发生器相比，其容量可以降低一半。而且相对于图2所示的方式，采用静止无功发生器代替了晶闸管控制电抗器，这样减轻了有源电力滤波器的负担，因为晶闸管控制电抗器会带入谐波，而静止无功发生器不会。该系统主要是利用静止无功发生器能在感性和容性运行，而利用MSC提供容性，则可以提供更宽的容性运行空间。这种方式可以降低静止无功发生器的补偿容量的一半，但是对于实际所需的大容量时，静止无功发生器的容量还是要很大，成本高。而且图中这种单个机组很难实现高压和大容量，只适合于低压小容量系统。整个系统有源受器件电压水平的限制只适合于低压系统。而且由于MSC不能频繁投切，在空载情况下，静止无功发生器需额定运行，空载损耗大。
[0005] 文献二为由湖南大学于2007年12月19日申请，2008年5月21日公开，公开号为CN101183791的中国发明专利申请公开文件，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，具体介绍了一种利用晶闸管控制电抗器和HAPF相结合，而晶闸管控制电抗器与HAPF中的固定电容补偿器部分构成SVC (static var compensator,静止无功补偿器)进行无功补偿，而有源电力滤波器配合固定电容补偿器滤除谐波，如图3所示。 该系统和控制方法利用晶闸管控制电抗器配合HAPF中的固定电容补偿器进行无功治理， 而有源电力滤波器配合固定电容补偿器进行无功补偿。其中HAPF是不能动态补偿无功功率的，所以动态无功调节依赖晶闸管控制电抗器控制，而晶闸管控制电抗器的响应时间在 60〜100ms，这种速度对电压闪变的抑制效果差。而且这种HAPF方式构造复杂，不适合于高压系统。而且这种空载运行时，晶闸管控制电抗器运载在额定电流，空载损耗高。
[0006] 文献三为由湖南大学于2007年12月19日申请，2008年12月10日授权公告，公告号为CN201163721Y的中国实用新型专利，基于静止无功补偿器和混合注入式有源滤波器的联合运行装置，具体公开了一种利用晶闸管控制电抗器+晶闸管投切电容器型静止无功补偿器和HAPF相结合，而静止无功补偿器与HAPF中的固定电容补偿器部分构成大容量的静止无功补偿器进行无功补偿，而有源电力滤波器配合固定电容补偿器滤除谐波的无功补偿装置，如图4所示。该装置在在专利CN101183791的基础上加入了一组晶闸管投切电容器，这样使得无功补偿的范围增大，同时降低了晶闸管控制电抗器的容量，降低部分空载损耗。但是由于还是利用晶闸管控制电抗器控制无功，对闪变的抑制效果差。而且由于晶闸管控制电抗器必须与HAPF中的固定电容补偿器匹配，所以还是存在较大的空载损耗。
[0007] 文献四为由荣飞，罗安，范卿发表在2010年第三期《电工技术学报》上的论文《应用于不平衡系统的STATC0M电压控制新方法》主要公开了一种补偿系统的电压控制方法，在静止无功发生器STATCOM (Static Synchronous Compensator,静止同步补偿器)在稳定接入点电压时，常采用双环控制法，但该方法存在多个PI调节器，难以实现，同时也没有考虑电网电压三相不平衡的问题。本文采用瞬时功率平衡原理，将参考电流信号直接变换为参考电压信号，省去了传统双环控制中的电流内环PI调节器，同时引入负序电压前馈环节以维持接入点电压保持三相平衡，并推导了负序电压情况下逆变器输出电压和输出电流之间的代数关系式。考虑到瞬时功率平衡原理需要STATCOM的等效电阻和等效电感值，而这两个参数值一般难以精确测量，为此根据反馈信息不断修正这两个参数的测量值。该方法利用了瞬时功率平衡直接代替传统的双闭环控制，然后再对反馈信息不断修正这等效电阻和等效电感测量值。这样由于要修正，就有滞后，影响控制的精度，而且鲁棒性不好。
[0008] 文献五为由茅靖峰，孙玉坤，吴爱华，孙运全发表在2007年10期《系统仿真学报》上的论文《静止同步补偿器装置建模、控制与仿真研究》主要介绍了静止同步补偿器 (STATCOM)的结构和原理。利用输入输出建模方法和能量方程，建立STATCOM装置时域数学模型和稳态数学模型。根据数学模型，给出了两种STATCOM无功电流控制策略。使用 Matlab/Simulink平台实现了 STATCOM控制系统的建模。仿真结果验证了数学模型的正确性和控制策略的有效性。该方法利用的传统的双闭环控制，这种控制方式对多个PI调节时的复杂度高。
[0009] 因此，为了满足电能质量改善和电气节能的迫切需求，研究一种大容量既能对电压闪变、功率因数、三相不平衡等进行补偿，又能对谐波进行有效抑制的低成本综合补偿装置有着较大的实用意义和市场推广价值。
发明内容
[0010] 本发明实施方式提供一种混合型电能质量治理方法，该发明实施方式具有较大的补偿容量，既能对电压闪变、功率因数、三相不平衡等进行补偿，又能对谐波进行有效抑制的低成本综合补偿。
[0011] 本发明提供一种混合型电能质量治理方法的具体实施方式，一种混合型电能质量治理方法，包括：有源部分治理和无源部分治理，
[0012] 在有源部分，将至少两组的静止无功发生器和至少两组的有源电力滤波器通过变压器隔离方式连接在三相电网上，其中静止无功发生器只补偿无功电流，有源电力滤波器补偿谐波电流，在电压跌落严重时有源电力滤波器也可作为无功发生器以弥补静止无功发生器容量的不足；
[0013] 在无源部分中，将由晶闸管控制电抗器与晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器、 固定电容补偿器组合成大容量直挂式的静止无功补偿器直接连接到三相电网进行无功补偿，通过晶闸管投切电容器提供大容量容性无功功率，通过固定电容补偿器提供小容量无功功率，由固定电容补偿器兼做晶闸管控制电抗器的主要次谐波滤波支路。
[0014] 作为本发明进一步的实施方式，根据实际补偿的需要选择合适的变压器变比、以及静止无功发生器和有源电力滤波器中的变流器重数，降低所需功率器件的电压和电流等级；静止无功发生器和有源电力滤波器采用开关频率较高的小功率开关器件，并通过载波移相提闻等效开关频率。
[0015] 作为本发明进一步的实施方式，静止无功补偿器是通过采集有源补偿连接后点的电压电流信号，对此点无功电流和负序电流为零为控制目标，这是对负载无功电流的闭环控制；
[0016] 有源部分中的有源电力滤波器根据无源补偿晶闸管控制电抗器连接前点采集的谐波电流，与静止无功补偿器中的固定电容补偿、晶闸管投切电容器进行配合分频抑制谐波，滤除负载及晶闸管控制电抗器的谐波，同时抑制固定电容补偿器、晶闸管投切电容器与电源支路造成的并联谐振，提闻系统的稳定性；
[0017] 有源部分中的静止无功发生器以变压器出线点的电压为控制目标，通过改变对电网注入的无功电流来实现对暂态电压进行控制，抑制闪变。
[0018] 作为本发明进一步的实施方式，静止无功补偿器的容量为测量负载在无补偿时的平均无功功率，静止无功发生器的容量根据负载波动无功功率的95%概率最大值减去平均无功功率得出。
[0019] 作为本发明进一步的实施方式，混合型电能质量治理方法包括：
[0020] 静止无功补偿器控制过程：通过输入电压
«P«和电流iB进行有源补偿连接后点的分相无功功率计算，输出计算结果经过比例积分控
制，生成晶闸管投切电容器投切控制信号，根据晶闸管控制电抗器需发的无功，计算各相晶闸管的控制角信号，生成晶闸管控制电抗器的分相控制信号；
[0021] 有源电力滤波器控制过程：根据《W电压有效值偏离目标电压的程度，若电压偏
离度大于15%则直接发出满额无功功率来支撑电压，以弥补静止无功发生器容量的不足； 若电压偏离度不大于15%时，则结合当前在运行的固定电容补偿器和晶闸管投切电容器来确定需补偿的目标谐波，与固定电容补偿器和晶闸管投切电容器进行分频来抑制谐波，消除耦合，将计算得到的目标谐波和已经发出的谐波进行PI控制，按照有源电力滤波器中的变流器重数进行分配，同时对直流侧电压进行PI控制，确定参考电压，并与固定的三角波比较产生脉冲触发有源电力滤波器中的各重模块；
[0022] 静止无功发生器控制过程：基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块根据自适应模糊控制器和无功电流直接计算模块的输出信号，得到静止无功发生器的控制信号。
[0023] 作为本发明进一步的实施方式，混合型电能质量治理方法包括基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环电压控制过程，具体包括以下步骤：
[0024] (I)检测k时刻直流侧电压I，经过一个截止频率为130HZ低通滤波后，与目标电压~<比较后经过一个PI调节并限幅后得到有功电流过程变量& ;同时检测k时刻电压源逆变器的输出电流〖C ,对其进行dq变换后并各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流匕和基波无功电流4 ;将&和的差进行PI调节并限幅后得到k+1 时刻要发出的目标有功电流；
[0025] (2)通过检测k时刻电网相电压％ ,与根据目标电压及锁相得到的目标电压瞬时值《W比较，比较后经过自适应模糊控制器调节并限幅后得到无功电流过程变量％ ;同时检测k时刻电压源逆变器输出基波无功电流&，将^和^的差进行PI调节并限幅后得到 k+Ι时刻要发出的目标无功电流W ；
[0026] (3)将目标有功电流和目标无功电流彳Pjf通过连接等效电抗巧f和等效电阻
&，根据式（I)进行电流到电压的转换，其中*^为等效电抗值，f/取经验值为等飞电抗值
的20%，选择同步旋转坐标系的d轴与接入点电压矢量重合，并设电压矢量的模力《 ；
[0027]
[0028] (4)将得到的dq坐标下的电压变量力和骜经过dq反变换得到各相电压的参考信
号，与三角波比较后得到各重模块的各相触发信号，对于N重模块，将经过自适应模糊
控制得到的无功电流过程变I *2进行N均分，同时将对应的三角波进行180° /N移相即可得到各自的触发脉冲。
[0029] 作为本发明进一步的实施方式，模糊控制过程包括以下步骤：[0030] (I)通过采集k时刻母线电圧4并与目标电压比较得到电压差AF(0，并结合上一时刻的电压差得到电压差的变化率将电压差iiF®和电压差的变化率
ίφι»这两个变量作为模糊控制器的输入变量，输出量为目标无功电流的改变量4%^的；
[0031] (2)模糊控制器根据k时刻的输入变量，依据Mamdani模糊推理方法和中心面积解模糊方法，得到k时刻补偿的目标无功电流的改变量A ;
[0032] (3)神经网络预测器根据k、k-1、k-2时刻的电压差八他&V{t I)、AV(卜2) 和实际的输出无功电流量2)预测出k+i时刻的母线电压差
AF(i+])，从而对模糊控制器的规则系数进行调节，使得模糊控制器能输出K+1时刻所需的目标无功电流的改变量,以及时补偿，减少第K+1时刻实际的电压差，其
中神经网络预测器的训练数据根据模糊控制器中不加神经网络预测所得的数据。
[0033] 作为本发明进一步的实施方式，混合型电能质量治理方法包括基于瞬时无功电流 PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制过程，包括以下步骤：
[0034] (I)检测k时刻直流侧电压，经过一个截止频率为130HZ低通滤波后，与目标电压《4_比较后经过一个Pi调节并限幅后得到有功电流的过程变量％ ;同时检测k时刻电压源逆变器输出电流,对其进行dq变换后并各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流匕和基波无功电流~将&和4的差进行PI调节并限幅后，得到 k+Ι时刻要发出的目标有功电流；
[0035] (2)通过对电网电压的检测进行锁相得到相应的sinntf和0*51** ,并检测k时刻电网电流^ V 进行坐标变换，即从abc坐标变换到dq坐标，得到有功电流> 和无功电流 t，并各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流h和无功电流k ，对基波无功电流h进行PI调节并限幅后得到无功电流过程变量&同时检测k时刻电压源逆变器输出的基波无功电流&，将％和4的差进行PI调节并限幅后，得到k+Ι时刻要发出的目标无功电流》W ；
[0036] (3)将目标有功电流^和目标无功电流^通过连接等效电抗&和等效电阻
A，根据式（2)进行电流到电压的转换，其中％为等效电抗值，1/取经验值为等效电抗值
的20%，选择同步旋转坐标系的d轴与接入点电压矢量重合，并设电压矢量的模为u ；
[0037]
[0038] (4)将得到的dq坐标下的电压变量％和S1ff经过dq反变换得到各相电压的参考信号〜，与三角波比较后得到各重模块的各相触发信号；对于N重模块，将经过自适应模糊
控制得到的无功电流过程变量^进行N均分，同时将对应的三角波进行180° /N移相后得到各自的触发脉冲。
[0039] 作为本发明进一步的实施方式，混合型电能质量治理方法包括窄脉冲消除过程包括以下步骤：
[0040] 利用各重模块中各个IGBT模块的触发脉冲翻转信号作为窄脉冲消除模块的上锁信号，而解锁信号则为载波的波峰和波谷，当调制波与载波在交点比较发生翻转完成后，立即上锁，在解锁之前禁止PWM信号发生翻转，杜绝触发脉冲信号在交点处的多次翻转，消除窄脉冲。
[0041] 作为本发明进一步的实施方式，混合型电能质量治理方法包括开关器件频率变换过程，包括以下步骤：
[0042] 根据静止无功发生器要发出的无功功率改变开关器件的频率，静止无功发生器要发出的无功功率根据上个工频周期进行估算得出，根据下个周期静止无功发生器需要发出的无功功率来改变下个工频周期开关器件的频率值，并改变允许静止无功发生器发出无功电流的峰值，以保护开关器件不过流和过压，其中开关器件频率的变换是以同步电压为基准、每周期改变载波的频率来实现。
[0043] 通过应用本发明实施方式所描述的一种混合型电能质量治理方法，利用静止无功补偿器的大容量主要补偿稳态时负载所需无功功率，并进行三相不平衡补偿，而利用静止无功发生器/有源电力滤波器较小容量的快速性对补偿中的动态无功或者电压做出快速反应，以抑制电压波动和闪变，同时利用其有源电力滤波器部分配合静止无功补偿器中的固定电容补偿器进行谐波治理，能够起到协调利用小容量有源和大容量无源实现低成本的大容量电能质量补偿的作用。
附图说明
[0044] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045] 图I为现有技术基于双向动态无功补偿装置的谐波和无功综合补偿系统的电气原理图；
[0046] 图2为现有技术基于有源电力滤波器与晶闸管控制电抗器及与MSC组成的混合系统的电气原理图；
[0047] 图3为现有技术静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统的电气原理图；
[0048] 图4为现有技术基于静止无功补偿器和混合注入式有源滤波器的联合运行装置的电气原理图；
[0049] 图5为本发明一种混合型电能质量治理方法的拓扑结构电气原理图；
[0050] 图6为本发明一种混合型电能质量治理方法的单相等效模型电路原理图；
[0051] 图7为本发明一种混合型电能质量治理方法的控制原理框图；[0052] 图8为本发明一种混合型电能质量治理方法的基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的双闭环电压控制原理框图；
[0053] 图9为本发明一种混合型电能质量治理方法的电压自适应模糊控制器结构原理框图；
[0054] 图10为本发明一种混合型电能质量治理方法的基于瞬时无功电流PI控制和瞬时功率平衡的双闭环控制原理框图；
[0055]
图11为本发明一种混合型电能质量治理方法载波上升沿处窄脉冲的波形示意
[0056] 图12为本发明一种混合型电能质量治理方法载波下降沿处窄脉冲的波形示意图；
[0057] 图13为本发明一种混合型电能质量治理方法解锁机制的波形示意图；
[0058] 图14为本发明一种混合型电能质量治理方法未采用上锁机制的波形示意图；
[0059] 图15为本发明一种混合型电能质量治理方法采用上锁机制的波形示意图；
[0060] 其中，I-B点分相无功功率计算模块，2-比例积分模块一，3-晶闸管投切电容器投切控制模块，4-各相控制角计算模块，5-无功谐波补偿判断模块，6-目标谐波检测模块， 7-谐波及直流电压PI调节模块，8-自适应模糊控制器，9-无功电流直接计算模块，10-基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块，11-限幅模块组一，12-PI调节模块组一，13-限幅模块组二，14-PWM模块，15-电压源逆变器，16-坐标变换模块二，17-模糊控制器，18-神经网络预测器，19-坐标变换模块一，20-低通滤波器组一，21-PI控制器一，22-锁相模块，23-正弦余弦转换模块。
具体实施方式
[0061] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0062] 作为本发明一种混合型电能质量治理装置的具体实施方式，如图5所示的拓扑结构电气原理图具体公开了混合型电能质量治理装置的电路拓扑结构。考虑到闪变治理需要补偿装置的系统响应时间在一个工频周期内，结合目前技术的成熟度和性价比，采用了一种由变压器耦合式多重化静止无功发生器/有源电力滤波器和直挂式静止无功补偿器相结合的新型并联混合有源和无源电能质量补偿装置（parallel mixed active and passive power quality compensator-PMAPPQC),其利用后者的大容量主要补偿稳态时负载所需无功功率，并进行三相不平衡补偿，而利用前者的较小容量的快速性对补偿中的动态无功或者电压做出快速反应，以抑制电压波动和闪变，同时利用其有源电力滤波器部分配合静止无功补偿器中的固定电容补偿器进行谐波治理，协调利用小容量有源和大容量无源实现低成本的大容量的电能质量补偿。下面结合所述方案对控制及工程应用中的实际问题处理方法进行描述。
[0063] 本发明的具体实施方式是由静止无功补偿器、变压器隔离型多重化静止无功发生器和有源电力滤波器组成，由于静止无功补偿器不受电压等级限制，而静止无功发生器、有源电力滤波器有变压器隔离，可以适用于各种电压等级的系统。同时静止无功补偿器中包括晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器和固定电容补偿器，其中晶闸管投切电容器提供大容量容性无功功率，而固定电容补偿器提供小容量无功功率并兼做晶闸管控制电抗器的主要次谐波滤波支路。这样使得在空载时，晶闸管控制电抗器只需要和小容量的固定电容补偿器互相补偿，其运行损耗和空载损耗少，而且利用固定电容补偿器滤除部分谐波，减轻了有源电力滤波器的谐波滤除功能。整个静止无功补偿器利用控制晶闸管控制电抗器实现负序的治理。而静止无功发生器主要是补偿静止无功补偿器补偿后的无功的不足，即静止无功补偿器提供稳态无功功率，而静止无功发生器提供暂态无功功率，这样所需的静止无功发生器的容量较少。而随着负荷的增大，静止无功发生器采用的是多重化并联的方式，既可以成倍提高容量还可以提高等效开关频率。同样有源电力滤波器也可以通过多重化扩大补偿容量。而静止无功发生器在无功补偿量较少时可以改变开关频率，实现部分有源电力滤波器的功能改善谐波。
[0064] 如图5所示，PMAPPQC主要分为基于全控器件的有源和基于半控或不控的无源两个部分。无源部分的加入主要是为了减少有源部分的容量，节约了成本，两者通过协同控制达到单独使用大容量有源补偿同样的效果。其中有源部分采用了变压器隔离多重化技术， 由于开关器件、连接电抗等不同，将其分解为多重化静止无功发生器和多重化有源电力滤波器，其中静止无功发生器只补偿无功电流，有源电力滤波器补偿谐波电流，而在电压跌落严重时有源电力滤波器也可作为无功发生器以弥补静止无功发生器容量的不足。两者都采用多重化技术使得只需根据实际补偿的需要选择合适的耦合变压器变比和变流器重数，可达到降低所需功率器件的电压和电流等级，这就避开了为实现大容量采取功率器件串并联方式带来的众多问题；并且采用开关频率较高的小功率器件，价格便宜同时使得装置控制精度高，反应迅速，并通过载波移相提高等效开关频率；另外，由于各个逆变模块并没有直接的电气联系，在冗余情况下，若有模块因故障被切除，其他模块通过调控能迅速自动弥补差异，装置可降额工作。在无源部分中，其中的晶闸管控制电抗器与晶闸管投切电容器、固定电容补偿器组合成大容量的直挂式静止无功补偿器进行无功补偿，并通过对晶闸管控制电抗器的三相不对称控制，对三相不对称进行补偿。其中加入晶闸管投切电容器是为了减少晶闸管控制电抗器的容量，同时与固定电容补偿器兼做某些次谐波的滤波支路，在实际应用中可根据实际需要，分成多组或者选用其中一部分。
[0065] 在控制中，A点为变压器出线点出点为有源补偿连接后点；C点为无源补偿晶闸管控制电抗器连接前点，静止无功补偿器是通过采集图5中B点的电压电流信号，对此点无功电流和负序电流为零为控制目标，这是对负载无功电流的闭环控制。而有源部分中的有源电力滤波器是根据采集的C点的谐波电流，并与静止无功补偿器中的固定电容补偿器、晶闸管投切电容器进行配合分频抑制谐波，选中C点谐波电流为目标是为了滤除负载及晶闸管控制电抗器的谐波，同时抑制固定电容补偿器、晶闸管投切电容器支路与电源支路造成的并联谐振，提高系统的稳定性。而有源部分中的静止无功发生器是以A点的电压为控制目标，通过改变对电网注入的无功电流来实现对暂态电压进行控制，抑制闪变。
[0066] 由于负载产生的电流型谐波源可视为一个理想的谐波电流源与一个很大的谐波阻抗的并联电路，而晶闸管控制电抗器通过数学分析可等效成由一个非线性可变阻抗和一个谐波电流源两部分组成，根据图6的PMAPPQC单相等效模型所示。其中义为系统电源电压，忑、毛、zJt分别为电网阻抗、非线性负载的阻抗、固定电容补偿器支路阻抗、
晶闸管投切电容器支路阻抗及晶闸管控制电抗器等效的可变阻抗。为负载产生的谐波
电流源，U为晶闸管控制电抗器的谐波电流源，而有源补偿部分被假设为一个理想的受控
电流源匕，其他电气量的定义如图所示，只是利用和/分别表示相应量的谐波分量和基波分量。
[0067] 由图6可知，当只考虑基波电流时，则只需要通过该变晶闸管控制电抗器的控制角则可改变其电流W以控制B点的无功电流，即可以消除负载电流七中的无功及负序电
流；而通过控制4中的无功电流^•分量即可将静止无功补偿器补偿后的所剩的无功电流，
使得母线电流4不含无功电流。而当只考虑谐波时，只需要^中的谐波电流h分量使其滤除C点中的部分谐波电流，即不含有在运行的固定电容补偿器和晶闸管投切电容器已经调谐的特征次谐波匕，使得C点处除含有iA外无其他谐波，而‘将被&和iU所滤除，使得
母线电流&不含谐波电流。其中，&指的就是固定电容补偿器和晶闸管投切电容器将滤除
的谐波，即= ^ + La，这样，有源电力滤波器和固定电容补偿器、晶闸管投切电容器就不会滤除相同次的谐波，防止耦合。
[0068] 由于系统中的稳态无功功率由静止无功补偿器补偿，而静止无功发生器只补偿弥补电压暂态过程中所需的无功功率。因此，静止无功补偿器的容量为测量负载在无补偿时的平均无功功率，而静止无功发生器的容量根据负载波动无功功率的95%概率最大值减去平均无功功率。这是以目标无功补偿率为95%进行计算的，结合静止无功发生器的响应时间为5ms，整个系统的闪变改善率将接近80%。为了减少静止无功发生器的容量，也可根据实际所需的闪变改善率来确定其容量。
[0069] 在图6中，设B、C点的电压为b，由于PMAPPQC各个部分的功能不一样，因此其控
制也自然的分为静止无功补偿器、有源电力滤波器和静止无功发生器三部分，如图7所示。 其中，静止无功补偿器控制模块包括B点分相无功功率计算模块1，比例积分模块一 2，晶闸
管投切电容器投切控制模块3，各相控制角计算模块4，电压&和电流iB输入B点分相无
功功率计算模块1，经过比例积分模块一 2和晶闸管投切电容器投切控制模块3，得到晶闸管投切电容器投切控制信号，并根据晶闸管控制电抗器需发的无功，进入各相控制角计算模块4，得出晶闸管控制电抗器的分相控制信号；有源电力滤波器控制模块包括无功谐波
补偿判断模块5，目标谐波检测模块6，谐波及直流电压PI调节模块7，电压«和电流&输
入无功谐波补偿判断模块5，无功谐波补偿判断模块5计算出需补偿的目标谐波，输出通过计算得到的目标谐波，并和已经发出的谐波输入谐波及直流电压PI调节模块7进行比例积分控制，确定参考电压，并与固定的三角波比较产生脉冲触发有源电力滤波器中的各重模块；静止无功发生器控制模块包括自适应模糊控制器8、无功电流直接计算模块9和基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块10，基于瞬时功率平衡双闭环PI控制模块10根据自适应模糊控制器8和无功电流直接计算模块9的输出信号，得到静止无功发生器的控制信号。[0070] 其具体控制过程如下：静止无功补偿器装置对B点的无功功率进行PI控制，并采用对晶闸管控制电抗器的分相控制及对晶闸管投切电容器的投切控制。而有源电力滤波器
首先根据》V*电压有效值偏离目标电压的程度，若电压偏离度大于15%则直接发出满额无
功功率来乂ϊ羊电压，以弥补静止无功发生器容量的不足；若电压偏离度不大于15%时，则结合目前在运行的固定电容补偿器和晶闸管投切电容器的来确定需补偿的目标谐波，与固定电容补偿器和晶闸管投切电容器进行分频来抑制谐波，消除耦合。将计算得到的目标谐波和已经发出的谐波进行PI控制，并按照有源电力滤波器中并联的变流器重数进行分配，同时需对其直流侧电压进行PI控制，确定参考电压，并与固定的三角波比较产生脉冲触发有源电力滤波器中的各重模块。对于静止无功发生器来说则直接以A点电压为控制目标，或以A点电流的无功分量为控制目标，为提高其响应速度和系统稳定性，应用了基于自适应模糊控制及基于瞬时功率平衡的双闭环电压控制策略和基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡双闭环控制策略。
[0071] 为了利用静止无功发生器稳定接入点电压，最常见的控制方法是双闭环法，这种控制方法的鲁棒性好，其不足之处是必须设计4个PI调节器，并且利用PI控制进行有功和无功电流的解耦控制，实际应用时参数难确定。文献四《应用于不平衡系统的STATCOM电压控制新方法》从瞬时功率平衡原理出发，推导了逆变器输出电流到输出电压的变换关系式，从而省去了双闭环中的电流内环PI调节器，但该方法需要知道静止无功发生器装置的等效电阻和电感值，而这两个参数一般难以精确测量，需要在线修正。此外，没有电流内环控制，导致没有考虑逆变器死区等对直流侧充电等影响，使得直流侧的电压波动大，同时对无功电流的控制精度低。本发明的具体实施方式综合了这两种方法的优势，利用基于瞬时功率平衡较容易的实现了有功和无功电流的解耦和电流到电压的转换，减少了单独使用双闭环设计的复杂度。同时利用电压内环和电流内环组成的双闭环可以弥补等效电阻和等效电感值不精确的缺陷，如图3所示。同时考虑由于直流电容是一个相对稳定的控制对象，普通的PI控制器能满足要求，而电网电压受电网、负载、补偿等多种制约，通常的PI调节的控制参数是通过试验，并折衷暂态和稳态过程以达到一种较满意的效果，这显然会影响其在大扰动或小扰动下的控制效果。而自适应模糊控制是智能控制的一种，其在不需要知晓系统信息和其数序模型而在较宽的系统运行条件下进行有效控制，增加了系统的鲁棒性。因此，本发明具体实施方式采用了基于自适应模糊控制的电网电压控制，其与直流侧电压PI 控制组成双闭环系统中的电压外环控制。如图7和图8所示，混合型电能质量治理装置包括：基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环电压控制模块，基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环电压控制模块包括电流内环、电压外环和基于瞬时功率平衡流压转化模块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块22和正弦余弦转换模块23进入电流内环，包括一路来自自适应模糊控制器8的输出信号在内的来自电压外环的两路输出信号经过限幅模块组一 11，分别与来自电流内环的两路输出信号进行差值运算，输出差值经过PI调节模块组一 12和限幅模块组二 13后，进入基于瞬时功率平衡流压转化模块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算将信号输出至坐标转换模块二 16。
[0072] 具体控制过程如下：[0073] (I)通过检测k时刻直流侧电压，经过一个截止频率为130HZ低通滤波后，与目标电压比较后经过一个PI调节并限幅后得到有功电流过程变量& ;同时检测k时刻VSI (Voltage Source Inverter,电压源逆变器）输出电流k ,对其进行dq变换后并各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流匕和基波无功电流&将％和
的差进行PI调节并限幅后得到k+i时刻要发出的目标有功电流；
[0074] (2)通过检测k时刻电网相电压&，与根据目标电压及锁相得到的目标电压瞬时值"^比较，比较后经过自适应模糊控制器调节并限幅后得到无功电流过程变量b ;同时检测k时刻电压源逆变器输出基波无功电流将％和&的差进行PI调节并限幅后得到 k+Ι时刻要发出的目标无功电流^ ；
[0075] (3)将目标有功电流^和目标无功电流^通过连接等效电抗《V和等效电阻
根据式（I)进行电流到电压的转换，其中『V为等效电抗值，而峪不好测量，取经验值为等效电抗值的20%。选择同步旋转坐标系的d轴与接入点电压矢量重合，并设电压矢量的模为ϋ。值得注意的是^在实际应用时不一定要为真实值，但需要改变PI的系数进行
修正；
[0076]
[0077] (4)将得到的dq坐标下的电压变量％和气经过dq反变换得到各相电压的参考信
号％，与三角波比较后得到各重模块的各相触发信号。对于N重模块，只要将经过自适应
模糊控制得到的无功电流过程变量进行N均分，同时将对应的三角波进行180° /N移相并可得到各自的触发脉冲。
[0078] 自适应模糊控制器8具体包括模糊控制器17和神经网络预测器18，模糊控制器 17的输入为母线电压4与目标电压之差AF(i)和,输出为目标无功电流的改变量A
，神经网络预测器18根据k、k-1、k-2时刻的电压差AK象龟海發-勿和实际
的输出无功电流量WH)' WSf—為预测出k+1时刻的母线电压差从而
对模糊控制器17的规则系数进行调节。当静止无功发生器以稳定接入点电压为控制目标
时，以接入点电压的差AF(i)和电压差的倒数，为输入量进行模糊控制，而由神经网络
模型预测下时刻的电压差APCi+IH周节相应的模糊规则，以提高控制器的跟踪速度和鲁棒
性。其中神经网络模型通过采集2)和^孙1> ^ ¾,
并利用三层BP (Back Propagation,反向传播）网络训练确定相应系数。如图9所示,其中表示延时一个采样时间，而^(ί)为输出的无功电流。具体控制流程为：
[0079] ( I)通过采集k时刻母线电压^，并与目标电压比较得到电压差AFCO ,并结合上一时刻的电压差άΙΓ(ί-Ι)得到电压差的变化率,将电压差AF(I)和电压差的变化率丨这两个变量作为模糊控制器17的输入变量，输出量为目标无功电流的改变量ά
[0080] (2)模糊控制器17根据k时刻的输入变量，由相应的模糊规则，可得到k时刻补偿的目标无功电流的改变量Δ ，其中采用Mamdani模糊推理方法进行推理，解模糊方法采用中心面积法；
[0081] (3)神经网络预测器18根据k、k-l、k_2时刻的电压差AF(i)、&V{t- I)、AV(卜2)
和实际的输出无功电流量bVO' ^ι(ί- 1> 2)预测出k+1时刻的母线电压差
AF(i+1)，从而对模糊控制器17的规则系数进行调节，使得模糊控制器17能输出k+Ι时刻
所需的无功电流的差值，即目标无功电流的改变量,以及时补偿，减少第k+Ι时刻的
实际母线电压差Λ^ί+Ι)。其中神经网络预测器的训练数据根据模糊控制器17中不加神经网络预测所得的数据。
[0082] 静止无功发生器有时是为了控制接入点的电压平稳，但由于静止无功发生器容量的限制，线路上由于有功电流导致的电压跌落或者过大的无功冲击导致的电压波动，这些静止无功发生器都不能去抑制。而且有些场合主要是考虑功率因数，因此静止无功发生器有些场合是以接入点功率因数为控制目标，即控制接入点的无功电流。例如图7中的A点的无功电流最小，则通过采集A点的电流，利用瞬时无功理论进行有功和无功电流的分解得到其无功电流。因为静止无功发生器接入点在A点后，A点的电流中包括了静止无功发生器发出的电流，因此对A点无功电流的控制自然形成了一个闭环，通过对A点无功电流的 PI调节得到静止无功发生器要发出的目标无功电流量，再结合基于瞬时功率平衡的双闭环控制策略，如下述基于自适应模糊控制和瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环电压控制方法中所述进行对无功电流的双闭环控制，如图10所示。混合型电能质量治理装置包括： 基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制模块，基于瞬时无功电流PI控制的瞬时功率平衡的双闭环控制模块包括电流内环、电压外环和基于瞬时功率平衡流压转化模块，输出电流i。反馈至电流内环，a相电压ea通过锁相模块22和正弦余弦转换模块23 后一路进入电流内环，另一路与电流ia,ib,i。进入坐标变换模块一 19，经过低通滤波器组一 20和PI控制器一 21后，与来自电压外环的另一路输出信号经过限幅模块组一 11，分别与来自电流内环的两路输出信号进行差值运算，输出差值经过PI调节模块组一 12和限幅模块组二 13后，进入基于瞬时功率平衡流压转化模块，基于瞬时功率平衡流压转化模块经过计算输出信号至坐标转换模块二 16。
[0083] 其具体控制过程如下：
[0084] (I)通过检测k时刻直流侧电压，经过一个截止频率为130ΗΖ低通滤波后，与目标电压比较后经过一个PI调节并限幅后得到有功电流的过程变量& ;同时检测k 时刻电压源逆变器输出电流t ,对其进行dq变换后并各自经过一个截止频率为25HZ的低通滤波后得到基波有功电流匕和基波无功电流&，将&和^的差进行PI调节并限幅后，得到k+Ι时刻要发出的目标有功电流；
[0085] (2)通过对电网电压的检测进行锁相得到相应的dnwfcoosiitf ,并检测k时刻电网电流L Ir 4进行坐标变换，即从abc坐标变换到dq坐标，得到有功电流‘和无功电流 ，并各自经过一个截止频率为25ΗΖ的低通滤波后得到基波有功电流h和基波无功电流 h。对基波无功电流h进行PI调节并限幅后得到无功电流过程变量％ ;同时检测k时刻电压源逆变器输出的基波无功电流和&的差进行PI调节并限幅后，得到k+1时刻要发出的目标无功电流W ;
[0086] (3)将目标有功电流和目标无功电流彳_通过连接等效电抗和等效电阻
根据式（2)进行电流到电压的转换，其中％为等效电抗值，而七不好测量，取经验值
为等效电抗值的20%。选择同步旋转坐标系的d轴与接入点电压矢量重合，并设电压矢量的模为H ;
[0087]
[0088] (4)将得到的dq坐标下的电压变量％和~经过dq反变换得到各相电压的参考信号《V，与三角波比较后得到各重模块的各相触发信号。对于N重模块，只要将经过自适应模糊控制得到的无功电流过程变量Iff进行N均分，同时将对应的三角波进行180° /N移相后得到各自的触发脉冲。
[0089] 本发明具体实施方式所采用的“瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环控制”结合瞬时功率平衡直接控制和传统双闭环控制的优势。这种方式由于利用了电流反馈环节，使得系统对等效电阻和等效电感这两个值的敏感度降低，即加入电流内环PI (Proportional-Integral,比例积分）调节使得整个系统的鲁棒性增强。而相对传统双闭环PI控制，由于不需要利用双PI调节去对有功和无功电流的解耦合和实现电流到电压的转换，而是改为由利用等效电阻和等效电感加入计算直接把参考电流转换成参考电压，计算简单，容易实现，而且使得整个系统的PI参数容易得到。
[0090] 混合型电能质量治理装置进一步包括：PWM模块14，PWM模块14为正弦脉宽调制
模块，坐标转换模块二 16输出信号％，与三角波经过PWM模块14比较后，得到静止无功发
生器各相模块的触发信号，输出至电压源逆变器15形成补偿电流，补偿负载电能质量。而一个模块内通常包括a相、b相、c相三相共3个IGBT单桥。在调制波与载波进行调制的方式上使用了 SPWM(Sinusoidal PWM，正弦脉宽调制)比较生成法，而常见的SPWM比较生成方式有计算法以及自然采样法。在本发明的具体实施方式中采用的是DSP (Digital Signal Processing,数字信号处理)计算调制波，由 FPGA (Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)调制生成SPWM的系统结构。由于FPGA具有运行频率高、可多个模块并行运算的优势，本发明的具体实施方式采用了自然采样这种最简单便捷的调制方式。
[0091] 但是在FPGA中采用自然比较法时，因为调制波与载波信号均为数字信号，所以在比较时存在在交点处发生多次比较的可能，如图11和图12所示。当调制波在与载波信号相交的地方发生更新，则必然会出现SPWM的多次翻转，从而产生危害极大的窄脉冲。如果窄脉冲过短便会造成器件未完全关断变重新开启或者是未完全开启便关断，威胁器件安全工作和系统正常运行。针对这种情况本发明具体实施方式采用了一种新型的自然比较机制， 能够有效的剔除窄脉冲。
[0092] 鉴于上述提到的窄脉冲是调制波与载波的多次比较造成的，因而本发明实施方式设计了一个如下图13所示的脉冲翻转锁定机制和相应的窄脉冲消除模块。这个窄脉冲消除模块锁机制的上锁信号为PWM (Pulse-width modulation,脉宽调制）的翻转信号,而解锁信号则为载波的波峰跟波谷。当调制波与载波在交点比较发生翻转完成后，立即上锁，在解锁之前禁止PWM信号发生翻转。从而杜绝了 PWM在交点处的多次翻转，消除了窄脉冲。
[0093] 采用这种上锁机制后，窄脉冲得到了明显消除，图14和图15分别为采用上锁机制前的波形对比。上锁前，由于窄脉冲的存在，造成线电压PWM输出在本该为正向脉冲处出现负向脉冲，或者在本应为负向脉冲位置出现正向脉冲。在图14中可以明显观察到这个现象，图15中在采用上锁机制后有效的防止了这种情况的出现。
[0094] 在无功功率补偿方面，静止无功发生器用来弥补静止无功补偿器补偿后与目标需要补偿的无功的差，因此绝大多数时刻没有在满负荷运行。特别有些时候只有少量无功功率需要补偿，但有较多的谐波。因此此时静止无功发生器可以提高开关频率，补偿小量无功的同时滤除系统谐波。其中谐波通过常规的ip - i,进行求取，并对其调节后得到的谐波电
压分量叠加到图9和图11中的《^中即可。但由于开关器件受散热等限制，开关频率越高
允许通过的电流越少，为了在发出不同无功电流和谐波电流之间转换需要改变开关器件的频率。频率的改变多少主要取决于其要发出的无功功率，而静止无功发生器要发出的无功功率可由上个工频周期估算得知，因此可根据下个周期静止无功发生器需要发出的无功功率来改变下个周期器件的开关频率值，并改变允许静止无功发生器发出无功电流的峰值， 以保护器件不过流和过压。其中开关器件频率的变换是以同步电压为基准每周期改变载波 (三角波）的频率来实现。而频率根据器件本身特点和需要的容量进行决定，可根据器件及其关断过电压情况制定相应规则。如当使用SIIP2403GB172模块时，假设其需要补偿的无
功电流有效值为^，开关频率为/，允许通过的最大瞬时电流为则可制定如下初期
规则：
[0095] I、IF 913A</f < 1010A THEN f = IkHZ AND Jwusl =ISOOA ；
[0096] II、IF 800A</f<912A THEN / = l_5*flZ AND -1950A ；
[0097] III、IF 751Α</,<800Α THEN / = 2iflZ AND W =2100A ；[0098] IV、IF 6e&A</r<750A THEN f = 13kHZ AND W -220QA ；
[0099] V、IF 561A <Jr<miA THEN f = OdIZ AND ^mm = 2300A。
[0100] 这是一种混杂型补偿方式，吸取了各种补偿装置的优点，以较小容量的有源部分以达到等效于大容量有源补偿的效果。这种多补偿器组合的方式，控制分散，耦合性小，容易实现，而且不会因为一个设备故障而导致整个装置停运。另外是这种方式的成本低廉，技术成熟，稳定性好。
[0101] 通过应用本发明实施方式所描述的一种混合型电能质量治理装置，可以达到如下技术效果：
[0102] I、静止无功发生器和静止无功补偿器组合中的静止无功发生器容量根据负载波动无功功率的95%概率最大值减去平均无功功率，可以实现静止无功发生器容量的最小化，降低成本；
[0103] 2、基于瞬时功率平衡的静止无功发生器双闭环电压控制技术，相对于传统的双闭环相比，控制器PI参数设置变的简单；
[0104] 3、电压自适应模糊控制使得对接入点电压控制的鲁棒性好，提高了对电压波动的补偿效果；
[0105] 4、窄脉冲抑制技术简单实用，相比大幅度提高载波幅值或者采用对窄脉冲滤波的方法，该方法简单可靠；
[0106] 5、基于载波变频的静止无功发生器谐波抑制技术，对于某些没有使用有源电力滤波器的场合尤其有用，充分利用了有源的作用，是一种无功功率补偿优先，谐波抑制兼顾的策略。通过载波变频来提高器件的开关频率，简单、实用、可靠。
[0107] 需要说明的是，通过直接利用大容量静止无功发生器或者有源电力滤波器进行大容量补偿，兼顾无功功率、谐波、负序电流抑制的方式，也能够达到本发明实施方式的一部分基本功能，但是这样需要的容量很大。有源电力滤波器难以做到数十兆这样的容量，而静止无功发生器能通过级联等做到这么大的容量，但是随着容量的增大，成本价格成倍数增加，而且稳定性能下降。
[0108] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
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| CN2010102757499A CN101924371B (zh) | 2010-09-08 | 2010-09-08 | 一种混合型电能质量治理方法 |
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