CN107017643A - 一种电流无差拍控制的静止无功发生器 - Google Patents

一种电流无差拍控制的静止无功发生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电流无差拍控制的静止无功发生器，包括：(1)三相桥式逆变主电路、检测和调理电路以及控制器，控制器将接受来的信号经过运算转化成SVPWM驱动信号，使三相桥式逆变主电路合理工作，控制器控制电压型主电路生成合适的电流分量，达到补偿的目的。本发明将三相桥式逆变主电路通过电抗器或者直接并联在电网上，调节三相桥式逆变主电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，实现动态无功补偿，稳定性高。

Description

一种电流无差拍控制的静止无功发生器
技术领域
本发明涉及一种无功发生器，具体是一种电流无差拍控制的静止无功发生器。
背景技术
近年来，随着我国经济的快速发展，电力系统的安全稳定和高效运行已经成为各行各业发展的最根本保障。特别是伴随电信产业的发展，一些精密仪器和设备对电能质量的要求也越来越高。随着电力系统的发展，各种新型冲击性负荷使电网上电压波动频繁，电压质量变差，影响了某些设备的正常工作。同时，近年来电力系统中非线性用电设备，特别是电力电子装置的迅速增多和应用日益广泛，一方面使得电能得到更加充分地利用，另一方面又使大量的无功电流注入电网，公用电网中存在的无功功率，将导致设备及线路损耗增加，引起电压闪变、频率变化和三相不平衡，致使电网的电能质量严重恶化，影响输电效率和设备寿命，同时也会影响供电企业的经济效益，严重时甚至危及到电力系统的安全运行。
无功功率在电网中的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增大，对电力系统的安全性与稳定性产生不利影响。电网无功功率不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃和稳定破坏事故。通常，大多数网络元件和负载都是需要消耗无功功率的，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，也是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率来补偿损耗，这就是我们所说的无功补偿。其作用有以下几点：
(1)提高供用电系统和负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗；
(2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离的输电线路中设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力；
(3)减少线路损失，提高电网的有功传输能力；
(4)降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益；
(5)在三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿来平衡三相的有功及无功负载；
(6)防止电压崩溃和稳定破坏事故，提高运行安全性，确保系统电压的稳定。
随着科学技术与现代化建设的发展，现代社会从工业生产到日常生活都越来越离不开电力供应，对供电质量也提出了更高的要求，作为供电质量的衡量指标，无功消耗的多少、电流的谐波总量是电力系统供电质量的重要指标。系统中无功负荷，特别是冲击性无功负荷的存在，不仅增加了各种损耗，而且严重影响了用户端的电能质量。因此，研究容量更大、响应速度更快的无功补偿装置，以有效提高电力系统稳定性和改善电能质量成为电力系统领域的一个重点研究方向。
(二)无功补偿装置的研究现状及分析
1、无功补偿装置的研究现状
目前，世界上很多国家的电网上已经投入多台SVG在运行。据不完全统计，自SVG问世至2004年底，全世界已投入工业运行的大容量(10MVar及以上)SVG工程超过20个，总的可控容量超过3000MVar。其中，1980年日本研制出了20MVA采用强迫换相晶闸管桥式电路的SVG，并成功的投入了电网运行；1986年美国的EPRI与西屋公司等研制的±1MVarSVG在纽约州的Spring Valley投入示范运行；1991年日本的三菱公司与关西电力公司共同研制的采用GTO的±80Mvar SVG在Inuyama开关站投入154kV系统运行；1992年东京电力分别与东芝公司和日立公司开发的两台±50MVarSVG在新信浓电站投入使用；1995年美国的电力科学院EPRI、田纳西流域管理局TVA与西屋公司投运了一台±100MvarSVG；1997年由德国西门子公司开发研制的±80MVarSVG在丹麦的ReisbyHede风场投入运行；目前为止世界上最大容量的SVG是美国AEP统一潮流控制器项目中的并联部分——±160MVarSVG，已于1997年开始运行；由ABB公司研制的配电SVG(Distribution SVG——D-SVG)，开关器件采用多个IGBT串联，触发脉冲采用脉宽调制(Pulse Width Modulation——PWM)技术，分别于2002年在芬兰Tornio地区AvestaPolarit不锈钢厂、2003在年法国Evron变电站、2004年在美国Holly变电站投入使用，有效地提高了动态电压稳定性，改善了电能质量。
我国首台±20MVar的SVG是由清华大学与河南省电力局在1994-1999年共同研制，已于1999年3月在河南省洛阳市朝阳变电站投入运行。改善了河南北、中、和西部向东南部送电的暂态稳定性和动态阻尼特性，标志着我国FACTS技术发展进入了一个新的阶段。2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将±500KVarSVG投入了运行。2006年,由上海电力公司、清华大学、许继集团公司等单位共同研制的±50MVar SVG在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行。2007年，湖南大学就基于SVG和SVC的电能质量调节器协调控制方法申请了国家专利。清华大学FACTS研究所在河南±20MVarSVG研制经验基础之上继续研制上海西郊变±50MVarSVG的关键技术。装置的研制在建模、主电路及参数计算方法、分布式链接控制与保护，系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国际领先水平。2006年在上海黄渡分区西郊变电站并网试运行；在2007年由湖南大学的罗安等人就基于SVG与SVC的电能质量调节器协调控制方法、由郭育华等人就SVG的控制方法申请了国家专利。中新广东网2012年5月5日电：全球首次“±200Mvar链式静止补偿器”人工接地短路试验最近在东莞完成，这是国内迄今为止性能最优越的静止无功补偿设备进行的首次人工接地短路试验。
直到近年来，尤其是高压大功率的门极可关断晶闸管GTO的出现，大大的推动了SVG的开发和应用。SVG是并联型FACTS设备，它基于可控电抗器和投切电容器静止无功补偿器SVC相比，性能上具有极大地优越性，并得到了广泛的重视，势必将取代SVC称为新一代的电压无功补偿设备。大容量高电压的静止同步补偿器仍是今后研究的重点，另外新的功率模块如IPM的研究开发将会为SVG技术带来新的生机。SVG是柔性交流输电系统的核心，有效的无功补偿对电力系统乃至国民经济有着重要的意义。
2、控制策略的研究现状
当前的实际工程应用中，SVG的控制基本上都是采用电压电流双闭环控制。电压为外环，电流为内环。电压外环的主要任务是稳定直流侧储能电容的电压，使其稳定在设定的工作电压。内环的任务则是跟踪负载的无功电流指令，使变流器输出相应的无功电流，补偿负载所需。
电压环的有功电流指令信号一般由电压的设定值和实际值作差经PI调节器得到。电流环的无功指令信号一般由负载三相电流经三相旋转变换得到。根据对无功电流跟踪的控制方式可以将控制方式分为电流间接控制和直接控制。工程上所采用的间接控制方式早期为控制变流器交流侧电压的相位和幅值，当前主要采用前馈结构控制，补偿效果尚可，但是PI调节器的存在，延缓了系统的响应速度，造成了SVG不能及时迅速的跟踪负载无功的动态变化。为了提高SVG的动态响应速度，学者们提出了很多改进的方法。这些控制方法一定程度解决PI控制器难以设计的问题，但同时带来了自身的问题，稳定性和通用性较差。
而基于三角波调制的电流直接跟踪以及无差拍则具有很好的性能，尤其无差拍控制跟踪的电流毛刺少，对无功电流指令的响应速度非常快，而且电压外环也非常快，以至于需要限制有功电流信号生成的PI调节器输出来限制稳压的快慢。
随着处理器处理速度能力快速提升，控制方法的改进以及级联技术的完善，SVG的性能将会越来越优越，越来越稳定，将会在电力系统的各个电压等级的稳定性控制、无功补偿起到不可替代的作用，为工农业生产等国民经济活动保驾护航。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流无差拍控制的静止无功发生器，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电流无差拍控制的静止无功发生器，包括：
(1)三相桥式逆变主电路，接受来自控制器的驱动脉冲SVPWM的控制信号来驱动三相开关管，并且发出无功电流补偿到电力系统网络中；
(2)检测和调理电路，将电网和逆变器一端需要采集的强电信号转化为弱电信号，并且根据控制器输入接口的要求使用调理信号电路将所述弱电信号转化为能接受范围的电信号；
(3)控制器，将接受来的信号经过运算转化成SVPWM驱动信号，使三相桥式逆变主电 路合理工作，控制器控制电压型主电路生成合适的电流分量，达到补偿的目的。
作为本发明再进一步的方案：将三相桥式逆变主电路通过电抗器或者直接并联在电网上，调节三相桥式逆变主电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，实现动态无功补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将三相桥式逆变主电路通过电抗器或者直接并联在电网上，调节三相桥式逆变主电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，实现动态无功补偿，稳定性高。
附图说明
图1为电流无差拍控制的静止无功发生器的结构示意图。
图2为电流无差拍控制的静止无功发生器中单相等效电路
图3为电流无差拍控制的静止无功发生器中无差拍控制的原理框图。
图4为电流无差拍控制的静止无功发生器中p-q运算方式原理图。
图5为电流无差拍控制的静止无功发生器中ip-iq运算方式原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～5，本发明实施例中，一种电流无差拍控制的静止无功发生器，包括：
(1)三相桥式逆变主电路，接受来自控制器的驱动脉冲SVPWM的控制信号来驱动三相开关管，并且发出无功电流补偿到电力系统网络中；
(2)检测和调理电路，将电网和逆变器一端需要采集的强电信号转化为弱电信号，并且根据控制器输入接口的要求使用调理信号电路将所述弱电信号转化为能接受范围的电信号；
(3)控制器，将接受来的信号经过运算转化成SVPWM驱动信号，使三相桥式逆变主电路合理工作，控制器控制电压型主电路生成合适的电流分量，达到补偿的目的。
将三相桥式逆变主电路通过电抗器或者直接并联在电网上，调节三相桥式逆变主电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，实现动态无功补偿。
无功发生器的实际等效电路如图2所示。设电网电压和无功发生器输出的交流电压分别用向量和表示，连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)等效为连接电阻R考虑，X表示连接电抗，则连接电抗X和R上的电压即为和的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是无功发生器从电网吸收的电流因此，改变无功发生器交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制无功发生器从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了无功发生器吸收无功功率的性质和大小。
在图2的等效电路中，将所连接的电抗器视为纯电感(R＝0)，没有考虑其损耗。因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使和相位同相，仅改变的幅值大小即可以控制无功发生器从电网吸收的电流的相位和大小，从而也就控制了从电网吸收的无功功率的大小。当大于时，电流超前电压90°，无功发生器吸收容性的无功功率；当小于时，电流滞后电压90°，无功发生器吸收感性的无功功率。
考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑。在这种情况下，变流器电压与电流相差90°，因为变流器无需有功能量。而电网电压与电流的相差则不再是90°，而是比90°小了δ角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流中有一定量的有功分量。这个δ角也就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，并且改变的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，无功发生器从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。当电流超前电压，无功发生器吸收容性的无功功率；当电流滞后电压，无功发生器吸收感性的无功功率。
控制方法
(1)无差拍的原理
无差拍控制是数字控制系统的控制方式，其理想控制效果是系统在任何采样时刻输出信号的幅值和相位都与该时刻的参考信号完全一致。图3是无差拍控制基本原理框图，其中，u(k)、y(k)、x(k)和r(k)分别表示第k个采样周期内系统的控制量、输出量、状态变量及指令信号，A、B、C为系统状态矩阵。根据自动控制原理，对于数字控制系统，可以利用k时刻的控制量u(k)与状态变量x(k)的线性组合，表示系统在k+1时刻的输出。因而该系统可用状态方程来描述，
(1)
则第k+1个采样周期的输出量y(k+1)可表示为(2)
令y(k+1)与k+1拍指令信号r(k+1)相等，得(3)
由公式(1)—(3)推导可得可见以式(3)位控制目标选择作用于被控对象的控制量，可使每一拍系统输出与指令信号保持一致，达到无差跟踪的效果。由于控制和响应之间的无差拍可知其具有良好的动态性能。
图3中的超前环节z即为参考信号预测环节，该环节对参考信号的准确预测是保证无差拍控制效果的关键。目前普遍采用的预测方式有平推预测。周期预测及外推插值法预测等。
电流预测方法
1、平推预测
该方法实际上并不对下一拍指令进行预测，而是以k时刻的实测指令信号作为k+1时刻的指令值，此时相当于图5中无超前环节z，最终结果为延时一拍控制，即当前输出为上一拍指令值，如式所示。平推预测易于实现，适用于高采样频率或对控制精度要求不高的系统，由于实际上没有进行任何预测，因而在无功发生器电流控制环节，难以实现较理想的控制效果。
2、周期预测
若非线性系统稳态时的指令信号是周期性重复的，周期预测的基本原理就是利用这种重复性，采用一个周期前的历史数据预测当前周期各采样点的参考信号。以无功发生器补偿电流参考值的预测为例，设k时刻的参考电流为i*(k)，每个基波周期进行N次采样，稳态时预测电流参考值可由上一周期对应的参考电流得到周期预测的方法在系统处于稳态时可实现较好的预测效果，但延迟环节的存在使控制器难以获得良好的动态性能。在无功发生器系统中，无功电流往往波动频繁，若采用周期预测，需要利用自适应整定等方法修正周期性无差，参数设计复杂。
3、拉格朗日插值法
拉格朗日插值法是十八世纪法国数学家拉格朗日在数值分析中提出的一种多项式插值方法。拉格朗日插值法的基本思路是构造线性多项式函数，使函数曲线通多一系列一直的离散点，并由此预测其他未知点的位置。
假设多项式函数的k+1个离散点已知，坐标为(x0，y0)，···(xk，yk)，xi为自变量，yi为xi对应的函数值。若已知点中无重合节点，可以构造k次多项式pk(x)，使pk(xi)＝yi(i＝0,1,2，···k)。拉格朗日插值公式如式(4)所示
(4)
式中n为预算阶数，li(x)称为拉格朗日插值基函数，如式(5)所示。
(5)
拉格朗日插值公式是应用较广泛的一种预测方式，它是一种现行预测方法，计算简单，动态响应快，易于编程实现，且容易通过改变插值阶数，提高预测精度。
三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文提出,此后该理论经不断研究而逐渐完善，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定 义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于静止无功发生器的无功电流实时检测方法。它将三相电路各相电压和电流瞬时值ea,eb,ec和ia,ib,ic变换到α-β两相正交的坐标系上研究，分为p-q运算方式和ip-iq运算方式。
1)p-q运算方式
该检测方法的框图如图4所示。图中上标-1表示矩阵的逆。
该方法根据定义算出p和q，经低通滤波器(LPF)得p、q的直流分量电网电压波形无畸变时，为基波有功电流与电压作用所产生，为基波无功电流与电压作用所产生。
将iaf、ibf、icf与ia,ib,ic相减，即得到ia,ib,ic的谐波分量iah、ibh、ich；当同时补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开计算p的通道即可。这时由即可计算出被检测电流ia,ib,ic的基波有功分量iapf、ibpf、icpf；将ia,ib,ic与iapf、ibpf、icpf相减，即可得到ia,ib,ic的谐波分量和基波无功分量之和。在检测时，由于采用了低通滤波器(LPF)求取故当被检测电流发生变化时，需经一定延迟时间才准确测出
2)ip-iq运算方式
该检测方法的框图如图5所示。
该方法中，需要用到与a相电网电压ua基波分量同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt，它们由一个锁相坏(PLL)和一个正余弦信号发生电路得到。由此计算出ip-iq，经LPF滤波得出ip、iq的直流分量于是，由即可计算出被检测电流ia,ib,ic的基波分量iaf、ibf、icf。
理论分析表明，对于三相三线制电路，当电网电压发生畸变，不论三相电压、电流是 否对称，p-q运算方式的检测结果都有误差。而对ip-iq运算方式，即使电网电压发生畸变，按这种方式进行检测时，由于只取sinωt和-cosωt参与计算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，检测结果也不受电压波形畸变的影响。
通过瞬时无功功率理论的无功电流检测法实时检测无功电流，提高了系统响应速度。针对直接电流控制开关频率过高的不足，引入了电压空间矢量技术，分析了电压空间矢量在静止无功发生器中的应用原理，为了消除采样及计算等带来的延时，引入了无差拍控制技术，选择适当的预测电流方法，可以消除采样和计算带来的延时，达到真正的无差拍控制。
1、用电流无差拍控制方法比传统的PI控制响应速度快，而且易于实现，不像PI控制参数不容确定；
2、直流侧电压利用率提高，达到稳定的时间短；
3、无功电流跟踪精度高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种电流无差拍控制的静止无功发生器，其特征在于，包括：
(1) 三相桥式逆变主电路，接受来自控制器的驱动脉冲SVPWM的控制信号来驱动三相开关管，并且发出无功电流补偿到电力系统网络中；
(2)检测和调理电路，将电网和逆变器一端需要采集的强电信号转化为弱电信号，并且根据控制器输入接口的要求使用调理信号电路将所述弱电信号转化为能接受范围的电信号；
(3)控制器，将接受来的信号经过运算转化成SVPWM驱动信号，使三相桥式逆变主电路合理工作，控制器控制电压型主电路生成合适的电流分量，达到补偿的目的。
2.根据权利要求1所述的电流无差拍控制的静止无功发生器，其特征在于，将三相桥式逆变主电路通过电抗器或者直接并联在电网上，调节三相桥式逆变主电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，实现动态无功补偿。
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