CN108667040A - 一种应用于apf与tsc混合系统的tsc投切方法 - Google Patents

一种应用于apf与tsc混合系统的tsc投切方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法，其利用多种投切状态向量之间的逻辑配合、电流变化率阈值设置、TSC总电流估算和过零投切等手段对TSC的投切组合进行快速、精确的预测和执行，从而使适当组数的TSC投入电网中补偿无功功率。与传统TSC固定延时投切相比，本发明实现了不使用负载电流传感器的情况下的投切预测，提高了预测的准确度和TSC容量的利用率，同时能够避免固定延时投切应用于APF与TSC混合系统时出现的电网电流冲击大、系统反应时间较长以及TSC混乱投切等问题。本发明可应用于不同的负载场合而不需对控制参数进行调整，具有高度的适用性，且不使用负载电流传感器，减小了系统的成本。

Description

一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法
技术领域
本发明属于电能质量控制技术领域，具体涉及一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法。
背景技术
随着电力电子技术的飞速发展，大量谐波电流和无功功率注入到电网中，危害设备和用电安全，带来严重的安全隐患，因此谐波抑制和无功补偿的研究受到越来越广泛的重视。
有源电力滤波器(Active PowerFilter，APF)是常用的谐波抑制装置，其基本原理是通过产生与谐波电流大小相同、相位相反的补偿电流，将其注入电网中与谐波电流反向叠加，使电网电流趋于正弦化，THD接近于零。APF具有补偿精度高、补偿特性不受电网阻抗影响、能够补偿无功功率等优点，但APF应用于大容量无功补偿的场合时，对逆变器开关器件和各电容电感的容量要求变高，极大地提高了成本。晶闸管投切电容器(ThyristorSwitching Capacitor，TSC)是常用的无功补偿装置，广泛应用于负载无功的补偿和长距离输电的分段无功补偿，TSC补偿容量大、成本低廉、控制方便，但不能实现连续的补偿，且投切时会向电网中注入谐波电流，恶化电能质量。
随着电力系统和用户对电能质量的要求日益提高，能够同时进行谐波抑制和大容量无功补偿并具有一定经济性的电力电子装置具有广泛的应用前景，其中由APF与TSC构成的混合系统由于其低廉的成本和优异的补偿性能受到学术界的重视。在此混合系统中，多组大容量的TSC用于补偿电网中的大量无功，小容量的APF用于补偿剩余少量无功和抑制全部的谐波，达到较高的谐波抑制精度和无功补偿精度的同时，兼顾了较低的成本。针对APF与TSC混合系统控制策略的研究也引起了学术界的广泛关注，传统的TSC投切策略采用固定延时投切的方法，根据需要补偿的负载特性选用一个适当的延时时间，可以避免负载变化时TSC的投切判断出现错误。但在APF与TSC的混合系统中，传感器采集的电流为汇流点电流而非负载电流，因此需要另外加设一组负载电流传感器才能应用传统的延时投切方法；混合系统中APF需与TSC协同配合进行无功补偿和谐波抑制，有别于TSC单独投切的情况，直接应用传统方法时会产生混乱投切、暂态电能质量差、APF输出电流负担过重等问题；此外，传统方法中不同负载需要选取不同的延时时间，对混合系统的实际工程应用产生很大限制。
公开号为CN105071391A的中国专利提出了一种应用于静止无功发生器(StaticVar Generator，SVG)和TSC构成的混合补偿系统的具故障诊断及自动修复功能的控制策略，通过对采集到的TSC电流进行处理，可诊断TSC的故障并能自动切除故障组，并能够保持故障状态下的稳定运行。但该专利技术仅涉及TSC的故障诊断及修复，未对TSC的实际投切方法和过程进行讨论，包括投切预测、投切响应时间、暂态过程中的电能质量等问题；此外，该专利涉及的控制策略仅针对单一容量的TSC，而工业应用中往往使用多种容量的TSC以提高容量利用率。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法，能够在不使用负载电流传感器的条件下，优化投切暂态过程中的电能质量，精准预测并控制具有两种容量的多组TSC的投切。
一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法，包括以下步骤，该系统采用了两种不同容量的TSC，其中大容量TSC有n台，小容量TSC有m台，n和m均为大于1的自然数；
(1)采集系统负载与TSC汇流点的三相电流并对其进行d-q坐标变换，得到d轴电流分量和q轴电流分量；
(2)对q轴电流分量依次进行低通滤波和幅值变换，得到汇流点基波电流无功分量it1；
(3)根据TSC模型和状态开关表计算系统当前已投入TSC的总体输出无功电流iTSC，进而使汇流点基波电流无功分量it1与总体输出无功电流iTSC叠加得到负载基波电流无功分量il1；
所述状态开关表由四组投切状态向量S1～S4组成，S1为TSC完成投切状态向量，S2为TSC预测投切状态向量，S3为TSC实际投切状态向量，S4为TSC过零投切状态向量，四组投切状态向量S1～S4均包含n+m个元素值，所述元素值为0或1，0表示对应的TSC切除，1表示对应的TSC投入；
(4)根据负载基波电流无功分量il1确定下一时刻系统所需投入大容量TSC的个数f以及投入小容量TSC的个数k；
(5)根据个数f和k对TSC预测投切状态向量S2进行更新，若S1与S2不相同且S1与S3相同且负载基波电流无功分量的变化率dil1/dt大于设定阈值，则执行步骤(6)，除此之外其他情况则返回步骤(1)，t为时间；
(6)利用锁相环检测电网电压下一次过零时刻，并在该过零时刻执行步骤(1)～(4)并根据个数f和k对TSC过零投切状态向量S4进行更新；
(7)判断S2与S4是否相同：若相同则执行步骤(8)，否则返回步骤(1)；
(8)将S2赋予S3以对其进行更新，根据S3对系统中的TSC进行投切控制，经一定延时后将S3赋予S1以对其进行更新。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式进行幅值变换：
其中：iqf为低通滤波后的q轴电流分量。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算系统当前已投入TSC的总体输出无功电流iTSC：
其中：I1为大容量TSC的额定输出无功电流，I2为小容量TSC的额定输出无功电流，s1i和s1j分别为TSC完成投切状态向量S1中的第i个元素值和第j个元素值。
进一步地，所述步骤(4)中通过以下关系式确定下一时刻系统所需投入大容量TSC的个数f以及投入小容量TSC的个数k：
其中：f和k均为整数，I1为大容量TSC的额定输出无功电流，I2为小容量TSC的额定输出无功电流。
进一步地，所述步骤(5)中根据以下关系对TSC预测投切状态向量S2进行更新：
其中：s21～s2f为TSC预测投切状态向量S2中的第1～f个元素值，s2(f+1)～s2n为TSC预测投切状态向量S2中的第(f+1)～n个元素值，s2(n+1)～s2(n+k)为TSC预测投切状态向量S2中的第(n+1)～(n+k)个元素值，s2(n+k+1)～s2(n+m)为TSC预测投切状态向量S2中的第(n+k+1)～(n+m)个元素值。
进一步地，所述步骤(6)中根据以下关系对TSC过零投切状态向量S4进行更新：
其中：s41～s4f为TSC过零投切状态向量S4中的第1～f个元素值，s4(f+1)～s4n为TSC过零投切状态向量S4中的第(f+1)～n个元素值，s4(n+1)～s4(n+k)为TSC过零投切状态向量S4中的第(n+1)～(n+k)个元素值，s4(n+k+1)～s4(n+m)为TSC过零投切状态向量S4中的第(n+k+1)～(n+m)个元素值。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明使用TSC模型、状态开关表和汇流点电流进行TSC总体输出无功电流和负载基波无功电流的估算，避免增加一组负载电流传感器单独对负载电流进行采集。
(2)本发明通过多种投切状态向量间的逻辑配合，可有效消除TSC投切时的无功冲击对系统判断的影响，避免TSC的混乱投切；通过设置负载电流变化率阈值，可有效消除小范围的无功波动对系统判断的影响，避免TSC的反复投切。
(3)本发明通过电网电压过零时刻的检测与投切判断，可将负载无功发生变化到系统生成预测投切状态向量并执行的时间限制在半个电网电压周期(0.01s)之内，减小了系统反应时间和此过程中APF的电流输出负担；电网电压过零时刻投切能够减小TSC投切时的冲击电流，提升投切过程中的电能质量。
(4)本发明对两种不同容量的多组TSC的投切策略进行设计，具有更好的泛用性，通过投切预测算法实现了TSC容量的有效利用。
附图说明
图1为APF与TSC混合系统的结构示意图。
图2为TSC投切预测环节的流程示意图。
图3为负载突变时应用传统固定延时投切方法(0.08s)的暂态响应波形图。
图4为负载突变时应用本发明投切方法的暂态响应波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明的投切策略作详细说明。
如图1所示，本实施例中混合系统由APF和多组TSC构成，TSC接至负载侧，APF接至电网侧，负载与TSC汇流点电流作为检测电流输入。
本发明基于多种开关表决策、负载电流变化率阈值设置和过零检测等手段构成TSC的投切策略，使用状态开关表S1、预测开关表S2、执行开关表S3和过零时刻预测开关表S4作为投切的逻辑判断条件，TSC投切预测环节的流程如图2所示。
在本实施方式中使用两种不同容量的TSC，设大容量TSC有n台，额定输出无功电流为I1，小容量TSC有m台，额定输出无功电流为I2，则各开关表可表示为矩阵的形式：
其中：元素s取值为0或1，0表示对应TSC的切除，1表示对应TSC的投入；初始时刻4种开关表中的元素均取为0。
本实例中TSC投切策略具体实施过程如下：
(1)将检测到的三相汇流点电流变换至d-q坐标系下，得到汇流点电流q轴分量：
其中：
(2)对汇流点电流q轴分量进行低通滤波后得到直流分量，再进行幅值变换，可得到汇流点基波电流无功分量：
(3)由TSC模型和状态开关表S1计算得到已投入TSC的总体输出无功电流：
(4)将汇流点基波电流无功分量和已投入TSC的总体输出无功电流叠加，得到负载基波电流无功分量：
il1＝it1+iTSC
(5)将负载基波电流无功分量及其变化率、状态开关表S1输入到投切预测环节中，执行投切预测算法：
其中：f为大容量TSC需投入的组数，k为小容量TSC需投入的组数。
(6)由步骤(5)得到的两种容量TSC分别投入的组数，对预测开关表S2进行更新：
其中：矩阵S2中的其他元素均取为0。
(7)判断状态开关表S1和预测开关表S2是否相等，若相等，继续判断状态开关表S1和执行开关表S3是否相等，若相等，继续判断负载基波电流无功分量的变化率是否小于设定阈值，若大于，执行步骤(8)，除此之外其他情况则返回步骤(1)。
(8)利用锁相环检测电网电压过零时刻，将过零时刻的参数带入，重复步骤(1)～(5)计算得到f、k，更新过零时刻的预测开关表S4：
其中：矩阵S4中的其他元素均取为0。
(9)判断初始时刻的预测开关表S2和过零时刻的预测开关表S4是否相等，若相等，继续步骤(10)，否则返回步骤(1)；
(10)将执行开关表S3更新为预测开关表S2并输出，进行对应TSC的投切；
s3i＝s2i(i＝1,2,...,n+m)
(11)由TSC模型和执行开关表S3计算新的投切状态下已投入TSC的总体输出无功电流，用于APF的无功补偿；
(12)执行开关表S3经过一定的延时保存为状态开关表S1；返回步骤(1)。
s1i＝s3i(i＝1,2,...,n+m)
本发明通过上述步骤(1)至步骤(12)，实现了在不使用负载电流传感器条件下的多组TSC的投切预测和执行。通过投切预测算法的设计，实现了TSC容量的有效利用，并具有一定泛用性；通过多种开关表间的逻辑配合和负载电流变化率的阈值设置，可有效避免TSC的混乱投切和反复投切；通过电网电压过零时刻的检测与投切判断，可将系统反应时间限制在半个电网电压周期(0.01s)之内，减小了APF的电流输出负担，同时TSC投切时的冲击电流得到有效抑制，提升了投切过程中的电能质量。
以下实施方式以一台容量为20kVA的APF和总容量为17kvar的两台TSC搭建了实验平台，其中TSC1容量为7kvar，TSC2容量为10kvar。针对20kVA不可调阻感性负载和10kvar可调感性负载作用下的混合系统补偿特性进行了相关的实验研究，并使用录波仪对波形进行记录，分别考察了传统的固定延时投切和本发明提出的投切控制策略的实际效果。
图3和图4为20kVA阻感性负载和7kvar感性负载共同作用时突增3kvar感性负载条件下的不同投切策略的实验对比波形，其中GTSC1为TSC1的投切信号，GTSC2为TSC2的投切信号，均为低电平有效，US为A相电网电压，Il为A相负载电流，IS为A相电网电流，ITSC为A相TSC总电流。图3为采用传统固定延时投切时的波形，固定延时时间为0.08s，由图3可知，负载突增到实际执行投切所需的时间超过4个电网电压周期，在此期间APF输出电流的负担加重，电网电流具有较大的畸变，TSC投切后畸变更加明显。图4为采用提出的投切控制策略时的波形，由图4可知，负载突增到实际执行投切所需的时间小于半个电网电压周期，减小了暂态过程中APF输出电流的负担，此外由于在电网电压过零时刻进行投切，电网电流的畸变也有明显减小。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于APF与TSC混合系统的TSC投切方法，包括以下步骤；所述混合系统采用了两种不同容量的TSC，其中大容量TSC有n台，小容量TSC有m台，n和m均为大于1的自然数；
(1)采集系统负载与TSC汇流点的三相电流并对其进行d-q坐标变换，得到d轴电流分量和q轴电流分量；
(2)对q轴电流分量依次进行低通滤波和幅值变换，得到汇流点基波电流无功分量it1；
(3)根据TSC模型和状态开关表计算系统当前已投入TSC的总体输出无功电流iTSC，进而使汇流点基波电流无功分量it1与总体输出无功电流iTSC叠加得到负载基波电流无功分量il1；
所述状态开关表由四组投切状态向量S1～S4组成，S1为TSC完成投切状态向量，S2为TSC预测投切状态向量，S3为TSC实际投切状态向量，S4为TSC过零投切状态向量，四组投切状态向量S1～S4均包含n+m个元素值，所述元素值为0或1，0表示对应的TSC切除，1表示对应的TSC投入；
(4)根据负载基波电流无功分量il1确定下一时刻系统所需投入大容量TSC的个数f以及投入小容量TSC的个数k；
(5)根据个数f和k对TSC预测投切状态向量S2进行更新，若S1与S2不相同且S1与S3相同且负载基波电流无功分量的变化率dil1/dt大于设定阈值，则执行步骤(6)，除此之外其他情况则返回步骤(1)，t为时间；
(6)利用锁相环检测电网电压下一次过零时刻，并在该过零时刻执行步骤(1)～(4)并根据个数f和k对TSC过零投切状态向量S4进行更新；
(7)判断S2与S4是否相同：若相同则执行步骤(8)，否则返回步骤(1)；
(8)将S2赋予S3以对其进行更新，根据S3对系统中的TSC进行投切控制，经一定延时后将S3赋予S1以对其进行更新。
2.根据权利要求1所述的TSC投切方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式进行幅值变换：
其中：iqf为低通滤波后的q轴电流分量。
3.根据权利要求1所述的TSC投切方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算系统当前已投入TSC的总体输出无功电流iTSC：
其中：I1为大容量TSC的额定输出无功电流，I2为小容量TSC的额定输出无功电流，s1i和s1j分别为TSC完成投切状态向量S1中的第i个元素值和第j个元素值。
4.根据权利要求1所述的TSC投切方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下关系式确定下一时刻系统所需投入大容量TSC的个数f以及投入小容量TSC的个数k：
其中：f和k均为整数，I1为大容量TSC的额定输出无功电流，I2为小容量TSC的额定输出无功电流。
5.根据权利要求1所述的TSC投切方法，其特征在于：所述步骤(5)中根据以下关系对TSC预测投切状态向量S2进行更新：
其中：s21～s2f为TSC预测投切状态向量S2中的第1～f个元素值，s2(f+1)～s2n为TSC预测投切状态向量S2中的第(f+1)～n个元素值，s2(n+1)～s2(n+k)为TSC预测投切状态向量S2中的第(n+1)～(n+k)个元素值，s2(n+k+1)～s2(n+m)为TSC预测投切状态向量S2中的第(n+k+1)～(n+m)个元素值。
6.根据权利要求1所述的TSC投切方法，其特征在于：所述步骤(6)中根据以下关系对TSC过零投切状态向量S4进行更新：
其中：s41～s4f为TSC过零投切状态向量S4中的第1～f个元素值，s4(f+1)～s4n为TSC过零投切状态向量S4中的第(f+1)～n个元素值，s4(n+1)～s4(n+k)为TSC过零投切状态向量S4中的第(n+1)～(n+k)个元素值，s4(n+k+1)～s4(n+m)为TSC过零投切状态向量S4中的第(n+k+1)～(n+m)个元素值。
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