CN102545235A - 三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，该系统包括：三角形连接的N级级联变流器，以及与每个N级级联变流器相连的三相滤波电感；三角形连接晶闸管电抗器和星形连接晶闸管投切固定电容构成的无功补偿器；所述三角形连接的N级级联变流器与所述无功补偿器并联连接于输入的电网电压与负载的连接节点与地节点之间。本发明的系统能够对中压电网无功功率以及谐波电流进行动态补偿，提高电网效率，且补偿时，对电网无负面影响，系统稳定、结构简单、稳定性强、补偿灵活。

Description

三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统

技术领域

本发明涉及无功补偿和谐波治理技术领域，尤其涉及一种三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统。

背景技术

电网中存在大量感性负载，且电力拖动等应用越来越广泛，使得电网中存在大量感性无功电流，同时随着电力电子技术的发展，越来越多的非线性负载在电网中运行，产生了大量谐波电流，造成电磁污染。为了保证电网电能质量，需要对电网的无功及谐波进行补偿治理，因此动态无功补偿技术与有源滤波技术是电能质量领域的两大关键技术。

在无功补偿方面，目前较为新的技术是静止同步补偿器(StaticSynchronous Compensator，STATCOM)，其虽然有很好的补偿性能，但是由于成本高、系统复杂，应用很少，仍处在初级阶段。而基于晶闸管控制的静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)则由于成本低容量大、损耗较低、能较快进行动态补偿，颇受欢迎，已经在电网中广泛应用，尤其是晶闸管控制电抗器(TCR)与机械投切固定电容器(MSC)或晶闸管投切电容器(TSC)(这里以FC统称)的结构应用广泛。但是TCR在运行过程中会产生一系列谐波，是这种结构SVC的主要不足。对于这个问题，一般采取曲折变压器实现多脉冲结构，减小谐波的产生，同时需要设置一系列无源滤波器(PF)来进行滤除，使得SVC的结构变得复杂，增加成本；另外，TCR使用晶闸管，因此补偿调节速度最快为100Hz(电网频率50Hz)，对无功变化超过工频速度暂态过程不能很好补偿。

有源滤波技术是较新的技术，并且有非常好的动态响应特性，最快可到几个ms，理论上可以产生近任意波形的电流，可以对电网几乎所有次谐波(取决于系统带宽和开关频率)进行补偿，是理想的补偿方法，可以对电网的谐波和无功同时进行补偿，但是往往开关频率比较高，单台容量比较低，应用主要在较小负荷(几十到几百KVA)和较低电压(380V)场合。

采用混合有源滤波技术可以增大滤波容量，升高电压等级，但是由于与PF相结合，带来了一些PF所特有的不足，容易造成谐振、滤波器参数不准确等。

多电平技术可以将逆变器的电压等级提高，应用多的是级联结构，因此CS-APF结构可以将电压等级升到中压等级(如10KV)。

在中压等级电网中，如果采用大容量的SVC与高动态性能的CS-APF综合系统对电网的无功和谐波进行补偿，是一种低成本高性能的电能治理方案。一方面，在中压等级，谐波负荷相对无功负荷往往小很多，因此STATCOM作为目前较为新的无功补偿技术，在大容量的情况下采用低频开关器件，以减低损耗，不适合补偿电网的谐波。CS-APF可以在相对较小的容量下采用高频器件，以能实现对谐波的补偿，同时还能进行一定无功补偿。另一方面，SVC成本低，容量大，甚至可以比STATCOM大很多，可以将电网的无功很好的补偿，但是会产生一系列谐波，一般会配置相应滤波器，但是如果SVC与CS-APF综合起来，可以不再增添其它滤波器设备，并且对电网的谐波电流进行治理。

利用CS-APF的高动态特性可以弥补SVC的不足，提高补偿响应速度，但是同时也需要解决一些问题。在实际已有SVC运行的系统(380V)中增添有源动力滤波器(Active Power Filter，APF)，可能会造成系统的不稳定，在中压等级，CS-APF与SVC综合运行也会有相应问题；CS-APF对SVC动态过程不足的弥补需要一定的控制方法；CS-APF可以补偿谐波，更能补偿无功，与SVC综合运行情况下，容量设计与补偿策略需要进行综合考虑和优化；在无功或谐波负荷不平衡的工况中需要综合系统进行优化补偿。

目前有关有源滤波器与静止无功补偿器共同补偿的研究有：

(1)邓礼宽等对低压三相四线制APF与SVC联合运行进行了稳定控制的初步研究，主要针对特定结构下，APF与SVC存在控制耦合问题，指出通过选择合适APF与SVC的控制算法带宽，可以抑制二者振荡，或在APF电流检测环节只对特定次谐波进行检测，也可消除不稳定问题，但是只对二者简单的同时运行作了稳定性分析，并未对APF与SVC综合控制、共同补偿和优化作进一步研究，同时也未对高电压等级情况进行研究。

(2)San-Yi Lee等提出了混合APF与SVC联合运行进行中压或高压电网的补偿，基波无功和负序电流由大容量的SVC来补偿，调节电网电压改善电网动态过程，小容量的混合APF来滤除SVC的谐波，对此种综合补偿系统作了初步研究，此系统仍带有无源滤波器的一系列缺点；An Luo等对混合APF与SVC综合补偿研究了提高SVC补偿效果的改进控制算法和APF的稳定控制，提出分频补偿的方法，解决稳定性问题，利用改进广义积分控制器减小谐波检测滞后，和补偿延时，提高了补偿精度，但仍未对APF与SVC综合控制作进一步研究。

(4)Yu Hongxiang等提出了一种PWM调制型SVC结构，利用可关断器件实现无功补偿，减小谐波，这种结构仍会有较高频率的谐波，适用电压等级受可关断器件耐压限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是：提供一种三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，该系统能够对中压电网无功功率以及谐波电流进行动态补偿，提高电网效率，且补偿时，对电网无负面影响，系统稳定、结构简单、稳定性强、补偿灵活。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，该系统包括：

三角形连接的N级级联变流器，以及与每个N级级联变流器相连的三相滤波电感；

三角形连接晶闸管电抗器和星形连接晶闸管投切固定电容构成的无功补偿器；

所述三角形连接的N级级联变流器与所述无功补偿器并联连接于输入的电网电压与负载的连接节点与地节点之间。

其中，所述三角形连接的N级级联变流器中的变流器拓扑为H逆变桥级联结构。

其中，该系统还包括：

电流检测模块，用于检测负载侧电流、所述晶闸管控制电抗器与负载电流、晶闸管投切固定电容电流、所述三角形连接的N级级联变流器电流、以及补偿后的电网电流，并将检测到的电流信号经滤波、比例电路后送至控制模块；

电压检测模块，用于检测所述三角形连接的N级级联变流器中的变流器各级直流侧电压和电网电压，并将检测到的电压信号经滤波、比例电路后送至控制模块；

正序电压计算模块，用于将计算电网电压的三个电压正序分量；

电压锁相环，生成用于计算功率及谐波的电网电压a相相位信号、用于生成所述三角形连接的N级级联变流器直流侧有功电流的有线同步信号、以及用于计算晶闸管电抗器的无功补偿差和谐波的信号；

电纳补偿控制模块，用于计算补偿电纳；

电纳检测模块，用于计算负载电纳以及经过所述无功补偿器补偿后的电纳，并完成电纳闭环控制；

触发角生成模块，用于接收触发角给定值以及所述电压锁相环的相位信号，生成三路触发脉冲，并将其发送至晶闸管电抗器；

电流环控制模块，用于检测所述无功补偿器的无功补偿差和谐波电流，以及检测负载谐波电流，接收直流侧电压控制模块的有功电流给定值，生成所述三角形连接的N级级联变流器指令电流，并根据所述指定电流生成开关占空比；

直流侧电压控制模块，用于控制所述三角形连接的N级级联变流器各级直流侧电压，生成各相有功电流给定值；

载波移向脉冲宽度调制模块，用于将所述开关占空比与均匀移相的三角波载波进行比较，生成各级逆变桥所需的脉冲宽度调制信号。

其中，所述正序电压计算模块包括：

第一坐标变换单元，接收电网电压信号，以及所述电压锁相环输出的相位信号，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q，并送至第一低通滤波器单元；

第一滤波器单元，接收所述第一坐标变换单元发送的u_d、u_q，对其滤波，取得电网电压的直流正序分量，并送至第一坐标反变换单元；

第一坐标反变换单元，将计算的电网电压dq坐标下的所述直流正序分量转换为abc坐标系下的交流正序分量。

其中，所述电压锁相环包括：

第二坐标变换单元，接收电网电压以及电网相位信号，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q；

第一PI调节器，用于接收所述第二坐标变换单元输出的电网电压的q轴分量u_sq，输出电网角频率参考值；

第一积分器，输入端与所述第一PI调节器输出端相连，输出用于计算功率及谐波的所述电网相位信号；

第一运算器，接收所述第一积分器输出的所述电网相位信号，根据相、线的相位关系，经过相移计算分别得到用于产生所述三角形连接的N级级联变流器直流侧有功电流的相位信号、以及用于计算所述三角形连接晶闸管电抗器无功补偿差和谐波的相位信号，并输出。

其中，所述电纳补偿控制模块包括：

第二坐标变换单元，对负载侧电流进行坐标变换，得到α轴电流及β轴电流i_Lα、i_Lβ，并送至第二运算单元；

第三坐标变换单元，对所述电网电压abc坐标系下的交流正序分量进行坐标变换，得到α轴电压及β轴电压u_sα、u_sβ，并送至第二运算单元、第三运算单元以及第四运算单元；

第二运算单元，将i_Lα、i_Lβ分别与u_sα、u_sβ相乘，对结果作加减运算，并将运算结果送至第二滤波单元；

第二滤波单元，对所述第二运算单元发送的信号进行低通滤波，得到其直流量，并送至第三运算单元；

第三运算单元，根据所述第二滤波单元的发送的信号和u_sα、u_sβ，计算补偿电纳，并送至第六运算单元；

第四坐标变换单元，将所述补偿后的电网电流i_SLa、i_SLb、i_SLc进行坐标变换，得到i_SLα、i_SLβ，并送至第四运算单元；

第四运算单元，将i_SLα、i_SLβ分别与u_sα、u_sβ相乘，对相乘结果作加减运算，并将加减运算结果送至第三滤波单元；

第三滤波单元，将所述加减运算结果进行低通滤波，得到其直流量，送至第五运算单元；

第五运算单元，根据所述加减运算结果和u_sα、u_sβ计算出补偿电纳B_SLab、B_SLbc、B_SLca，并送至第六运算单元；

第六运算单元，根据所述补偿电纳，分别每相作和并取反后与固定电容电纳作和，得到晶闸管电抗器电纳给定值，根据晶闸管电抗器控制曲线得到的触发角给定值，送至所述触发角生成模块。

其中，所述电流环控制模块进一步包括：

第一谐波检测子模块：包括

第五坐标变换单元，用于将负载电流进行坐标变换得到p轴电流以及q轴电流i_Lp、i_Lq，并送至第四滤波单元；

第四滤波单元，用于将i_Lp、i_Lq经低通滤波器，得到直流分量送至第七运算子单元；

第七运算单元，用于将i_Lp、i_Lq与i_Lp、i_Lq的直流分量做减法得到谐波量i_Lph、i_Lqh，并送入第六坐标变换单元；

第六坐标变换单元，用于将i_Lph、i_Lqh经坐标变换后得到abc坐标系下的

并送至第八运算单元；

第八运算单元，用于将

进行相电流到线电流的变换，得到并送至第十二运算单元；

第九运算单元，用于将电网电流与固定电容电流做减法，并将结果送至第二谐波检测子模块；

第二谐波检测子模块，包括：

第七坐标变换单元，用于对所述第九运算单元发送的电流进行坐标变换，得到p轴电流以及q轴电流得到

并发送至第五滤波单元；

第五滤波单元，用于将经低通滤波器，得到直流分量送至第十运算单元；

第十运算单元，用于将

与

的直流分量做减法，得到谐波量

并将送入第八坐标变换单元；

第八坐标变换单元，用于将

经坐标变换后得到abc坐标系下的

送至第十一运算单元；

第十一运算单元，用于将经过相电流到线电流变换，得到的

并送至第二PI调节器；

第二PI调节器，用于根据输入的得到给定值i^* _sabh、i^* _sbch、i^* _scah，并送至第十二运算单元；

第一谐波计算单元，用于根据所述触发角以及锁相环的相位信号，计算晶闸管电抗器的单位幅值的波形和基波分量，并用计算的晶闸管电抗器电流波形减去基波分量对应的正弦波形，得到谐波分量，经过额定功率放大，得到谐波电流值；

第一无功电流计算单元，根据所述第五运算单元得到的补偿电纳和电网电压，计算出对应的无功电流，并送至第十二运算单元；

第十二运算单元，根据第一谐波检测单元、第二PI调节器、第一谐波计算单元、第一无功电流计算单元、第十四运算单元输出的电流给定值作和，得到三角形连接的N级级联变流器指令电流，送至第一电流控制器；

第一电流控制器，根据所述指令电流得到开关占空比，并送至所述载波移向脉冲宽度调制模块。

其中，所述直流侧电压控制模块进一步包括：

第十三运算单元，根据每相各级直流侧电压值求出其平均值，用设定电压值减去所述平均值，得到误差量，并送到第三PI调节器；

第三PI调节器，根据所述误差量得到该相有功电流幅值给定值，并送至第十四运算单元；

第十四运算单元，将所述有功电流幅值给定值乘以锁相环输出的该相的相位信号，得到abc坐标系下的有功电流给定值，并送至所述第十二运算单元。

(三)有益效果

本发明提出的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统具有以下效果和优点：

1、能够实现对中压电网无功功率的动态补偿，提高电网效率，有利于减小无功电流带来的电压波动。

2、能够实现对中压电网谐波电流的动态补偿，使电网电压不受谐波电流污染。

3、综合补偿系统在补偿无功功率时，本身不产生谐波电流，对电网无负面影响。

4、综合补偿系统比传统SVC动态响应快，有利于系统稳定，简单有效，系统稳定性强，补偿灵活，对正序、负序量均能补偿。

5、综合补偿系统耐压高，可以直接接入中压等级电网，无需变压器。

6、综合系统只需要较大容量不带滤波装置的SVC和较小容量CS-APF，成本很低。

综上所述，本发明提出的系统实现了对中压电网无功及谐波的综合补偿，比传统的SVC补偿装置性能优越，拓展了SVC的补偿特性，不产生谐波并能滤除电网谐波，成本低，容量大，本发明CS-APF与SVC可实现稳定运行，提高了无功补偿性能和对SVC谐波的补偿速度，意义鲜明，应用范围广。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统结构示意图；

图2为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中CS-APF拓扑结构；

图3为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中TCR与FC构成的SVC结构示意图；

图4为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统的控制框图；

图5为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中基于坐标变换的电纳检测原理框图；

图6为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中正序电压检测原理框图；

图7为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中通过TCR触发角计算TCR谐波电流的原理框图；

图8为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中计算SVC无功补偿电流以及补偿后的电网的无功电纳原理框图；

图9为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中基于瞬时无功理论的谐波电流检测原理框图；

图10为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中CS-APF直流侧电压控制原理框图；

图11为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统中电压锁相环产生相位信号的原理框图；

图12(a)-12(f)为依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统仿真结果示意图。

具体实施方式

对于本发明所提出的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，结合附图和实施例详细说明。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器(SVC)综合补偿系统，包括：

一个三角形连接的N(如图2所示，图中所示为10级)级级联变流器，以及与每个N级级联变流器相连的三相滤波电感，变流器拓扑为H逆变桥级联结构，主要实现对电网和TCR的谐波电流补偿，同时可实现一定的无功和负序分量的补偿，N值由电网电压和单级逆变桥直流电压确定，变流器优选为绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)。

一个三角形连接晶闸管电抗器(TCR)和星形连接晶闸管投切固定电容(FC)构成的SVC，如图3所示，以减少谐波的产生，用于补偿电网中的绝大部分无功、负序分量。

该CS-APF与该SVC并联连接于输入的电网电压与负载的连接节点与地节点之间。

该系统还包括：

五个电流检测模块，包括十个霍尔电流传感器，其中，两个用于检测负载侧电流i_L；两个用于检测TCR与负载电流i_SL；两个用于检测晶闸管投切固定电容电流i_C；两个用于检测CS-APF电流i_F；两个用于检测补偿后的电网电流i_S，并将检测到的电流信号输入相应的调理电路(经滤波电路以及比例电路)后，送至控制模块。

两组电压检测模块，包括3*N(N为CS-APF级联数据)个用于检测变流器各级直流侧电压的霍尔电压传感器，以及3个用于检测电网电压的霍尔电压传感器，并配相应的调理电路(滤波、比例电路)，将经过调理电路处理后的信号送至控制模块。

一个正序电压计算模块，用于将电网电压进行坐标变化后，分解出其pq分量，通过低通滤波器(LPF)将对应的正序滞留量提出，再经坐标反变换得到abc坐标下的三个电压正序分量

其电压检测原理如图6所示。

一个电压锁相环(PLL)，生成用于计算功率及谐波的电网电压a相相位信号sinωt、cosωt，用于生成CS-APF直流侧有功电流的有线同步信号sinωt_ab、sinωt_bc、sinωt_ca，以及用于计算TCR的无功补偿差和谐波的信号cosωt_ab、cosωt_bc、cosωt_ca。

两个电纳检测模块，分别用于计算负载电纳以及经过SVC补偿后的电纳，并完成电纳闭环控制，包括电网正序电压和被测电流经过abc-αβ坐标变换后，对电压和进行组合运算q^s、qⁿ、pⁿ，得到包含直流量(对应正序、负序基波量)和交流量的功率表达式，通过配合电网电压进行关系计算，可得到被测电流正序、负序补偿电纳

一个用于计算补偿电纳的电纳补偿控制模块，以及一个触发角生成模块(最终以查表方式实现)，用于接收触发角给定值以及所述电压锁相环的相位信号，生成三路触发脉冲，并将其发送至TCR。电纳与触发角关系呈非线性，根据TCR触发角与其基波等效电纳关系预计算好的曲线，在TCR导通角δ(0°-180°)比较小时(如60°)，会产生很大谐波，尤其是在不平衡负载情况时，会有较大3次及其倍数次谐波产生，加重CS-APF的负担，控制曲线在此范围会使得TCR的导通角为0°，由CS-APF来进行此小额无功的补偿。

一个电流环控制模块，检测SVC的无功补偿差和谐波电流，以及检测负载谐波电流，接收直流侧电压控制模块的有功电流给定值，生成CS-APF指令电流，并根据该指定电流生成开关占空比D。

直流侧电压控制模块，用于控制CS-APF各级直流侧电压，生成各相有功电流给定值。

载波移向脉冲宽度调制(PWM)模块，用于将开关占空比与均匀移相的三角波载波进行比较，生成各级逆变桥所需的PWM信号。

其中，正序电压计算模块包括：

第一坐标变换单元(abc-dq)，接收电网电压信号u_sa、u_sb、u_sc，以及电压锁相环输出的相位信号sinωt、cosωt，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q，并送至第一低通滤波器单元；

第一滤波器单元，接收第一坐标变换单元发送的u_d、u_q，对其滤波，取得电网电压的直流正序分量，并送至第一坐标反变换单元；

第一坐标反变换单元(dq-abc)，将计算的电网电压dq坐标下的所述直流正序分量转换为abc坐标系下的交流正序分量

电压锁相环包括：

第二坐标变换单元，接收电网电压u_sa、u_sb、u_sc以及电压锁相环自身输出的电网相位信号ωt，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q；

第一PI调节器，用于接收第二坐标变换单元输出的电网电压的q轴分量u_q，输出电网角频率参考值；

第一积分器，输入端与第一PI调节器输出端相连，输出用于计算功率及谐波的电网相位信号ωt；

第一运算器，接收第一积分器输出的电网相位信号ωt，根据相、线的相位关系，经过相移计算分别生成sinωt_ab、sinωt_bc、sinωt_ca与cosωt_ab、cosωt_bc、cosωt_ca，并输出。

该电压锁相环产生相位信号的原理框图如图11所示。

电纳补偿控制模块包括：

第二坐标变换单元(abc-αβ)，对负载侧电流i_La、i_Lb、i_Lc进行坐标变换，得到α轴电流及β轴电流i_Lα、i_Lβ，并送至第二运算单元；

第三坐标变换单元，对电网电压abc坐标系下的交流正序分量

进行坐标变换，得到α轴电压及β轴电压u_sα、u_sβ，并送至第二运算单元、第三运算单元以及第四运算单元；

第二运算单元，将i_Lα、i_Lβ分别与u_sα、u_sβ相乘，得到u_αi_α、u_βi_α、u_βi_β、u_αi_β并作加减运算，得到Q_S、Q_N、P_N，将运算结果送至第二滤波单元；

第二滤波单元，对Q_S、Q_N、P_N进行低通滤波，得到其直流量，并送至第三运算单元；

第三运算单元，根据Q_S、Q_N、P_N的直流量和u_sα、u_sβ，计算SVC的补偿电纳B_Lab、B_Lbc、B_Lac，并送至第六运算单元；

第四坐标变换单元(abc-αβ)，将SVC补偿后(CS-APF补偿前)的电网电流i_SLa、i_SLb、i_SLc进行坐标变换，得到i_SLα、i_SLβ，并送至第四运算单元；

第四运算单元，将i_SLα、i_SLβ分别与u_sα、u_sβ相乘得到u_αi_sLα、u_βi_SLα、u_βi_SLβ、u_αi_SLβ，对相乘结果作加减运算，得到Q_SS、Q_SN、P_SN，并送至第三滤波单元；

第三滤波单元，将Q_SS、Q_SN、P_SN进行低通滤波，得到其直流量，送至第五运算单元；

第五运算单元，根据Q_SS、Q_SN、P_SN的直流分量和u_sα、u_sβ计算出SVC补偿后的(CS-APF补偿前)电网电纳B_SLab、B_SLbc、B_SLca，并送至第六运算单元；

第六运算单元，根据补偿电纳B_Lab、B_Lbc、B_Lac与B_SLab、B_SLbc、B_SLac分别每相作和并取反后与固定电容电纳作和，得到TCR电纳给定值，根据TCR控制曲线(带限值的电纳触发角关系曲线)得到的晶闸管触发角给定值α，送至触发角生成模块。

电流环控制模块进一步包括：

第一谐波检测子模块，包括：

第五坐标变换单元，用于将负载电流i_La、i_Lb、i_Lc进行坐标变换得到p轴电流以及q轴电流i_Lp、i_Lq，并送至第四滤波单元；

第四滤波单元，用于将i_Lp、i_Lq经低通滤波器，得到直流分量送至第七运算单元；

第七运算子单元，用于将i_Lp、i_Lq与i_Lp、i_Lq的直流分量做减法得到谐波量i_Lph、i_Lqh，并送入第六坐标变换单元；

第六坐标变换子单元，用于将i_Lph、i_Lqh经坐标变换后得到abc坐标系下的并送至第八运算单元；

第八运算子单元，用于将

进行相电流到线电流的变换，得到

并送至第十二运算单元；

第九运算单元，用于将电网电流i_Sa、i_Sb、i_Sc与固定电容电流做减法得到

并将送至第二谐波检测子模块；

第二谐波检测单元，包括：

第七坐标变换单元，用于对所述第九运算子单元发送的电流进行坐标变换，得到p轴电流以及q轴电流得到

并发送至第五滤波单元；

第五滤波单元，用于将

经低通滤波器，得到直流分量送至第十运算单元；

第十运算单元，用于将

与

的直流分量做减法，得到谐波量并将

送入第八坐标变换单元；

第八坐标变换单元，用于将

经坐标变换后得到abc坐标系下的

送至第十一运算单元；

第十一运算单元，用于将

经过相电流到线电流变换，得到的

并送至第二PI调节器；

第二PI调节器，用于根据输入的

得到给定值i^* _sabh、i^* _sbch、i^* _scah，并送至第十二运算单元；

第一谐波计算单元，用于根据TCR控制曲线得到触发角α，以及根据锁相环的相位信号计算TCR的单位幅值的波形和基波分量，并用计算的TCR的电流波形减去基波分量对应的正弦波形，得到谐波分量，经过额定功率放大，得到谐波电流值i^* _tcrh，如图7所示。

第一无功电流计算单元，根据第五运算单元得到的补偿电纳和电网电压，计算出对应的无功电流，并送至第十二运算单元；

第十二运算单元，根据第一谐波检测单元、第二PI调节器、第一谐波计算单元、第一无功电流计算单元、第十四运算单元输出的电流给定值作和，得到三角形连接的N级级联变流器指令电流，送至第一电流控制器；

第一电流控制器(可以是P、PI、无差拍等任意一种)，根据指令电流得到开关占空比D，并送至载波移相PWM制模块。

直流侧电压控制模块进一步包括：

第十三运算单元，根据每相各级直流侧电压V_DCn求出其平均值V_DC，用设定电压值V^* _DC减去平均值V_DC，得到误差量，并送到第三PI调节器；

第三PI调节器，根据所述误差量得到该相有功电流幅值给定值，并送至第十四运算单元；

第十四运算单元，将所述有功电流幅值给定值乘以锁相环输出的该相的相位信号，得到abc坐标系下的有功电流给定值，并送至所述第十二运算单元。

电压控制算法如图10所示。

本发明的三角形连接级联有源滤波器与SVC综合补偿系统实际实现过程中，如果不做优化SVC与CS-APF控制可能存在振荡点，因此在设计过程中首先要考虑系统的稳定性，对于CS-APF而言，在控制方面主要也是由两大部分构成：电压环、电流环，其控制原理如图4所示。

电压环比较简单，进行直接控制，通过计算直流侧电容电压平均值，然后与给定值作差，经过PI调节器输出并限幅后得到各相的有功电流给定值

，然后乘以各相的标准零相角正弦信号sinωt，就得到abc坐标系下的有功电流给定值(如图10)，由于CS-APF的有功电流主要是损耗产生的，因此相对补偿电流来说很小，因此即使与SVC联合运行，其电压环对稳定性的影响不大。

对于CS-APF电流环来说，需要对电网负载侧和TCR的谐波进行补偿，SVC的响应比较慢，CS-APF的响应很快，因此，为了提高综合系统的稳定性，本发明的系统中尽量减少二者的控制耦合，优化了对SVC谐波的检测，考虑到SVC的控制透明，因此在综合系统中不再通过传感器对TCR的电流检测滤波后得到其谐波电流，而是直接根据在TCR控制环中触发角信息和电网电压u_S以及TCR电感L_T来直接计算其谐波电流，然后叠加到负载电流谐波值上构成CS-APF谐波给定值。

如图9所示，根据TCR控制的触发角α可以得到TCR的电流波形i_TCR表达式：

提取出其中的基波分量，剩余部分就是谐波分量，而此表达式经傅里叶分解后可以得到基波幅值I₁的关系式：

$I_1=\frac{1}{\mathrm{\π}}[2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin \left(2\mathrm{\α}\right)]---\left(2\right)$

根据此式和PLL给出的单位无功正弦信号，可得到其对应的时域波形：

$i_1=\frac{1}{\mathrm{\π}}[2(\mathrm{\π}-\mathrm{\α})+\sin \left(2\mathrm{\α}\right)]\cos \mathrm{\ω}{t}_{*}---\left(3\right)$

则减去TCR的电流就得到其谐波电流，再将此电流按TCR容量放大即得到实际TCR的谐波电流。

$K_{\mathrm{TRC}}(i_1-i_{\mathrm{TCR}})=i_{\mathrm{tcrh}}^{*}---\left(4\right)$

此时由于是CS-APF三角形连接，各相电流独立控制，为消除零序分量有(等号左侧为新结果)：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{tcrhA}}^{*}=i_{\mathrm{tcrhA}}^{*}-\frac{1}{3}(i_{\mathrm{tcrhA}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhB}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhC}}^{*})\\ i_{\mathrm{tcrhB}}^{*}=i_{\mathrm{tcrhB}}^{*}-\frac{1}{3}(i_{\mathrm{tcrhA}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhB}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhC}}^{*})\\ i_{\mathrm{tcrhC}}^{*}=i_{\mathrm{tcrhC}}^{*}-\frac{1}{3}(i_{\mathrm{tcrhA}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhB}}^{*}+i_{\mathrm{tcrhC}}^{*})\end{array}\right.---\left(5\right)$

这样CS-APF对TCR谐波电流检测几乎没延时，甚至在局部可以超前计算，使得CS-APF对TCR谐波的补偿实时很强，即使CS-APF有电流环控制的延时，也可以很容易在TCR谐波计算过程中作相位补偿，因此对该部分谐波电流的补偿效果很好，并且提高了稳定性。

对于负载谐波电流的检测，根据瞬时无功理论将被测电流进行坐标变换，滤除其中代表基波量的直流部分，然后进行反变换，得到abc坐标系下的值，通过变换矩阵C_P-L，转换到相的表达式：

$C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ $C_{P-L}=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{3}& 0& \frac{-1}{3}\\ \frac{-1}{3}& \frac{1}{3}& 0\\ 0& \frac{-1}{3}& \frac{1}{3}\end{array}\right.---\left(6\right)$

在转换过程中消除了零序量。

另外谐波环也设计了闭环部分，即检测补偿后的电网电流i_S，经过谐波计算后得到偏差量，在进行反馈控制，本发明的系统中将补偿后电网电流剔除SVC的电容电流之后，进行谐波检测，因此整个CS-APF的谐波环控制与FC无关，稳定性不受其影响。

本发明中SVC中TCR的控制采用负载电流电纳检测前馈控制与补偿后电网电流闭环补偿相结合的经典方式，由于综合补偿系统中将CS-APF置于SVC控制环之外，因此CS-APF的存在不会对SVC的运行产生任何影响。

负载电纳的检测仍旧采用瞬时无功理论，对被测电流和电网正序电压进行坐标变换，然后组合得到含基波量的信息，经低通滤波器将其滤出，在根据电压得到电纳值(如图5)。其中，PQ-B为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{Cab}}=\frac{1}{9{V_1}^2}(q_{\mathrm{av}}^s+q_{\mathrm{av}}^n+\sqrt{3}{p}_{\mathrm{av}}^n)\\ B_{\mathrm{Cbc}}=\frac{1}{9{V_1}^2}(q_{\mathrm{av}}^s-2q_{\mathrm{av}}^n)\\ B_{\mathrm{Cca}}=\frac{1}{9{V_1}^2}(q_{\mathrm{av}}^s+q_{\mathrm{av}}^n-\sqrt{3}{p}_{\mathrm{av}}^n)\end{array}\right.---\left(7\right)$

${V_1}^2=\frac{U_{\mathrm{\α}}^2+U_{\mathrm{\β}}^2}{3}---\left(8\right)$

根据计算得出的电纳值去除掉FC电纳量，可得出TCR所要等效的电纳，进而可推出TCR晶闸管的导通δ，由于导通角δ和TCR等效电纳之间是非线性关系，如下所示：

$B_L=\frac{\mathrm{\δ}-\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}{X}_L}=B_{L\max }\frac{\mathrm{\δ}-\sin \mathrm{\δ}}{\mathrm{\π}}---\left(9\right)$

实际控制可利用查表法进行非线性变换，得到δ，触发角α也就可得出：

其中

就是该相相对于相电压u_a的相角。

在触发角α比较大时，非线性比较重，电纳的微小变化会引起触发角较大的变化，而且此时TCR的谐波含量很高(THD＞40％)，可由式算出：

$I_n=\frac{4}{n(n^2-1)\mathrm{\π}}[\cos \mathrm{\α}\×\sin \left(\mathrm{n\α}\right)-n\×\sin \mathrm{\α}\×\cos \left(\mathrm{n\α}\right)]---\left(11\right)$

并且在有不平衡负荷时，TCR中3次及其倍数次谐波量不能抵消，因此，在此范围中将TCR触发角强制限为0，而使CS-APF进行补偿，有利于提高系统的性能和稳定性。

由于CS-APF容量可以设计在SVC的1/10～1/5，因此当SVC满容量运行时，如果还不能完全补偿，使APF进行无功补偿，以拓宽综合系统的补偿能力，尤其是在电网电压比较低时，有利于稳定系统。具体在SVC电纳检测环，设计了对补偿后的电纳检测，此偏差经过限幅后由CS-APF来补偿，如图8所示：

$i_{\mathrm{Fp}}=K_{\mathrm{TCR}}\frac{\mathrm{\Δ}{B}_S}{B_N}\cos \mathrm{\ω}{t}_{*}---\left(12\right)$

CS-APF的无功电流环为开环控制，即不检测最终补偿后电网的无功与负序分量，只根据SVC的偏差功率来补偿负载无功和负序电流，因此可以保证整个系统始终保持比较高的稳定性。

在上述方案下：利用PSIM软件对系统进行了仿真，仿真参数如下：

系统电压3KV，CS-APF直流侧电压1.5KV，级联数目3(考虑到仿真模型复杂度)，直流电容3mF，主电感1mH，开关频率3KHz；SVC的参数：FC的值0.9mF，星形连接，每支路串联0.2mH限流电感，TCR电感17.188mH，三角形连接；负载1：全桥不控整流，电阻负载，20欧姆；负载2：三相对称阻感负载：电阻5欧姆，电感20mH；负载3：单相整流阻感负载：电阻30欧姆，电感50mH；仿真结果如图所示。

负载开始只有一个三相不控整流投入，负载无功为0，可见CS-APF对负载和SVC谐波的补偿效果很好；在0.6秒时刻，负载2投入，CS-APF能够快速响应，而SVC稍慢，在1.0秒时刻负载3投入运行，增加了不平衡负载，可见综合补偿系统能够对其进行完全补偿。

仿真曲线说明：

图12(a)-12(d)：由上至下：电网a相电流、电网a相相电压、SVC的a相线电流，CS-APF的a相线电流，b、c、d分别为三种负载投入后的细节。

图12(e)：由上至下：三相SVC线电流、三相电网电流、三相电网相电压、三相负载线电流。时刻为三种负载同时运行。

图12(f)：由上至下：三相SVC线电流，三相负载线电流。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，该系统包括：

三角形连接的N级级联变流器，以及与每个N级级联变流器相连的三相滤波电感；

三角形连接晶闸管电抗器和星形连接晶闸管投切固定电容构成的无功补偿器；

所述三角形连接的N级级联变流器与所述无功补偿器并联连接于输入的电网电压与负载的连接节点与地节点之间。

2.如权利要求1所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述三角形连接的N级级联变流器中的变流器拓扑为H逆变桥级联结构。

3.如权利要求2所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，该系统还包括：

电流检测模块，用于检测负载侧电流、所述晶闸管控制电抗器与负载电流、晶闸管投切固定电容电流、所述三角形连接的N级级联变流器电流、以及补偿后的电网电流，并将检测到的电流信号经滤波、比例电路后送至控制模块；

电压检测模块，用于检测所述三角形连接的N级级联变流器中的变流器各级直流侧电压和电网电压，并将检测到的电压信号经滤波、比例电路后送至控制模块；

正序电压计算模块，用于将计算电网电压的三个电压正序分量；

电压锁相环，生成用于计算功率及谐波的电网电压a相相位信号、用于生成所述三角形连接的N级级联变流器直流侧有功电流的有线同步信号、以及用于计算晶闸管电抗器的无功补偿差和谐波的信号；

电纳补偿控制模块，用于计算补偿电纳；

电纳检测模块，用于计算负载电纳以及经过所述无功补偿器补偿后的电纳，并完成电纳闭环控制；

触发角生成模块，用于接收触发角给定值以及所述电压锁相环的相位信号，生成三路触发脉冲，并将其发送至晶闸管电抗器；

电流环控制模块，用于检测所述无功补偿器的无功补偿差和谐波电流，以及检测负载谐波电流，接收直流侧电压控制模块的有功电流给定值，生成所述三角形连接的N级级联变流器指令电流，并根据所述指定电流生成开关占空比；

直流侧电压控制模块，用于控制所述三角形连接的N级级联变流器各级直流侧电压，生成各相有功电流给定值；

载波移向脉冲宽度调制模块，用于将所述开关占空比与均匀移相的三角波载波进行比较，生成各级逆变桥所需的脉冲宽度调制信号。

4.如权利要求3所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述正序电压计算模块包括：

第一坐标变换单元，接收电网电压信号，以及所述电压锁相环输出的相位信号，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q，并送至第一低通滤波器单元；

第一滤波器单元，接收所述第一坐标变换单元发送的u_d、u_q，对其滤波，取得电网电压的直流正序分量，并送至第一坐标反变换单元；

第一坐标反变换单元，将计算的电网电压dq坐标下的所述直流正序分量转换为abc坐标系下的交流正序分量。

5.如权利要求4所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述电压锁相环包括：

第二坐标变换单元，接收电网电压以及电网相位信号，计算电网电压的d轴分量以及q轴分量u_d、u_q；

第一PI调节器，用于接收所述第二坐标变换单元输出的电网电压的q轴分量u_sq，输出电网角频率参考值；

第一积分器，输入端与所述第一PI调节器输出端相连，输出用于计算功率及谐波的所述电网相位信号；

第一运算器，接收所述第一积分器输出的所述电网相位信号，根据相、线的相位关系，经过相移计算分别得到用于产生所述三角形连接的N级级联变流器直流侧有功电流的相位信号、以及用于计算所述三角形连接晶闸管电抗器无功补偿差和谐波的相位信号，并输出。

6.如权利要求5所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述电纳补偿控制模块包括：

第二坐标变换单元，对负载侧电流进行坐标变换，得到α轴电流及β轴电流i_Lα、i_Lβ，并送至第二运算单元；

第三坐标变换单元，对所述电网电压abc坐标系下的交流正序分量进行坐标变换，得到α轴电压及β轴电压u_sα、u_sβ，并送至第二运算单元、第三运算单元以及第四运算单元；

第二运算单元，将i_Lα、i_Lβ分别与u_sα、u_sβ相乘，对结果作加减运算，并将运算结果送至第二滤波单元；

第二滤波单元，对所述第二运算单元发送的信号进行低通滤波，得到其直流量，并送至第三运算单元；

第三运算单元，根据所述第二滤波单元的发送的信号和u_sα、u_sβ，计算所述无功补偿器的补偿电纳，并送至第六运算单元；

第四坐标变换单元，将所述SVC补偿后的电网电流i_SLa、i_SLb、i_SLc进行坐标变换，得到i_SLα、i_SLβ，并送至第四运算单元；

第四运算单元，将i_SLα、i_SLβ分别与u_sα、u_sβ相乘，对相乘结果作加减运算，并将加减运算结果送至第三滤波单元；

第三滤波单元，将所述加减运算结果进行低通滤波，得到其直流量，送至第五运算单元；

第五运算单元，根据所述加减运算结果和u_sα、u_sβ计算出补偿电纳B_SLab、B_SLbc、B_SLca，并送至第六运算单元；

第六运算单元，根据所述补偿电纳，分别每相作和并取反后与固定电容电纳作和，得到晶闸管电抗器电纳给定值，根据晶闸管电抗器控制曲线得到的触发角给定值，送至所述触发角生成模块。

7.如权利要求6所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述电流环控制模块进一步包括：

第一谐波检测子模块：包括

第五坐标变换单元，用于将负载电流进行坐标变换得到p轴电流以及q轴电流i_Lp、i_Lq，并送至第四滤波单元；

第四滤波单元，用于将i_Lp、i_Lq经低通滤波器，得到直流分量送至第七运算子单元；

第七运算单元，用于将i_Lp、i_Lq与i_Lp、i_Lq的直流分量做减法得到谐波量i_Lph、i_Lqh，并送入第六坐标变换单元；

第六坐标变换单元，用于将i_Lph、i_Lqh经坐标变换后得到abc坐标系下的

并送至第八运算单元；

第八运算单元，用于将

进行相电流到线电流的变换，得到

并送至第十二运算单元；

第九运算单元，用于将电网电流与固定电容电流做减法，并将结果送至第二谐波检测子模块；

第二谐波检测子模块，包括：

第七坐标变换单元，用于对所述第九运算单元发送的电流进行坐标变换，得到p轴电流以及q轴电流得到

并发送至第五滤波单元；

第五滤波单元，用于将

经低通滤波器，得到直流分量送至第十运算单元；

第十运算单元，用于将

与

的直流分量做减法，得到谐波量

并将

送入第八坐标变换单元；

第八坐标变换单元，用于将

经坐标变换后得到abc坐标系下的

送至第十一运算单元；

第十一运算单元，用于将经过相电流到线电流变换，得到的

并送至第二PI调节器；

第二PI调节器，用于根据输入的

得到给定值i^* _sabh、i^* _sbch、i^* _scah，并送至第十二运算单元；

第一谐波计算单元，用于根据所述触发角以及锁相环的相位信号，计算晶闸管电抗器的单位幅值的波形和基波分量，并用计算的晶闸管电抗器电流波形减去基波分量对应的正弦波形，得到谐波分量，经过额定功率放大，得到谐波电流值；

第一无功电流计算单元，根据所述第五运算单元得到的补偿电纳和电网电压，计算出对应的无功电流，并送至第十二运算单元；

第十二运算单元，根据第一谐波检测单元、第二PI调节器、第一谐波计算单元、第一无功电流计算单元、第十四运算单元输出的电流给定值作和，得到三角形连接的N级级联变流器指令电流，送至第一电流控制器；

第一电流控制器，根据所述指令电流得到开关占空比，并送至所述载波移向脉冲宽度调制模块。

8.如权利要求7所述的三角形连接级联有源滤波器与无功补偿器综合补偿系统，其特征在于，所述直流侧电压控制模块进一步包括：

第十三运算单元，根据每相各级直流侧电压值求出其平均值，用设定电压值减去所述平均值，得到误差量，并送到第三PI调节器；

第三PI调节器，根据所述误差量得到该相有功电流幅值给定值，并送至第十四运算单元；

第十四运算单元，将所述有功电流幅值给定值乘以锁相环输出的该相的相位信号，得到abc坐标系下的有功电流给定值，并送至所述第十二运算单元。

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