CN1540831A - 电力系统综合补偿装置及综合补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统综合补偿装置及综合补偿方法，其主要包括网侧电压检测装置、网侧电流检测装置、负载侧基波电流提取装置、数字信号处理器DSP及基于DSP的控制系统、脉宽调制发生器、逆变器、LC滤波电路。其主要采用不光滑非线性控制策略和扩张状态观测器相结合的结构及控制方法，利用扩张状态观测器以观测输出及其导数以及未知的内外部干扰，将谐波的反相位补偿变为理想正弦信号的跟踪，同时采用压控电抗器式的主电路实现无功的动态补偿，既可以使逆变器容量降低到最低，又通过控制电抗器电压实现网侧电流对给定相位的理想正弦信号的跟踪，达到滤波的作用，充分保证其既能够可靠地将有源滤波无源滤波及无功动态补偿融为一体。

Description

电力系统综合补偿装置及综合补偿方法

技术领域

本发明属于电力工程技术领域，特别是涉及一种由有源和无源构成的电力系统的综合补偿装置及综合补偿方法。

背景技术

随着电力技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、冶金、钢铁、化工等工业邻域以及交通、楼宇自动化及家庭生活等领域中获得了广泛的应用，这就使电网中的谐波污染状况日益严重。而且，电网中用于提高功率因数的电容器易与系统阻抗发生谐振，从而造成谐波放大。这都加重了电网中的谐波污染。

电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周边设备。电网中的谐波一方面使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化、使用寿命降低，其甚至发生故障或烧毁。同时，谐波还可引起电力系统局部出现并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重的干扰。

电网中的谐波污染状况日益严重，因而，对于谐波治理装置的需求也日益增加。而且，谐波治理也是建设“绿色电网”的重要组成部分。现在的谐波治理装置主要有两大类：无源滤波装置和有源滤波装置。

其中的无源滤波装置可参见1994年8月由水利电力出版社出版的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》一书，其电路结构图见图1，其在谐波作用下的等效电路图如图2所示。无源滤波器具有坚固耐用、价格低廉等优点，但无法解决因谐振引起的的某次谐波放大的问题。除这一缺点外，无源滤波器还具有以下缺点：

1、补偿性能差  由于电容器和电感的参数存在着误差；在运行过程中将因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化的影响而发生变化，使滤波器滤波效果变坏；

2、动态性能差  当负载电流动态变化时，其对谐波电流的抑制效果差；

3、补偿性能受系统阻抗的影响，系统阻抗的变化将影响其滤波效果；

4、即使在理想的情况下，也只能对特定次数谐波电流产生比较好的抑制效果；

5、体积庞大，占用空间较多。

已有的有源滤波装置可参见1995年《东洋电机制造株式会社产品说明书》。其原理框图如图3所示。其基本原理为：通过控制使有源滤波器向电网注入与负载谐波大小一致但相位相反的电流，这样就可以使电网电流为正弦波，从而，实现了消除谐波电流的目的。

目前的有源滤波技术的缺点可参见1997年清华大学博士论文《新型综合电力滤波系统的研究》，主要有：

1、由于交流电源的基波电压直接施加到逆变器上，且补偿电流完全由逆变器提供，因此，逆变器的容量必须很大；

2、由于目前电力电子器件造价较高，这种系统的价格十分昂贵；

3、由于检测电路易受器件参数分散及调试误差的影响，这会影响其补偿性能，需进一步改进；

4、由于有源滤波装置采用全新的结构，不适于对原有的无源滤波装置进行改造。

针对上述独立的无源滤波装置和有源滤波装置中存在的问题，中国专利ZL00109624.9(公开号CN1274977A)公开了一种“有源和无源构成的综合电力滤波装置”，其电路原理如图4所示，其主要由有源滤波器、无源滤波器、变压器和控制电路组成，无源滤波器的一端与电网相联，另一端与变压器次级的一端相联，变压器次级的另一端互相短接在一起，变压器的原边的一端与有源滤波器中逆变桥臂的中点相联，原边的另一端互相短接在一起。控制电路包括电流互感器、谐波检测电路、调节器、脉宽调制控制电路和驱动电路。电流互感器将电网的电流信号转变成电压信号后输入谐波检测电路，得到电网谐波电流信号，该信号送入调节器，与有源滤波器中的电容电压的反馈信号一起经调节后得到控制电流的指令信号，并送入脉宽调制控制电路，根据指令信号的符号产生相应的控制信号，即当其中一相的指令信号大于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相相对应的有源滤波器的逆变桥上桥臂的开关管导通，下桥臂的开关管关断；若小于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相对应的有源滤波器的逆变桥上桥壁的开关管关断，下桥臂的开关管导通，以控制有源滤波的输出电压，实现滤波。这种综合电力滤波装置的优点是成本较低、有一定的经济实用性以及滤波性能较好、不会产生串联或并联谐振，但其存在的缺点是：首先由于其必须对高频含量较高的谐波进行检测，检测的难度高及准确性低，另外在该设计中由于其着重考虑电网的滤波效果，对系统的功率因数未作考虑，因此其无功补偿的效果差，不能完全解决滤波与无功的综合控制。

中国科学院系统科学研究所韩京清研究员于1995年提出了扩张状态观测器(ESO)用以观测输出信号、输出信号的微分以及干扰量，见文献“一类不确定对象的扩张状态观测器”，《控制与决策》，Vol.10(1)，1995；同年，韩京清研究员还提出了非线性状态误差反馈控制律(NLSEF)，用以解决系统跟踪与干扰补偿问题，见文献“非线性状态误差反馈控制律-NLSEF”，《控制与决策》，Vol.10(3)，1995。ESO及NLSEF详见具体实施方式中的描述。

韩京清所提出的ESO与NLSEF为实现系统的简单非线性控制提供了必要的技术工具。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种采用非线性不光滑反馈控制和扩张状态观测器相结合的策略、既将有源滤波与无源滤波融为一体，又用同一主电路同时实现功率因数与滤波的综合补偿、且综合补偿效果好、结构简单、实现容易、成本低廉的电力系统综合补偿装置及综合补偿方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种电力系统综合补偿装置，其特点是包括：

网侧电压检测装置，用于检测和提取网侧的正弦电压相位；

网侧电流检测装置，用于检测和提取网侧的电流波形；

负载侧基波电流提取装置，用于检测和提取负载侧基波电流幅值；

数字信号处理器DSP，为一大容量的可编程微型计算机，内部有模数转换器，可通过模数转换器把采样模拟信号变成数字信号，通过控制算法得到控制律的数字信号；

基于DSP的控制系统，主要包括非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)，ESO主要用于估计输出信号、输出信号的微分及干扰；NLSEF对误差信号及误差信号的微分进行非线性组合控制，以实现信号跟踪和干扰抑制；

脉宽调制发生器，用于根据控制信号产生一个驱动逆变器的脉冲驱动信号；

逆变器，用于根据脉冲驱动信号以控制LC滤波电路的L上的电压；

LC滤波电路，用于滤除负载侧谐波并通过其电压的调节达到调节电力系统功率因数的目的。

其中，网侧电压检测装置的各输入端并接在电网上，其输出经采样电路转换成恰当的信号，送入DSP，通过DSP内部的模数转换器得到相应的数字信号。网侧电流检测装置和负载侧电流检测装置串联在网侧的各输电线上，同样经过信号采样电路和模数转换器得到其数字信号，基于DSP的控制系统对上述各信号进行控制以实现信号跟踪和干扰抑制。其具体控制方式如下：通过网侧电压相位信号的检测得到网侧参考电流相位、通过负载侧电流基频分量的检测得到网侧参考电流的幅值，从而得到网侧参考电流信号及其微分信号。以网侧电流信号为输入的扩张状态观测器ESO的输出生成三个状态变量即网侧电流信号z₁及其微分信号z₂以及干扰量z₃，将网侧参考电流及其微分信号与网侧电流及其微分信号作比较，得到误差ε₁和ε₂，构造恰当的关于ε₁和ε₂的非线性函数，从而得到非线性状态误差反馈控制(NLSEF)信号u₀/b₀(b₀为增益)，其为控制信号的一个信号，用于实现信号跟踪；利用ESO输出的z₃可以生成控制信号的另一个分量-z₃/b₀，用于抑制系统的内外干扰。将上述的两个控制分量组合，得到控制信号u(t)，这里-u(t)是逆变器交流侧电压的微分，将-u(t)积分，便得到逆变器交流侧的电压。利用脉宽调制技术(PWM)，使DSP输出适当的信号控制驱动电路，以确保逆变器交流侧的输出电压为∫u(τ)dτ的负值。利用逆变器输出电压信号，经平波电抗器L₁，控制LC滤波电路上电感L上的电压。

一种电力系统的综合补偿方法，其包括以下步骤：

1)、由网侧电压检测装置、负载侧基波电流提取装置，经采样电路得到的电源电压相位信号和负载电流基频幅值信号，经DSP的模数转换器，得到其数字信号，在控制算法中，将负载侧基波电流的幅值作为参考电流i_s ^*的幅值，将网侧电压检测装置提取的电压相位作为参考电流的i_s ^*的相位(也可令i_s ^*的相位落后电压相位一个小角度，即欠补偿)，得到参考电流i_s ^*及其微分i_s ^*；

2)、将网侧电流检测装置经采样电路得到的电流i_s，经DSP的模数转换器变成数字信号，在控制算法中，网侧电流信号作为ESO的输入信号，ESO的输出生成三个状态变量，即网侧电流信号z₁、z₁的微分信号z₂以及干扰量z₃；

3)、将网侧参考电流及其微分信号与网侧电流及其微分信号作比较，得到误差ε₁和ε₂，

4)、构造恰当的关于ε₁和ε₂的非线性函数，从而得到NLSEF控制信号u₀/b₀(b₀为增益)，其为控制信号的一个信号，用于实现信号跟踪；

5)、利用ESO输出的z₃可以生成控制信号的另一个分量-z₃/b₀，用于抑制系统的内外干扰；

6)、将上述的两个控制分量组合，得到控制信号u(t)，这里-u(t)是逆变器交流侧电压的微分，将-u(t)积分，便得到逆变器交流侧的电压；

7)、利用脉宽调制技术(PWM)，使DSP输出适当的信号控制驱动电路，以确保逆变器交流侧的输出电压为∫u(τ)dτ的负值，利用逆变器输出电压信号，经平波电抗器L₁，控制LC滤波支路电感L上的电压，以实现对参考电流跟踪。

本发明由于采用不光滑非线性控制策略和扩张状态观测器相结合的结构及控制方法，利用扩张状态观测器以观测输出及其微分以及未知的内外部干扰，将谐波的反相位补偿变为理想正弦信号的跟踪，从而不必对高频含量较多的负载电流谐波分量进行检测，降低了谐波的检测难度。由于采用压控电抗器式的主电路实现无功的动态补偿，既可以使逆变器容量降低到最低，从而节约成本；又通过控制电抗器电压实现网侧给定相位对理想正弦信号的跟踪，达到滤波的效果，充分保证其既能够可靠地将有源滤波与无源滤波融为一体，有效地解决无源滤波中存在的因谐振造成的某次谐波放大的问题，以及有源滤波中存在的价格昂贵的问题。从而使这一主电路既用作无功动态补偿，又起到滤波作用，达到达本发明的目的。

以下结合附图详细描述本发明的结构实现及工作原理与过程：

附图说明

图1为现有无源滤波装置的结构示意图；

图2为现有无源滤波装置的等效电路图；

图3为现有的有源滤波装置的原理框图；

图4为现有的无源和有源构成的综合电力滤波装置的电原理图；

图5是本发明的结构组成示意图；

图6是本发明的控制结构示意图。

具体实施方式

如图5、图6所示，本发明所述的电力系统综合补偿装置包括：

网侧电压检测装置，用于检测和提取网侧的正弦电压相位；

网侧电流检测装置，用于检测和提取网侧的电流波形；

负载侧基波电流提取装置，用于检测和提取负载侧基波电流幅值；

数字信号处理器DSP，其为一种大容量的可编程微型计算机，内部有模数转换器，可通过模数转换器把采样模拟信号变成数字信号，通过控制算法得到控制律的数字信号；

基于DSP的控制系统，主要包括非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)。ESO主要用于估计输出信号、输出信号的微分及干扰；NLSEF对误差信号及误差信号的微分进行非线性组合控制，以实现信号跟踪和干扰抑制；其中ESO和NLSEF的控制的设计思路是：

对于ESO来说：

考虑如下二阶系统：

或

x₁、x₂是状态变量，y是输出，w为干扰，u为控制，对控制系统来说，当w(t)和f(t，x₁，x₂，w，)已知，状态观测器就可以表示出来。

可设计如下非线性观测器来估计上式的状态变量(x₁，x₂)及f(t，x₁，x₂，w，)：

其中β₀₁，β₀₂，β₀₃是观测器增益，b₀为增益，g₁，g₂，g₃是恰当的非线性函数，使得z₁，z₂，z₃满足：

${\&Integral;}_O^T|z_1\left(t\right)-y\left(t\right)|\mathrm{dt}<\mathrm{\&epsiv;}$

${\&Integral;}_O^T|z_2\left(t\right)-\stackrel{.}{y}\left(t\right)|\mathrm{dt}<\mathrm{\&epsiv;}$

${\&Integral;}_O^T|z_3\left(t\right)-f(t,x_1\left(t\right),x_2\left(t\right),w\left(t\right))|\mathrm{dt}<\mathrm{\&epsiv;}$

其中ε是一个小正常数。

对于NLSEF来说：

ε₁＝v₁-z₁，ε₂＝v₂-z₂为参考输入与系统输出之间的误差及其微分，选择合适的非线性函数h₁，h₂和参数β₁，β₂，构成控制器u₀＝β₁h₁(ε₁)+β₂h₂(ε₂)。

通常非线性组合如下：

u₀＝β₁fal(e₂，α₁，δ₁)+β₂fal(e₃，α₂，δ₂)

其中e₂＝v₁-z₁，e₃＝v₂-z₂，u＝u₀/b₀-z₃/b₀。

非线性函数为：

由图6可知：

$L_1\frac{d^2{i}_s}{{\mathrm{dt}}^2}=-\frac{L+L_1}{\mathrm{LC}}{i}_s-\frac{L_1+L}{L_1}{L}_l\frac{{{\mathrm{di}}^2}_s}{\mathrm{dt}}+L_1\frac{d^2{i^{*}}_s}{{\mathrm{dt}}^2}$

$+\frac{L_1+L}{\mathrm{LC}}{i^{*}}_s+\frac{L_1+L}{L_1}\frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}-L_1\frac{d^2{i}_w}{{\mathrm{dt}}^2}-\frac{L_1+L}{L}{i}_w-v_c\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$

i^* _s是参考电流，u_s假定是正弦，v_c是逆变器直流侧电压，u是控制信号，v_cu是逆变器交流侧电压

i_s是状态变量，令i_L＝i_s ^*-i_ω，那么上式就变为二阶系统的结构：

$L_1\frac{d^2{i}_s}{{\mathrm{dt}}^2}=-\frac{L+L_1}{\mathrm{LC}}{i}_s-\frac{L_1+L}{L_1}{L}_l\frac{{{\mathrm{di}}^2}_s}{\mathrm{dt}}+L_1\frac{d^2{i^{*}}_s}{{\mathrm{dt}}^2}$

$+\frac{L_1+L}{\mathrm{LC}}{i^{*}}_s+\frac{L_1+L}{L_1}\frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}+w\left(t\right){-v}_c\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$

其中 $w\left(t\right)=-L_1\frac{d^2{i}_w}{{\mathrm{dt}}^2}-\frac{L_1+L}{L}{i}_w$

比较二阶系统，可知f(t，x₁，x₂，，w)由二部分组成，第一部分是：

$f(x,\stackrel{.}{x})=\frac{L+L_1}{\mathrm{LC}}{i}_s+L_1\frac{d^2{i^{*}}_s}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{L_1+L}{\mathrm{LC}}{i^{*}}_s+\frac{L_1+L}{L_1}\frac{{\mathrm{du}}_s}{\mathrm{dt}}$

第二部分是： $f_2\left(w\left(t\right)\right)=w\left(t\right)=-L_1\frac{d^2{i}_w}{{\mathrm{dt}}^2}-\frac{L_1+L}{L}{i}_w$

包含一些由于参数扰动和未建模而产生的动态，f₂(w(t))则表示了反映负载电流变化时的外扰，-v_cdu/dt相当于控制信号，确定-v_cdu/dt后通过后积分器可得逆变器交流侧电压的控制信号。

脉宽调制发生器，用于根据控制信号产生一个驱动逆变器的脉冲驱动信号；

逆变器，用于根据脉冲驱动信号以控制LC滤波电路的L上的电压；

LC滤波电路，用于滤除负载侧谐波并通过其电压的调节达到调节电力系统功率因数的目的；

其中，网侧电压检测装置的各输入端并接在电网上，其输出经采样电路转换成恰当的信号，送入DSP，通过DSP内部的模数转换器得到相应的数字信号。网侧电流检测装置和负载侧电流检测装置串联在网侧的各输电线上，同样经过信号采样电路和模数转换器得到其数字信号。DSP上的程序对这些信号进行控制。具体控制方式如下：通过网侧电压相位信号的检测得到网侧参考电流相位、通过负载侧电流基频分量的检测得到网侧参考电流的幅值，从而得到网侧参考电流信号及其微分信号。以网侧电流信号为输入的扩张状态观测器ESO的输出生成三个状态变量即网侧电流信号z₁及其微分信号z₂以及干扰量z₃，将网侧参考电流及其微分信号与网侧电流及其微分信号作比较，得到误差ε₁和ε₂，构造恰当的关于ε₁和ε₂的非线性函数，从而得到非线性状态误差反馈控制(NLSEF)信号u₀/b₀(b₀为增益)，它是控制信号的一个信号用于实现信号跟踪；利用ESO输出的z₃可以生成控制信号的另一个分量-z₃/b₀，用于抑制系统的内外干扰。将上述的两个控制分量组合，得到控制信号u(t)，这里-u(t)是逆变器交流侧电压的微分，将-u(t)积分，便得到逆变器交流侧的电压。利用脉宽调制技术(PWM)，使DSP输出适当的信号控制驱动电路，以确保逆变器交流侧的输出电压为∫u(τ)dτ的负值。利用逆变器输出电压信号，经平波电抗器L₁，控制LC滤波电路上电感L上的电压。

本发明所述的电力系统的综合补偿方法，包括以下步骤：

1)、由网侧电压检测装置、负载侧基波电流提取装置，经采样电路得到的电源电压相位信号和负载电流基频幅值信号，经DSP的模数转换器，得到其数字信号。在控制算法中，将负载侧基波电流的幅值作为参考电流i_s ^*的幅值，将网侧电压检测装置提取的电压相位作为参考电流的i_s ^*的相位(也可令i_s ^*的相位落后电压相位一个小角度，即欠补偿)，得到参考电流i_s ^*及其微分i_s ^*′；

2)、将网侧电流检测装置经采样电路得到的电流i_s，经DSP的模数转换器变成数字信号。在控制算法中，网侧电流信号作为ESO的输入信号，ESO的输出生成三个状态变量，即网侧电流信号z₁、z₁的微分信号z₂以及干扰量z₃。

3)、将网侧参考电流及其微分信号与网侧电流及其微分信号作比较，得到误差ε₁和ε₂，

4)、构造恰当的关于ε₁和ε₂的非线性函数，从而得到NLSEF控制信号u₀/b₀(b₀为增益)，其为控制信号的一个信号，用于实现信号跟踪；

5)、利用ESO输出的z₃可以生成控制信号的另一个分量-z₃/b₀，用于抑制系统的内外干扰。

6)、将上述的两个控制分量组合，得到控制信号u(t)，这里-u(t)是逆变器交流侧电压的微分，将-u(t)积分，便得到逆变器交流侧的电压。

7)、利用脉宽调制技术(PWM)，使DSP输出适当的信号控制驱动电路，以确保逆变器交流侧的输出电压为∫u(τ)dτ的负值。利用逆变器输出电压信号，经平波电抗器L₁，控制LC滤波支路电感L上的电压，从而实现实际电流对参考电流的跟踪。

Claims (2)

1、一种电力系统综合补偿装置，其特征在于包括：

网侧电压检测装置，用于检测和提取网侧的正弦电压相位；

网侧电流检测装置，用于检测和提取网侧的电流波形；

负载侧基波电流提取装置，用于检测和提取负载侧基波电流幅值；

数字信号处理器DSP，为一大容量的可编程微型计算机，内部有模数转换器，可通过模数转换器把采样模拟信号变成数字信号，通过控制算法得到控制律的数字信号；

基于DSP的控制系统，主要包括非线性状态误差反馈控制器(NLSEF)和扩张状态观测器(ESO)，ESO主要用于估计输出信号、输出信号的微分及干扰；NLSEF对误差信号及误差信号的微分进行非线性组合控制，以实现信号跟踪和干扰抑制；

脉宽调制发生器，用于根据控制信号产生一个驱动逆变器的脉冲驱动信号；

逆变器，用于根据脉冲驱动信号以控制LC滤波电路的L上的电压；

LC滤波电路，用于滤除负载侧谐波并通过其电压的调节达到调节电力系统功率因数的目的。

其中，网侧电压检测装置的各输入端并接在电网上，其输出经采样电路转换成恰当的信号，送入DSP，通过DSP内部的模数转换器得到相应的数字信号，网侧电流检测装置和负载侧电流检测装置串联在网侧的各输电线上，同样经过信号采样电路和模数转换器得到其数字信号，基于DSP的控制系统对上述各信号进行控制以实现信号跟踪和干扰抑制。

2、一种如权利要求1所述的电力系统综合补偿装置的综合补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、由网侧电压检测装置、负载侧基波电流提取装置，经采样电路得到的电源电压相位信号和负载电流基频幅值信号，经DSP的模数转换器，得到其数字信号，在控制算法中，将负载侧基波电流的幅值作为参考电流i_s ^*的幅值，将网侧电压检测装置提取的电压相位作为参考电流的i_s ^*的相位，得到参考电流i_s ^*及其微分i_s ^*′；

2)、将网侧电流检测装置经采样电路得到的电流i_s，经DSP的模数转换器变成数字信号，在控制算法中，网侧电流信号作为ESO的输入信号，ESO的输出生成三个状态变量，即网侧电流信号z₁、z₁的微分信号z₂以及干扰量z₃；

3)、将网侧参考电流及其微分信号与网侧电流及其微分信号作比较，得到误差ε₁和ε₂，

4)、构造恰当的关于ε₁和ε₂的非线性函数，从而得到NLSEF控制信号u₀/b₀(b₀为增益)，其为控制信号的一个信号，用于实现信号跟踪；

5)、利用ESO输出的z₃可以生成控制信号的另一个分量-z₃/b₀，用于抑制系统的内外干扰；

6)、将上述的两个控制分量组合，得到控制信号u(t)，这里-u(t)是逆变器交流侧电压的微分，将-u(t)积分，便得到逆变器交流侧的电压；

7)、利用脉宽调制技术(PWM)，使DSP输出适当的信号控制驱动电路，以确保逆变器交流侧的输出电压为∫u(τ)dτ的负值，利用逆变器输出电压信号，经平波电抗器L₁，控制LC滤波支路电感L上的电压，以实现实际电流对参考电流的跟踪。

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