CN1169272C - 复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理的方法，基本思路是从波形出发，面向波形进行补偿，达到同时治理各种影响电能质量的因素，包括谐波，负序(三相不平衡)，无功功率等。本发明从电流畸变考虑补偿方法可避开从无功功率、负序电流或谐波分别考虑补偿方法的局限性，适用于任何网络，而且避免了传统补偿装置由于谐波、负序补偿目标不明确而带来的种种问题。本发明可以有效地抑制谐波和负序功率，提高负荷的功率因数，使安装地点的电能质量大大改善。

Description

复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理的方法

技术领域

本发明属于电力系统电能质量控制技术领域，特别涉及一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理的方法。

背景技术

随着电力工业的发展，一方面使许多用户对电能质量提出了越来越多的要求，另一方面，配电网中影响电能质量的负荷越来越多因而电能质量问题日益突出。如电力电子技术的快速发展，电网中的电弧炉、电力机车、轧钢机、大容量的电力电子变流装置等非线性负荷、不对称负荷、冲击负荷不断增加，电网中的谐波、负序电流急剧上升。一些新型的电力电子设备，如开关电源、精密平板焊机等，自身就是一个谐波源，同时还要求电网提供理想的三相对称电压，否则不能正常工作。同时，电力电子装置所产生的谐波污染还影响了其他负荷的正常运行。因此，电力电子装置所产生的谐波污染成为其在电网中广泛应用的障碍，应采取有效的谐波抑制手段解决之。

无功功率补偿是一个老问题，但是，在谐波含量较高的配电网中，对无功功率补偿提出了更高的要求。目前电力系统中无功补偿大都是采用机械开关控制的电容器投切，谐波补偿大多采用无源滤波装置，负序治理的工作尚未大范围开展。另外，目前无功补偿、负序电流补偿、谐波抑制是分别地、单独地进行的。由于不是按统一的物理模型综合地进行治理，常出现顾此失彼的情况，而且响应速度慢，经济性差，安装维护工作量大，妨碍了电网污染治理工作的顺利进行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，而提出的一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理方法，该方法对所有污染同时进行治理，从而使安装地点的电能质量符合要求。基本思路是从波形出发，面向波形进行补偿，达到同时治理各种影响电能质量的因素，包括传统讲法的谐波，负序(三相不平衡)，无功功率等。

本发明提供的技术方案是：一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理方法，包括下列步骤：

(1)将接入母线上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换成电压信号u_ax、u_bx、u_cx，电流信号i_ax、i_bx、i_cx，其中，同相的电流和电压信号需要同步采集；

(2)电压信号u_ax、u_bx、u_cx和电流信号i_ax、i_bx、i_cx传送到数据采集卡，由数据采集卡测量并由工业PC机计算出三相总有功功率P，各相相电压的有效值U_X；

(3)将理想负荷电流(三相对称正弦电流)与电源侧提供的实际负荷电流相比较，其差值即是我们所需的补偿量。理想负荷电流为

$i_{\mathrm{ap}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_a$ $i_{\mathrm{bp}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_b$ $i_{\mathrm{cp}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_c$

由上式可以看出，理想负荷电流与电压波形相同，相位一致。所需的补偿电流为

i_ac＝i_a-i_ap、i_bc＝i_b-i_bp、i_cc＝i_c-i_cp；式中i_a、i_b、i_c为实际负荷电流，u_a、u_b

u_c为母线电压；

(4)由工业PC机从补偿电流i_ac、i_bc和i_cc中分离出基波无功分量i_aT、i_bT和i_cT，作为晶闸管分相投切电容器(TSC)的补偿控制量；将剩余谐波负序分量i_ah＝i_a-i_aT、i_bh＝i_b-i_bT、i_ch＝i_c-i_cT作为有源滤波器的补偿分量；

(5)工业PC机根据TSC的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器的容量，并控制晶闸管触发电路，向晶闸管开关组中相应的晶闸管发出触发脉冲，使这些晶闸管导通，投入容量适合的电容器组，使电容电流分别为i_aT、i_bT和i_cT；

(6)工业PC机根据有源滤波器的补偿分量计算得出PWM调制信号，有源滤波器中的PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM调制波形，使任意波形发生器发出的电流分别为i_ah、i_bh和i_ch；

(7)重复步骤(1)～(6)，可以跟踪负荷的变化，实现实时动态补偿，完全消除负荷电流中的谐波、无功和负序分量。

本发明还提供了一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置，由电压变送器、电流变送器以及实时补偿电路所构成，所述实时补偿电路由数据采集卡、工业PC机、晶闸管触发电路、晶闸管开关组、电容器组、PWM控制器和任意波形发生器所构成；其中，电压变送器和电流变送器的输出端分别与工业PC机上的数据采集卡的输入端连接，工业PC机的输出端分别与晶闸管触发电路和PWM控制器的输入端相连接，晶闸管触发电路与晶闸管开关组相连，电容器组经晶闸管开关组和交流接触器及刀开关接入配电网系统母线，PWM控制器与任意波形发生器相连，作为有源滤波器，有源滤波器经交流接触器及刀开关接入配电网系统母线。

所述的晶闸管触发电路在系统电压正峰值发出触发脉冲，晶闸管开关组由晶闸管和二极管反并联组成，电容器已经预充电，因此无需过零检测电路，电容器投入或切除时没有过渡过程。所述任意波形发生器由IGBT与直流电容器组成，由PWM调制波形给出任意电流波形。

本发明所应用的谐波、负序、无功的综合治理技术，是从我们提出的新的综合治理理论出发(即无功、谐波、负序在物理本质上是一致的，都可归结为电流波形与相位的畸变)，集所有电网污染源(谐波、负序、无功)的治理于一身，用同一装置、同一原理对所有污染同时进行治理。可提高电能质量、提高电力系统运行安全、提高电网经济效益、降低污染治理的成本、提高电网污染治理的有效性。

本发明具有以下优点和积极效果：

(1)提出了单一的补偿目标，克服了传统补偿装置各自为政，互相冲突的缺点；

(2)用有源与无源相结合的混合补偿方案，补偿效果好，经济可靠；

(3)系统补偿过程中不增加任何新的畸变分量；

(4)在时域中计算电流补偿分量，物理概念清晰，运算速度快，实现了补偿目标的一致性；

(5)采用工业PC机进行控制，自动化程度高，控制软件界面友好，操作简便，易于维护。

附图说明

图1为本发明复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置与配电网系统母线的连接关系示意图；

图2为本发明复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置工作原理框图。

图3为晶闸管光电触发单元工作原理框图。

图4为晶闸管光电触发单元电路图。

图5为PWM控制器结构图。

图6为任意波形发生器结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的工作原理作进一步说明。

如图1所示，配电网母线1电压与电流经电压互感器2、电流互感器3转换为标准的100V电压和标准的1A(5A)电流，送入复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置4。复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置4对采样数据进行处理，计算出所需补偿电流，并产生相应的补偿电流，对非线性负荷5进行补偿。

如图2所示，本发明的复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置工作原理如下：将接入母线1上的电压互感器2和电流互感器3输出的电压、电流信号分别经电压变送器4.1、电流变送器4.2转换成电压信号u_ax、u_bx、u_cx，电流信号i_ax、i_bx、i_cx。电压u_x、电流i_x信号传送到数据采集卡4.3，由数据采集卡4.3测量并由工业PC机4.4计算出三相总有功功率P，各相相电压的有效值U_X；计算得出理想负荷电流为 $i_{\mathrm{ap}}=\frac{P}{{3U}_X^2}{u}_a,$ $i_{\mathrm{bp}}=\frac{P}{{3U}_X^2}{u}_b,$ $i_{\mathrm{cp}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_c,$ 由所需的补偿电流为i_ac＝i_a-i_ap、i_bc＝i_b-i_bp、i_cc＝i_c-i_cp。由工业PC机4.4从补偿电流i_ac、i_bc和i_cc中分离出基波无功分量i_aT、i_bT和i_cT，作为晶闸管分相投切电容器(TSC)的补偿控制量；将剩余谐波负序分量i_ah＝i_a-i_aT、i_bh＝i_b-i_bT、i_ch＝i_c-i_cT作为有源滤波器的补偿分量；工业PC机4.4根据TSC的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器的容量，并控制晶闸管触发电路4.7，向晶闸管开关组4.8中相应的晶闸管发出触发脉冲，使这些晶闸管导通，投入容量适合的电容器组4.9，使电容电流分别为i_aT、i_bT和i_cT；工业PC机4.4根据有源滤波器的补偿分量计算得出任意波形发生器的PWM调制信号，有源滤波器中的PWM控制器4.5根据该信号向任意波形发生器4.6发出PWM调制波形，使任意波形发生器4.6发出的电流分别为i_ah、i_bh和i_ch；根据上述步骤，可以使电源侧提供的负荷电流为理想负荷电流i_ap、i_bp和i_cp，将非线性负荷补偿为理想负荷；重复上述步骤，可以跟踪负荷的变化，实现实时动态补偿，完全消除负荷电流中的谐波、无功和负序分量。

如图3所示，晶闸管触发电路由触发脉冲发生器6，电压-电流转换单元7，电-光转换器8，光纤9，光-电转换器10，脉冲功放电路11，多路脉冲分配器12和脉冲功放电源13组成，可将低电位侧的触发脉冲经光纤传送至10kV～35kV的高电位侧。

本发明的实施例：一台380V，容量为350kVar复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理装置。

电压变送器4.1为小电压互感器，电流变送器4.2为霍尔式电流传感器，晶闸管触发电路4.7的具体电路如图4所示，晶闸管触发脉冲由图3中的触发脉冲发生器6送出，光电隔离采用的是惠普公司的HFBR-0400系列，发送器采用HFBR-1414，接收器采用HFBR-2412。可在发送器和接收器之间传送模拟信号和数字信号，传送数据速率为5MBd，传送距离为2000m.HFBR-1414正向工作电压V_F＜1.5V，最大正向工作电流I_F为60mA，最大衰减为4dB/km最大时延为50ns。三极管Q1起开关管的作用，KCZ2产生脉冲使Q1导通，HFBR-1414上就有电流流过，电流大小为 $I_F=(V_{\mathrm{CC}}-V_F)/R_1=(5V-1.5V)/0.1\mathrm{K\Ω}=35\mathrm{mA}.$ HFBR-2412输出端6脚为TTL电平输出，但输出和输入是反向的，所以用三极管Q7作反向器。Q4为大功率三极管，二极管D1和脉冲变压器的原边反并联，D1起续流的作用，迅速释放变压器线圈上的能量，使脉冲变压器上流过的使大功率的高速脉冲。同时注意高压侧电源必须和低压侧电源隔离，才能真正起到高低压隔离作用，高压侧电源从高压端由电流互感器取能得到。最后将触发脉冲送到晶闸管的触发极，以触发晶闸管。晶闸管开关组4.8由12对反并联的晶闸管和二极管及相应的保护电路构成(每相四对)，电容器每相四组，容量按1∶2∶4∶8成二进制分配，三相共300kVar。PWM控制器4.5由DSP芯片为核心的集成电路构成，如图5所示，DSP芯片采用德州仪器公司出品的TMS320F240芯片作为中央控制单元；静态RAM用于存储一些临时数据；ISA总线为工业PC机上的系统总线；数据缓冲和锁存单元作为ISA总线与TMS320F240交换数据的媒介。PWM输出隔离单元将PWM波送至任意波形发生器作为控制信号；保护输入输出单元从传感器得到保护信号，并输出相应的开关量，实现继电保护的功能；I/O输入输出隔离装置既可以接收各开关的位置量，也可以输出开关量以控制各开关的开断。任意波形发生器4.6由IGBT组成的开关组和直流电容组成，容量为50kVar，通过交流接触器和刀闸开关联接到三相交流输电系统的A、B、C、N母线上。如图6所示。工业PC机4.4采用以工业级PIII处理器为核心的ADVANTECH系列工控机，抗干扰能力强，计算速度快。交流接触器4.10和刀闸开关4.11用于本装置出现故障或例行检修时，将装置从系统中安全有效退出。

Claims (1)

1.一种复杂电力系统谐波、无功、负序综合治理方法，包括下列步骤：

(1)将接入母线上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换成电压信号u_ax、u_bx、u_cx，电流信号i_ax、i_bx、i_cx，其中，三相所有的电流和电压信号需要同步采集；

(2)电压信号u_ax、u_bx、u_cx和电流信号i_ax、i_bx、i_cx传送到数据采集卡，由数据采集卡测量并由工业PC机计算出三相总有功功率P，各相相电压的有效值U_X；

(3)将理想负荷电流与由电源侧提供的实际负荷电流相比较，其差值即是我们所需的补偿量；理想负荷电流为 $i_{\mathrm{ap}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_a$ 、 $i_{\mathrm{bp}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_b$ 、 $i_{\mathrm{cp}}=\frac{P}{3U_X^2}{u}_c,$ 所需的补偿电流为

i_ac＝i_a-i_ap、i_bc＝i_b-i_bp、i_cc＝i_c-i_cp；式中i_a、i_b、i_c为实际负荷电流，u_a、u_b、u_c为母线电压；

(4)由工业PC机从补偿电流i_ac、i_bc和i_cc中分离出基波无功分量i_aT、i_bT和i_cT，作为晶闸管分相投切电容器的补偿控制量，将剩余谐波及负序分量i_ah＝i_a-i_aT、i_bh＝i_b-i_bT、i_ch＝i_c-i_cT作为有源滤波器的补偿控制量；

(5)工业PC机根据晶闸管分相投切电容器的补偿控制量计算得出各相需要投入的电容器的容量，并控制晶闸管触发电路，向晶闸管开关组中相应的晶闸管发出触发脉冲，使这些晶闸管导通，投入容量适合的电容器组，使电容电流分别为i_aT、i_bT和i_cT；

(6)工业PC机根据有源滤波器的补偿控制量计算得出任意波形发生器的PWM调制信号，PWM控制器根据该信号向任意波形发生器发出PWM调制波形，使任意波形发生器发出的电流分别为i_ah、i_bh和i_ch；

(7)重复步骤(1)～(6)，可以跟踪负荷的变化，实现实时动态补偿。

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