CN106532736B - 基于改进瞬时对称分量法的svg负序零序电流补偿方法 - Google Patents

基于改进瞬时对称分量法的svg负序零序电流补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，采用改进的对称分量法及相量时域中瞬时值的三角函数分解法确定瞬时值；该方法将系统分解成为正负零三序网络后，得到无延时的正负零三序分量，通过正序电流控制使SVG发出电网中需要补偿的无功电流和谐波电流，负序、零序电流控制用以补偿三相负荷不平衡产生的负序、零序分量；当SVG的容量受限时，优先补偿负序、零序分量，保证无功分量的最大程度补偿。本发明克服了传统瞬时对称分量法中延时的缺陷，发挥了SVG补偿能力的灵活性，优先保证了公共节点的三相对称性，既符合配电系统的实际需求，也符合工业用户的心理期望。

Description

基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法
技术领域
本发明涉及无功补偿技术领域，特别是一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大量电力电子装置等非线性设备和各种新型冲击性负荷(如工业电弧炉、电力机车、轧钢机等)接入配电网，在电力系统、工业、交通、以及家电中大量应用，使得无功功率需求大幅增加，电网谐波含量大，同时电压波动、闪变和三相不平衡等问题尤为突出。静止无功发生器(SVG)是目前最先进的无功补偿装置，可对电网进行无功补偿，可以提高电网功率因数，抑制三相不平衡，减少电能损耗。
考虑到传统瞬时对称分量法，其获得的正序、负序和零序电流是以复数形式表示的，而采用移相算子进行对称分量变换又会引入延迟，周期性不定，实时性较差。对于补偿装置来说，快速准确的检测无功电流和不对称分量是有效补偿的前提条件。
传统的SVG补偿策略都是补偿电网中的无功功率，随着我国电力系统稳定性的不断提高，电网中出现不正常运行状态的场合远远大于故障状态，如负荷波动，过负荷现象常常发生。SVG在正常工作状态时候补偿度不高，这就使得SVG如果仅仅补偿电网中的无功功率会降低SVG的利用率。而实际配电系统中，负荷电流的负序、零序分量通常少于无功分量，但是负序、零序分量对系统的危害却更加严重。系统发生故障时，不但会产生不平衡的无功功率，还会产生大量的负序、零序分量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有补偿策略的不足，提供一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，包括如下步骤：
步骤一、实时采样电网三相电压与三相电流的瞬时值；
基于改进的瞬时对称分量法，利用采样值构造旋转相量，旋转相量虚部的系数即为三相电量的瞬时值，根据三角函数的关系式求取旋转相量实部，得到旋转相量；
步骤二、利用三角函数分解法得到三相电量的正序、负序和零序分量的瞬时值；
步骤三、将负序分量与零序分量叠加处理得到合成分量，将合成分量和正序分量经过CLARKE变换和dq坐标变换得到两相旋转分量；
步骤四、将两相旋转分量通过低通滤波器滤除直流分量；
步骤五、将步骤四得到的结果经过CLARKE反变换和dq坐标反变换得到a，b，c三相电流，作为指令电流控制SVG；
步骤六、由两个锁相环和正弦信号发生电路、余弦信号发生电路得到与电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt；
步骤七、采取正序控制环和负序零序控制环叠加控制，对无功电流和三相负荷不平衡同时补偿；
正序控制环采用δ-θ控制，用于无功电流补偿；负序零序控制环采用控制，用于补偿三相负荷不平衡产生的负序、零序电流分量；
步骤八、在SVG中，设负载电流iL由基波正序有功电流基波正序无功电流基波负序电流i-、基波零序电流i0和谐波电流ih组成，即
若SVG补偿负载中的负序电流分量，则输出补偿电流ic＝i-；
若SVG补偿负载中的零序电流分量，则输出补偿电流ic＝i0；
若SVG补偿负载中的无功电流，则输出补偿电流
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明提供了一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，改进的瞬时对称分量法克服了传统方法的延时问题，避免常规方法采样信号的不精确性；采用负序、零序优先补偿方法，克服了当SVG的容量不足以完全补偿负荷电流中的无功电流和负序、零序电流分量时，SVG优先补偿全部的负序、零序电流分量，然后尽量补偿无功电流分量；与传统的SVG控制方式相比，本发明发挥了SVG补偿能力的灵活性，优先保证了公共节点的三相对称性，既符合配电系统的实际需求，也符合工业用户的心理期望。
附图说明
图1为本发明的三相四线制SVG拓扑系统结构示意图。
图2为本发明的应用的基于改进的瞬时分量变换的电流检测原理图。
图3为本发明的a相正序网络数学模型示意图。
图4为本发明的a相负、零序网络数学模型示意图。
图5为本发明的应用的正序负序零序叠加控制原理图。
图6为本发明的三相负荷电流波形图。
图7为本发明的SVG输出的三相电流波形图。
图8为本发明的系统三相电流波形图。
图9为本发明的系统三相电压波形图。
图10为本发明的补偿流程图。
具体实施方式
本发明的一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，包括如下步骤：
步骤一、实时采样电网三相电压与三相电流的瞬时值；
基于改进的瞬时对称分量法，利用采样值构造旋转相量，旋转相量虚部的系数即为三相电量的瞬时值，根据三角函数的关系式求取旋转相量实部，得到旋转相量；
步骤二、利用三角函数分解法得到三相电量的正序、负序和零序分量的瞬时值；
步骤三、将负序分量与零序分量叠加处理得到合成分量，将合成分量和正序分量经过CLARKE变换和dq坐标变换得到两相旋转分量；
步骤四、将两相旋转分量通过低通滤波器滤除直流分量；
步骤五、将步骤四得到的结果经过CLARKE反变换和dq坐标反变换得到a，b，c三相电流，作为指令电流控制SVG；
步骤六、由两个锁相环和正弦信号发生电路、余弦信号发生电路得到与电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt；
步骤七、采取正序控制环和负序零序控制环叠加控制，对无功电流和三相负荷不平衡同时补偿；
正序控制环采用δ-θ控制，用于无功电流补偿；负序零序控制环采用控制，用于补偿三相负荷不平衡产生的负序、零序电流分量；
步骤八、在SVG中，设负载电流iL由基波正序有功电流基波正序无功电流基波负序电流i-、基波零序电流i0和谐波电流ih组成，即
若SVG补偿负载中的负序电流分量，则输出补偿电流ic＝i-；
若SVG补偿负载中的零序电流分量，则输出补偿电流ic＝i0；
若SVG补偿负载中的无功电流，则输出补偿电流
进一步的，当SVG的容量不足以完全补偿负荷电流中的无功电流和负序、零序电流分量时，SVG优先补偿全部的负序、零序电流分量，再补偿部分无功分量；
当SVG的容量不足以补偿全部的负序、零序电流分量时，只补偿负序、零序电流分量，另通过负荷并网点的固定投切电容器或无源LC滤波器来补偿无功电流分量。
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
图1为本发明的三相四线制SVG拓扑系统结构示意图，星形SVG接于三相四线制配电网中。星形SVG为三相星形连接结构，其拓扑结构为低压的三相全桥或中高压的链式H桥组成，负载电流i1a,i1b,i1c包含有功、无功、负序和谐波电流，其中无功、负序及谐波电流注入电网，造成电网电能损失，威胁系统稳定运行。星形SVG输出电流与负载电流中无功、负序和谐波电流幅值相同、方向相反，达到补偿的效果。
本实施例的一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，包括以下步骤：
步骤一，实时采样电网三相电压与三相电流的瞬时值
基于改进的瞬时对称分量法，利用采样值构造旋转相量；相量虚部的系数就是三相电量的瞬时值，只要求出实部就可以确定这些相量，而相量实部的求取可以根据三角函数的关系式。
令三相电流的瞬时值为：
式中：ia，ib，ic分别为三相电流的瞬时值；Iam、Ibm、Icm分别为三相电流的幅值；φa、φb、φc分别为三相电流的初相位，ω为角频率；
设与三相电流ia，ib，ic所对应的旋转相量分别为则：
由上式知道，相量虚部的系数就是三相电流的瞬时值，只要求出实部就可以确定这些相量。
a相电流的瞬时值可表示为：
即：
可得：
又因为：
(5)代入(6)得：
同理得：
步骤二，利用三角函数分解法得到三相电量的正序、负序和零序分量的瞬时值。
由(7)(8)(9)可得，在使用这种方式构造旋转相量时，由于ωΔt实际上是常量，其三角函数值也是常量。
可得电流正序、负序、零序分量瞬时值：
由上述推导可以看出，在求解旋转相量实部的过程中，使用了上一步三相电量的瞬时值。
步骤三，将负序分量与零序分量叠加处理，经过CLARKE变换和dq坐标变换得到两相旋转分量。
图2为本发明的应用的基于改进的瞬时分量变换的电流检测原理图，本发明所需要的坐标变换矩阵定义如下：
abc/αβ：
dq坐标变换：
步骤四，将步骤三的结果通过LPF滤除直流分量。
参见图2，idq(1)，idq(2)经LPF滤除直流分量得到
步骤五，将步骤四得到的结果，经过CLARKE反变换和dq坐标反变换得到输出a，b，c三相电流，作为指令电流控制SVG。
参见图2，本发明所需要的坐标变换矩阵定义如下：
αβ/abc：
dq逆变换：
步骤六，由两个锁相环和正弦信号发生电路、余弦信号发生电路得到与电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt。
步骤七，采取正序控制环和负序零序控制环叠加控制，对无功电流和三相负荷不平衡同时补偿；
图3和图4分别为本发明的应用的a相正序网络数学模型示意图以及a相负、零序网络数学模型示意图。
SVG补偿的无功功率为 为得到的指令电流；其中US为电网侧电压，δ为电网电压与变流器侧电压的相位差。
SVG装置产生的负序电流为零序电流为
图5为本发明的应用的正序负序零序叠加控制原理图。正序控制环采用δ-θ控制，用于无功电流补偿；负序零序控制环采用控制，用于补偿三相负荷不平衡产生的负序、零序电流分量。
利用仿真软件MATLAB/Simulink进行仿真，所设计的SVG的主要参数为，容量为3Mvar，开关频率为5kHz，系统线电压为35kV，隔离变压器的变比为87.5，负荷侧额定工作线电压有效值为380V，频率为50Hz，L＝0.0764mH，C＝7000μF。验证当系统出现不平衡电流时，SVG可以优先补偿负序、零序分量。
图6-图9分别为本发明的应用的三相负荷电流波形图、SVG输出的三相电流波形图、系统三相电流波形图、系统三相电压波形图。
仿真时，补偿电流的不同状态分别对应4个时段：0～0.075s，SVG未投入；0.075～0.15s，SVG投入后只能补偿部分负序、零序电流；0.15～0.25s，SVG补偿全部负序、零序和部分无功电流；0.25～0.35s，SVG完全补偿不平衡电流。
第1时段系统由于不平衡负载的影响，三相电流发生偏移。在第2时段投入SVG装置，当SVG容量过小不能完全补偿时，此时优先补偿负序、零序电流分量。由仿真图可知，此时补偿后的电流波形已经十分接近正弦波，达到了优先补偿的效果。
根据SVG模型的参数，可计算出该装置输出线电流的额定幅值与上图中第2、3时段装置输出线电流的幅值相一致，而第3时段说明装置完全补偿了负荷中的负序、零序电流，仅剩部分无功分量注入电网。第4时段，剩余的部分无功分量完全补偿，系统电流，负荷电流都为标准的正弦波。
第3时段，电压超前了电流90°，说明补偿后的系统电流不含负序、零序分量仅含有无功成分，实现了负序、零序优先补偿的目标。
图9为系统电压的波形，根据第2时段仿真结果可得，当系统补偿了负序、零序分量及部分无功分量时，系统电压电流波形，已经可以满足运行要求。
步骤八，图10为本发明的补偿流程图，在SVG中，设负载电流iL由基波正序有功电流基波正序无功电流基波负序电流i-、基波零序电流i0和谐波电流ih组成，即
若SVG补偿负载中的负序电流分量，则输出补偿电流ic＝i-；
若SVG补偿负载中的零序电流分量，则输出补偿电流ic＝i0；
若SVG补偿负载中的无功电流，则输出补偿电流
因此，当SVG的容量不足以完全补偿负荷电流中的无功电流和负序、零序电流分量时，SVG应该优先补偿全部的负序、零序电流分量，然后补偿无功电流分量。当SVG的容量不足以补偿全部的负序、零序电流分量时，只补偿负序、零序电流分量，另通过负荷并网点的固定投切电容器或无源LC滤波器来补偿无功电流分量。
本发明提出的SVG负序、零序电流优先补偿的策略，在SVG装置容量有限的条件下，提高了负序、零序电流的实际补偿能力。

Claims (2)

1.一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、实时采样电网三相电压与三相电流的瞬时值；
基于改进的瞬时对称分量法，利用采样值构造旋转相量，旋转相量虚部的系数即为三相电量的瞬时值，根据三角函数的关系式求取旋转相量实部，得到旋转相量；
步骤二、利用三角函数分解法得到三相电量的正序、负序和零序分量的瞬时值；
步骤三、将负序分量与零序分量叠加处理得到合成分量，将合成分量和正序分量经过CLARKE变换和dq坐标变换得到两相旋转分量；
步骤四、将两相旋转分量通过低通滤波器滤除直流分量；
步骤五、将步骤四得到的结果经过CLARKE反变换和dq坐标反变换得到a，b，c三相电流，作为指令电流控制SVG；
步骤六、由两个锁相环和正弦信号发生电路、余弦信号发生电路得到与电网电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt；
步骤七、采取正序控制环和负序零序控制环叠加控制，对无功电流和三相负荷不平衡同时补偿；
正序控制环采用δ-θ控制，用于无功电流补偿；负序零序控制环采用控制，用于补偿三相负荷不平衡产生的负序、零序电流分量；
步骤八、在SVG中，设负载电流iL由基波正序有功电流基波正序无功电流基波负序电流i-、基波零序电流i0和谐波电流ih组成，即
若SVG补偿负载中的负序电流分量，则输出补偿电流ic＝i-；
若SVG补偿负载中的零序电流分量，则输出补偿电流ic＝i0；
若SVG补偿负载中的无功电流，则输出补偿电流
2.根据权利要求1所述的一种基于改进瞬时对称分量法的SVG负序零序电流补偿方法，其特征在于：
当SVG的容量不足以完全补偿负荷电流中的无功电流和负序、零序电流分量时，SVG优先补偿全部的负序、零序电流分量，再补偿部分无功分量；
当SVG的容量不足以补偿全部的负序、零序电流分量时，只补偿负序、零序电流分量，另通过负荷并网点的固定投切电容器或无源LC滤波器来补偿无功电流分量。
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