CN102832631A - 一种电能质量一体化治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能质量一体化治理方法，将静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器相互并联地连接在电网电源与负载之间的电网上，由固定补偿器和晶闸管控制电抗器组成静止无功补偿器。晶闸管控制电抗器以静止无功发生器与固定补偿器之间的无功和负序电流为补偿对象。静止无功发生器以电网电源与静止无功发生器之间的无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足。静止无功发生器以固定补偿器与晶闸管控制电抗器之间的谐波为控制对象，滤除负载和晶闸管控制电抗器产生的谐波，以及补偿固定补偿器吸收后的其他谐波。本发明能够实现无功、谐波和负序的补偿，补偿速度快、效果好，同时降低了装置的容量，节约了成本。

Description

一种电能质量一体化治理方法

技术领域

本发明涉及一种应用于电力系统领域的电能治理方法，尤其是一种应用于高压配电网的直挂式电能质量一体化治理方法。

背景技术

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。现代电能质量问题因电力电子技术的应用而产生，而治理这些电能质量问题也可以通过基于电力电子的补偿技术来解决。采用电力电子装置就近吞吐无功和谐波电流、改变电网中的功率潮流，从而实现对无功、谐波、负序等电能质量的全面治理。

目前静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）已经相对成熟，已经在高压大容量上取得了的应用，并且价格低廉。但由于其是以半控晶闸管为控制对象的无源补偿装置，只适合较慢负载的无功补偿，而且其出力受外界电压的约束。另外其只能靠与其匹配的FC来滤除固定次谐波，对谐波抑制效果相当有限。静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）是近年发展起来的新型补偿装置，其是以全控型IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）器件等为控制对象的有源补偿装置，同时具备无功、谐波等补偿功能。特别是基于H桥结构的SVG具备高压直接补偿的条件，但是受器件电压电流水平的限制，目前难以在高压场合实现大容量的无功和谐波的快速同时补偿，因此主要还是集中在小容量场合的无功补偿方面的应用。

在现有技术中主要有以下文献于本发明有关：

现有技术1为湖南大学于2007年12月19日申请，2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《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》。如附图1所示，该专利利用TCR（Thyristor Controlled Reactor，晶闸管控制电抗器）和HAPF（Hybrid Active PowerFilter，有源电力滤波器）相结合，而TCR与HAPF中的FC（Fixed Capacitor，固定电容器）部分构成SVC进行谐波补偿，而APF（Active PowerFilter，有源电力滤波器）配合FC滤除谐波，如附图1所示。由于TCR能够实现高压直接补偿，为了实现高压谐波补偿，采用了谐振式LC与PPF串联，使得APF的隔离变压器既不承受基波电压，也不承受基波电流，从而减少APF的容量和承受电压。但是，其中的HAPF是不能动态补偿无功功率的，所以动态无功调节依赖TCR控制，而TCR的响应时间在60-100ms，其响应速度远比基于全控器件的SVG要慢，不适合快速变化负载的无功补偿和闪变治理。同时该种方式的谐波补偿是要通过变压器耦合，并通过PPF支路传送，因此不是高压谐波直接补偿，补偿的延时、精度较差。因此该种方式实际上是一种低压有源补偿与高压无源补偿的组合，与本文将提到的基于H桥级联SVG的高压无功和谐波一体化补偿在拓扑和效果上有明显差别。

现有技术2为湖南大学于2007年12月19日申请，并于2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《适用于高压系统的谐波和无功动态治理控制器及控制方法》。如附图2所示，该发明利用可以高压直接补偿的TCR型SVC来动态补偿高压系统的无功功率，而利用谐振注入式混合有源滤波器来提供固定容性无功，并发出谐波。该种方式和现有技术1的原理一样，只是增加了MSC（Mechanically Switched Capacitor，机械投切电容器)）支路来提供固定的容性无功。该种方式为治理高压系统的谐波和无功，其无功的补偿速度决定于TCR的补偿速度，大约在60~100ms，其响应速度远比基于全控器件的SVG要慢，不适合快速变化负载的无功补偿和闪变治理。而谐波补偿还是利用变压器隔离和LC谐振支路进行注入，同时逆变器的直流还需要外部供能，系统复杂，需要实现不同电位隔离，难适合高压系统。因此该种方式的无功补偿还是基于晶闸管的补偿方式，而不是基于IGBT的快速补偿，同时谐波还是低压侧补偿通过变压器和注入式支路反馈到高压侧。因此该种方式实际上是一种低压有源补偿与高压无源补偿的组合。

现有技术3为湖南大学于2007年12月19日申请，并于2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《35kV大容量无功补偿和谐波抑制综合系统及其控制方法》。如附图3所示，该发明通过高压侧FC和注入式HAPF相结合来实现高压侧的无功和谐波的补偿，其中无功补偿是通过FC固定发出，其出力受外部电压的影响，而且不能连续可调的。其谐波是通过降压变压器耦合到其中一个FC支路，同样是属于低压有源谐波补偿的范畴。存在无功不能连续可调、谐波补偿速度慢、效果差等影响。

现有技术4为株洲变流技术国家工程研究中心有限公司于2010年09月08日申请，并于2012年12月22日公开，公开号为CN101924371A的中国发明专利申请《一种混合型电能质量治理方法》。如附图4所示，该专利由无源和有源两大部分组成。其中无源补偿部分由TCR+TSC+FC组成，主要是进行无功功率补偿，另外FC兼做固定次谐波滤波器。有源部分由变压器隔离的多重化SVG+APF组成，分别通过降压对TCR+TSC补偿剩下的无功和对FC补偿剩下的谐波进行补偿。通过两者的组合提高了整个系统无功补偿的响应速度，同时实现了谐波的有源抑制。由于TCR采用三角型接法可以对负序电流进行补偿，因此该装置具备无功、谐波和负序综合补偿的功能。但是由于该种方式的有源部分全部是采用变压器降压进行补偿的，相对直接补偿，经过变压器降压后无功补偿的速度会降低，谐波输出效果因受到变压器的阻碍受到影响。

现有技术5为由赵伟、罗安等人于2009年07月05日发表在《中国电机工程学报》第19期，第29卷上的论文《静止无功发生器与晶闸管投切电容器协同运行混合无功补偿系统》。如附图5所示，该论文中提出了使用基于一个DSTATCOM（配电静止同步补偿器）与多组TSC组成的混合无功补偿系统，其中STATCOM用以实现快速连续无功调节，TSC实现无功的大容量分级调节，二者协同工作使HVC系统兼具DSTATCOM快速连续无功补偿及TSC低成本大容量无功补偿的优势，实现低成本大容量的无功连续补偿。该种方式是通过DSTATCOM与TSC的组合来扩大DSTATCOM的无功调节范围，以降低STATCOM控制复杂度，降低成本。但这只是对无功功率进行控制，不具备谐波抑制功能，同时由于均采用星型接线，不具备负序抑制功能。是一种有源无功和无源无功的组合，而且由于其有源补偿是采用变压器降压补偿的方式，其响应时间和效果都会受到影响，而且由于变压器的存在，损耗、噪声和占地面积都会很大。

在当前IGBT等全控器件的电压电流水平有限的前提下，通过混合补偿，是降低全控型补偿器的容量，减少在工程应用中的实施难度，并降低投资的有效途径。但是，目前对于混合补偿技术的研究主要集中在低压侧的无功功率补偿方面，还没有高压直挂式配网的有源谐波治理的使用报道。因此利用级联SVG的优势，并将其扩展到谐波治理应用领域，并与SVC的结合实现高压配网大容量的无功、谐波和负序的综合治理是当前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电能质量一体化治理方法，该方法不仅仅能够针对无功进行补偿，还能实现谐波和负序的补偿。同时，由于无功和谐波都是采用高压侧连续可调的直接补偿，由于没有变压器的引入，因此补偿速度较快。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电能质量一体化治理方法的技术实现方案，一种电能质量一体化治理方法，具体包括以下步骤：

S10：将静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器相互并联地连接在电网电源与负载之间的电网上，由固定补偿器和晶闸管控制电抗器组成静止无功补偿器；

S11：晶闸管控制电抗器以静止无功发生器与固定补偿器之间的电网无功和负序电流为补偿对象；

S12：静止无功发生器以电网电源与静止无功发生器之间的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足；

S13：静止无功发生器以固定补偿器与晶闸管控制电抗器之间的电网谐波为控制对象，滤除负载和晶闸管控制电抗器产生的谐波，以及补偿固定补偿器吸收后的其他谐波。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，前述步骤S10还进一步包括以下步骤：

S101：将一个或两个以上的H桥单元相互串联组成静止无功发生器的一相，将直流支撑电容并联在H桥单元的两端；

S102：将电容和电抗相互串联组成固定补偿器的一相；

S103：将由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体和相控电抗器相互串联组成晶闸管控制电抗器3的一相。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，电网采用三相电网，静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器均采用三相结构，将三相的静止无功发生器采用星型连接方式与三相电网相连。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，当电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负载不平衡的补偿时，电能质量一体化治理装置工作在基波域；而当电能质量一体化治理装置进行非线性负载谐波以及晶闸管控制电抗器3调节时引起的谐波动态治理时，电能质量一体化治理装置工作在谐波域。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，当电能质量一体化治理装置工作在谐波域时，通过固定补偿器支路谐波吸收通道和静止无功发生器发出的补偿谐波通道吸收谐波。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，静止无功发生器和固定补偿器采用分频补偿的方法对不同频率的谐波进行补偿，静止无功发生器通过检测负载和晶闸管控制电抗器调节引起的谐波电流，控制静止无功发生器输出相应的谐波电压；该谐波电压通过作用于连接电抗，产生一个与负载谐波电流和晶闸管控制电抗器谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的谐波电流为零流。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，选取需要补偿负载的无功功率平均值的1/6~1/3作为静止无功发生器的基波容量，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算静止无功发生器能够输出的相电压U_INV：

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥U_{\mathrm{INV}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ωL}\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元的串联个数，V_DC为直流侧电压，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算电网电压的最低值U_SNmin：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }$

其中，k_b为整流充电的波形系数，V_DCmin为直流侧最低电压，N_1-max为每相H桥单元个数N₁的最大值，向大的方向取整数。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算静止无功发生器的等效连接电抗L的最大值L_max：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }$

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ω}{L}_{\max }\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，k_b为整流充电的波形系数，V_DC-min为直流侧最低电压，N_1-max为每相H桥单元个数N₁的最大值，向大的方向取整数，U_SN为电网相电压的最大有效值，V_DC为直流侧电压，U_SN-min为电网电压最低值，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元的串联个数，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算静止无功发生器的等效连接电抗L的最小值L_min：

$L\≥V_{\mathrm{DC}}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·I_{S0}\·x\%}$

其中，x%为连接电抗L脉动电流占额定电流比率，V_DC为直流侧电压，f_k为每相调制的等效开关频率，I_S0为额定电流，

为等效连接电抗L上的电流变化率。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算所述静止无功发生器中H桥单元中开关器件的额定电流I_max：

$I_{\max }\≥k_y\·[I_{s1}\cos \mathrm{\ωt}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}\left(I_{\mathrm{sn}}\cos \mathrm{n\ωt}\right)]$

其中，k_y为裕量系数，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，将静止无功发生器中H桥单元中开关器件的额定电流的裕量系数k_y控制在k_y∈[1.2,1.5]范围内。

作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，当电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿时，静止无功发生器采用分类协调解耦方法，分类协调解耦方法包括以下过程：

（A）：如果dQ_L/dt≥dQ_SVG/dt，则

（B）：如果dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，同时I_q(k)·I_q(k+1)＞0，

则： $I_q{(k+1)}_{\max }=k_{\mathrm{\Δ}}(I_q\left(k\right)-I_q^{*})+I_q\left(k\right),$   $I_q^{*}=I_q^{*};$

 （C）：如果dQ_L/dt＜dQL_SVG/dt，同时I_q(k)·I_q(k+1)≤0，

则： $I_q{(k+1)}_{\max }=I_q^{*},$   $I_q^{*}=I_q^{*},$

其中，dQ_L/dt为负载的无功变化率，dQ_SVG/dt为静止无功发生器的无功调节变换率，T_SVG为其静止无功发生器的阶跃响应时间，

为给定无功电流，I_q(k+1)为k+1时刻的基波无功电流，I_q(k)为k时刻静止无功发生器发出的无功电流，为静止无功发生器的额定容量，k_Δ为无功电流的变化率，I_q(k+1)_max为k+1时刻的无功电流门槛限制值。

通过实施上述本发明一种电能质量一体化治理方法的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明采用基于H桥单元4级联，静止无功发生器1能够直接连接到高压系统，不需要变压器隔离，响应时间快，补偿效果好；

（2）本发明采用基于H桥单元4级联，静止无功发生器1由于是多个H桥逆变单元的串联，等效开关频率是低压方式的几十倍，可以实现无功和谐波同时补偿，补偿带入的开关频率谐波少；

（3）本发明采用基于H桥单元4级联，静止无功发生器1和基于晶闸管控制电抗器3的静止无功补偿器并联在高压系统进行直接补偿，通过协同控制，可以通过静止无功补偿器补偿大部分变换稍慢的无功功率，从而降低了静止无功发生器1的容量，降低了成本和研发难度；

（4）本发明由于晶闸管控制电抗器3可以分相控制补偿负序，而静止无功发生器1可以补偿谐波，两者均可以补偿无功功率，因此总的系统可以同时补偿无功、谐波和负序。

附图说明

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。

图1是现有技术1一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的系统结构组成框图；

图2是现有技术2适用于高压系统的谐波和无功动态治理控制器及控制方法的电路原理图；

图3是现有技术3大容量无功补偿和谐波抑制综合系统及其控制方法的电路原理图；

图4是现有技术4一种混合型电能质量治理方法的电路原理图；

图5是现有技术5配电静止同步补偿器与晶闸管投切电容器组成的混合系统的电路原理图；

图6是本发明电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的主电路原理图；

图7是本发明电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的HVSHC综合电气模型电路原理图；

图8是本发明电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的HVSHC基波域电气模型电路原理图；

图9是本发明电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的HVSHC谐波域电气模型电路原理图；

图中：1-静止无功发生器，2-固定补偿器，3-晶闸管控制电抗器，4-H桥单元，5-电网电源，6-负载。

具体实施方式

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。

如附图6至附图9中所示，给出了本发明一种电能质量一体化治理方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

对于6kV、10kV、35kV、55kV和66kV的高压系统负载进行无功功率、谐波和负序的综合补偿，需要补偿容量大、响应时间快。而采用变压器降压，再在低压侧补偿的方式，会由于变压器的存在而影响补偿效果，例如延缓了响应速度，降低了对闪变的抑制效果等。同时由于变压器会带入的铜耗和铁耗，使得运行成本增加。为了实现高压侧无功、谐波和负序的大容量直接补偿，改变以往高压侧谐波采用变压器降压有源补偿的现状。本发明结合静止无功补偿器的廉价大容量和静止无功发生器的快速全控两者的优势，提出了一种基于晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器和基于H桥单元级联的静止无功发生器型高压配网混合电能质量一体化治理装置（High Voltage Suspend Hybrid Compensator-HVSHC）的控制方法。其中晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器主要对负序和慢速变化的无功进行补偿，而静止无功发生器主要对谐波和快速变换的无功进行补偿。两者通过协同控制从而实现对无功、谐波和负序电流的综合补偿，全面改善功率因数、稳定电压、减少电压闪变率、畸变和不平衡等电能质量指标。

如附图6所示是本发明所应用的一种电能质量一体化治理装置的具体实施方式，包括：静止无功发生器1和静止无功补偿器。静止无功补偿器又进一步包括固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3。电网为三相电网，电网电源5为三相电网电源。静止无功发生器1、固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3均采用三相结构。静止无功发生器1、固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3相互并联在电网电源5与负载6之间的三相电网上。每相的静止无功发生器1包括一个或两个以上相互串联的H桥单元4，H桥单元4的两端并联有直流支撑电容。每相的固定补偿器2包括相互串联的电容和电抗。每相的晶闸管控制电抗器3包括相控电抗器和由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体，可控阀体和相控电抗器串联连接。三相的静止无功发生器1进一步采用星型连接方式与三相电网相连。三相的晶闸管控制电抗器3采用三角型连接方式与三相电网相连。

附图6中的u_s、Z_s、i_s代表电源的电压、阻抗和电流，而i_L代表非线性负载电流。电能质量一体化治理装置的主电路图中包括三个部分，左边的静止无功发生器1由n个H桥逆变器单元串联而成。图中i_G为静止无功发生器1发出的电流，L_a、L_b、L_c分别代表三相连接电抗，C_a1、C_a2……C_an，C_b1、C_b2……C_bn和C_c1、C_c2……C_cn分别为各相n个H桥逆变器的直流支撑电容。中间的是由电容和电抗组成的固定补偿支路（Fixed Capacitor-FC），兼做LC滤波器，i_F为其输出电流。最右边的为晶闸管控制电抗器3支路，其与固定补偿器2构成静止无功补偿器（Static Var Compensator-SVC）。其中晶闸管控制电抗器3由m个晶闸管组串联的可控阀体和相控电抗器（L_a1、L_a2、L_b1、L_b2、L_c1、L_c2)组成，采用三角型连接，其输出的电流为i_T。

在附图6中，晶闸管控制电抗器3以静止无功发生器1与固定补偿器2之间A处的电网无功功率为控制对象通过控制三角型接线的晶闸管控制电抗器3，实现A处无功和负序电流的补偿。静止无功发生器1以电网电源5与静止无功发生器1之间C处的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足。静止无功发生器1以固定补偿器2与晶闸管控制电抗器3之间B处的电网谐波为控制对象，开环补偿负载6和晶闸管控制电抗器3产生的谐波，以及补偿固定补偿器2吸收后的其他谐波。以B处为对象进行控制主要是因为晶闸管控制电抗器3是一个谐波源，而固定补偿器2又兼做LC滤波器，可以滤除某些谐波，为防止静止无功发生器1和固定补偿器2在谐波治理上的耦合而考虑。这样静止无功发生器1可以补偿除固定补偿器2构成的K次滤波器外的其他次谐波，其中K为固定补偿器2中电感和电抗的调谐频率次数。通过它们组合控制，使得稳态的和变化较慢的无功功率由廉价的静止无功补偿器进行补偿，而静止无功发生器1只补偿静止无功补偿器来不及补偿的无功功率。而且负序电流基本由静止无功补偿器进行补偿，而静止无功发生器1则采用星型接线，不再考虑负序治理，降低了静止无功发生器1的容量和控制复杂性。同时，这种配置，当其中某一部分出现故障停机时不影响其余部分的工作。

如附图7所示是电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的综合电气模型电路原理图。电能质量一体化治理装置作为一种高性能的谐波及无功综合动态补偿系统，兼顾了静止无功补偿器和静止无功发生器的优势，则电能质量一体化治理装置必然能够抑制非线性负荷变化造成的电压波动、补偿无功功率，降低电网谐波等。同时，由于电弧炉等冲击性负荷的存在，经常导致电网三相负载不平衡。当电能质量一体化治理装置在进行不平衡补偿时，需要晶闸管控制电抗器采用分相控制，各相的导通角不一致，从而引起电网谐波电流的不平衡，因此电能质量一体化治理装置实现谐波动态治理时应充分考虑负荷的类型。由于电能质量一体化治理装置主要针对配电网的中高压系统，一般情况下系统的供电电压是三相对称的，因此在分析过程中仅考虑电网三相电压对称的情况，首先考虑三相负荷对称的情况。

将静止无功发生器1的交流等效回路进行分为基波和谐波两部分，结合负载6和固定补偿器2，可得到电能质量一体化治理装置的综合电气模型如附图7所示。图中，u_s、u_SVGf、u_SVGh（分别为电网电压、逆变器交流侧电压的基波电压和谐波电压；i_TCRh、i_Lh分别为晶闸管控制电抗器3调节时引起的谐波电流和非线性负荷引起的谐波电流。其中，晶闸管控制电抗器3采用三角型接法，所述的谐波电流值是指相电流。i_s、i_F、i_L、i_G、i_TCR、i_L分别为电网电流、流经固定补偿器2的电流、负载6的电流、静止无功发生器1的输出电流、晶闸管控制电抗器3的电流以及负载6的电流。其中i_TCR为基波电流i_TCRf和谐波电流i_TCRh，i_L也分为基波i_Lf和谐波i_Lh；Z_S为电网等效阻抗，采用电抗和电阻相串联的形式；Z_F为固定补偿器2的等效阻抗；Z_G为连接电抗器的等效阻抗。采用电抗和电阻相串联的等效模型，Z_TCR为电抗器的等效阻抗，Z_L非线性负载的等效阻抗。

当电网三相负荷不平衡时，电能质量一体化治理装置工作在补偿负载不平衡状态，此时晶闸管控制电抗器3动态改变导通角导致电网谐波电流不对称。电能质量一体化治理装置中有源部分需要工作在合适的控制模式下进行不对称谐波的治理。类似于不平衡的基波负荷，不对称谐波电流同样可以等效为谐波正序分量和负序分量，正序分量和负序分量对于电能质量一体化治理装置的电气模型来讲是一致的。因此，当负荷不平衡，电能质量一体化治理装置进行不平衡补偿时的系统电气模型与进行电压支撑、动态调节无功功率时的电气模型相同，都如附图7所示。只是在这种情况下，需要合理的谐波检测方式，把不平衡的谐波电流准确检测出来，就能实现对谐波的有效治理。

对于电能质量一体化治理装置而言，无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负荷不平衡的补偿等功能都是电能质量一体化治理装置工作在基波域。而对非线性负载谐波以及TCR调节时引起的谐波进行动态治理，电能质量一体化治理装置是工作在谐波域。因此，根据戴维南定理，可以对电能质量一体化治理装置的无功补偿特性及谐波治理特性分别进行分析。仅考虑基波情况时，即电能质量一体化治理装置进行无功补偿，电能质量一体化治理装置有源部分谐波电压源u_SVGh等效为短路。负载6谐波电流源及晶闸管控制电抗器3调节时产生的谐波电流源等效为开路。由电能质量一体化治理装置系统的综合电气模型可知。如附图8所示是本发明电能质量一体化治理装置一种具体实施方式基波域电气模型电路原理图，其中i_Gf、Z_Gf为静止无功发生器1发出的基波电流和基波阻抗。

此时，电能质量一体化治理装置等效于一个典型的静止无功发生器1、固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3并联电路。对于静止无功发生器1来说，晶闸管控制电抗器3和固定补偿器2都是它的负载。而对于晶闸管控制电抗器3的闭环控制来说，固定补偿器2是它的负载。而且，由于静止无功发生器1的响应时间比晶闸管控制电抗器3要快，静止无功发生器1完全可以补偿晶闸管控制电抗器3发出的无功功率。两者没有耦合或产生振荡。同时由于晶闸管控制电抗器3和固定补偿器2是无源补偿，其输出的功率和电压u_pcc相关。当电压高时其输出的电流大，而电压小时输出的电压小。而静止无功发生器1恰恰与其相反，当电压高时能输出的最大容性电流小，而电压小时能输出的最大容性电流大。两者的并联正好可以缓解整个装置受电压的影响程度。

电能质量一体化治理装置除了能进行快速无功补偿，还具有谐波动态抑制的功能，如附图9所示是电能质量一体化治理装置一种具体实施方式的谐波域电气模型电路原理图。图中，u_sh为电网谐波电压、u_pcch为公共连接点处谐波电压；Z_Sh为电能质量一体化治理装置在谐波域的等效阻抗；i_Sh为电网谐波电流；i_Gh、Z_Gh为静止无功发生器1发出的谐波电流和谐波；i_Fh、Z_Fh为固定补偿器2吸收的谐波电流和谐波阻抗。其余变量的含义与附图7中定义的一致。

由附图7可知吸收谐波的通道有两个，一个是固定补偿器2支路对某些次谐波成低阻抗特性而分流吸收这类谐波，另一类是静止无功发生器1发出的补偿谐波。因此两者在这类谐波上存在耦合，最坏的情况就是静止无功发生器发出的谐波全部被固定补偿吸收而存在补偿环流，为了避免这种情况出现，采用的是分频补偿的方法。分频补偿方法就是固定补偿器2和静止无功发生器1不对同一频率的谐波进行补偿，即静止无功发生器1补偿固定补偿器2不吸收的其它次谐波。针对附图9来说，有：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Sh}}=i_{\mathrm{Gh}}+i_{\mathrm{Fh}}+i_{\mathrm{TCRh}}+i_{\mathrm{Lh}}\\ u_{\mathrm{Sh}}=u_{\mathrm{pcch}}+i_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Sh}}\\ u_{\mathrm{pcch}}=u_{\mathrm{SVGh}}+i_{\mathrm{Gh}}\·Z_{\mathrm{GH}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

根据总的作用效果等于各个电源作用效果的和，可知i_Sh可用下式表示。

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Fh}})(i_{\mathrm{Lh}}+i_{\mathrm{TCRh}})+(Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Fh}})u_{\mathrm{Sh}}-Z_{\mathrm{Fh}}\·u_{\mathrm{SVGh}}}{Z_{\mathrm{Gh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}}---\left(2\right)$

电能质量一体化治理装置中静止无功发生器1部分的谐波工作过程是，通过检测负载6及晶闸管控制电抗器3调节引起的谐波电流，控制晶闸管控制电抗器1逆变器输出一个相应的谐波电压。通过作用于连接电抗L_a、L_b、L_c，产生一个与负载6谐波电流和晶闸管控制电抗器3谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的谐波电流为零。因此，电能质量一体化治理装置的静止无功发生器部分可以等效的看成一个谐波电流控制的电压源。静止无功发生器1的输出谐波电压作用于连接电抗，从而得到了需要注入电网的谐波电流。静止无功发生器1输出谐波电压与补偿电流间会发生相位的偏移，因此将电能质量一体化治理装置有源部分的表达式看成检测到的负载及晶闸管控制电抗器3调节引起谐波电流与一个等效控制系数K的乘积，K为一矢量，包含了幅度和相位信息。

u_SVGh＝K·(i_Lh+i_TCRh)（3）

式中，K为等效控制系数，假设i_Lh+i_TCRh不包括固定补偿器2调谐次的谐波，把上式带入式（2）。

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Fh}}-K\·Z_{\mathrm{Fh}})(i_{\mathrm{Lh}}+i_{\mathrm{TCRh}})+(Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Fh}})u_{\mathrm{Sh}}}{Z_{\mathrm{Gh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}}---\left(4\right)$

由于高压配电系统供电系统的背景谐波电压含量较低，因此u_Sh的值很少，忽略此值的影响，式（4）可以简化为

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Fh}}-K\·Z_{\mathrm{Fh}})(i_{\mathrm{Lh}}+i_{\mathrm{TCRh}})}{Z_{\mathrm{Gh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Sh}}\·Z_{\mathrm{Fh}}}---\left(5\right)$

根据上式（5）可知，合理的控制电能质量一体化治理装置的有源部分，可以达到电网谐波电流为零的控制目标。静止无功补偿器和静止无功发生器1的容量分配与负载6的特性有关。若负载6的无功变换较为平缓，静止无功补偿器完全满足补偿的需求，则静止无功补偿器承担所有的无功补偿容量，而静止无功发生器1配合静止无功补偿器中的固定补偿器2来治理谐波，其容量根据所需要补偿的谐波大小来计算，等效于静止无功补偿器和有源电力滤波器的组合。倘若负载6的无功冲击变换快，例如电弧炉负载，则需要静止无功发生器1的容量越大。在实际进行无功补偿容量的配置时，为了提高性价比，都是以测试所得的平均无功功率为设计目标，而不是以最大值或者是95%的概率最大值来设计。因此在进行混合系统的容量设计时，仍以平均无功功率为总设计容量。在电能质量一体化治理装置混合系统中的静止无功发生器1的容量大小与目前的闪变值成正比，即闪变大则要求静止无功发生器1的容量越大。按照实践经验，取总的静止无功发生器1进一步为基波容量与补偿谐波所需容量的和，静止无功发生器1的基波容量为需要补偿负载6的无功功率平均值的的1/6~1/3，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。

静止无功发生器1能输出的容量主要决定于其能输出的最高电压、等效连接电抗L的大小、每相的H桥单元4的串联个数N₁、各直流侧电压V_DC等因素相关，下面通过一个具体实施例来分析他们的关系。

静止无功发生器1能够输出的相电压U_INV进一步按照以下公式计算：

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥{U_{\mathrm{INV}}\≥U}_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ω}L\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元4的串联个数，V_DC为直流侧电压，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

假设电网相电压的最大有效值为U_SN，需要补偿的基波无功电流为I_S1，需要补偿的谐波电流分别为3次、5次、7次、11次和13次，其大小分别为I_S3、I_S5、I_S7、I_S11、I_S13。考虑最恶劣的情况为所有次电流的峰值叠加，其SVG应该输出的相电压U_INV需满足：

$U_{\mathrm{INV}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ωL}\·I_{s1}+\underset{n=\mathrm{3,5,7,11,13}}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})---\left(6\right)$

同时，在设计时不考虑过调制系数，SVG将能输出的电压为：

U_INV≤N₁·V_DC    （7）

另外，由于链式级联的静止无功发生器1采用高压自供电的方式以实现高低压的绝缘，高电位的取电回路一般需要一个自然整流的最低电压以保证其能工作，这就决定了N₁的最大值。比如取自供电需要直流侧电压达V_DC-min才能正常工作，这就要求在电网电压最低值U_SN-min满足：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }---\left(8\right)$

上式中k_b为整流充电的波形系数，最高可取

但考虑线路电压损耗和各个直流侧不不均衡等，保守取值为1.2。另一个参数N_1-max为每相H桥单元4的个数N₁的最大值，通过计算向大的方向取整数。

结合上述分析，根据式（8）计算得到每相H桥单元4的个数N₁的值，再根据式（6）和（7）可求出L的最大值L_max。

静止无功发生器1的等效连接电抗L的最大值L_max进一步按照以下公式进行计算：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }$

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ω}{L}_{\max }\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，k_b为整流充电的波形系数，V_DC-min为直流侧最低电压，N_1-max为每相H桥单元4个数N₁的最大值，向大的方向取整数，U_SN为电网相电压的最大有效值，V_DC为直流侧电压，U_SN-min为电网电压最低值，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元4的串联个数，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

另外考虑等效连接电抗脉动电流按照额定电流的x%考虑，考虑电抗允许的脉动限制，可求出L的最小值L_min。

静止无功发生器1的等效连接电抗L的最小值L_min进一步按照以下公式进行计算：

$L\≥V_{\mathrm{DC}}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·I_{S0}\·x\%}$

其中，x%为等效连接电抗L脉动电流占额定电流比率，V_DC为直流侧电压，f_k为每相调制的等效开关频率，I_S0为额定电流，为等效连接电抗L上的电流变化率。

此时考虑级联采用SPWM（正弦脉宽调制）移相控制，则每次电压的变化量为一个模块上的直流电压值V_DC。假设此时每相调制的等效开关频率为f_k，而额定电流为I_S0。则有：

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}\≥\mathrm{\Δu}=V_{\mathrm{DC}}---\left(9\right)$

$L\≥V_{\mathrm{DC}}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·I_{S0}\·x\%}---\left(10\right)$

由式（10）可得到L_min，结合L_max值可得到L的选值范围，再根据性价比选择具体的数值。当然电抗值越少，反应速度越快，但对控制器的精度要求越高。

静止无功发生器1中H桥单元4中开关器件的额定电流I_max进一步按照以下公式进行计算：

$I_{\max }\≥k_y\·[I_{s1}\cos \mathrm{\ωt}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}\left(I_{\mathrm{sn}}\cos \mathrm{n\ωt}\right)]$

其中，k_y为裕量系数，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。静止无功发生器1中H桥单元4中开关器件的额定电流的裕量系数进一步满足k_y∈[1.2,1.5]。

上述推导确定了级联个数及其等效连接电抗，而器件电流大小等级的选取和它们没有关系，只需要按照所需要补偿的无功功率、谐波的大小和所考虑的裕量来确定。设计时，假设各次谐波和基波是同相位的，通过仿真可知在所需要补偿的基波电流有效值和各次谐波电流有效值下的峰值和作为IGBT的最大可关断电流值（俗称额定电流），并考虑裕量系数k_y，即可得到所需器件的额定电流I_max。如下式(11)所示，实际中裕量系数只需要满足可取k_y∈[1.2,1.5]即可。

$I_{\max }\≥k_y\·[I_{s1}\cos \mathrm{\ωt}+\underset{n=\mathrm{3,5,7,11,13}}{\mathrm{\Σ}}\left(I_{\mathrm{sn}}\cos \mathrm{n\ωt}\right)]---\left(11\right)$

静止无功补偿器和静止无功发生器的动态性能差异较大，其动态响应时间也不同。由前面的分析可知在补偿无功时，静止无功补偿器的响应时间在60ms左右，而静止无功发生器在10ms左右。虽然按照附图6所述其补偿目标点所取位置不一致，相当于对静止无功发生器来说，静止无功补偿器就是一个无功负载。该种控制方式从全局的补偿效果是良好的，但是从局部来看它们的控制目标也会发出相互影响，从而使得两者的动态性能发生相互影响，可能出现以下三种情况：

（1）对于负载6的无功变化率dQ_L/dt慢于静止无功补偿器的无功调节变换率dQ_SVG/dt的场合来说，静止无功补偿器完全能跟踪补偿掉负载6的无功功率，而静止无功发生器1基本只补偿静止无功补偿器补偿后的无功功率，不对其控制造成影响；

（2）对于负载6的无功变化率大于静止无功补偿器而小于静止无功发生器1的无功调节率dQ_SVG/dt来说，由于静止无功补偿器不能跟踪补偿，而恰好静止无功发生器1的跟踪速度能满足，此时静止无功发生器1能利用自身的容量抑制部分无功突变，这弥补了静止无功补偿器速度的不足；

（3）对于负载6的无功变化率大于静止无功发生器1的无功调节率来说，由于补偿几乎跟踪不上变化.此时若跟踪实时无功补偿可能导致无功变化的增剧，即使不加剧也使得补偿的效果不理想。而容量设置时并不是按照最大的容量去考虑的，若此时静止无功发生器1只补偿谐波，则整体效果更好。

在上述三种情况中，第三种情况是需要避免的，这是需要调节的第一个要求。而在第2中情况下，由于静止无功发生器1的响应速度快，其会率先做出响应，从而使自身进入极限输出状态，而此时静止无功补偿器并没有开始动作。而静止无功补偿器以负载6为补偿对象，等其进行输出补偿无功后，静止无功发生器1的补偿才降下来，这对于小容量静止无功发生器来说，其常工作于最大感性电流和最大容性电流这两种极端工况，这种工况也会严重影响其对谐波的抑制效果。这就要求在对电网造成波动小的无功功率的冲击下，静止无功发生器1不能进行极限输出，而需要留足裕量去跟踪补偿谐波或者下一个时刻的无功变换，这是需要调节的第二个要求。

为了满足上节第一个要求，加入对负载6无功变化率dQ_L/dt和静止无功发生器1的无功调节变换率dQ_SVG/dt的比较作为一个判断条件，而dQ_SVG/dt可通过式(12)求取。

dQ_SVG/dt=2Q_SVG/T_SVG（12）

上式中2Q_SVG表示静止无功发生器1从容性最大到感性最大的变化值，为其额定容量的两倍，而T_SVG为其阶跃响应的时间，这与装置本身和背景电网有关。虽然静止无功发生器1本身的响应时间为5ms~10ms，但考虑背景和直流侧波动影响实际调节过程，综合考虑取值为10ms。

若负载6的无功变化率大于静止无功发生器1的无功调节变化率时，静止无功发生器不再补偿无功功率，即将给定无功电流

置为零，见式（13）；否则不改变给定无功电流

的值，见式（14）。

IFdQ_L/dt≥dQ_SVG/dt，THEN $I_q^{*}=0---\left(13\right)$

IFdQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，THEN $I_q^{*}=I_q^{*}---\left(14\right)$

为了满足第二个要求，需要引入自适应模糊逻辑算法来对下时刻的电压波动ΔU(k+1)来做预测，根据ΔU(k+1)的结果来逐步改变允许静止无功发生器1在k+1时刻输出的无功变化量的限制值

从而可以得到k+1时刻的电压和静止无功发生器1需要输出的无功功率量。

U(k+1)＝U(k)+ΔU(k+1)（15）

$Q_{\mathrm{SVG}}^{^}(k+1)=Q_{\mathrm{SVG}}^{^}\left(k\right)+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{SVG}}^{^}(k+1)---\left(16\right)$

联合(15)和(16)可得到预测的k+1的基波无功电流，如式（17）所示。

$I_q(k+1)=Q_{\mathrm{SVG}}^{^}(k+1)/U(k+1)---\left(17\right)$

结合k时刻静止无功发生器1发出的实际电流I_q(k)和静止无功发生器1额定容量

从而得到第k+1时刻无功电流的变化量和目前静止无功发生器1还能再发出的无功电流量需要按照（18）式变化。其中k_Δ为变化率，根据实际调节效果取值，例如调节周期为100us时，

可取值为2%-10%。

$\frac{I_q(k+1)-I_q\left(k\right)}{I_q\left(k\right)-I_q^{*}}\≤k_{\mathrm{\Δ}}---\left(18\right)$

利用式（18）则可知下一个时刻的无功电流的门槛限制值为：

$I_q{(k+1)}_{\max }=k_{\mathrm{\Δ}}(I_q\left(k\right)-I_q^{*})+I_q\left(k\right)---\left(19\right)$

因此，为满足第二个条件按照如下规则进行调节：

IF dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，AND I_q(k)·I_q(k+1)＞0，

THEN $I_q{(k+1)}_{\max }=k_{\mathrm{\Δ}}(I_q\left(k\right)-I_q^{*})+I_q\left(k\right)---\left(20\right)$

IF I_q(k)·I_q(k+1)≤0，

THEN $I_q{(k+1)}_{\max }=I_q^{*}---\left(21\right)$

因此，联合式（13）、（14）、（20）、（21）可得到总的规则如下：

IF dQ_L/dt≥dQ_SVG/dt，THEN $I_q^{*}=0---\left(22\right)$

IF dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，AND I_q(k)·I_q(k+1)＞0，

THEN $I_q{(k+1)}_{\max }=k_{\mathrm{\Δ}}(I_q\left(k\right)-I_q^{*})+I_q\left(k\right),I_q^{*}=I_q^{*}---\left(23\right)$

IF  dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，AND  I_q(k)·I_q(k+1)≤0，

THEN $I_q{(k+1)}_{\max }=I_q^{*},$   $I_q^{*}=I_q^{*}---\left(24\right)$

其中，dQ_L/dt为负载6的无功变化率，dQ_SVG/dt为静止无功发生器1的无功调节变换率，T_SVG为其静止无功发生器1的阶跃响应时间，

为给定无功电流，I_q(k+1)为k+1时刻的基波无功电流，I_q(k)为k时刻静止无功发生器1发出的无功电流，

为静止无功发生器1的额定容量，k_Δ为无功电流的变化率，I_q(k+1)_max为k+1时刻的无功电流门槛限制值。

一种利用附图6所示的电能质量一体化治理装置进行电能质量一体化治理的方法的具体实施方式，包括以下步骤：

S10：将静止无功发生器1、固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3相互并联地连接在电网电源5与负载6之间的电网上，由固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3组成静止无功补偿器；

S11：所述晶闸管控制电抗器3以静止无功发生器1与固定补偿器2之间的电网无功和负序电流为补偿对象；

S12：所述静止无功发生器1以电网电源5与静止无功发生器1之间的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足；

S13：所述静止无功发生器1以固定补偿器2与晶闸管控制电抗器3之间的电网谐波为控制对象，滤除负载6和晶闸管控制电抗器3产生的谐波，以及补偿固定补偿器2吸收后的其他谐波。

其中，电网采用三相电网，静止无功发生器1、固定补偿器2和晶闸管控制电抗器3均采用三相结构，将三相的静止无功发生器1采用星型连接方式与三相电网相连。

步骤S10还进一步包括以下步骤：

S101：将一个或两个以上的H桥单元4相互串联组成静止无功发生器1的一相，将直流支撑电容并联在H桥单元4的两端；

S102：将电容和电抗相互串联组成固定补偿器2的一相；

S103：将由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体和相控电抗器相互串联组成晶闸管控制电抗器3的一相。

当电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负载不平衡的补偿时，电能质量一体化治理装置工作在基波域；而当电能质量一体化治理装置进行非线性负载谐波以及晶闸管控制电抗器3调节时引起的谐波动态治理时，电能质量一体化治理装置工作在谐波域。当电能质量一体化治理装置工作在谐波域时，通过固定补偿器2支路谐波吸收通道和静止无功发生器1发出的补偿谐波通道吸收谐波。

静止无功发生器1和固定补偿器2进一步采用分频补偿的方法对不同频率的谐波进行补偿，静止无功发生器1通过检测负载6和晶闸管控制电抗器3调节引起的谐波电流，控制静止无功发生器1输出相应的谐波电压；该谐波电压通过作用于连接电抗，产生一个与负载6谐波电流和晶闸管控制电抗器3谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的谐波电流为零。

作为一种较佳的实施方式，选取需要补偿负载6的无功功率平均值的1/6~1/3作为静止无功发生器1的基波容量，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。

进一步通过以下公式计算静止无功发生器1能够输出的相电压U_INV：

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥U_{\mathrm{INV}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ωL}\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元4的串联个数，V_DC为直流侧电压，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

进一步通过以下公式计算电网电压的最低值U_SN-min：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }$

其中，k_b为整流充电的波形系数，V_DC-min为直流侧最低电压，N_1-max为每相H桥单元4个数N₁的最大值，向大的方向取整数。

进一步通过以下公式计算静止无功发生器1的等效连接电抗L的最大值L_max：

$\frac{U_{\mathrm{SN}-\min }\·k_b}{N_{1-\max }}\≥V_{\mathrm{DC}-\min }$

$N_1\·V_{\mathrm{DC}}\≥U_{\mathrm{SN}}+\mathrm{\ω}{L}_{\max }\·I_{s1}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{n\ωL}\·I_{\mathrm{sn}})$

其中，k_b为整流充电的波形系数，V_DC-min为直流侧最低电压，N_1-max为每相H桥单元4个数N₁的最大值，向大的方向取整数，U_SN为电网相电压的最大有效值，V_DC为直流侧电压，U_SN-min为电网电压最低值，L为等效连接电抗值，N₁为每相H桥单元4的串联个数，U_SN为电网相电压的最大有效值，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

进一步通过以下公式计算静止无功发生器1的等效连接电抗L的最小值L_min：

$L\≥V_{\mathrm{DC}}\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·\mathrm{\Δi}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}}{f_k\·I_{S0}\·x\%}$

其中，x%为连接电抗L脉动电流占额定电流比率，V_DC为直流侧电压，f_k为每相调制的等效开关频率，I_S0为额定电流，

为等效连接电抗L上的电流变化率。

进一步通过以下公式计算所述静止无功发生器1中H桥单元4中开关器件的额定电流I_max：

$I_{\max }\≥k_y\·[I_{s1}\cos \mathrm{\ωt}+\underset{n=a,b,c,d......}{\mathrm{\Σ}}\left(I_{\mathrm{sn}}\cos \mathrm{n\ωt}\right)]$

其中，k_y为裕量系数，I_S1为需要补偿的基波无功电流，ω为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，I_sn为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

进一步将静止无功发生器1中H桥单元4中开关器件的额定电流的裕量系数k_y控制在k_y∈[1.2,1.5]范围内。

当电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿时，静止无功发生器1采用分类协调解耦方法，分类协调解耦方法包括以下过程：

（A）：如果dQ_L/dt≥dQ_SVG/dt，则

（B）：如果dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，同时I_q(k)·I_q(k+1)＞0，

则： $I_q{(k+1)}_{\max }=k_{\mathrm{\Δ}}(I_q\left(k\right)-I_q^{*})+I_q\left(k\right),$   $I_q^{*}=I_q^{*};$

（C）：如果dQ_L/dt＜dQ_SVG/dt，同时I_q(k)·I_q(k+1)≤0，

则： $I_q{(k+1)}_{\max }=I_q^{*},$   $I_q^{*}=I_q^{*},$

其中，dQ_L/dt为负载6的无功变化率，dQ_SVG/dt为静止无功发生器1的无功调节变换率，T_SVG为其静止无功发生器1的阶跃响应时间，

为给定无功电流，I_q(k+1)为k+1时刻的基波无功电流，I_q(k)为k时刻静止无功发生器1发出的无功电流，

为静止无功发生器1的额定容量，k_Δ为无功电流的变化率，I_q(k+1)_max为k+1时刻的无功电流门槛限制值。

通过本发明具体实施方式所描述的技术方案，相对于现有技术能够产生以下技术效果：

（1）本发明通过不同组合治理能够满足不同无功补偿需求。例如，对大型电弧炉系统，不仅需要进行大容量三相不平衡补偿，而且还需要进行闪变抑制，这就可以用TCR型SVC与SVG的组合进行治理。可以实现高压系统（6kV、10kV、27.5kV、35kV、55kV、66kV）的无功、谐波和负序的综合直接治理，直接补偿相对降低补偿，响应时间更快，效果更好；利用小容量的SVG和大容量的SVC相结合通过补偿目标分工和协同控制可以实现有源容量利用率最大化；

（2）本发明能够有效降低成本。SVC的成本比SVG低很多，但SVG的动态性能更好，在某些应用场合，可在满足所需动态性能的前提下，将部分容量的SVG用SVC来代替，从而降低工程实施难度和成本；混合系统容量分配及有源容量的计算方法适用于与无功和谐波综合补偿场合；

（3）本发明能够有效减少损耗。不同的并联无功补偿设备的损耗特性不同，特别是在空载时，TCR具有较大的损坏，而TSC和SVG则损耗较小，将他们进行组合应用，既可以满足补偿性能的需要，又能减少运行损耗；基于规则的SVC与SVG的协同控制建立了以负载无功变化率和对电压波动的预测这两个量为判据进行分类协调控制，以提高其补偿效果；

（4）本发明能够有效提高运行的灵活性。由于负载大都为感性负载，而SVG能工作在容性和感性两个区间，增加SVG后可以减少SVC中的柔性和感性两部分的容量，利用SVG能对补偿中动态部分作出及时反应，而采用SVC来应对稳态或者变化较慢的无功需求，从而提高了系统的响应速度；并利用SVG可滤除谐波的优势减少无源滤波支路；

（5）本发明由于采用H桥单元级联型静止无功发生器，因此不需要变压器，属于高压直接补偿范畴，可同时补偿谐波和无功；由于采用多个H桥单元逆变器级联，通过载波移相等调制策略等效果开关频率高，谐波抑制效果好；无功补偿是采用静止无功发生器和晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器的协同控制，响应时间快，最快可到5ms，补偿效果好；

（6）本发明的H桥单元由于采用高压自取能供电，不需要额外的整流供电环节，高低压无电气连接，安全性能好；

（7）本发明的无功和谐波都是采用高压侧连续可调的直接补偿，同时由于没有变压器引入，补偿速度较快，而且同时能补偿无功、谐波和负序；

（8）本发明不仅仅是针对无功的补偿，还能实现谐波和负序的补偿。同时由于无功和谐波都是采用高压侧连续可调的直接补偿，同时由于没有变压器引入，补偿速度较快。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (14)

1.一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：将静止无功发生器（1）、固定补偿器（2）和晶闸管控制电抗器（3）相互并联地连接在电网电源（5）与负载（6）之间的电网上，由固定补偿器（2）和晶闸管控制电抗器（3）组成静止无功补偿器；

S11：所述晶闸管控制电抗器（3）以静止无功发生器（1）与固定补偿器（2）之间的电网无功和负序电流为补偿对象；

S12：所述静止无功发生器（1）以电网电源（5）与静止无功发生器（1）之间的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足；

S13：所述静止无功发生器（1）以固定补偿器（2）与晶闸管控制电抗器（3）之间的电网谐波为控制对象，滤除负载（6）和晶闸管控制电抗器（3）产生的谐波，以及补偿固定补偿器（2）吸收后的其他谐波。

2.根据权利要求1所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，所述步骤S10还进一步包括以下步骤：

S101：将一个或两个以上的H桥单元（4）相互串联组成静止无功发生器（1）的一相，将直流支撑电容并联在H桥单元（4）的两端；

S102：将电容和电抗相互串联组成固定补偿器（2）的一相；

S103：将由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体和相控电抗器相互串联组成晶闸管控制电抗器（3）的一相。

3.根据权利要求2所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，所述电网采用三相电网，所述静止无功发生器（1）、固定补偿器（2）和晶闸管控制电抗器（3）均采用三相结构，将三相的静止无功发生器（1）采用星型连接方式与三相电网相连。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于：当所述电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负载不平衡的补偿时，电能质量一体化治理装置工作在基波域；而当电能质量一体化治理装置进行非线性负载谐波以及晶闸管控制电抗器（3）调节时引起的谐波动态治理时，电能质量一体化治理装置工作在谐波域。

5.根据权利要求4所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于：当电能质量一体化治理装置工作在谐波域时，通过固定补偿器（2）支路谐波吸收通道和静止无功发生器（1）发出的补偿谐波通道吸收谐波。

6.根据权利要求1-3、5中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于：所述静止无功发生器（1）和固定补偿器（2）采用分频补偿的方法对不同频率的谐波进行补偿，静止无功发生器（1）通过检测负载（6）和晶闸管控制电抗器（3）调节引起的谐波电流，控制静止无功发生器（1）输出相应的谐波电压；该谐波电压通过作用于连接电抗，产生一个与负载（6）谐波电流和晶闸管控制电抗器（3）谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的的谐波电流为零。

7.根据权利要求6所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于：选取需要补偿负载（6）的无功功率平均值的1/6~1/3作为静止无功发生器（1）的基波容量，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。

8.根据权利要求1-3、5、7中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器（1）能够输出的相电压                                               ：

 

其中，

为等效连接电抗值，为每相H桥单元（4）的串联个数，

为直流侧电压，

为电网相电压的最大有效值，为需要补偿的基波无功电流，

为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

9.根据权利要求8所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算电网电压的最低值：

  

其中，

为整流充电的波形系数，

为直流侧最低电压，

为每相H桥单元（4）个数

的最大值，向大的方向取整数。

10.根据权利要求8所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器（1）的等效连接电抗

的最大值

：

 

其中，

为整流充电的波形系数，

为直流侧最低电压，

为每相H桥单元（4）个数

的最大值，向大的方向取整数，

为电网相电压的最大有效值，

为直流侧电压，为电网电压最低值，为等效连接电抗值，为每相H桥单元（4）的串联个数，

为电网相电压的最大有效值，为需要补偿的基波无功电流，

为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，

为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

11.根据权利要求10所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器（1）的等效连接电抗的最小值

：

其中，为连接电抗脉动电流占额定电流比率，

为直流侧电压，

为每相调制的等效开关频率，

为额定电流，

为等效连接电抗

上的电流变化率。

12.根据权利要求1-3、5、7、9-11中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算所述静止无功发生器（1）中H桥单元（4）中开关器件的额定电流

：

其中，

为裕量系数，

为需要补偿的基波无功电流，

为角频率，a、b、c、d……为需要补偿的谐波电流次数，

为第n次需要补偿的谐波电流的有效值。

13.根据权利要求12所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于：将所述静止无功发生器（1）中H桥单元（4）中开关器件的额定电流的裕量系数

控制在

范围内。

14.根据权利要求1-3、5、7、9-11、13所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，当所述电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿时，所述静止无功发生器（1）采用分类协调解耦方法，所述分类协调解耦方法包括以下过程：

（A）：如果

， 则

；    

（B）：如果

，同时

，

则：

，

；    

（C）：如果，同时， 

则：

，

，

其中，为负载（6）的无功变化率，

为静止无功发生器（1）的无功调节

变换率，

为其静止无功发生器（1）的阶跃响应时间，

为给定无功电流，

为

时刻的基波无功电流，

为

时刻静止无功发生器（1）发出的无功电流，为静止无功发生器（1）的额定容量，

为无功电流的变化率，为时刻的无功电流门槛限制值。

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