CN103795067B - 一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法，本发明增加负序电压前馈控制，可以在电压不稳定时保证设备正常运行；可自动调整的锁相环，可以在电压畸变，谐波超标，存在负序等恶劣情况下准确锁定相角；使用IPIQ瞬时无功理论，可在系统电压电压畸变、谐波超标、存在负序等恶劣情况下准确输出基波正序无功电流。在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等方面具有更加优越的性能。

Description

一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于电力系统中的电力电子检测控制及电能质量控制装置，特别是涉及一种新型66kV高压直挂式无功发生器装置，可广泛应用于各类电力系统。

背景技术

随着社会工业化水平的提高，越来越多的大功率、非线性设备进入电网，其所带来的电能质量污染也越来越严重。尤其是电力电子技术的发展，非线性电力电子装置在现代工业中得到了广泛应用，这些设备的运行使得电网中无功波动越来越严重、电压和电流波形畸变越来越严重,谐波水平不断上升,另外,冲击性、波动性负载的使用还会产生电压波动与闪变、三相不平衡、导致电网功率因数下降等电能质量问题。另一方面,随着电网中精密电能用户的增多,要求电网必须提供与用户所要求的质量指标相适应的电能。因此精密电能用户和电能质量问题这对矛盾已逐步上升为主要矛盾。电能质量问题尤其以无功和谐波问题最为严重，他们对电网造成的危害主要体现在以下几个方面：

(1)无功功率的增加，会导致视在功率增加和电流增大，从而使电网中设备容量增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的容量也要加大；

(2)无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增大；

(3)无功功率还会使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性负荷，还会使电压产生剧烈波动；

(4)无功功率可引起功率因数下降，使得供电效率降低，电网损耗增加，即造成了供电部门的经济损失，也使得用户的电费(包括供电部门的罚款)增加很多；

(5)谐波使电网中的设备产生附加谐波损耗，从而降低发电、输电及用电设备的使用效率；

(6)谐波产生额外的热效应，从而引起用电设备(旋转电机、电容器、变压器)发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命，甚至被损坏；

(7)谐波导致电气测量仪表计量不准确，对邻近电子设备和通信系统产生干扰，还会引起一些保护设备误动作，如继电保护、熔断器等；

(8)大大增加了系统谐振的可能。谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联或串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。

目前通常采用并联型无源滤波器、静止型动态无功补偿SVC装置来抑制谐波、补偿无功，但存在响应时间长，滤波能力差、电能损耗大、容易与电网系统发生谐振、占地面积大等关键性缺陷。随着大功率电力电子技术的发展，静止无功发生器也逐步进入实用阶段，但是对于66kV电压等级的电力系统来说，目前静止无功发生器只能通过升压变压器来接入电网，这样增加了设备的成本及占地面积，也极大的增加了设备的整体损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供了一种不需要升压变压器就可以直接接入66kV高压电网实现高压电能质量治理的装置及控制方法，实现了无功补偿与谐波综合治理的功能，该装置解决了结构复杂、高损耗及高成本与稳定运行、节能降耗之间的矛盾。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法，直挂式无功发生器装置与66kV电压等级电网直接相连，主电路采用中性点不接地的星形接法，各相均由多个H桥功率模块级联组成，通过旁路断路器、连接电抗器和并网断路器串联接入系统，其中，充电电阻与旁路断路器并联；每个H桥功率模块由4个功率单元组成的桥式电路与电阻并联构成均压电路；控制方法包括以下内容：

1)可自动调整锁相环算法控制

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到dq坐标系；

第二步:将q轴分量与参考频率通过变频滑动窗口法计算求平均值；

第三步:将dq轴分量与参考频率通过自动调节得出电压的模做为自动归一调整的参考量；

第四步:将第二步和第三步得到的值的乘积进入PID误差处理环节进行误差处理；

第五步:将第四步的分量积分后对2π求余得到参考相角wt；

第六步:将第四步的分量除以2π后进行低通滤波并进行延迟处理环节后更新参考频率值；

2)基于IPIQ算法的瞬时无功算法

第一步:根据系统配线方式，由补偿后的系统电流与SVG输出电流得到负载电流；

第二步:由锁相环输出的相角wt与负载电流进行dq变换，所得Q轴即为瞬时无功参考量；

第三步:将第二步得到的瞬时无功参考量进行低通滤波得到基波无功；

第四步:将第三步得到的值经锁相环输出的相角wt误差调整后的值进行dq反变换得到三相无功电流参考值；

3)负序前馈算法控制：

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到αβ坐标系；

第二步:αβ坐标系下的电压与锁相环输出的相角wt经逆时针旋转转化到负序dq坐标系；

第三步:对dq坐标系下的分量进行低通滤波；

第四步:将滤波后的分量经逆时针旋转转化到αβ坐标系；

第五步:将αβ坐标系的分量转化为abc坐标系下求得负序电压分量；

4)系统控制：

第一步:采集三相电压VABC，系统电流IABC，SVG电流ISVGABC，直流电压Udc A，UdcB，Udc C；

第二步:将三相电压输入锁相环得到A相电压正序基波相角wt；

第三步:将三相系统电流I ABC，SVG电流I SVGABC和相角wt输入IPIQ瞬时无功算法模块得到无功电流参考值；

第四步:将直流电压Udc A，Udc B，Udc C分别与直流电压参考值Udc_ref做差，将所得值做为误差输入PI1模块进行PID误差处理，将结果做为参考量与锁相环相角wt进行dq反变换，得到有功电流参考值；

第五步:无功电流参考值、有功电流参考值输入PI2模块中，经PI2模块处理形成三相电流参考值，三相电流参考值再与SVG实际输出电流值ISVGA、ISVGB、ISVGC进行PID处理通过PI3模块得到电流处理参考值；

第六步:将三相电压和相角wt进行PID处理得到电压前馈；

第七步:将三相电压和相角wt进行负序电压前馈处理得到负序电压前馈；

第八步:将电压前馈、负序电压前馈,电流处理参考值做和，乘以直流电压的倒数后输入PWM处理模块；

第九步:进行PWM调制，死区控制与补偿，得到PWM调制信号，控制IGBT模块,输出电流。

所述的组成桥式电路的功率单元为3300VDC的IGBT模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明可以与66kV电压等级电网直接相连，不需要升压变压器。

2、本发明动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，任意时刻的功率因数达到0.98-1.0。

3、本发明可以实现恒电压、恒无功、恒功率因数控制模式。

4、本发明硬件均压采用桥式电路与电阻组成的均压电路并联技术，直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制技术实现多个H桥功率模块的电压均压控制。

5、本发明输出无功补偿电流不随母线电压下降而下降，低电压下可输出额定电流，且具备过载能力，短期输出无功电流可大于额定电流。

6、本发明增加负序电压前馈，可以在电压不稳定时保证设备正常运行。

7、本发明使用可自动调整的锁相环，可以在电压畸变，谐波超标，存在负序等恶劣情况下准确锁定相角。

8、本发明使用IPIQ瞬时无功理论，可在系统电压电压畸变、谐波超标、存在负序等恶劣情况下准确输出基波正序无功电流。

9、本发明运行损耗低，主要是连接电抗器损耗和IGBT损耗，不需要升压变压器，成套装置运行损耗不到0.5％。

10、本发明采用双数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)，具备标准通讯接口(RS232/485或者以太网)，可采用Modbus或TCP/IP协议进行通讯，上传数据和接受指令，实现遥控功能。

附图说明

图1是本发明装置的电路原理图。

图2是H桥功率模块的电路原理图。

图3是锁相环控制图。

图4是系统控制图。

图5是负序电压前馈算法控制图。

图6是IPIQ瞬时无功算法控制图。

图7是控制器框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体技术方案作进一步详细描述。

见图1，一种66kV高压直挂式无功发生器装置，主电路采用三相星形与电网连接，该装置可以与66kV电压等级电网直接相连，主电路采用中性点不接地的星形接法，各相均由多个H桥功率模块级联组成，通过旁路断路器AH1、连接电抗器L和并网断路器AH2串联接入系统，其中，充电电阻R1与旁路断路器AH1并联。每个H桥功率模块由4个功率单元组成的桥式电路与电阻R并联构成均压电路。组成桥式电路的功率单元为3300VDC的IGBT模块。该装置可以与66kV电压等级电网直接相连。设备处于待机状态时，并网断路器AH与旁路断路器AH都处于断开状态。设备并网时，闭合并网断路器AH，电网通过连接电抗器L与充电电阻R对H桥功率模块进行充电，防止电流冲击对设备的损坏，当充电结束时闭合旁路断路器AH，设备开始并网运行。

控制器包括主控部分及相控部分。主控部分采用6U的控制机箱结构，主控芯片为双TI DSP+Xilinx FPGA，两者配合以完成实时复杂的无功控制算法与直流电压均压控制算法。外围电路主要包括数字量输出/输入电路、模拟信号调理电路、硬件保护电路、以太网通讯电路及主控部分与相控部分通信电路等。相控部分采用6U的控制机箱结构，相控芯片为TI DSP+Xilinx FPGA，两者配合以完成实时复杂的PWM控制算法及模块运行信息处理等功能，外围电路主要包括光纤输出/输入电路及相控部分与主控部分通信电路等。硬件均压采用桥式电路与电阻并联构成的均压电路、直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制技术实现多个H桥功率模块的电压均压控制。相控部分与每个H桥功率模块之间的通信均采用光纤技术。

见图2，每个H桥功率模块由4个功率单元组成的桥式电路与电阻R并联构成均压电路。组成桥式电路的功率单元为3300VDC的IGBT模块。

见图3，一种可自动调整锁相环算法控制：

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到dq坐标系；

第二步:将q轴分量与参考频率通过变频滑动窗口法计算求平均值；

第三步:将dq轴分量与参考频率通过自动调节得出电压的模做为自动归一调整的参考量；

第四步:将第二步和第三步得到的值的乘积进入PID误差处理环节进行误差处理；

第五步:将第四步的分量积分后对2π求余得到参考相角wt；

第六步:将第四步的分量除以2π后进行低通滤波并进行延迟处理环节后更新参考频率值；

见图4，系统控制：

第一步:采集三相电压VABC，系统电流IABC，SVG电流ISVGABC，直流电压Udc A，UdcB，Udc C；

第二步:将三相电压输入锁相环得到A相电压正序基波相角wt；

第三步:将三相系统电流I ABC，SVG电流I SVGABC和相角wt输入IPIQ瞬时无功算法模块得到无功电流参考值；

第四步:将直流电压Udc A，Udc B，Udc C与直流电压参考值Udc_ref做差，将所得值做为误差输入PI 1模块进行PID误差处理，将结果做为参考量与锁相环相角wt进行dq反变换，得到有功电流(电压平衡所需电流)参考值；

第五步:无功电流参考值、有功电流参考值输入PI2模块中，经PI2模块处理形成三相电流参考值，三相电流参考值再与SVG实际输出电流值ISVGA、ISVGB、ISVGC进行PID处理通过PI3模块得到电流处理参考值；

第六步:将三相电压进行PID处理得到电压前馈；

第七步:将三相电压和相角wt进行负序电压前馈处理得到负序电压前馈；

第八步:将电压前馈、负序电压前馈,电流处理参考值做和，乘以直流电压的倒数后输入PWM处理模块；

第九步:进行PWM调制，死区控制与补偿，得到PWM调制信号，控制IGBT模块,输出电流。

见图5，负序前馈算法控制：

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到αβ坐标系；

第二步:αβ坐标系下的电压与锁相环输出的相角wt经逆时针旋转转化到负序dq坐标系；

第三步:对dq坐标系下的分量进行低通滤波；

第四步:将滤波后的分量经逆时针旋转转化到αβ坐标系；

第五步:将αβ坐标系的分量转化为abc坐标系下求得负序电压分量；

见图6，基于IPIQ算法的瞬时无功算法

第一步:根据系统配线方式，由补偿后的系统电流与SVG输出电流得到负载电流；

第二步:由锁相环输出的相角wt与负载电流进行dq变换，所得Q轴即为瞬时无功参考量；

第三步:将第二步得到的瞬时无功参考量进行低通滤波得到基波无功；

第四步:将第三步得到的值经锁相环输出的相角wt误差调整后的值进行dq反变换得到三相无功电流参考值；

见图7，66kV高压直挂式无功发生器装置的控制部分由主控制器、相控制器及功率模块控制部分组成。

主控制器负责装置的全部控制算法脉冲的生成，以及装置过流保护；主控制器采用6U的控制机箱结构，主控芯片为双TI DSP+Xilinx FPGA，两者配合以完成实时复杂的无功控制算法与直流电压均压控制算法。外围电路主要包括数字量输出/输入电路、模拟信号调理电路、硬件保护电路、以太网通讯电路及主控部分与相控部分通信电路等。硬件均压采用桥式电路与电阻并联构成的均压电路、直流电压均压控制算法、脉冲变换及快速闭环跟踪电压控制技术实现多个H桥功率模块的电压均压控制。

相控部分采用6U的控制机箱结构，相控芯片为TI DSP+Xilinx FPGA，两者配合以完成实时复杂的PWM控制算法及模块运行信息处理等功能，外围电路主要包括光纤输出/输入电路及相控部分与主控部分通信电路等。相控部分与每个H桥功率模块之间的通信均采用光纤技术。

功率模块控制部分工作在高压强电磁干扰的环境中，与相控制器之间采用光纤通讯方式，能可靠地接收主控制器发来的PWM脉冲信号。板上采用了Altera CPLD，能够快速地检测出故障状态并及时闭锁脉冲。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法，高压直挂式无功发生器装置与66kV电压等级电网直接相连，主电路采用中性点不接地的星形接法，各相均由多个H桥功率模块级联组成，通过旁路断路器、连接电抗器和并网断路器串联接入系统，其中，充电电阻与旁路断路器并联；每个H桥功率模块由4个功率单元组成的桥式电路与电阻并联构成均压电路；其特征在于，控制方法包括以下内容：

1)可自动调整锁相环算法控制

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到dq坐标系；

第二步:将q轴分量与参考频率通过变频滑动窗口法计算求平均值；

第三步:将dq轴分量与参考频率通过自动调节得出电压的模做为自动归一调整的参考量；

第四步:将第二步和第三步得到的值的乘积进入PID误差处理环节进行误差处理；

第五步:将第四步的分量积分后对2π求余得到参考相角wt；

第六步:将第四步的分量除以2π后进行低通滤波并进行延迟处理环节后更新参考频率值；

2)基于IPIQ算法的瞬时无功算法

第一步:根据系统配线方式，由补偿后的系统电流与SVG输出电流得到负载电流；

第二步:由锁相环输出的相角wt与负载电流进行dq变换，所得Q轴即为瞬时无功参考量；

第三步:将第二步得到的瞬时无功参考量进行低通滤波得到基波无功；

第四步:将第三步得到的值经锁相环输出的相角wt误差调整后的值进行dq反变换得到三相无功电流参考值；

3)负序前馈算法控制：

第一步:将三相电压由abc坐标系转化到αβ坐标系；

第二步:αβ坐标系下的电压与锁相环输出的相角wt经逆时针旋转转化到负序dq坐标系；

第三步:对dq坐标系下的分量进行低通滤波；

第四步:将滤波后的分量经逆时针旋转转化到αβ坐标系；

第五步:将αβ坐标系的分量转化为abc坐标系下求得负序电压分量；

4)系统控制：

第一步:采集三相电压VABC，系统电流IABC，SVG电流ISVGABC，直流电压Udc A，Udc B，Udc C；

第二步:将三相电压输入锁相环得到A相电压正序基波相角wt；

第三步:将三相系统电流I ABC，SVG电流I SVGABC和相角wt输入IPIQ瞬时无功算法模块得到无功电流参考值；

第四步:将直流电压Udc A，Udc B，Udc C与直流电压参考值Udc_ref做差，将所得值做为误差输入PI1模块进行PID误差处理，将结果做为参考量与锁相环相角wt进行dq反变换，得到有功电流参考值；

第五步:无功电流参考值、有功电流参考值输入PI2模块中，经PI2模块处理形成三相电流参考值，三相电流参考值再与SVG实际输出电流值ISVGA、ISVGB、ISVGC进行PID处理通过PI3模块得到电流处理参考值；

第六步:将三相电压和锁相环相角wt进行PID处理得到电压前馈；

第七步:将三相电压和相角wt进行负序电压前馈处理得到负序电压前馈；

第八步:将电压前馈、负序电压前馈,电流处理参考值做和，乘以直流电压的倒数后输入PWM处理模块；

第九步:进行PWM调制，死区控制与补偿，得到PWM调制信号，控制IGBT模块,输出电流。

2.根据权利要求1所述的一种66kV高压直挂式无功发生器控制方法，其特征在于：所述的组成桥式电路的功率单元为3300VDC的IGBT模块。