CN102957156A - 动态无功补偿控制方法 - Google Patents

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CN102957156A CN2012104340164A CN201210434016A CN102957156A CN 102957156 A CN102957156 A CN 102957156A CN 2012104340164 A CN2012104340164 A CN 2012104340164A CN 201210434016 A CN201210434016 A CN 201210434016A CN 102957156 A CN102957156 A CN 102957156A
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殷晓华
奚昊
赵余仁
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JIANGSU CNS ELECTRIC POWER TECHNOLOGY CO LTD
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JIANGSU CNS ELECTRIC POWER TECHNOLOGY CO LTD
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Abstract

本发明涉及一种动态无功补偿控制方法，该控制方法通过在配电网中并接静止型动态无功补偿装置，然后实时监测该静止型动态无功补偿装置接入点的系统电压、负荷电流、晶闸管控制分离式电抗器的电流信号，实时计算出静止型动态无功补偿装置各相应该补偿的电纳值，从而实现对晶闸管控制分离式电抗器中晶闸管的触发角和并联晶闸管投切电容器中晶闸管开断的控制。本发明的显著特点是利用开环控制保证静止型动态无功补偿装置的动态响应时间，利用闭环控制保证整个装置的稳态精度，以确保静止型动态无功补偿装置的动态响应时间和稳态的精度。本发明可以应用于负荷变动快速、频繁的场合，具有良好的应用前景。

Description

动态无功补偿控制方法
技术领域
本发明涉及一种动态无功补偿控制方法。
背景技术
随着我国经济的持续增长，用电负荷迅速增加，用户无功需求也大幅度提高，这给本已缺电的我国电网带来更加严重的问题，因此静止型动态无功补偿装置的作用就显得日益突出。
工业静止型动态无功补偿装置（Static Var Compensator，以下简称SVC）的主要目标主要包括三个方面：抑制干扰负荷变化造成的电压波动和闪变；补偿负荷所需要的无功电流，改善功率因数；补偿有功和无功负荷的不平衡。工业SVC装置的响应时间在很大程度上决定了其补偿效果。然而，晶闸管导通角的固有延长时间是无法改变的，只能够进行优化的信号测量和调节部分。基于高性能微处理器（例如：DSP和64位RISC）的SVC控制器数字计算的时延基本可以忽略，因此SVC装置的响应时间主要决定于补偿策略。
负荷无功补偿算法一直是电力系统控制工作者研究的一个热点问题。经典的负荷补偿算法是C.P.Steinmetz平衡化原理，但是该理论仅在稳态（或准稳态）且正弦波的条件下成立。实际应用中，C.P.Steinmetz平衡化原理有多种实现方式，并且工程实践也表明，基于平均值功率理论的实现方式对电弧炉这样的负荷也有较好的补偿效果。多年来，众多学者对负荷补偿算法进行了更加深入的研究，提出了多种补偿算法。Arindam Ghosh等提出了一种基于瞬间对称分量的负荷补偿算法，仿真表明该方法也可实现平衡化和功率因素校正的目的。薛惠提出的基于平均功率的瞬时无功理论也可实现平衡化和功率因素校正，其出发点与Toshihiko Tanaka的理论是类似的。孙卓提出的基于FBD理论的负荷补偿算法主要针对电气化铁路补偿，实验结果表明该负荷补偿算法的正确性。另外，还有传统的基于傅立叶分析的补偿方法等。
这些负荷补偿算法都各具特点，都有各自的适用领域，但它们都属于开环控制，或者称为前馈控制，实际应用中都很难保证动态无功补偿的精度。
发明内容
本发明根据工业一般工业负荷的补偿要求，提出了基于一种瞬时值的负荷补偿原理，进而提出了一种开环和闭环同时进行控制的、能够实现快速和高精度的动态无功补偿控制方法，一克服现有技术中的不足之处。
按此目的的设计的一种动态无功补偿控制方法，器特征在于该控制方法通过在配电网中并接一静止型动态无功补偿装置（SVC），然后实验检测该静止型动态无功补偿装置接入点的系统电压、负荷电流、晶闸管控制分离式电抗器（TCR）的电流信号，实现计算出静止型动态无功补偿装置各相应该补偿的电纳值，从而实现对分离式电抗器（TCR）中晶闸管的触发角和并联晶闸管投切电容器（TSC）中晶闸管开断的控制；
由于在工程实际中，系统电压的不对称度和谐波量都较小，可以忽略，因此若以a相电压为参考，系统电压可以表示为：
Figure 619251DEST_PATH_IMAGE001
----------（a），
其中：U –系统相电压有效值；
      ω–电网角频率；
      Ua、Ub和Uc为系统电压；
      t –系统时间；
畸变的不平衡三相电流可以表示为：
----------（b），
其中：n – 谐波次数，正整数；
      ω– 电网角频率；
      iIn– n次谐波正序电流幅值；
      ωIn - n次谐波正序电流初相值；
      i2n - n次谐波负序电流幅值；
      ω2n - n次谐波负序电流初相值；
      ia、ib和ic为电流；
作如下定义：
Figure 651240DEST_PATH_IMAGE003
----------（c），
其中：p11 - 基波正序有功，电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的有功功率；
      q11– 基波正序无功，电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的无功功率；
      p21– 基波负序有功，电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的有功功率；
      q21 - 基波负序无功，电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的无功功率；
 I11– 基波正序电流幅值；
      φ11 – 基波正序电流初相角；
      I21 - 基波负序电流幅值；
      φ21 - 基波负序电流初相角；
（1）实时检测负荷电流和负荷电压；
以不低于800Hz的采样频率对系统电压ua、ub和uc，负荷电流ila、ilb和ilc，TCR角内电流itcra、itcrb和itcrc进行同步采样；
（2）计算负荷各相电纳；
将前述检测的各数值代入下列计算基波正序有功p11和基波正序有功q11的公式进行计算，
Figure 824733DEST_PATH_IMAGE004
----------（d），
Figure 835414DEST_PATH_IMAGE005
----------（e），
其中
Figure 928004DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 24136DEST_PATH_IMAGE007
为变换矩形；
将前述得到的通过低通滤波器（LPF），其滤波阶段和截止频率根据电流谐波含量进行设计，此处的低通滤波器一般采用Butterworth滤波器；
将前述检测的各数值代入下列计算基波负序有功p21和基波无功q21的公式进行计算，
Figure 227026DEST_PATH_IMAGE009
----------（f），
其中
Figure 490517DEST_PATH_IMAGE010
为变换矩阵；
利用下式计算负荷各相电纳：
Figure 73946DEST_PATH_IMAGE011
----------（g），
其中：
Figure 949760DEST_PATH_IMAGE012
—负荷ab相间电纳；
      
Figure 935034DEST_PATH_IMAGE013
—负荷bc相间电纳；
Figure 244792DEST_PATH_IMAGE014
—负荷ca相间电纳；
         U—SVC接入点电压有效值；
（3）计算静止型动态无功补偿装置SVC各相已输出电纳；
对于晶闸管控制分离式电抗器（TCR)，采用与（2）相同的方法，可以求得晶闸管控制分离式电抗器（TCR)的各相已输出电纳：
----------（h），
其中：—TCR ab相间电纳；
  
Figure 959435DEST_PATH_IMAGE017
—TCR bc相间电纳；
 —TCR ca相间电纳；
U—SVC接入点电压有效值；
Figure 857170DEST_PATH_IMAGE019
－TCR基波正序无功；
Figure 714268DEST_PATH_IMAGE020
－TCR基波负序有功；
Figure 34653DEST_PATH_IMAGE021
－TCR基波负序无功。
另外，假设固定滤波器组和已投入晶闸管投切电容器（TSC）的电纳为BC；则SVC各相已输出电纳为：
Figure 686214DEST_PATH_IMAGE022
----------（i），
其中：
Figure 856164DEST_PATH_IMAGE023
－SVC装置ab相间输出电纳；
      
Figure 877472DEST_PATH_IMAGE024
－SVC装置bc相间输出电纳；
      
Figure 426265DEST_PATH_IMAGE025
－SVC装置ca相间输出电纳；
      
Figure 638941DEST_PATH_IMAGE026
 －固定滤波器支路和已投入晶闸管投切电容器TSC支路的电纳；
（4）利用比例-积分（PI）调节器计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出的电纳；
以负荷各相需要补偿电纳为参考量，静止型动态无功补偿装置（SVC）各相实际输出电纳为反馈量，利用比例-积分（PI）算法计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出的电纳值；其中比例-积分（PI）调节器的积分时间常数取100ms~300ms，比例-积分（PI）调节器的可控范围为静止型动态无功补偿装置（SVC）可调容量的；
（5）实现开环+闭环的控制方法；
其中SVC各相电纳控制量为：
Figure 905974DEST_PATH_IMAGE027
----------（j），
其中：
Figure 104874DEST_PATH_IMAGE028
－SVC装置ab相间总补偿电纳；
      
Figure 134272DEST_PATH_IMAGE029
－SVC装置bc相间总补偿电纳；
      
Figure 393215DEST_PATH_IMAGE030
－SVC装置ca相间总补偿电纳；
      
Figure 272178DEST_PATH_IMAGE031
—利用PI调节器计算出的ab相间补偿电纳；
      
Figure 9190DEST_PATH_IMAGE032
—利用PI调节器计算出的bc相间补偿电纳；
      
Figure 532576DEST_PATH_IMAGE033
—利用PI调节器计算出的ca相间补偿电纳。
上述的静止型动态无功补偿装置包括一主电路，该主电路包括：并联滤波电路、并联晶闸管投切电容器（TSC）、并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）以及串接在TSC和TCR支路中晶闸管阀，其中：并联滤波电路，由交流滤波电感和电容组成，提供固定容性无功功率和滤除谐波；并联晶闸管投切电容器（TSC）,由限流电感、晶闸管和电容串接组成，由晶闸管控制投切以提供容性无功功率；并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR），与并联滤波电路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率；晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在晶闸管控制分离式电抗器（TCR）或并联晶闸管投切电容器（TSC）中限流电抗器和电容器的之间。
上述的实时检测负荷电流和负荷电压时，至少取1600Hz~6400Hz的采样频率对系统电压ua、ub和uc，负荷电流ila、ilb和ilc，晶闸管控制分离式电抗器（TCR）角内电流itcra、itcrb和itcrc进行同步采样。
由本发明提出的动态无功补偿控制方法可见，本发明可以通过实时检测静止型无功补偿装置接入点的系统电压、负荷电流、并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）的电流信号，实时计算出静止型动态无功补偿装置各相应该补偿的电纳值，从而实现对并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）触发角和并联晶闸管投切电容器（TSC）开断的控制，从而实现对动态负荷的快速跟踪，保证了静止型动态无功补偿装置的动态响应时间和稳态精度。
本发明的显著特点是利用开环控制保证静止型动态无功补偿装置（SVC）的动态响应时间，利用闭环控制保证整个装置的稳态精度。
本发明可以应用于负荷变动快速、频繁的场合，具有良好的应用前景。
本发明可以组成并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）+晶闸管投切电容器（TSC）+固定滤波器（FC）型的工业用静止型动态无功补偿装置（SVC）装置，该装置可以直挂于35KV和10KV系统中进行动态无功补偿。
附图说明
图1为本发明一实施例结构示意图。
图2为基波正序功率实时检测原理框图。
图3为基波负序功率实时检测原理框图。
图4是工业SVC开环+闭环控制方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
参见图1和图4，本发明提供了一种动态无功补偿控制方法，该控制方法通过在配电网中并接一静止型动态无功补偿装置（SVC），然后实时检测该静止型动态无功补偿装置接入点的系统电压、负荷电流、晶闸管控制分离式电抗器（TCR）的电流信号，实时计算出静止型动态无功补偿装置各相应该补偿的电纳值，从而实现对晶闸管控制分离式电抗器（TCR）中晶闸管的触发角和并联晶闸管投切电容器（TSC）中晶闸管开断的控制；见图1，静止型动态无功补偿装置接入35KV或者10KV的系统中进行动态无功补偿。虚线框内部分为静止型动态无功补偿装置中的主电路，主电路包括：并联滤波电路、并联晶闸管投切电容器（TSC）、并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）以及串接在并联晶闸管投切电容器（TSC）和并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）支路中的晶闸管阀，其中：并联滤波电路，由交流滤波电感和电容组成，提供固定容性无功功率和滤除谐波；并联晶闸管投切电容器（TSC），由限流电感、晶闸管和电容串接组成，由晶闸管控制投切以提供容性无功功率；并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR），与并联滤波电路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率；晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在晶闸管控制分离式电抗器（TCR）或并联晶闸管投切电容器（TSC）中限流电抗器和电容器的之间，电流互感器CT1可串接在负荷3的回路上。
经电压互感器PT处理后的系统相电压U、经电流互感器CT1处理后的负荷电流i1以及实测的并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）角内电流itcr分别输入到控制器2内进行信号处理，代入下面的公式内分别计算出负荷的各相电纳以及静止型动态无功补偿装置（SVC）的各相电纳，实时检测负荷电流和负荷电压时，至少取1600Hz~6400Hz的采样频率；
Figure 588519DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 564565DEST_PATH_IMAGE035
；
然后利用比例-积分（PI）调节器计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出的电纳；
以负荷各相需要补偿电纳为参考量，静止型动态无功补偿装置（SVC）各相实际输出电纳为反馈量，利用比例-积分（PI）算法计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出电纳值；其中比例-积分（PI）调节器的积分时间常数取100ms~300ms，比例-积分（PI）调节器的可控范围为静止型动态无功补偿装置（SVC）可调容量的±10%；
再利用开环+闭环相结合的控制方法计算出静止型动态无功补偿装置（SVC）应该输出的参考电纳Bref，以控制晶闸管控制分离式电抗器（TCR）晶闸管的导通角和并联晶闸管投切电容器（TSC）中晶闸管的开断。
图1和图4中，1为静止型动态无功补偿装置，2为控制器，3为负荷，u为系统电压，i1为负荷电流，itcr为TCR电流，PT为电压互感器，CT1、CT2为电流互感器，Y表示星形接线，△表示三角形接线，FC1、FC2为滤波器，itcr为TCR角内电流，TCR为晶闸管控制分离式电抗器，TSC为并联晶闸管投切电容器。
参见图2，由于在工程实际中，系统电压的不对称度和谐波含量都较小，可以忽略，因此若以a相电压为参考，系统电压可以表示为：
Figure 105268DEST_PATH_IMAGE036
。
负荷电流电流ila、ilb、ilc和TCR电流itcra、itcrb、itcrc，都可以表示为以下形式：
。
实测的系统电压ua、ub和uc和负荷电流ila、ilb、ilc（或TCR电流itcra、itcrb、itcrc）经过
Figure 208539DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 563559DEST_PATH_IMAGE007
所示坐标变换后得到含有滤波成分的负荷（或TCR）负序瞬时有功pˊ和瞬时无功功率qˊ，然后再经过低通滤波LPF就得到负荷（或TCR）基波负序有功p21和基波无功q21；
Figure 140351DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 771052DEST_PATH_IMAGE038
、
Figure 987270DEST_PATH_IMAGE007
为变换矩阵；
参见图3，以a相电压为参考，系统电压可以表示为：
Figure 869775DEST_PATH_IMAGE001
负荷电流电流ila、ilb、ilc和TCR电流itcra、itcrb、itcrc，都可以表示为以下形式：
Figure 848358DEST_PATH_IMAGE002
实测的系统电压ua、ub和uc和负荷电流ila、ilb、ilc（或TCR电流itcra、itcrb、itcrc）经过
Figure 790906DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 353474DEST_PATH_IMAGE007
所示坐标后得到的含有谐波成分的负荷（或TCR）负序有功pˊ和瞬时无功功率qˊ，然后再经过低通滤波LPF就得到负荷（或TCR）基波负序有功p21和基波无功q21；
Figure 774091DEST_PATH_IMAGE041
Figure 246661DEST_PATH_IMAGE042
其中
Figure 720630DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 645861DEST_PATH_IMAGE007
为变换矩阵。

Claims (3)

1.一种动态无功补偿控制方法，其特征在于控制方法通过在配电网中并接一静止型动态无功补偿装置（SVC），然后实时监测静止型动态无功补偿装置接入点的系统电压、负荷电流、晶闸管控制分离式电抗器（TCR）的电流信号, 实时计算出静止型动态无功补偿装置各相应该补偿的电纳值，从而实现对晶闸管控制分离式电抗器中（TCR）晶闸管的触发角和并联晶闸管投切电容器（TSC）中晶闸管开断的控制；
由于在实际工程中，系统电压的不对称度和谐波含量都较小，可以忽略，因此以a相电压做参考，系统电压可以表示为：
----------（a），
其中：U –系统相电压有效值；
      ω–电网角频率；
      Ua、Ub和Uc为系统电压；
      t –系统时间；
畸变的不平衡三相电流可以表示为：
Figure 2012104340164100001DEST_PATH_IMAGE002
----------（b），
其中：n – 谐波次数，正整数；
      ω– 电网角频率；
      iIn– n次谐波正序电流幅值；
      ωIn - n次谐波正序电流初相值；
      i2n - n次谐波负序电流幅值；
      ω2n - n次谐波负序电流初相值；
      ia、ib和ic为电流；
作如下定义：
Figure 2012104340164100001DEST_PATH_IMAGE003
----------（c），
其中：p11 - 基波正序有功，电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的有功功率；
q11– 基波正序无功，电压基波正序分量与电流基波正序分量产生的无功功率；
p21– 基波负序有功，电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的有功功率；
q21 - 基波负序无功，电压基波正序分量与电流基波负序分量产生的无功功率；
 I11– 基波正序电流幅值；
φ11 – 基波正序电流初相角；
I21 - 基波负序电流幅值；
φ21 - 基波负序电流初相角；
（1）实时检测负荷电流和负荷电压；
以不低于800Hz的采样频率对系统电压ua、ub和uc，负荷电流ila、ilb和ilc，TCR角内电流itcra、itcrb和itcrc进行同步采样；
（2）计算负荷各相电纳；
将前述检测的各数值代入下列计算基波正序有功p11和基波正序有功q11的公式进行计算，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
----------（d），
Figure DEST_PATH_IMAGE005
----------（e），
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为变换矩形；
将前述得到的
Figure 99279DEST_PATH_IMAGE007
通过低通滤波器（LPF），其滤波阶段和截止频率根据电流谐波含量进行设计，此处的低通滤波器一般采用Butterworth滤波器；
将前述检测的各数值代入下列计算基波负序有功p21和基波无功q21的公式进行计算，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
----------（f），
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为变换矩阵；
利用下式计算负荷各相电纳：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
----------（g），
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
—负荷ab相间电纳；
—负荷bc相间电纳；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
—负荷ca相间电纳；
U—SVC接入点电压有效值；
（3）计算静止型动态无功补偿装置SVC各相已输出电纳；
对于晶闸管控制分离式电抗器（TCR)，采用与（2）相同的方法，可以求得晶闸管控制分离式电抗器（TCR)的各相已输出电纳：
----------（h），
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
—TCR ab相间电纳；
—TCR bc相间电纳；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
—TCR ca相间电纳；
U—SVC接入点电压有效值；
Figure DEST_PATH_IMAGE018
－TCR基波正序无功；
－TCR基波负序有功；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
－TCR基波负序无功；
另外，假设固定滤波器组和已投入晶闸管投切电容器（TSC）的电纳为BC；则SVC各相已输出电纳为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
----------（i），
其中：－SVC装置ab相间输出电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE023
－SVC装置bc相间输出电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE024
－SVC装置ca相间输出电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE025
 －固定滤波器支路和已投入晶闸管投切电容器TSC支路的电纳；
（4）利用比例-积分（PI）调节器计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出的电纳；
以负荷各相需要补偿电纳为参考量，静止型动态无功补偿装置（SVC）各相实际输出电纳为反馈量，利用比例-积分（PI）算法计算静止型动态无功补偿装置（SVC）各相应该输出的电纳值；其中比例-积分（PI）调节器的积分时间常数取100ms~300ms，比例-积分（PI）调节器的可控范围为静止型动态无功补偿装置（SVC）可调容量的；
（5）实现开环+闭环的控制方法；
其中SVC各相电纳控制量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
----------（j），
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
－SVC装置ab相间总补偿电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE028
－SVC装置bc相间总补偿电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE029
－SVC装置ca相间总补偿电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE030
—利用PI调节器计算出的ab相间补偿电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE031
—利用PI调节器计算出的bc相间补偿电纳；
      
Figure DEST_PATH_IMAGE032
—利用PI调节器计算出的ca相间补偿电纳。
2.根据权利要求1所述的动态无功补偿控制方法，其特征是所述的静止式动态无功补偿装置（SVC）包括一主电路，该主电路包括：并联滤波电路、并联晶闸管投切电容器（TSC）、并联晶闸管控制分离式电抗器（TCR）以及串联在晶闸管投切电容器（TSC）和并联分离式晶闸管控制电抗器（TCR）支路中的晶闸管阀，其中：
并联滤波电路，由交流滤波电感和电容组成，提供固定容性无功功率和滤除谐波；
并联晶闸管投切电容器（TSC）,由限流电感、晶闸管和电容串接组成，有晶闸管控制投切以提供容性无功功率；
并联分离式晶闸管控制电抗器（TCR），与并联滤波电路配合以提供连续可变的感性和容性无功功率：
晶闸管阀，由反并联对的晶闸管串联而成，串接在分离式晶闸管控制电抗器（TCR）或并联晶闸管投切电容器（TSC）中限流电抗器和电容器的之间。
3.根据权利要求1所述的动态无功补偿控制方法，其特征是所述的实时检测符合电流和静止式动态无功补偿装置（SVC）接入点系统电压时，至少取1600Hz～6400Hz的采样频率对系统电压ua、ub和uc，负荷电流ila、ilb和ilc，晶闸管控制分离式电抗器（TCR）角内电流itcra、itcrb和itcrc进行同步采样。
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