CN113224765A - 一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，包括如下步骤：步骤1：检测电路对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位；步骤2：再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压。还包括一种电压暂降补偿装置，电压暂降补偿装置包括电压采集模块、电压检测模块、直流储能模块、逆变模块、滤波并网模块、电压暂降补偿控制模块。本发明可以很好的对高铁运行引起的电压暂降进行补偿。

Description

一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法
技术领域
本发明涉及高铁列车引起电压暂降的电压补偿方法，特别涉及一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法。
背景技术
随着电气铁路的迅速发展，电气化铁路对电力系统电能质量的影响已经成为不可忽视的问题。高速铁路电能质量问题主要体现电压暂降上。恶化电网的电能质量，降低供电的安全可靠性。高铁行驶过程中会产生加速、上坡、再生制动、过分相等不同运行工况，由于不同运行工况会引起供电网电压暂降。在动车组加速时，突增的取用功率会对A相的供电电压产生偏差，同时其负序电压的不平衡度显著增大引起供电网电压暂降。所以需要对电压暂降进行补偿。
针对电气铁路的电压暂降的问题，国内外已经采取了各种补偿措施，一是采用固定电容(Fixed Capacitor,FC)补偿设备，但由于是固定补偿方式，不能灵活体调节，无法实现动态补偿；二是采用静态切换开关STS(Static Transfer Switch)采用先断后通的切换方式，为负载提供双母线供电。其效率高达99％，但由于其造价太高，无法普及应用于生活实践中。三是采用静止同步补偿器STATCOM(Static Compensator Compensator)需要多电平、多重化、级联等技术，设备涉及复杂、造价高、控制难度大，四是动态电压恢复器DVR(Dynamic Voltage Regulator)串接在电网与敏感负荷之间，具有补偿无功功率以及有功功率的能力。当系统中发生电压暂降时，可以在几毫秒内将用户侧的电压恢复至正常由于DVR补偿电压暂降时所消耗的功率，所以其效率较高，且容量较小，造价不高因此采用动态电压恢复器进行动态电压补偿。在动车组加速时，突增的取用功率会对A相的供电电压产生偏差，同时其负序电压的不平衡度显著增大对引起供电网电压发生暂降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，该方法平抑了电压暂降波动并且提高了对供电网的补偿效率，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：
一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：检测电路对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位；
步骤2：再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压。
进一步地，包括一种电压暂降补偿装置，电压暂降补偿装置包括电压采集模块、电压检测模块、直流储能模块、逆变模块、滤波并网模块、电压暂降补偿控制模块，所述电压采集模块采用PMU；所述直流储能模块为超级电容，直流储能由10kv的光伏发电站提供能量；所述逆变模块采用逆变控制环节输出的SPWM控制的三相桥式电路；所述逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成；所述电压检测模块中检测算法对输入的电压信号进行处理，得到所需的参考波分量的输出送入逆变器控制环节；所述电压暂降补偿控制模块控制策略采用模型预测控制。
进一步地，所述电压暂降补偿控制模块的电压暂降检测算法是采用瞬时电压d q分解检测法。
进一步地，所述的逆变模块采用逆变控制环节输出的SPWM控制的三相桥式电路，使由逆变得到的电压有效的补偿电网中电压暂降对负荷所造成的影响。
进一步地，还包括动态电压恢复器DVR，动态电压恢复器DVR由储能单元、逆变器单元、滤波器单元组成。
进一步地，所述直流储能模块包括太阳能光伏电池板、直流升压单元、超级电容储能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位，再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压，该方法平抑了电压暂降波动并且提高了对供电网的补偿效率。
附图说明
图1是电压暂降幅值变化示意图；
图2是改进的d q分解检测法仿真示意图；
图3是DVR结构图；
图4是DVR单相等效电路图；
图5是DVR直流储能结构图；
图6是DVR的逆变器等效电路图；
图7是模型预测控制框图；
图8是A相补偿后的电压前后对比图。
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。
一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，包括如下步骤：
步骤1：检测电路对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位；
步骤2：再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压。
还包括一种电压暂降补偿装置，电压暂降补偿装置包括电压采集模块、电压检测模块、直流储能模块、逆变模块、滤波并网模块、电压暂降补偿控制模块，电压采集模块采用PMU，图1是PMU检测的电压暂降a相幅值变化。
所述电压暂降检测算法，根据电压采集装置得到的瞬时电压进行改进的dq分解检测法。该方法是将三相交流电转为两相静止直流电。其变换公式为：
Figure BDA0003068671070000041
其中：
Figure BDA0003068671070000042
式(2)中，sin(ωt)和cos(ωt)分别代表与A相电压同相位的正弦信号和余弦信号。通过滤波环节提取出变换后d轴和q轴分量电压的直流成分Ud和Uq，则可得出式(3):
Figure BDA0003068671070000043
其中Usag为电压暂降的暂降幅值，θ为相位跳变角。由以上两式则可求得电压暂降的电压幅值以及相位跳变角，分别为式(4)：
Figure BDA0003068671070000051
改进的d q分解检测法仿真如图2所示，所述的动态电压恢复器DVR主要由储能单元、逆变器单元、滤波器单元组成，DVR结构如图3所示。DVR补偿的流程为检测电路对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位，再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压。动态电压恢复器单相等效电路如图4所示。
所述的直流储能为超级电容，超级电容由10kv的光伏发电站提供能量。该模块包括：太阳能光伏电池板；直流升压单元；超级电容储能。DVR直流储能结构如图5所示。
所述的逆变模块是采用逆变控制环节输出的SPWM控制的三相全桥电路，可使由逆变得到的电压有效的补偿电网中电压暂降对负荷所造成的影响。DVR的逆变器等效电路如图6所示。逆变模块输出到滤波并网模块。
所述的滤波并网由LC电路构成。由于经过动态电压恢复器逆变单元出来的SPWM波形中含有大量的谐波成分，需要通过一个滤波电路来滤除这些谐波成分。
所述电压暂降补偿控制策略采用的是模型预测控制。通过选择合适的控制策略最小化目标函数，采用模型预测控制方法提高了动态特性和稳定性。
MPC是一种基于模型的在线预测优化控制策略，预测算法的核心内容是：建立内部模型、确定参考轨迹、设计控制算法、实行在线优化。
可假设补偿电压为Vc(t)，电容电压为V2(t)，输出电流为if(t)，每个基本结构的开关元件的开关状态为Si和Si'。根据基尔霍夫电压电流定律，能够得到以下关系：
Figure BDA0003068671070000061
Figure BDA0003068671070000062
Figure BDA0003068671070000063
MPC策略通过在离散情况下采用如式(4)所示的泰勒近似预测不同控制开关状态对应的补偿电压VC(K+1)、输出电压if(K+1)。
x(k+1)＝x(k)+x(k)Ts (8)
式中，Ts为采样时间。
Figure BDA0003068671070000064
Figure BDA0003068671070000065
预测控制器的输入为补偿直流测电压Vdc(K)、电网电压ig(k)、DVR输出电压if(k)、补偿电压Vc(k)、DVR输出电流参考值
Figure BDA0003068671070000066
补偿电压参考值
Figure BDA0003068671070000067
补偿电压参考值
Figure BDA0003068671070000068
可以由实际电网电压Vgr(k)和负载电压参考值
Figure BDA0003068671070000069
计算得到。DVR输出电流参考值
Figure BDA00030686710700000610
由实际补偿电流ic(k)减去负载参考电流
Figure BDA00030686710700000611
得到。
目标函数表达式为：
Figure BDA00030686710700000612
式中λV、λc、λi为权重因子。模型预测控制框图如图7所示。
通过Matlab/Simulink验证检测和补偿方法的准确性。补偿后的电压幅值波形如图8所示。仿真结果表明，该系统能够补偿电网侧的电压暂降。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：检测电路对电压暂降的三个特征量进行实时快速的检测，然后根据特征量并结合装置的实际补偿能力，确定出需补偿的幅值以及相位；
步骤2：再经逆变电路生成逆变器需要的SPWM信号，使得储能单元中的直流电压变换为交流电压，经由LC滤波电路滤除其中的高次谐波，并注入电网，由此补偿电源侧所需电压。
2.如权利要求1所述的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，包括一种电压暂降补偿装置，电压暂降补偿装置包括电压采集模块、电压检测模块、直流储能模块、逆变模块、滤波并网模块、电压暂降补偿控制模块，所述电压采集模块采用PMU；所述直流储能模块为超级电容，直流储能由10kv的光伏发电站提供能量；所述逆变模块采用逆变控制环节输出的SPWM控制的三相桥式电路；所述逆变模块输出到滤波并网模块；所述的滤波并网模块由LC电路构成；所述电压检测模块中检测算法对输入的电压信号进行处理，得到所需的参考波分量的输出送入逆变器控制环节；所述电压暂降补偿控制模块控制策略采用模型预测控制。
3.如权利要求1所述的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，所述电压暂降补偿控制模块的电压暂降检测算法是采用瞬时电压d q分解检测法。
4.如权利要求2所述的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，所述的逆变模块采用逆变控制环节输出的SPWM控制的三相桥式电路，使由逆变得到的电压有效的补偿电网中电压暂降对负荷所造成的影响。
5.如权利要求1所述的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，还包括动态电压恢复器DVR，动态电压恢复器DVR由储能单元、逆变器单元、滤波器单元组成。
6.如权利要求1所述的一种大功率设备电压暂降故障的动态补偿方法，其特征在于，所述直流储能模块包括太阳能光伏电池板、直流升压单元、超级电容储能。
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