CN104184156A - 一种精确补偿三相分补svg装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种精确补偿三相分补SVG装置及控制方法，其装置对三相采用的完成独立控制策略，在三相负载不平衡下可实现对各相的精确补偿。其包括三个独立的两桥臂补偿单元，每一个两桥臂补偿单元单独对一相进行独立的无功和谐波补偿，各相补偿单元可以精确补偿该相的无功和谐波，三相之间不存在耦合关系，因此在负载不平衡的情况也能进行精确的补偿。

Description

一种精确补偿三相分补SVG装置及控制方法

技术领域

本发明为涉及电能治理领域动态无功补偿方法,具体提供了一种精确补偿三相分补SVG装置及控制方法。

背景技术

近年来，我国经济发展速度很快，工业用电中电力拖动、变频设备等会产生大量的无功和谐波，民用电中大量异步电机和带整流硅堆电器设备也会产生大量无功和谐波，入网的三次谐波还能够在变压器角型饶组中抵消掉，但是无功和5、7、9、11..次谐波无法被消除，将耦合到电网中传递，给电网加重了负荷，电网线损增加，电能的利用率也降低，同时谐波注入电网还可能危害到其他用电客户端。

为了解决电能质量问题，早期出现了SVC设备，SVC采用电容组投切方式，一般电网的无功主要是电机类产生的感性滞后无功，可通过电容器发出超前电流进行补偿，为了防止谐波对进入SVC设备发生谐振放大，需要用电抗器遏制谐波进入SVC设备，所以SVC主要是针对基波无功进行补偿，并且投断时要过零投断，以防止过大的di/dt对设备冲击，而且投断频繁，机械寿命有限，响应速度缓慢，补偿为阶梯补法，容易过补或欠补。

SVC存在众多缺点，随后出现了SVG设备，SVG设备通常采用三相三桥换流器对电流进行控制,其拓扑结构见图1，动态响应速度在ms级，补偿精度高，并且对谐波有补偿能力，而三相逆变桥能够产生准确的正序电流，在电压主要为正序分量电网下并不能发出非常准确的负序电流，零序电流是无能为力，因此三桥换流器对负载不平衡只有抑制能力，不能够实现精确的补偿，即便采用电容分裂出中性点，其零序电流出力也是有限的。

专利CN200510038450.0，三相四桥臂变换器的控制方法，针对不平衡负载情况，在三相三桥逆变器的基础上通过增加一个桥臂来发生零序电流,其拓扑结构见图2，三相电流仍然采用静止坐标旋转法进行双闭环控制，中线电流进行独立有差跟踪控制，从而得到DQ0指令电压，通过3DSVPWM空间矢量计算得到逆变输出，该方法能够在负载完全不平衡下对零序电流补偿，但由于不能够准确地发出负序电流，始终存在部分无功不能得到完全补偿。

发明内容

本发明的目的在于提供三相分补SVG装置，其装置对三相采用的完成独立控制策略，三相负载平衡与否对设备没有任何影响，实现对各相的精确补偿。其拓扑结构见图3，该补偿装置对三个相位进行独立补偿，三相之间没有耦合关系，采用瞬时功率法提取-无功和谐波获取指令电流，能够对各相无功和谐波的精确补偿，实现补偿后零无功零谐波入网。

为了实现上述目的本发明采用以下技术方案:

一种精确补偿三相分补SVG装置，其包括三个独立的两桥臂补偿单元，每一个两桥臂补偿单元单独对一相进行独立的无功和谐波补偿。

一种精确补偿三相分补SVG装置的控制方法，包括以下步骤，

步骤1、同步锁相；

步骤2、直流侧经过AUR调节器得到稳压指令Id*；

步骤3、采用瞬时功率法对负载电流进行有功基波的提取，其方法如下：

负载电流表达式为式(1)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)+I_{\mathrm{qn}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2}\}\end{array}---\left(1\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用sin(wt)旋转后得到式(2)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{d1}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{q1}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2j})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}-2}{-4}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\end{array}---\left(2\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

有功基波旋转到了直流分量上，因此可以通过低通滤波器提出去直流分量，即基波有功分量，负载无功和谐波总和为i-I_d1，即补偿电流指令Ic*。

步骤4、Id*与Ic*和得到总的电流指令I*，I*经过ACR调节器得到电压指令U*，根据U*计算得到占空比对两桥臂补偿单元进行控制。

上述技术方案中，同步锁相包括：

(a)、单相补偿，使用该相采集电压进行单相数字锁相；

(b)、三相分补，使用三相采集电压进行数字锁相，锁相后得到同步A相正余弦，用A相正余弦移相后得到B、C相的同步正余弦。

与最接近的现有技术相比，本申请提案有何技术优点

1、补偿精确，三相分补SVG装置应用对三相采用的完成独立控制策略，在严重三相负载不平衡下也可实现对各相的精确补偿。

2、系统鲁棒性强，补偿设备的三个补偿器独立工作，如果发生某相位发生故障，其他相可以独立正常工作，在多机并联使用中，单机单相故障对系统影响力小。

3、该装置应用灵活，可以并机作为大功率单相补偿器使用。

附图说明

图1为三桥臂SVG；

图2为四桥臂SVG；

图3为三相分补SVG；

图4为精确补偿三相分补SVG装置；

图5为单相控制流程；

图6为精确补偿三相分补SVG装置星型应用接法的应用；

图7为精确补偿三相分补SVG装置角型应用接法的应用。

具体实施方式

1、装置：

一种精确补偿三相分补SVG装置，包括A相换流器、B相换流器、C相换流器、A相驱动单元、B相驱动单元、C相驱动单元、A相采集单元、B相采集单元、C相采集单元、辅电单元，控制单元,人机控制装置结构见图4。

精确补偿三相分补SVG装置将三相独立控制，三相之间不存在耦合关系，该装置对各相补偿指令单独提取，对各相进行分别补偿，可以实现精确全补偿。

2、方法

(1)辅电单元，对其他单元供电。

(2)A、B、C换流器单元和A、B、C驱动单元为功率单元，完成和电网的能量交换

(3)A、B、C采集单元，对各相补偿器的数据采集。

(4)控制单元

锁相策略：

a)如果设备作为单相补偿设备使用，设备使用该相采集电压进行单相数字锁相。

b)如果设备作为三相分补设备使用。设备使用三相采集电压进行数字锁相，这样数字锁相环更加稳定，锁相后得到同步A相正余弦，用A相正余弦移相后得到B、C相的同步正余弦

电流控制策略：

传统的单相分离ID IQ法主要有两种：一种为虚拟另外两相法，所有的算法处理与三相处理方法一样，该方法虚拟另外两相时未考虑到谐波对虚拟结果的影响，而且依旧按照三相处理，控制较为复杂；另一种为瞬时功率法对ID IQ提取法，其推导如下：

负载电流方程为式(1)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)+I_{\mathrm{qn}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2}\}\end{array}---\left(1\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用sin(wt)旋转后得到式(2)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{d1}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{q1}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2j})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}-2}{-4}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\end{array}---\left(2\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用cos(wt)旋转后得到式(3)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2})\cos \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)+I_{\mathrm{qn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}+2}{-4j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)+I_{\mathrm{qn}}\left(\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\}\end{array}---\left(3\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

根据(2)和(3)的公式，可以看到只有基波分量经过旋转后会产生直流量，高次谐波被旋转后仍为交流量，因此可以通过低通提取出基波有功和无功。

实际为了补偿无功和谐波，获取指令电流只需要求取基波的有功分量I_d1，经过PI调节器后驱动单相变流器对指令电流进行跟踪。

单相控制方法：

单相控制流程见图5：

步骤1、单相同步锁相。

步骤2、直流侧经过AUR调节器得到稳压指令Id*。

步骤3、采用瞬时功率法对负载电流进行有功基波的提取，负载电流减去基波有功分量后得到无功和谐波的补偿指令Ic*。

步骤4、Id*与Ic*求和得到总的电流指令I*，I*经过ACR调节器得到电压指令U*，根据U*计算得到占空比对驱动桥进行控制。

3、应用

该装置三相分相挂网，可以对接入点后端负载的无功和谐波分量进行补偿，装置可实现零无功零谐波入网，实现对三相精确补偿，星型接法见图6，在大功率场合亦可采用角星接法见图7，其控制方法和星型是相同的。

4、其他有助于理解本申请提案的技术资料

术语解释：

SVG:静止无功发生器

PI：比例积分调节。

Claims (3)

1.一种精确补偿三相分补SVG装置，其特征在于，包括三个独立的两桥臂补偿单元，每一个两桥臂补偿单元单独对一相进行独立的无功和谐波补偿。

2.一种精确补偿三相分补SVG装置的控制方法，其特征在于包括，

步骤1、同步锁相；

步骤2、对SVG设备输出电流和负载电流进行Id、Iq分离；

步骤3、直流侧经过AUR调节器得到稳压指令Id*；

步骤4、采用瞬时功率法对负载电流进行有功基波的提取，其方法如下：

负载电流表达式为式(1)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)+I_{\mathrm{qn}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\}\\ =\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\{I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}+e^{-\mathrm{jnwt}}}{2}\}\end{array}---\left(1\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

用sin(wt)旋转后得到式(2)

$\begin{array}{c}i=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2}\right)\left(\frac{e^{\mathrm{jwt}}-e^{-\mathrm{jwt}}}{2j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{d1}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{q1}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2j})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\\ =I_{d1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}+e^{-j2\mathrm{wt}}-2}{-4}\right)+I_{q1}\left(\frac{e^{j2\mathrm{wt}}-e^{-j2\mathrm{wt}}}{-4j}\right)\\ +\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{(I_{\mathrm{dn}}\frac{e^{\mathrm{jnwt}}-e^{-\mathrm{jnwt}}}{2j}+I_{\mathrm{qn}}\frac{e^{\mathrm{jwt}}+e^{-\mathrm{jwt}}}{2})\sin \left(\mathrm{wt}\right)\right\}\end{array}---\left(2\right)$

i：总电流

w：电网角频率

I_d1：总电流中基波正序分量

I_q1：总电流中基波负序分量

I_dn：总电流中(n-1)次谐波正序分量

I_qn：总电流中(n-1)次谐波负序分量

有功基波旋转到了直流分量上，因此通过低通滤波器提出去直流分量，即基波有功分量，负载无功和谐波总和为i-I_d1，即补偿电流指令Ic*；

步骤5、Id*与Ic*求和得到总的电流指令I*，I*经过ACR调节器得到电压指令U*，根据U*计算得到占空比对两桥臂补偿单元进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种精确补偿三相分补SVG装置的控制方法，其特征在于，

同步锁相包括：

(a)、单相补偿，使用该相采集电压进行单相数字锁相；

(b)、三相分补，使用三相采集电压进行数字锁相，锁相后得到同步A相正余弦，用A相正余弦移相后得到B、C相的同步正余弦。