CN103094915A - 基于静止无功发生器的三相三线制相间平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无功补偿方法。本发明的基于静止无功发生器的三相三线制相间平衡方法，包括以下步骤：(1)检测负荷电流瞬时值，电网电压为无畸变正弦波；(2)对直流侧电容电压进行周期平均值，经数字锁相环节得到有功电流幅值；(3)将采样得到的负荷电流与系统功率因数角的余弦值相乘在一个周期积分平均以提取基波无功电流分量；(4)电压相位角，电流的相位角，两个相位数值相减得到系统功率因数角；(5)有功电流、无功电流、电源电流之和求取目标电流；(6)实际输出电流与目标电流比较后通过滞环比较方式控制PWM变换器。本发明避开了检测有功和无功电流分量的繁琐过程，简化了检测谐波的过程，无功补偿范围广，稳定性能好。

Description

基于静止无功发生器的三相三线制相间平衡方法

技术领域

本发明涉及一种无功补偿方法，属于电能质量检测、控制技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种非线性、冲击性设备的使用给电网带来了大量的谐波污染，由此带来功率因数低，谐波污染严重，以及系统损耗加大等问题。近些年来，相继提出了各种针对无功补偿及谐波治理的FACTS设备。

静止无功发生器的补偿性能决定于其谐波及无功电流检测方法以及补偿电流控制方法。目前无功谐波电流的检测方法和补偿电流控制算法发展很快。当前的算法研究中，大都采用瞬时无功功率理论或其它检测方法进行相应的控制，这些方法需要进行大量的数学运算，对系统的实时性能有一定的影响，其工程可行性较小。

锁相环(PLL)是目前使用最普遍的相位同步方法，它用于获得准确实时的相位信息，提供计算基准，其性能对于整个控制系统的性能至关重要。采用相平衡高精度单相式数字锁相环技术可以获得良好的动态性能，能够排除电压畸变、直流偏移等的干扰，分别实时获取各相电压电流相位。

如果在静止无功发生器中采用相平衡高精度单相数字锁相环，可以方便快速地检出电压电流相位，再结合直流电压的反馈就可以计算出目标电流，避免了传统算法的大量数学计算，具有诸多优势，是一种优越的算法方案。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种基于静止无功发生器的三相三线制相间平衡方法，其通过数字锁相环获取各相相位信息，在输入三相实时变量存在直流偏移、谐波干扰等误差情况下，采集各相瞬时值，得出和设定相位差角的正弦值，从而确定信号的相位。具有计算量小，三相独立的特点，可单独对每一相锁相，采取进一步控制。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括以下步骤：

(1)检测负荷电流瞬时值i_L(t)，电网电压为无畸变正弦波u_s(t)＝U_smsin(ωt)，则i_L(t)＝I_Lsin(ωt+θ)＝I_pAsin(ωt)+I_qCOS(ωt)，目标电流i^* _c(t)＝i_L(t)-i_S(t)，

其中，θ为系统功率因数角，U_sm为电源电压，I_PA为有功电流幅值，I_q为负荷无功电流幅值，i^* _c(t)为目标电流，i_S(t)为电源电流；

(2)对直流侧电容电压U_dc进行周期平均值ΔU_dc，经数字锁相环节得到有功电流幅值：

$I_{\mathrm{pA}}=\frac{({\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\frac{{C\left(\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}\right)}^2}{2})}{\left(\frac{T}{2}{U}_{\mathrm{sM}}\right)}=\left(\frac{2U_{\mathrm{dc}}C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right)\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\left(\frac{C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right){\left({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}}\right)}^2;$

(3)将采样得到的负荷电流与θ的余弦值相乘在一个周期积分平均以提取基波无功电流分量：I_q＝I_Lcosθ；

(4)系统功率因数角θ通过以下方法得到：

电压相位角数值

其中X_c、Y_c为瞬时数据与数据池相乘后的周期累加值，

以相电流为单相锁相环的瞬时输入，可以得到电流的相位角：

两个相位数值相减得到系统功率因数角：

(5)有功电流、无功电流、电源电流之和求取目标电流；

(6)实际输出电流与目标电流比较后通过滞环比较方式控制PWM变换器。

三相三线制相间平衡的静止无功发生器，利用两组单相数字锁相环分别获取系统电压、电流的相位，相减得出功率因数角。同时采集直流侧电容电压，通过PI环节形成负反馈，电压控制环所采用的周期离散控制计算简单，响应迅速，维持直流侧电压稳定的同时，得到有功电流损耗参考值，结合功率因数角和直流电压反馈即可得出系统所需无功电流。两部分之和即为目标电流，采用滞环比较的方式将目标电流与无功发生器实际输出电流进行比较和直接控制。避开了检测有功和无功电流分量的繁琐过程，简化了检测谐波的过程，无功补偿范围广，稳定性能好。

三相三线制相间平衡的静止无功发生器具有以下特点：

(1)以补偿装置实际输出的补偿电流为比较电流，补偿效果只与负荷电流有关，避免了系统电流的变化对补偿性能的影响。补偿原理直观，控制直接，稳定性好。

(2)避开了检测有功和无功电流分量的繁琐过程，使得检测过程十分简单，计算量大大减小，整个算法实现简单，具有较强的实用性。

(3)在系统基波无功很大，功率因数较低的情况下，补偿效果良好。且动态无功补偿的能力和范围大大提高，几乎可以全范围地补偿系统的任意性质的无功电流分量。

附图说明

图1为无功发生器单相结构图；

图2为三相三线制相间平衡的静止无功发生器算法原理框图。

具体实施方式

系统单相结构图如附图1所示。附图1中所示系统基波无功很大，功率因数较低。i_s为电源电流，i_L为负载电流，i_c为补偿电流，U_c为变流器直流侧电容电压，U_s为电源电压，设电网电压为无畸变正弦波，直接以U_s的相位为参考相位，变流器交流侧电感L上输出的补偿电流i_c包含基波有功电流、基波无功电流和谐波电流。

设电网电压为无畸变正弦波，u_s(t)＝U_sMsin(ωt)，负荷瞬时电流如下式：

i_L(t)＝I_Lsin(ωt+θ)＝I_pA sin(ωt)+I_qcos(ωt)    (1)

算法的控制目标是使补偿装置发出的电流为系统的无功电流；系统电流提供负荷的有功电流分量和补偿装置的损耗等有功电流分量，达到基波功率因数为1的目标。由于基波有功电流与基波电压产生有功功率，其它电流与基波电压产生无功功率。

电源输出功率为负荷有功功率和补偿装置的损耗功率之和：

w_S(t)＝p_L+p_A＝I_pLU_ssin²(ωt)+I_pAU_ssin²(ωt)＝(I_pL+I_pA)sin(ωt)u_s(t)    (2)

补偿装置输出功率为负荷的无功功率，计算如式(3)所示：

w_A(t)＝q_L-p_A＝I_qU_ssin(ωt)cos(ωt)-I_pAU_ssin²(ωt)    (3)

补偿装置的输出电流i_c可分为两部分：有功电流和无功电流，即i_c(t)＝i_L(t)-i_s(t)＝i_pA(t)+i_q(t)，有功电流为电源侧流向补偿装置的损耗电流；无功电流与负荷的无功电流分量大小相同，由补偿装置产生，流向负荷进行无功补偿。

算法的关键在于目标电流

的求取。根据有功电流和无功电流的来源，分别对两者进行计算。

三相三线制相间平衡的静止无功发生器算法原理框图如附图2所示。三相对称的有功电流参考值可以以各相正序电压和有功功率及损耗功率来表示：

$I_{\mathrm{ref}}=\frac{P_a+P_b{+P}_c+P_{\mathrm{Loss}}}{3(U_{a1}+U_{b1}+U_{c1})}---\left(7\right)$

三相参考电流的计算引入了三相正序电压和功率，形成了单一的参考电流幅值，进而在形成目标电流进行补偿时达到了相平衡的效果。

直流侧电容电压变化反应了有功电流的数值，有功参考电流幅值I_pA的计算公式如下：

$I_{\mathrm{pA}}=I_{\mathrm{ref}}=\frac{({\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\frac{{C\left(\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}\right)}^2}{2})}{\left(\frac{T}{2}{U}_{\mathrm{sM}}\right)}=\left(\frac{2U_{\mathrm{dc}}C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right)\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\left(\frac{C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right){\left({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}}\right)}^2---\left(8\right)$

通过对电容电压的周期变化进行PI变换比较值修正，得到需要补偿的有功电流幅值，通过对采样进行周期控制，消除无功电流带来的影响。损耗电流与系统电压同相位，与sinθ相乘就可以得到系统的损耗电流。

无功目标电流的计算需要获取系统电压电流相位角信息。利用三相电压获取相位信息时，采用相平衡单相数字锁相环进行锁相。单相数字锁相环通过与事先设定好的sin(t)、cos(t)数据池相乘，取周期平均值，再经过简单计算即获得电压相位信息：

${\mathrm{\θ}}_u=\frac{X_c\·\sin \left(\mathrm{nt}\right)+Y_c\·\cos \left(\mathrm{nt}\right)}{\sqrt{X_c^2+Y_c^2}}---\left(4\right)$

其中X_c、Y_c为瞬时数据与数据池相乘后的周期累加值。

同理，以a相电流Isa为单相锁相环的瞬时输入，可以得到电流的相位角，

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{X_i\·\sin \left(\mathrm{nt}\right)+Y_i\·\cos \left(\mathrm{nt}\right)}{\sqrt{X_i^2+Y_i^2}}---\left(5\right)$

两个相位数值相减得到系统功率因数角

θ＝θ_i-θ_u    (6)

它表明了系统中负荷电流含有的是感性分量还是容性无功分量及无功分量含量大小，将无功计算结果直接作用于无功补偿设备发出的电流信号，因此系统电流为感性或容性时均可以得到有效的补偿。

将采样得到的负荷电流与θ的余弦值相乘在一个周期积分平均以提取基波无功电流分量。

I_q＝I_Lcosθ＝2q/U_sM    (9)

得到目标电流后与无功补偿装置的实际电流进行比较，滞环比较后直接得到三相PWM变换器的控制信号。

应理解的是，多种变型、修改和附加实施例都是有可能的，因此所有变型、修改的实施例都将视作属于本发明申请的保护范围之内。

在本方法之前，系统和材料描述应理解是本公开并不局限于所描述的特定方法论、系统和材料，因为这些可能会有变化。同样应理解的是说明书中使用的术语只是为了说明特定的方案和实施例，并不局限本说明的限制范围。

Claims (1)

1.一种基于静止无功发生器的三相三线制相间平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测负荷电流瞬时值i_L(t)，电网电压为无畸变正弦波u_s(t)＝U_smsin(ωt)，则i_L(t)＝I_Lsin(ωt+θ)＝I_pAsin(ωt)+I_qCOS(ωt)，目标电流i^* _c(t)＝i_L(t)-i_S(t)，

其中，θ为系统功率因数角，U_sm为电源电压，I_PA为有功电流幅值，I_q为负荷无功电流幅值，i^* _c(t)为目标电流，i_S(t)为电源电流；

(2)对直流侧电容电压U_dc进行周期平均值ΔU_dc，经数字锁相环节得到有功电流幅值：

$I_{\mathrm{pA}}=\frac{({\mathrm{CU}}_{\mathrm{dc}}\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\frac{{C\left(\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}\right)}^2}{2})}{\left(\frac{T}{2}{U}_{\mathrm{sM}}\right)}=\left(\frac{2U_{\mathrm{dc}}C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right)\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}+\left(\frac{C}{{\mathrm{TU}}_{\mathrm{sM}}}\right){\left({\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{dc}}\right)}^2;$

(3)将采样得到的负荷电流与θ的余弦值相乘在一个周期积分平均以提取基波无功电流分量：I_q＝I_Lcosθ；

(4)系统功率因数角θ通过以下方法得到：

电压相位角数值

其中X_c、Y_c为瞬时数据与数据池相乘后的周期累加值，

以相电流为单相锁相环的瞬时输入，可以得到电流的相位角：

两个相位数值相减得到系统功率因数角：

(5)有功电流、无功电流、电源电流之和求取目标电流；

(6)实际输出电流与目标电流比较后通过滞环比较方式控制PWM变换器。

Images