CN104362645A - 基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，包括步骤：根据电网阻抗、无功补偿电容阻抗和涌流抑制电抗器阻抗计算出最优谐波电阻值；检测变流器端口电压，通过谐波分离算法得到谐波电压分量，再除以最优谐波电阻值，得到谐波电流指令分量；对变流器直流侧电容电压进行闭环控制，直流侧电压误差信号经调节器后乘以交流侧基波电压相位信号，得到基波电流指令分量；将基波电流指令分量和谐波电流指令分量相加的结果构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。本发明用于解决电网阻抗和无功补偿支路谐振的问题。

Description

基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法

技术领域

本发明属于电力系统的电能质量控制技术领域，用于并联电容器的谐振抑制，具体涉及一种基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法。

背景技术

在电力系统中，并联电容器常常用来进行无功补偿。但是随着非线性负载在电力系统中的广泛应用，会产生谐波电流和谐波电压，加上电网背景谐波，都会导致无功补偿电容器和电网线路电感发生谐振，触发并联电容器的谐波保护而跳闸，影响正常的无功补偿。

通常情况下，会在电容器接串联电抗器来抑制谐振。串联电抗器的设计方法如下：当电网谐波含量最低次是3次时，串联电抗器容量是并联电容器的12％；当电网谐波含量最低次是5次时，串联电抗器容量是并联电容器的5％。其原理是使无功补偿支路在谐波频率上总是呈现感性，从而避免和电力线路的线路电感发生谐振，进而放大谐波。但是这种方法有一定的局限性，当电网谐波频谱发生改变时，串联电抗器并不能保证无功支路在所有谐波段总是呈现感性，谐波还是有被放大的可能，而且过大的串联电抗器的容量会导致运行时无功补偿电容电压增加。另一种方法是使用混合有源电力滤波器进行谐振抑制，但是混合滤波器对系统参数很敏感，系统参数的变化会使其控制效果变差。另外，在高压系统中，会增设电压电流传感器，增加成本，不利于混合滤波器的推广。

发明内容

本发明的目的是针对并联电容器应用于无功补偿场合时，解决电网阻抗和无功补偿支路谐振的问题，提供了一种基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法。该方法具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点，本发明应用于大电网无功补偿时，可在有效阻尼谐振的同时降低有功能量的损耗。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，包括以下步骤：

1)获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，然后根据电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf计算出最优谐波电阻值r_u；

2)检测变流器端口电压U_L，通过谐波分离算法得到谐波电压分量U_Lh，再除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)；

3)对变流器直流侧电容电压进行闭环控制，直流侧电压误差信号经调节器后乘以交流侧基波电压相位信号，得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)；

4)将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加的结果构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，求出电网电流谐波含量I_{sh_rms}和无功支路电流谐波含量I_{fh_rms}随谐波电阻值r的变化曲线；进而根据电网电流的谐波含量原则和并联无功补偿电容器的谐波保护需求，得出最优谐波电阻值r_u。

本发明进一步的改进在于，获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，根据电网电流比负载电流增益电网电流谐波含量画出I_{sh_rms}的变化曲线，根据无功支路电流比负载电流增益 $G_f=\frac{I_f}{I_L}=\frac{Z_s}{Z_s+Z_{\mathrm{Lf}}\left|\right|r+Z_{\mathrm{Cf}}},$ 无功支路谐波电流含量 $I_{\mathrm{fh}\_\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{fh}}^2},$ 画出I_{fh_rms}的变化曲线，其中，I_sh为电网电流的谐波成分；进而根据电网电流的谐波含量原则和并联无功补偿电容器的谐波保护需求，得出最优谐波电阻值r_u。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，通过检测变流器端口电压，得到a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c；a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c依次经CLARKE变换、PARK变换、低通滤波器滤波处理、PARK反变换、CLARKE反变换后得基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，然后用a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c分别减去基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，得到谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf，再将谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf分别除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，检测变流器直流侧电容电压，并与变流器直流侧电容电压设定值相比较，其差值送入电压控制器，电压控制器输出再乘以变流器交流侧基波电压相位信号，最终得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)。

本发明进一步的改进在于，步骤4)中，将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加，得到变流器电流指令信号变流器电流指令信号构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、当负载电流中谐波频谱发生变化时，有源谐波电阻仍然能够有效得进行阻尼电网阻抗和并联电容器之间的谐振；

2、利用变流器实现有源电阻功能，在阻尼谐振的同时降低有功能量损耗；

3、本发明具有物理意义明晰、实现简单、性能优异等特点。

附图说明

图1是本发明提出的有源谐波电阻结构示意图。

图2是负载谐波电流作用下单相拉氏变换等效电路模型图。

图3是有源谐波电阻控制流程图。

图4(a)是有源谐波电阻控制方式下电网电流谐波含量标幺值随谐波电阻变化曲线图。

图4(b)是有源谐波电阻控制方式下无功支路电流谐波含量标幺值随谐波电阻变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明提出的有源谐波电阻包括：基于全控型电力电子器件的电压型逆变器、LC无源支路、以及控制装置，其中，LC无源支路包括并联电容器和为抑制合闸涌流的串联电抗器。

本发明基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，该方法利用无功补偿电容串联的涌流抑制电抗器，通过将变流器和串联电抗器并联，使得变流器只承担基波电压且不承受基波无功补偿电流，有效的降低了变流器的容量。变流器检测端口谐波电压，控制其输出谐波电流正比于端口谐波电压，使其在谐波频段呈现电阻特性，并且其吸收的谐波能量通过基波形式和电网进行交换以稳定变流器直流侧电压。通过优化算法，选取最优的谐波电阻值，以较小的功率等级实现阻尼谐波电流放大的功能，并且在阻尼谐振的同时不消耗谐波的有功能量，避免了传统阻尼电阻发热的问题，提高了整体的效率。

参见图1至图4，本发明基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，包括以下步骤：1)获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，然后根据电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf计算出最优谐波电阻值r_u；

参见图2、图4(a)及图4(b)，上述步骤中，获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，根据电网电流比负载电流增益电网电流谐波含量画出I_{sh_rms}的变化曲线，根据无功支路电流比负载电流增益 $G_f=\frac{I_f}{I_L}=\frac{Z_s}{Z_s+Z_{\mathrm{Lf}}\left|\right|r+Z_{\mathrm{Cf}}},$ 无功支路谐波电流含量 $I_{\mathrm{fh}\_\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{fh}}^2},$ 画出I_{fh_rms}的变化曲线，其中，I_sh为电网电流的谐波成分；进而根据电网电流的谐波含量原则和并联无功补偿电容器的谐波保护需求，得出最优谐波电阻值r_u。

2)检测变流器端口电压U_L，通过谐波分离算法得到谐波电压分量U_Lh，再除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)；

参见图3，上述步骤中，通过检测变流器端口电压，得到a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c；a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c依次经CLARKE变换、PARK变换、低通滤波器滤波处理、PARK反变换、CLARKE反变换后得基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，然后用a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c分别减去基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，得到谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf，再将谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf分别除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)。

3)对变流器直流侧电容电压进行闭环控制，直流侧电压误差信号经调节器后乘以交流侧基波电压相位信号，得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)；

参见图3，上述步骤中，检测变流器直流侧电容电压，并与变流器直流侧电容电压设定值相比较，其差值送入电压控制器，电压控制器输出再乘以变流器交流侧基波电压相位信号，最终得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)。

4)将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加的结果构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能；

参见图3，上述步骤中，将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加，得到变流器电流指令信号变流器电流指令信号 构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。

实施例：

低压配电网中，考虑一般情况，参考图1所示，电网参数设置如下：

L_s＝0.6mH，C_f＝200μF，L_f＝4mH，非线性负载选择二极管不控整流桥带阻感负载(L＝6mH，8ohm)。

根据最优电阻计算方法，计算得到最优电阻R_u＝1.3ohm。

下表所示为实施有源谐波电阻控制方法前、后，电容电流中谐波含量的对比：

谐波电流(A)	5次	7次	11次	13次	17次	19次
							投入前	1.12	2.71	6.62	3.04	1.59	1.31
投入后	0.98	2.14	1.98	1.42	0.92	0.77

可以看到，谐波电阻控制方式投入后，电容上的谐波电流在比较宽的频段上有明显的抑制。

Claims (6)

1.基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，然后根据电网阻抗Zs、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf计算出最优谐波电阻值r_u；

2)检测变流器端口电压U_L，通过谐波分离算法得到谐波电压分量U_Lh，再除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)；

3)对变流器直流侧电容电压进行闭环控制，直流侧电压误差信号经调节器后乘以交流侧基波电压相位信号，得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)；

4)将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加的结果构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。

2.根据权利要求1所述的基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，步骤1)中，获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，求出电网电流谐波含量I_{sh_rms}和无功支路电流谐波含量I_{fh_rms}随谐波电阻值r的变化曲线；进而根据电网电流的谐波含量原则和并联无功补偿电容器的谐波保护需求，得出最优谐波电阻值r_u。

3.根据权利要求2所述的基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，获取电网阻抗Z_s、无功补偿电容阻抗Z_Cf和涌流抑制电抗器阻抗Z_Lf，根据电网电流比负载电流增益 $G_s=\frac{I_s}{I_L}=\frac{Z_{\mathrm{Lf}}\left|\right|f+Z_{\mathrm{Cf}}}{Z_S+Z_{\mathrm{Lf}}\left|\right|r+Z_{\mathrm{Cf}}},$ 电网电流谐波含量 $I_{\mathrm{sh}\_\mathrm{rms}}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{I}_{\mathrm{fh}}^2},$ 画出I_{sh_rms}的变化曲线，根据无功支路电流比负载电流增益无功支路谐波电流含量画出I_{fh_rms}的变化曲线，其中，I_sh为电网电流的谐波成分；进而根据电网电流的谐波含量原则和并联无功补偿电容器的谐波保护需求，得出最优谐波电阻值r_u。

4.根据权利要求1所述的基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，步骤2)中，通过检测变流器端口电压，得到a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c；a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c依次经CLARKE变换、PARK变换、低通滤波器滤波处理、PARK反变换、CLARKE反变换后得基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，然后用a相电压瞬时值U_a、b相电压瞬时值U_b以及c相电压瞬时值U_c分别减去基波电压成分U_af、U_bf及U_cf，得到谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf，再将谐波电压成分U_af、U_bf及U_cf分别除以最优谐波电阻值r_u，得到谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)。

5.根据权利要求1所述的基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，步骤3)中，检测变流器直流侧电容电压，并与变流器直流侧电容电压设定值相比较，其差值送入电压控制器，电压控制器输出再乘以变流器交流侧基波电压相位信号，最终得到基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)。

6.根据权利要求1所述的基于注入式的无功补偿电容器的有源谐波电阻控制方法，其特征在于，步骤4)中，将基波电流指令分量(I_af，I_bf，I_cf)和谐波电流指令分量(I_ah，I_bh，I_ch)相加，得到变流器电流指令信号变流器电流指令信号构成变流器电流指令，经过闭环控制，使变流器的输出电流跟踪端口电压，在谐波频段模拟出电阻的特性，进而实现有源谐波电阻阻尼谐振电流放大的功能。