CN1734879A - 电力系统变电站用电能质量综合控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力系统变电站用电能质量综合控制器，包括晶闸管控制电抗器，纯调谐无源滤波器Zf、附加电感La、有源电力滤波器APF、耦合变压器组成。晶闸管控制电抗器TCR提供感性无功功率，将有源电力滤波器APF控制成受控电流源，通过耦合变压器与附加电感La并联，然后与无源滤波器Zf串联，组成并联混合型混合滤波系统，通过断路器或晶闸管接入电网。混合滤波系统提供所需要的容性无功功率、滤除负载及TCR系统本身所产生的谐波。由于有源电力滤波器APF容量很小，小于谐波源容量的1％，因而成本低廉，控制方式简单可靠，并可抑制变电站的“背景谐波”对无源滤波器的影响，防止无源滤波器和电网阻抗发生谐振。

Description

电力系统变电站用电能质量综合控制器
技术领域
本发明涉及一种电能质量综合控制器，特别涉及一种电力系统变电站用电能质量综合控制器。
背景技术
电力系统的非线性负荷产生的无功冲击及谐波公害严重危及到电力系统的安全运行和优质供电。
无功功率的危害：
(1)无功功率增加，导致电流增大和供电设备视在功率增大，而且将导致起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格增大。
(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及线路损耗增加。
(3)变压器及线路压降增大，使电网电压剧烈波动。
(4)电压波动主要是由无功波动引起的，如果是冲击性无功负载，将导致电压的剧烈波动。
谐波的危害：
(1)谐波使设备产生附加谐波损耗，降低供配电设备及用电设备的效率。
(2)谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波引起过电压、过电流使变压器严重过热；使电容器、电缆过热，绝缘老化，寿命缩短。
(3)谐波会引起公用电网局部谐波放大，甚至并联谐振和串联谐振，对这一现象，因为易引起设备损坏和安全事故，应特别关注。
(4)谐波导致继电保护和自动装置的误动作与拒动作。
另外，对于三相四线制系统还有大量3n次谐波流过中线，使线路过热、易烧毁元器件；谐波将影响电气设备的正常工作，如引起电气设备机械振动、噪声、缩短使用寿命甚至损坏；使常规测量仪表的精度大大降低；谐波还对邻近通讯系统、自动化系统以及包含微电子或计算机设备的系统造成严重干扰，轻者产生噪声、降低运行质量，重者导致信息丢失，无法正常工作。可见，高次谐波的不利影响是诸多方面的，必须采取有效措施加以抑制。
在电力系统中，补偿无功功率的方法很多，但由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置(或SVC)这个词往往是专指使用晶闸管器件的静补装置，包括晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor，缩写为TCR)和晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor，缩写为TSC)，以及这两者的混合装置(TCR+TSC)，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器(FixedCapacitor，缩写为FC)或机械投切电容器(Mechanically SwitchedCapacitor，缩写为MSC)混合使用的装置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。其中TCR型具有反应快(5～20ms)、运行可靠、无级补偿、分相调节、能平衡有功、使用范围广、价格便宜等优点。因此工业发达国家的主要电气设备制造公司都生产和积极推广这种装置，应用最广，是发展的主流，全世界已有超过220套、总容量为35000Mvar的SVC在输配电系统运行，超过380套、总容量为18000Mvar的SVC在工业部门应用。预计SVC在输电和配电领域以及工业用户方面都将有更大发展。
消除供电系统谐波的方法主要有两种：一种是采用无源LC滤波器或有源电力滤波器滤波；第二种是改造谐波源，如提高变流器的相数，采用高功率因数整流器等。无源滤波器由于其结构简单、成本低，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数；同时无源滤波器又具有维护方便，以及有较成熟的技术、设计和制造经验，因此无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑制和补偿无功的主要手段。但无源电力滤波器PPF存在以下缺点：(1)滤波特性受系统参数与运行工况影响比较大，设计起来较困难，谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定；(2)电网的参数与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降；(3)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。
谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。由于有源电力滤波器能动态地补偿谐波、无功及负序电流，而又不会与系统发生谐振，所以可以取得比无源电力滤波器好的多的滤波效果。但由于单独使用的有源电力滤波器容量大、成本高，目前国内还没有应用。
无功补偿和谐波抑制始终有着密切的关系，两者的技术发展与进步是相互协调的，有源滤波器可以克服无源滤波器在实际运行中补偿特性易受电网阻抗变化和运行状态影响，与系统发生谐波放大甚至并联谐振的缺陷，若将无源滤波器和有源滤波器相结合构成混合滤波器，相互取长补短，兼有两种滤波器优点，这种方案是谐波抑制方案研究的热点。
传统的补偿装置中，无功功率的补偿、负序电流的抑制、谐波电流的抑制是分别地、孤立地进行的，没有按统一的数学模型全方位地进行治理。理论上欠完备，实践中常出现顾此失彼的情况，甚至相互之间带来不利的影响。由于分别用不同装置独立地进行补偿，难以达到完全补偿的目的。安装维护工作量大，性能价格比低。
从上述对现有技术的介绍和分析中可见，目前在国内外还没有见到通过将无源滤波器中LC滤波支路分为纯调谐和附加电感再将有源电力滤波器并联于串联电感来使用的报道。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种电力系统变电站用电能质量综合控制器，可以改善电能质量、提高电力系统安全、经济运行水平，降低污染治理的成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明包括可与电网并联的晶闸管控制电抗器TCR以及纯调谐无源电力滤波器Zf，纯调谐无源电力滤波器Zf与附加电感La的一端串连，附加电感La另一端接地，附加电感La通过耦合变压器T与有源电力滤波器APF并联。
所述的纯调谐无源电力滤波器Zf串连附加电感La，以及与附加电感La并联的有源电力滤波器APF控制成电流源。
所述的纯调谐无源电力滤波器Zf可由调谐于三次、五次、七次的串联谐振滤波器并联组成。
本发明将晶闸管控制电抗器TCR电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构，吸收的谐波电流和无功功率随着控制角α的增大而减小，实现调节无功功率的目的。负载的变化正是由TCR所产生的变化无功功率加以平衡使得两者之和总是维持为常数，此常数感性无功功率被FC的容性无功功率相抵消，最终使得电网的功率因数保持在设定值如0.95以上。
本发明的变电站用电能质量综合控制器，由晶闸管控制电抗器TCR提供系统所需要的感性无功功率、稳定负载冲击所产生的电压波动。本发明将原有固定频偏的无源滤波器改造为纯调谐LC滤波电路和附加电感La串联，然后将有源电力滤波器(APF)控制成电流源，与附加电感La并联，共同组成混合滤波系统，该混合滤波系统提供所需要的容性无功功率、滤除负载及TCR系统本身所产生的谐波。在这种变电站用电能质量综合控制器中，由于有源电力滤波器APF容量很小，小于谐波源容量的1％(基波无功电流全部流入附加电感La，不流经有源滤波器)，因而不会增加很多的成本，但却可以极大地改善滤波效果。并可抑制变电站的“背景谐波”对无源滤波器的影响，并防止无源滤波器和电网阻抗发生谐振，大大增强了滤波系统的整体安全性和可靠性。即使有源部分发生故障，可通过熔断器自动从系统脱离，晶闸管控制电抗器TCR和无源滤波器仍可实现原有的无功及谐波补偿功能。有源滤波器的控制方式简单可靠。
附图说明
图1为本发明的变电站用电能质量综合控制系统的原理图；
图2为本发明晶闸管控制电抗器TCR的数字控制系统原理图；
图3(a)为本发明混合滤波系统无源滤波器等效电路图；
图3(b)为本发明混合滤波系统等效电路图；
图4(a)为电网电压波形图；
图4(b)为负载电流波形图；
图4(c)为晶闸管控制电抗器的补偿电流波形图；
图4(d)为晶闸管控制电抗器的补偿电流和负载电流波形图；
图4(e)补偿后网侧电流波形图；
图4(f)补偿前后负载和网侧电流波形傅立叶分析结果图。
具体实施方式
附图是本发明的具体实施例；
下面结合附图对本发明的内容及其工作原理作进一步地详细描述。
参照图1所示，最右侧负载LOAD产生谐波电流并且消耗无功，连接于电网母线与地之间。晶闸管控制电抗器TCR并联于电网；一组纯调谐LC无源滤波器Zf(由分别调谐于3次、5次的LC串联谐振滤波器并联组成，具体包括几条支路可根据滤波和无功性能指标确定)并联于电网母线，有源电力滤波器APF通过耦合变压器T与附加电感La并联接入纯调谐无源滤波器与地之间。APF的主电路采用单相桥式结构，其中的开关器件采用IGBT，其控制信号来自驱动电路。
图1中其他符号说明如下：
iS——电网侧电流
iF——滤波系统电流
iTCR——晶闸管控制电抗器补偿电流
iL——负载电流
参照图2所示，该数字控制系统根据基于瞬时无功功率理论的检测方法，检测得到负载产生的无功功率QL、无源滤波器提供Zf的容性无功功率QC，以及电网的有功功率PL，根据补偿后电网的功率因数角设定计算得到晶闸管控制电抗器TCR需要补偿的无功功率QTCR，经平均值环节后，输出分为两路，一路经前馈，另一路则送入PI调节器。PI调节器的输入为给定量与反馈量之差，其中反馈量由检测晶闸管控制电抗器TCR的补偿电流经无功检测再经过滤波器滤波得到；PI调节器的输出与前馈量一起参与导通角的计算。这两种控制方式结合的优点是：前馈部分可以做到立即响应，提高系统的快速性；而采用比例积分调节器，既兼顾了比例调节器快速响应和积分调节器消除静差两方面的优点，又能提高系统的稳定性。最后通过线性化插值方法计算晶闸管的触发角α，对应不同的触发角α，便可计算出相应的TCR各相电流值1TCR。
参照图3(a)(b)所示，将APF控制为一个受控电流源iAPFiAPF＝kl·iLh&TCRh+ks·ish，iLh&TCRh，ish分别为负载和晶闸管控制电抗器TCR侧电流和电网侧电流的谐波分量，kl、ks分别为前馈和反馈的增益系数，谐波源可看作一个电流源iLh&TCRh，iLh&TCRh＝iLh+iTCRh。
不接有源滤波器时，负载及晶闸管控制电抗器TCR产生的谐波电流ilh由无源滤波器补偿。由附图3(a)有：
如果电网阻抗很小(|Zs|≈0)，通常为了避免纯调谐无源滤波器与电网阻抗发生谐振导致出现谐波放大现象，在纯调谐无源滤波器支路串入电感La，这样整个无源支路阻抗(zfh+zah)通常较大，导致无源滤波器滤波效果不理想。
接入有源滤波器，并按以下规律将其控制为一个电流源：
iAPF＝kl·iLh&TCRh+ks·ish                           (2)
当有源滤波器按上面规律控制时，由图3b可知：
由于Zfh≈0，前馈控制中将前馈控制增益系数kl设为1，并在系统不振荡的情况下尽量将反馈控制中的反馈增益系数ks取较大的值，由式(3)可知电网电流谐波中由负载谐波电流源产生的部分将主要流入滤波支路，由电源谐波电压产生的部分通过反馈控制也将得到一定的抑制。
以下是变电站用电能质量综合控制器仿真实例。
基于Matlab/Simulink仿真软件，对该变电站用电能质量综合控制器进行仿真。无源滤波器参数为：5次滤波器：L5＝3.03mH，C5＝133.70μF；7次滤波器：L7＝3.54mH，C7＝58.45μF；附加电感La＝0.516mH。
参照图4所示，给出了仿真结果波形图，其中图4(a)横坐标表示时间，纵坐标表示电压幅值，仿真中电网线电压幅值为6000V；图4(b、c、d、e)横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值，其中，图4(b)给出了负载电流的波形，其基波电流相位之后电网电压，且含有5次、7次谐波电流；图4(c)为晶闸管控制电抗器产生的补偿电流，可以看出其本身也含有5次、7次谐波电流；图4(d)为负载电流和晶闸管控制电抗器补偿电流之和的波形，它为混合电力滤波系统检测的电流；图4(e)为补偿后网恻的电流波形，可以看出其波形与电网电压同相位，且其波形基本上为一正弦基波；图4(f)横坐标表示谐波次数，纵坐标表示幅值，从中可以看出补偿后负载的5次、7次谐波成分明显减少。对以上仿真结果进行整理，得下表：
    电源电流中5次、7次谐波电流含有率及系统功率因数表
从仿真结果看出，投入电能质量综合控制器后，不但功率因数得到明显提高，由0.736补偿到接近1，而且能够补偿负载中的典型谐波电流，如5次、7次谐波电流分别由100A、50A减少到4.09A、0.5852A，而且，APF的容量小于谐波源负载容量的1％，因此，这种变电站用电能质量综合控制器具有很高的实用价值。

Claims (3)

1.一种电力系统变电站用电能质量综合控制器，它包括可与电网并联的晶闸管控制电抗器(TCR)以及纯调谐无源电力滤波器(Zf)，其特征在于，纯调谐无源电力滤波器(Zf)与附加电感(La)的一端串连，附加电感(La)另一端接地，附加电感(La)通过耦合变压器(T)与有源电力滤波器(APF)并联。
2.根据权利要求1所述的变电站用电能质量综合控制器，其特征在于，所述的纯调谐无源电力滤波器(Zf)串连附加电感(La)，以及与附加电感(La)并联的有源电力滤波器(APF)控制成电流源。
3.根据权利要求1所述的变电站用电能质量综合控制器，其特征在于，所述的纯调谐无源电力滤波器(Zf)可由调谐于三次、五次、七次的串联谐振滤波器并联组成。
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