CN105958492A - 有源电力无功补偿滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种有源电力无功补偿滤波器，其由谐波检测系统、控制系统、逆变主电路三个部分构成，所述滤波器并联在电网线路的非线性负载上，依次连接所述谐波检测系统，控制系统和逆变主电路；所述谐波检测系统检测出系统中的谐波给出需要补偿谐波的参考值，通过所述控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制所述逆变主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果。该滤波器能够动态有源滤波、快速的补充谐波和无功干扰，对不同频率的谐波进行快速跟踪补偿，实时检测线路功率因数并进行动态补偿、彻底解决三相不平衡的问题，节能效益显著，降低电网运行损耗。

Description

有源电力无功补偿滤波器

技术领域：

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相四线制并联型有源电力无功补偿滤波器。

背景技术：

电力电子技术的发展，使得各种非线性和时变性电子装置的应用日益广泛，一是方便了电能的应用，二是产生的谐波、无功功率对电网造成了严重污染，对电力系统和用户造成了很大的危害。有源电力滤波器作为一种新型的谐波、无功综合补偿系统，受到越来越广泛的关注。

在低压配电系统中，在工业现场和民用建筑中三相四线制系统作为最主要的供电方式而得到广泛应用。随着城市现代化建设，商业和民用电在城市用电中的比例越来越大，城市建筑中存在着大量的办公自动化设备、家用电器、照明电源及不间断电源等。这些设备都会在电网中产生大量的零序谐波电流，虽然它们单台电器的谐波电流较小，但因其数量庞大，所带来的谐波污染是极其严重的。三相四线制在电力系统中应用广泛，其中的谐波和三相不平衡问题越来越引起人们的重视。特别是在农村，农网建设相对薄弱，负荷性质更不可控，三相不平衡现象尤为严重。农网台区比较分散治理困难，这也要求了我们不平衡治理装置必需要具备便于安装、免维护、环境适应性强等特点。因此对能补偿零序谐波电流的三相四线有源电力滤波器的研究具有很高的实际研究和应用价值。本申请通过分析系统谐波和三相不平衡问题，有针对性的进行了算法的优化，研发了适用于三相四线制系统的有源电力滤波器，并通过现场测试，验证了有源电力滤波器的有效性。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种三相四线制并联型有源电力无功补偿滤波器，对不同频率的谐波进行快速跟踪补偿，实时检测线路功率因数并进行动态补偿、彻底解决三相不平衡的问题。

为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种有源电力无功补偿滤波器，由谐波检测系统、控制系统、逆变主电路三个部分构成，所述滤波器并联在电网线路的非线性负载上，，依次连接所述谐波检测系统，控制系统和逆变主电路；所述谐波检测系统检测出系统中的谐波给出需要补偿谐波的参考值，通过所述控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制所述逆变主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果。

上述谐波检测系统可准确计算补偿前与补偿后的电流、电压、谐波、有功无功。

上述控制系统由控制算法处理模块和触发脉冲产生模块两个部分组成，所述控制算法处理模块对谐波检测系统送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲产生模块；所述触发脉冲产生模块根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的逆变主电路，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。

上述谐波检测算法是基于瞬时无功功率理论的检测算法，适用于该三相四线制并联型有源电力无功补偿滤波器系统的改进型的ip-iq算法，即：

当系统三相电压中不含谐波且为基波正序电压时，运用p-q法可以迅速、准确的检测出被检电流中的谐波分量和无功分量，克服了传统方法延时、精度低等缺点。但是当系统电压也有畸变时，就会大大影响谐波检测的精度，并且电压畸变越严重，检测结果的精度越低，因此p-q法快速检测的精度受电压质量的影响。为了克服电压存在谐波分量的不足，让电源电压不直接参与计算，用与电源电压同相位的正弦信号sin wt和cos wt来代替，这样电源有畸变也不会影响计算结果，从而提高三相电流谐波检测的精度。这就是ip-iq算法，其具体的做法如下：

定义C32，C如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cc}\sin wt& -\cos wt\\ -coswt& -\sin wt\end{array}\right]---\left(1\right)$

设A相电压为：

设三相电流为：

其中n＝3k±1，k为整数。根据有：

式中n＝3k+1时取正号，n＝3k-1时取负号。

将计算得到的电流经过低通滤波器后，得到ip，iq的直流分量为：

在经过反变换即得到电流的基波分量为：

最后，三相电流减去上式所计算得到的基波分量，就得到所需要补偿的谐波分量。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{ah}\\ i_{bh}\\ i_{ch}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]---\left(7\right)$

上述谐波检测算法是根据p、q算法构成的无功电流补偿装置，再此基础上基于瞬时无功理论的ip、iq检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路高次谐波和基波负序电流的准确检测；也准确检测了三相电压非正弦情况下三相电路基波无功电流。

基于单周控制(OCC)的非线性控制方法，通过控制开关占空比，在每个周期内使开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。该控制方法不需检测谐波和无功电流分量，控制电路相对简单，实时性较好。在负荷三相不平衡、电源侧不平衡或畸变的的情况下仍可保持系统电流三相平衡，且动态变化过程中系统电流实现平滑过渡，且稳定性能良好。

本发明还提供上述有源电力无功补偿滤波器的外部构造，其包括壳体，壳体内前端设有TUC模块，壳体内后端设有控制器、电容器、断路器、避雷器、电容专用机电一体化同步开关，二次接线箱；所述TUC模块连接于系统中所述的谐波检测系统上；所述控制器连接于系统中所述的控制系统上，所述控制器连接于二次接线箱上；所述电容器和电容专用机电一体化同步开关与控制器相连接，所述电容器与电容专用机电一体化同步开关相连接，控制器控制电容器和电容专用机电一体化同步开关；所述断路器和避雷器与电容器相连接。

上述控制器上设有指示灯和急停按钮。

本发明的有益效果在于：该有源电力无功补偿滤波器能够动态有源滤波、快速的补充谐波和无功干扰，实现了动态跟踪补偿，达到治理谐波、补偿无功和拟制三相不平衡的多重效果，从而把占据配电网绝大多数的用户侧无功阻挡在10kV线路之外，节能效益显著，较好实现了从台区关口优化低压电网三相不平衡度，降低电网运行损耗。

附图说明：

图1是本发明有源电力无功补偿滤波器的系统结构示意图；

图2是本发明有源电力无功补偿滤波器的外部正视图；

图3是本发明有源电力无功补偿滤波器的外部后视图；

图中：1-谐波检测系统，2-逆变主电路，3-非线性负载，4-控制算法处理模块，5-触发脉冲产生模块，6-壳体，7-TUC模块，8-控制器，9-电容器10-断路器，11-避雷器，12-电容专用机电一体化同步开关，13-二次接线箱，14-指示灯，15-急停按钮。

具体实施方式：

下面结合附图及其具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种有源电力无功补偿滤波器，由谐波检测系统1、控制系统、逆变主电路2三个部分构成，所述滤波器并联在电网线路的非线性负载3上，依次连接所述谐波检测系统1，控制系统和逆变主电路2；所述谐波检测系统1检测出系统中的谐波给出需要补偿谐波的参考值，通过所述控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制所述逆变主电路2产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果。

所述谐波检测系统1可准确计算补偿前与补偿后的电流、电压、谐波、有功无功。

所述控制系统由控制算法处理模块4和触发脉冲产生模块5两个部分组成，所述控制算法处理模块4对谐波检测系统1送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲产生模块5；所述触发脉冲产生模块5根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的逆变主电路2，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。

如图2、图3所示，该有源电力无功补偿滤波器的外部构造，其包括壳体6，壳体6内前端设有TUC模块7，壳体6内后端设有控制器8、电容器9、断路器10、避雷器11、电容专用机电一体化同步开关12，二次接线箱13；所述TUC模块7连接于系统中所述的谐波检测系统1上；所述控制器8连接于系统中所述的控制系统上，所述控制器8连接于二次接线箱13上；所述电容器9和电容专用机电一体化同步开关12与控制器8相连接，所述电容器9与电容专用机电一体化同步开关12相连接，控制器8控制电容器9和电容专用机电一体化同步开关12；所述断路器10和避雷器11与电容器9相连接。

上述控制器8上设有指示灯14和急停按钮15。

该有源电力无功补偿滤波器所述的谐波检测算法是根据p、q算法构成的无功电流补偿装置，再此基础上基于瞬时无功理论的ip、iq检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路高次谐波和基波负序电流的准确检测；也准确检测了三相电压非正弦情况下三相电路基波无功电流。

基于单周控制(OCC)的非线性控制方法，通过控制开关占空比，在每个周期内使开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。该控制方法不需检测谐波和无功电流分量，控制电路相对简单，实时性较好。在负荷三相不平衡、电源侧不平衡或畸变的的情况下仍可保持系统电流三相平衡，且动态变化过程中系统电流实现平滑过渡，且稳定性能良好。

负荷电流包含基波有功电流、基波无功电流和各次谐波电流。表示如下：

$i_{Lk}=I_{pLk}\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)+I_{qk}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)+\underset{n=2}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{I}_{nk}\sin (n\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\θ}}_n)---\left(1\right)$

其中k＝a，b，c；θ_n分别为非线性负荷电流中的基波有功分量幅值、基波无功分量幅值、n次谐波分量幅值和n次谐波分量相角。

补偿后系统电流为：

i_sk＝I_pLksin(ωt) (2)

系统实际操作中，该有源电力无功补偿滤波器装置通过采样计算逆变主电路2需要提供的补偿电流，产生逆变主电路各开关器件的控制算法处理模块4经触发脉冲产生模块5作用于逆变主电路2开关器件的通断，产生补偿电流。控制系统经采集系统获得系统补偿前电流大小和相位，依据上述算法原理，计算出目标电流和补偿电流，驱动可调电流源模块和无源补偿模块发出补偿电流，最终得到电源侧电流接近计算目标电流。系统电流经补偿后只含有基波有功分量，从而达到消除谐波和无功补偿的目的。补偿后的系统电流与电压应为同相位，达到负荷侧基波功率因数为1同时三相平衡的目标。

该有源电力无功补偿滤波有效降低配电网试点区域线损2％及以上(2％-6％)，可靠提高供电线路电压，创造明显的经济效益，实现了配电网无功电压及三相不平衡节能控制闭环化，降低了人员劳动强度，减少了电力企业人力成本。

Claims (5)

1.一种有源电力无功补偿滤波器，其特征在于：所述滤波器由谐波检测系统(1)、控制系统、逆变主电路(2)三个部分构成，所述滤波器并联在电网线路的非线性负载(3)上，依次连接所述谐波检测系统(1)，控制系统和逆变主电路(2)；所述谐波检测系统(1)检测出系统中的谐波给出需要补偿谐波的参考值，通过所述控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制所述逆变主电路(2)产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果。

2.根据权利要求1所述的有源电力无功补偿滤波器，其特征在于：所述控制系统由控制算法处理模块(4)和触发脉冲产生模块(5)两个部分组成，所述控制算法处理模块(4)对谐波检测系统(1)送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲产生模块(5)；所述触发脉冲产生模块(5)根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动逆变主电路(2)，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。

3.根据权利要求2所述的有源电力无功补偿滤波器，其特征在于：所述谐波检测算法是基于瞬时无功功率理论的检测算法，适用于该三相四线制并联型有源电力无功补偿滤波器系统的改进型的ip-iq算法，其具体的做法如下：

定义C32，C如下：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],C=\left[\begin{array}{cc}\sin wt& -\cos wt\\ -coswt& -\sin wt\end{array}\right]---\left(1\right)$

设A相电压为：

设三相电流为：

其中n＝3k±1，k为整数。根据有：

式中n＝3k+1时取正号，n＝3k-1时取负号。

将计算得到的电流经过低通滤波器后，得到ip，iq的直流分量为：

在经过反变换即得到电流的基波分量为：

最后，三相电流减去上式所计算得到的基波分量，就得到所需要补偿的谐波分量。

$\left[\begin{array}{c}{i}_{ah}\\ i_{bh}\\ i_{ch}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{i}_{af}\\ i_{bf}\\ i_{cf}\end{array}\right]---\left(7\right)$

4.根据权利要求1所述的有源电力无功补偿滤波器，其特征在于：所述源电力无功补偿滤波器包括壳体(6)，壳体(6)内前端设有TUC模块(7)，壳体(6)内后端设有控制器(8)、电容器(9)、断路器(10)、避雷器(11)、电容专用机电一体化同步开关(12)，二次接线箱(13)；所述TUC模块(7)连接于系统中所述的谐波检测系统(1)上；所述控制器(8)连接于系统中所述的控制系统上，所述控制器(8)连接于二次接线箱(13)上；所述电容器(9)和电容专用机电一体化同步开关(12)与控制器(8)相连接，所述电容器(9)与电容专用机电一体化同步开关(12)相连接，控制器(8)控制电容器(9)和电容专用机电一体化同步开关(12)；所述断路器(10)和避雷器(11)与电容器(9)相连接。

5.根据权利要求4所述的有源电力无功补偿滤波器，其特征在于：所述控制器(8)上设有指示灯(14)和急停按钮(15)。