CN103414190A - 多目标降损装置 - Google Patents

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盛方正
张钻
王文斌
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SHANGHAI JUDONGJIAONENG ELECTRIC AND ELECTRONIC Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种多目标降损装置,采用左串右并型的三相三线制拓扑结构的变换器中:左侧的串联变流器通过一个变压器串联到系统侧的交流线路上,以改善电压质量问题;右侧的并联变流器通过电感连接到负荷侧的交流线路上,以改善电流质量问题;中间部分的直流环节连接左右两个作为串/并联电容器的电压型PWM变流器,作为能量交换的介质;还分别在左右两侧设有作为无源滤波器的LC电路,用以消除两个所述电压型PWM变流器输出的开关频率谐波;还通过控制器根据系统侧和负荷侧的电压电流采样数据,来产生相应的PWM触发脉冲,以驱动所述串联变流器和并联变流器中各个开关管的导通和关断,使所述多目标降损装置完成谐波消除及无功功率补偿。

Description

多目标降损装置
技术领域
本发明涉及供电配网线损方面,特别涉及一种多目标降损装置。
背景技术
近年来,随着电网售电量的持续增长,提高线损合理率水平对供电公司具有长远的经济效益。因此,这就要求供电企业重视节能降损工作,在电网的建设和运行过程中采用科学的技术手段使电网运行更合理在满足社会供电需求的情况下尽可能降低电能损耗。在线损精细化合理率的分析过程中发现了一些系统问题,比如信号问题、数据突变问题、台区供售电侧计量设备故障等,这些问题都会直接对供电公司线损合理率指标产生负面的影响。
近年来,随着电网容量的增加,对电网无功要求也与日俱增。无功补偿是保持电网高质量运行一种主要手段,是利用技术措施降低线损的重要措施之一。
有源电力滤波器(APF)可以解决负荷的动态电流质量问题,动态电压调节器(DVR)可以解决系统的动态电压质量问题,如果把APF和DVR组合起来,则可以构成同时补偿电压跌落、陡升、瞬时电压中断、三相不平衡补偿、电流谐波补偿和无功补偿等,保证负载端电压为标准等级和恒定频率的纯正弦波,保证电网侧电流为与电网电压同相位的纯正弦波。
根据电能质量补偿单元的安装位置和安装方式不同,其中有一种左串右并方式的拓扑结构。如图1所示,通常由一对串/并联变流器组成,共用一个直流储能环节。工作时,并联变流器接于负荷侧,主要用于补偿谐波和无功电流,同时维持两个变流器之间的直流电压恒定;串联变流器接于系统侧,具有维持连接点电压、补偿电压闪变和不对称的功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够进行谐波消除、无功补偿并使电压稳定的多目标降损装置,通过进行实验及试运行数据分析,最终提出对提高线损合理率的有效解决方案。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是提供一种多目标降损装置,其中包括采用左串右并型的三相三线制拓扑结构的变换器,进一步包括:
左侧串联部分为电压补偿单元,设有由三个桥臂6个开关管连接构成的串联变流器,所述串联变流器通过一个变压器串联到系统侧的交流线路上,以改善电压质量问题;
右侧并联部分为电流补偿单元,设有由三个桥臂6个开关管连接构成的并联变流器,所述并联变流器通过电感连接到负荷侧的交流线路上,以改善电流质量问题;其中,所述串联变流器和并联电容器都是通过直流电容器耦合而成的电压型PWM变流器;
中间部分为直流母线,构成连接左右两个所述电压型PWM变流器的直流环节,作为能量交换的介质;
还分别在左右两侧设有作为无源滤波器的LC电路,用以消除两个所述电压型PWM变流器输出的开关频率谐波;
所述多目标降损装置中还包括控制器,所述控制器能够根据系统侧和负荷侧的电压电流采样数据,来产生相应的PWM触发脉冲,以驱动所述串联变流器和并联变流器中各个开关管的导通和关断,使所述多目标降损装置完成谐波消除及无功功率补偿。
所述多目标降损装置进一步设有以下模块:
整形电路和锁相环电路,通过外部采样获得的电压信号依次通过所述整形电路、锁相环电路处理后向所述控制器输出过零信号、倍频信号;所述控制器能够从电网的其中一相电压信号获取电网电压同步的脉冲信号,以控制所述多目标降损装置获得准确的0角度位置;
信号调理电路,外部采样获得的三相电流信号,通过所述信号调理电路处理后发送至所述控制器。
所述控制器通过缓冲驱动模块,与所述串联变流器和并联变流器连接,来发送相应的PWM触发脉冲;
所述控制器还通过故障封锁信号模块,与所述串联变流器和并联变流器连接,当所述多目标降损装置运行在不正常状态下时,所述控制器发出封锁脉冲来封锁开关管,使装置停止工作。
所述控制器中设置有外部中断服务子程序模块,当检测到电压过零点时,实现锁相环功能。
所述控制器中设置有定时器中断服务子程序模块,其通过读取电压、电流采样数据,且当发生网侧电压跌落时,根据基于瞬时无功理论考虑相位跳变的最小能量算法,进行串联侧SVPWM计算,再基于FUZZY(模糊)控制算法,电流滞环跟踪的电压矢量算法,实现对串、并联侧补偿量的计算,从而输出相应的PWM触发脉冲。
所述控制器中设置有直流侧电压闭环控制子程序模块,通过计算期望直流电容稳定电压与实际直流电压的差值及其变化率,计算PI控制输出并保存,计算得到直流侧电容电压稳定需要的控制量。
所述控制器是一种DSP控制器。
与现有技术相比,本发明所述多目标降损装置,其优点在于:基于对装置的运行机理及能量流向,对当前的主流拓扑进行的分析研究,确定了本发明所述装置的拓扑结构及控制算法。该装置能够根据现场实时数据,完成谐波治理和动态无功补偿功能,达到降低线损的目标,具有响应速度快、运行稳定可靠、插拔抽屉式免维护等特点。多目标降损装置的投入运行,可以有效降低电网的损耗,提高地区电网电压质量,具有很好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是左串右并式的拓扑结构示意图。
图2是本发明所述多目标降损装置中,主电路采用的左并右串式拓扑结构示意图;
图2a是本发明中主电路的单相基波等效电路;
图3是本发明中串联变流器和并联变流器的功率变换单元拓扑结构图;
图4是本发明中控制器的拓扑结构示意图;
图5是本发明中所述多目标降损装置的电气原理图;
图6是本发明的控制器中主程序模块的流程图;
图7是本发明的控制器中外部中断子程序模块的流程图
图8是本发明的控制器中定时器中断服务子程序模块的流程图;
图9是本发明的控制器中直流侧电压闭环控制模块的流程图;
图10是图8中涉及的基于瞬时无功理论考虑相位跳变的最小能量补偿算法原理图;
图11是本发明所述多目标降损装置的仿真模型。
具体实施方式
本发明所述多目标降损装置采用的是左串右并型拓扑结构。在如图2所示的三相三线制拓扑结构中,由两个三相变流器通过直流电容连接到公共直流母线构成。左侧串联部分为电压补偿单元,是由三个桥臂6个开关管构成的逆变器,通过一个变压器串联到交流线路上,用于改善各种电压质量问题;右侧并联部分为电流补偿单元,也是由三个桥臂6个开关管构成,通过电感连接到交流线路上,用于改善电流质量问题;中间部分为直流母线,构成连接左右两电压型PWM变流器的直流环节,作为能量交换的介质。结构中,两端的LC电路构成无源滤波器,用于消除两个变流器输出的开关频率谐波。
本发明所述多目标降损装置中,包括串/并联变流器、滤波电路、串联侧变压器、并联侧连接电感及直流电容等。一种优选的系统参数为:工频50Hz,相电压有效值为220V;负载功率为30kW,负载相电流基波有效值为50A,功率因数为0.866;直流侧电压为700V;开关管频率为6.4K。
对于串联变流器和并联变流器,其功率变换单元的基本拓扑结构是完全相同的,如图3所示。在主电路结构图中,串、并联两部分主电路结构均采用高频PWM技术的电压型变流器,通过直流电容器耦合而成。为了给出等价电路描述,假定下面的条件满足要求:
1)串联变流器能够提供一个平衡的、频率和幅值固定的正弦电压,也即负载端谐波电压可忽略不计。2)并联变流器能够完全补偿负载电流中的谐波和无功分量,使电源电流为正弦基波。3)电压型PWM变流器的开关频率足够高,低通滤波器的作用足以消除变流器开关动作引起的开关频率附近的谐波成分。4)串联侧注入变压器是理想的。
基于上述的假设,串联变流器和并联变流器可以分别用受控电流源和受控电压源来等效。以此得到如图2a所示的单相基波等效电路,其中
电源输入的复功率为:
                       (1)
其中,电源有功功率
Figure DEST_PATH_IMAGE004AA
,无功功率
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
负载侧的复功率为:
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
                 (2)
其中,负载有功功率
Figure DEST_PATH_IMAGE010AA
,无功功率
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
若满足装置无损耗的假设条件,则电源发出的有功功率应等于负载消耗的有功功率,即满足:
Figure DEST_PATH_IMAGE014AA
所以有:
Figure DEST_PATH_IMAGE016AA
。                      (3)
两组输出滤波器作为装置的重要组成部分,主要用来消除串联变流器和并联变流器工作时引起的高频毛刺。并联侧连接电感既作输出接口,也作为滤波器用。设开关频率为12.8kHz,所以由此产生的谐波电流将集中在12.8 kHz附近,若不失真复原采样信号,实际能补偿的谐波次数更低,为此选择31次谐波为最高补偿次数,其截至频率为1550Hz,所以根据:
 
Figure DEST_PATH_IMAGE018AA
;并结合实际测试效果,确定滤波电抗和电容值。
本发明中还设置有如图4所示的控制器。该控制器可以是一种DSP控制器,例如采用TI公司推出的TMS320F28335型数字信号处理器构成。所述控制器通过获取在线检测与管理模块及信号采集模块传送的启停、保护、电压、电流信号等产生并控制变流器器驱动开关器件的脉冲,使设备产生所需的电流及无功。即,通过采样获得的电压信号通过整形电路、锁相环电路处理后向该控制器输出过零信号、倍频信号,三相电流信号Ia、Ib、Ic通过信号调理电路处理后发送至控制器。该控制器还通过缓冲驱动模块、故障封锁信号模块与串/并联变流器连接。该控制器还与FLASH存储器、CAN接口、232 接口、人机交互接口等连接。
即,在本发明中该控制器的作用主要是:1)产生驱动IGBT脉冲。按计算结果和控制方式产生PWM触发脉冲,经门极驱动电路放大后去控制串/并联变流器中IGBT的导通和关断,使设备完成谐波治理及补偿无功功率的功能。2)获得准确且稳定的电网同步信号。从电网的其中一相电压信号获取电网电压同步的脉冲信号,使设备能够获得准确的0角度位置。3)实时通信功能。能够接收电流及无功的给定,并产生出给定的电流及无功功率,并传输工作状态。包括电流跟踪提供规定的超前或滞后无功电流、控制直流侧电容电压稳定在额定电压值。4)保护功能。当设备运行在过压、过流、过载或其他不正常状态下,控制器应发出封锁脉冲封锁IGBT,使设备停止工作。
结合图2~图4的拓扑结构及上文中的对应描述,给出了如图5所示多目标降损装置的电气原理图。所述多目标降损装置包括:变换器、DSP控制器、负载电流检测传感器、单片机监控板和485总线接口等元器件。变换器指装置的主电路,包括用以构成串/并联变流器的IGBT及其驱动、连接电抗器、直流电容、叠装母排和用于装置控制的补偿电流传感器和直流电压传感器。DSP控制器主要根据负载电流采样计算补偿电流参考值,通过控制算法控制主电路实现补偿电流的输出,同时对主电路进行各种保护。单片机监控板(图中未示出)主要功能是监控装置的运行状态,并且完成与内部DSP控制单元以及与装置模块监控单元之间的通讯控制。
另外,本发明所述装置中采用新型可靠的控制算法,通过对接入点系统侧和负荷侧的电压电流采样,得到系统的运行状态,综合判断并融合后得到装置控制目标,实现对负荷的状态检测和多目标控制的目的,使得装置具有更佳的总体补偿效果、更快的动态响应速度、更大的扩展容量等优势。
在本发明的所述控制器中设置有以下的若干个功能模块,来具体实现补偿量检测和补偿量控制等控制算法:
本发明中设置有主程序模块,主要完成各部分的初始化以及分配中断服务的中断向量。其流程图如图6所示,先进行系统、变量、I/O、A/D、EV等相关模块的初始化,定义中断向量,开总中断;之后进行等待,直到有外部中断XINT2请求时,转到相应的XINT2服务子程序。
本发明中还设置有外部中断服务子程序模块,主要用于电压过零点检测,即实现锁相环的功能。利用周期信号发生电路,即可实现当A相电源电压过零点时,进入外部中断子程序,并认为该时刻电压相位角为零,同时在该子程序里面启动定时器。其流程图如图7所示,将A相电网电压相位变量置0,定时器的计数器清0,启动定时器,开中断,中断返回。
本发明中还设置有定时器中断服务子程序模块,主要任务是快速计算串、并联侧补偿量,并分别输出PWM脉冲信号。其流程图如图8所示,首先读取电压、电流采样值,其中,如果发生网侧电压跌落时,将调用基于瞬时无功理论考虑相位跳变的最小能量算法子程序,进行串联侧SVPWM计算并输出信号,之后调用FUZZY(模糊)控制算法子程序,调用电流滞环跟踪的电压矢量算法子程序,最后恢复现场,开中断,中断返回。如果没有发生网侧电压跌落时,将直接跳转到调用FUZZY控制算法子程序的步骤,并依此进行其后续的相应流程。
当电源电压发生波动时,装置检测到参考电压与实际电源电压之间的差值,通过串联变压器注入一个和检测差值相反的电压量与之相抵消,以保持负载端电压为标准的正弦电压;同样对于负载端,装置检测出负载电流中含有的谐波、无功成分,通过并联变流器注入与其相反的电流,从而保证电源电流为标准正弦波,抑制非线性负载产生的畸变电流对电网的污染。串联侧采用的补偿策略不同,其输出的有功和无功分量将发生变化。而并联侧输出补偿负载电流中谐波、无功分量以及维持直流电压恒定的有功分量,其值基本恒定。
因此,此处主要讨论串联侧采用最小能量补偿时,装置的能量流动特征。最小能量补偿策略时从串联变流器储能的观点来看,通过引入无功来实现补偿,采用与电源电压有一个合适的相位超前的电压注入可以减少有功交换。它通过使变流器提供的有功功率最小化来实现电源提供的有功最大化。针对带相位跳变的电源电压波动情况,提出本发明中在上述定时器中断服务子程序模块中描述的基于瞬时无功理论考虑相位跳变的最小能量补偿算法。采用瞬时无功理论求得电源电压初始相位与跳变角,并依据装置串联侧提供有功能量最小的原则确定补偿最优角,确定目标电压函数,并最终计算出串联侧的补偿量。其原理图如图10所示,简述如下。
1)       电压有效值和初始相位角计算;
由瞬时无功功率理论可知,在abc坐标系中的三相电压可以通过同步坐标变换变换到dq坐标系中,即:
Figure DEST_PATH_IMAGE020AA
       (32)
经同步坐标变换后,三相电网电压负序和谐波分量仍为交流分量,通过两个低通滤波器可将基波正序分量分别提取出来。
Figure DEST_PATH_IMAGE022AA
Figure DEST_PATH_IMAGE024AA
在dq空间的对应量为一直流分量,且数值与abc系统中的跌落电压的峰值、基波电压初相角
Figure DEST_PATH_IMAGE028AAA
以及电源电压相位跳变角
Figure DEST_PATH_IMAGE030AA
之间存在着如下关系:
Figure DEST_PATH_IMAGE032AA
                           (33)
则可以计算得到
Figure DEST_PATH_IMAGE034AA
                               (34)
Figure DEST_PATH_IMAGE036AA
                             (35)
2)       目标电压函数求取;
目标电压函数即负荷电压经过装置串联侧补偿后达到的电压量。它是一个三角函数,幅值为标准相电压幅值,本项目为V,相角是由电源电压波动前基波电压初始相角、波动引起的负载电压相位跳变角
Figure DEST_PATH_IMAGE041A
以及最小能量补偿策略共同确定的。
结合前面能量流动分析:
Figure DEST_PATH_IMAGE043A
时,
Figure DEST_PATH_IMAGE045A
可实现
Figure DEST_PATH_IMAGE047A
最小,则有:
Figure DEST_PATH_IMAGE051
时,
Figure DEST_PATH_IMAGE053
可实现
Figure DEST_PATH_IMAGE054A
=0,即最小能量补偿,则有:
Figure DEST_PATH_IMAGE056A
Figure DEST_PATH_IMAGE058A
时,可实现
Figure DEST_PATH_IMAGE061
最小。则有:
由此可得到串联侧需提供的补偿电压满足:
                 (36)
另外,本发明所述装置中对于电流谐波补偿指令信号的检测,通过递推离散傅立叶分析法或直接时域数据分析法实现。后者还可以进一步通过1)Akagi.H的瞬时无功功率理论,2)三相ABC系统时域数据直接计算方法,3)基于矢量变换的检测方法中的p-q运算方式,或
Figure DEST_PATH_IMAGE067
运算方式来实现。
本发明中还设置有直流侧电压闭环控制子程序模块。理论上,本发明所述装置不与电网交换有功能量,但实际中,由于变流器开关损耗及电容电感等元件损耗,会使得直流侧电容电压平均值发生变化,因此必须对直流侧电容电压加以闭环控制,以实现直流电压的稳定。直流侧电压闭环控制算法程序流程图如图9所示,计算期望直流电容稳定电压与实际直流电压的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE069
,计算差值的变化率
Figure DEST_PATH_IMAGE071
,保存本次差值;计算PI控制器输出
Figure DEST_PATH_IMAGE077
,保存本次控制输出量
Figure DEST_PATH_IMAGE079
Figure DEST_PATH_IMAGE081
;计算直流侧电容电压稳定需要的控制量
Figure DEST_PATH_IMAGE083
本发明中所述多目标降损装置的优选技术参数,为输入电压:AC380V(三相三线制) ;最大无功补偿容量:50Kvar;功率因数:>0.99;谐波含量:<5%;响应时间:≤10ms。
为了验证该多目标降损装置,基于TMS320F28335的软件设计在有SEED-TDS510USB2.0仿真器和CCS3.1代码编译器支持的调试环境下进行。根据上述选定的主电路拓扑及控制算法,建立如图11所示的仿真模型,根据其仿真波形可知本发明能够有效实现谐波消除和无功补偿。

Claims (7)

1.一种多目标降损装置,其特征在于,所述多目标降损装置中包括采用左串右并型的三相三线制拓扑结构的变换器,其中包括:
左侧串联部分为电压补偿单元,设有由三个桥臂6个开关管连接构成的串联变流器,所述串联变流器通过一个变压器串联到系统侧的交流线路上,以改善电压质量问题;
右侧并联部分为电流补偿单元,设有由三个桥臂6个开关管连接构成的并联变流器,所述并联变流器通过电感连接到负荷侧的交流线路上,以改善电流质量问题;其中,所述串联变流器和并联电容器都是通过直流电容器耦合而成的电压型PWM变流器;
中间部分为直流母线,构成连接左右两个所述电压型PWM变流器的直流环节,作为能量交换的介质;
还分别在左右两侧设有作为无源滤波器的LC电路,用以消除两个所述电压型PWM变流器输出的开关频率谐波;
所述多目标降损装置中还包括控制器,所述控制器能够根据系统侧和负荷侧的电压电流采样数据,来产生相应的PWM触发脉冲,以驱动所述串联变流器和并联变流器中各个开关管的导通和关断,使所述多目标降损装置完成谐波消除及无功功率补偿。
2.如权利要求1所述多目标降损装置,其特征在于,
所述多目标降损装置进一步设有以下模块:
整形电路和锁相环电路,通过外部采样获得的电压信号依次通过所述整形电路、锁相环电路处理后向所述控制器输出过零信号、倍频信号;所述控制器能够从电网的其中一相电压信号获取电网电压同步的脉冲信号,以控制所述多目标降损装置获得准确的0角度位置;
信号调理电路,外部采样获得的三相电流信号,通过所述信号调理电路处理后发送至所述控制器。
3.如权利要求2所述多目标降损装置,其特征在于,
所述控制器通过缓冲驱动模块,与所述串联变流器和并联变流器连接,来发送相应的PWM触发脉冲;
所述控制器还通过故障封锁信号模块,与所述串联变流器和并联变流器连接,当所述多目标降损装置运行在不正常状态下时,所述控制器发出封锁脉冲来封锁开关管,使装置停止工作。
4.如权利要求3所述多目标降损装置,其特征在于,
所述控制器中设置有外部中断服务子程序模块,当检测到电压过零点时,实现锁相环功能。
5.如权利要求3所述多目标降损装置,其特征在于,
所述控制器中设置有定时器中断服务子程序模块,其通过读取电压、电流采样数据,且当发生网侧电压跌落时,根据基于瞬时无功理论考虑相位跳变的最小能量算法,进行串联侧SVPWM计算,再基于FUZZY(模糊)控制算法,电流滞环跟踪的电压矢量算法,实现对串、并联侧补偿量的计算,从而输出相应的PWM触发脉冲。
6.如权利要求3所述多目标降损装置,其特征在于,
所述控制器中设置有直流侧电压闭环控制子程序模块,通过计算期望直流电容稳定电压与实际直流电压的差值及其变化率,计算PI控制输出并保存,计算得到直流侧电容电压稳定需要的控制量。
7.如权利要求2~6中任意一项所述的多目标降损装置,其特征在于,
所述控制器是一种DSP控制器。
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