CN1937349A - 配电网综合动态补偿装置 - Google Patents
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Abstract
一种配电网综合动态补偿装置，可以根据负荷的变化，大范围动态输出无功，滤除谐波，达到提高功率因数、补偿三相不对称、稳定电压、降低闪变和降低谐波畸变率的目的，从而降低配电网损耗，改善电能质量，并为厂矿企业节能降耗，提高生产效率和产品质量。包括：逆变桥，通过连接变压器接入配电网，与直流侧电容器组相连，所述逆变桥采用三电平三单相桥结构；控制单元(5)，采用基于载波移相的直接电流控制算法，从母线上的PT和CT采集母线电压和电流，从装置的CT采集装置输出电流，以及从电容器组(4)采集直流电压，产生脉宽调制波形，控制所述逆变桥中各电力电子器件的导通和关断。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统和电力电子，尤其是电力系统中的配电网综合动态补偿装置。
背景技术
有些负荷会显著恶化公共连接点的电能质量，例如轧钢机、电弧炉、大型整流设备、电机群等等，它们会引起频繁的无功功率冲击和谐波污染，不仅导致功率因数低下，而且会恶化公共连接点的各项电能质量指标(包括电压波动、电压闪变、三相不对称和谐波畸变率等等)。
目前，国内的配电网均采用传统的无源型补偿装置，进行电能质量的治理和改善。但无源型补偿装置是由阻抗型元件组成，存在响应速度慢(约100～200ms)、输出特性差、有功损耗高、占地面积大等不足，治理效果往往不甚理想。这是摆在广大电力用户和电力公司面前的一个难题。
随着电力电子技术的迅猛发展，柔性输配电技术成为配电网综合动态补偿的新的有效的途径。基于快速可关断电力电子器件的配电网综合动态补偿装置，以有源逆变器为主体，在配电网静止无功补偿(Distribution Static Compensator，DSTATCOM)技术和有源滤波(Active Power Filter，APF)技术的基础上综合并优化，具有响应速度快、输出特性好、有功损耗低、占地面积省等诸多优点，不仅能够提高负荷的功率因数，而且能够有效抑制电压波动和闪变、补偿三相不对称和滤除谐波，使得公共连接点的电能质量全面达标。
国内曾先后投运过两台静止无功补偿器(Static Compensator，STATCOM)，但都属于中高压输电网无功补偿领域，旨在提高输电网的稳定性而非改善电能质量。本文所发明的配电网综合动态补偿装置专门用于配电网电能质量治理，属于国内首创。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配电网综合动态补偿装置，可以根据负荷的变化，大范围动态输出无功，滤除谐波，达到提高功率因数、补偿三相不对称、稳定电压、降低闪变和降低谐波畸变率的目的，从而降低配电网损耗，改善电能质量，并为厂矿企业节能降耗，提高生产效率和产品质量。
根据本发明的配电网综合动态补偿装置包括：逆变桥，通过连接变压器接入配电网，与直流侧电容器组相连，所述逆变桥采用三电平三单相桥结构；控制单元，采用基于载波移相的直接电流控制算法，从母线上的PT和CT采集母线电压和电流，从装置的CT采集装置输出电流，以及从电容器组采集直流电压，产生脉宽调制波形，控制所述逆变桥中各电力电子器件的导通和关断。
附图说明
图1是根据本发明的配电网综合动态补偿装置的主电路图。
图2是根据本发明的三电平三单相逆变桥拓扑图。
图3是根据本发明的连接变压器电气原理图。
图4是根据本发明的双分裂连接变压器电气原理图。
图5是根据本发明的两个三电平三单相桥共用直流侧电容器组的电路图。
图6是根据本发明的模块化设计框图。
图7是根据本发明的控制单元的原理框图。
图8是根据本发明的配电网综合动态补偿装置后台人机界面。
图9是根据本发明的配电网综合动态补偿装置的监测系统框图。
图10是根据本发明的的配电网综合动态补偿装置的综合保护单元原理图。
具体实施方式
图1是本发明的配电网动态补偿装置的主电路图。
配电柜(1)为装置的各个部分(比如系统电源、水冷系统等)提供直流220V、交流220V和交流380V电源，并配备10kV电压表、无功功率表、电流表等表计，用于指示装置的运行状态。接通电源后，装置的控制单元(5)、监测单元(7)和保护单元(6)便开始工作，监控和保护装置的启动、并网、运行和退出的全过程。
在装置并网前，启动整流柜(2)把交流380V升压并进行可控整流，将与逆变桥直流侧相连的电容器组(4)的电压升高至所需要的值，逆变桥(3)将直流侧电压逆变成为工频电压，通过连接变压器(8)升压，并逐步与系统电压同期。满足同期条件后，高压开关柜(9)合闸，装置进入并网运行状态。此时，启动整流柜(1)完成了启动整流任务，在控制单元(5)的控制下，断开与直流电容器组(4)的电气连接。
装置并网运行过程中，控制单元(5)从逆变桥(3)的电压电流传感器、装置PT、CT等处采集的有关数据，进行控制计算，决定逆变桥(3)的工作模式。监测单元(7)则利用这些数据监视和上报逆变桥和系统的各个模拟量、开关量。保护单元(6)则利用上述传感器的输出判断是否有模拟量越限或开关量异常变位，执行相应的保护策略。保护单元实时地把相关的异常信息和保护动作情况通过光纤上传给控制单元和监测单元，控制单元根据这些信息采取相应的控制措施，监测单元则通过网络将这些信息上传给后台计算机。
冷却系统(10)以水为冷却媒介，用于冷却逆变桥，保证电力电子器件运行在允许的温度范围之内。
本发明中，由于水冷基板不作为电气回路的一部分，而与逆变桥电气回路绝缘，故水冷系统的冷媒为软水或防冻液，无需去离子的纯水，水冷基板可以直接接地。这样，大大降低了水冷系统的绝缘要求，成套装置可靠性高，成本低，易于实现。
为了能够有效补偿冲击性负荷，配电网综合动态补偿装置采用了基于载波移相的直接电流控制技术，该技术适用于三电平三单相桥拓扑。电弧炉和轧钢机等冶金设备是强冲击性负荷，传统的补偿设备响应速度慢，且易发生谐波电流放大，故难以实现有效补偿。配电网综合动态补偿装置采用直接电流控制，响应时间不超过5ms，且能够保证不发生谐波放大。所谓“响应时间”是指从额定感性无功阶跃至额定容性无功或者从额定容性无功阶跃至额定感性无功所需要的时间。装置能够迅速、动态地补偿无功冲击，从而显著降低电弧炉和轧钢机等冶金设备对电能质量的危害。
图2是根据本发明的三电平三单相逆变桥拓扑图。逆变桥基于高压大容量的快速可关断的电力电子器件，采用三电平三单相桥结构，容量可达几兆乏至十几兆乏。由于容量较大，故逆变桥采用水冷却方式。在图2中DC+、N、DC-分别表示直流侧的正母线、中线和负母线；a和x、b和y、c和z表示三个单相桥交流输出的abc三相的出线端子。
三个单相桥共用直流侧电容器组(如图2所示)，通过连接变压器接入配电网。连接变压器高压侧为角形接法，低压侧为三单相接法，分别与三个单相逆变桥相连，如图3所示。在图3中，A、B、C分别代表连接变压器高压侧的ABC三相，a和x、b和y、c和z分别表示变压器低压侧abc三相的绕组。
配电网综合动态补偿装置采用模块化设计。每个模块主要由一台连接变压器及其所连接的高压开关柜、逆变桥和电容器组组成，装置的总容量可以通过多模块并联而扩大，每个模块具有独立的控制、监测和保护单元，如图6所示。
采用多分裂变压器，变压器低压侧可以连接多个三单相逆变桥，能够成倍增大装置容量。以变压器低压侧连接两个逆变桥为例，连接变压器采用双分裂结构(如图4所示)，两个三单相桥共用直流侧电容器组(如图5所示)。
按照图3～6所示的主电路拓扑，建立配电网综合动态补偿装置的主电路。按照图1，组成整个装置并接入系统。
装置具有“一键自动启动”并网运行的功能。运行人员只需在后台人机界面上点击投运按钮即可将装置并网运行，无需其他任何干预。点击投运按钮后，控制单元就会进入装置自动启动的控制模式，启动整流柜自动升压整流，控制单元自动检同期，当逆变桥输出电压与系统电压满足同期条件时，装置自动并网投入闭环运行，并断开启动整流柜。
装置并网运行后，采用多目标协调控制，控制目标包括提高功率因数、恒电压控制、有源滤波和直流电压平衡控制。控制单元利用采集到的数据，决定逆变桥的工作模式，并产生控制脉冲驱动各电力电子器件的开通和关断，输出三相可控的电压和电流。
图7是根据本发明的控制单元的原理框图。下面将根据图7详细介绍本发明的综合动态补偿装置的多目标协调控制原理。
高压开关柜(图1(9))中的PT、CT测量负载母线的电压Ubus，ABC和装置输出的电流Isvg，ABC，母线上的CT测量负载的电流Iload，ABC，电容器组(图1(4))的电压Udc1和Udc2通过霍尔传感器得到。
控制单元利用A/D转换，采集母线的电压Ubus，ABC和电流Iload，ABC、装置输出的电流Isvg，ABC以及电容器组的电压Udc1和Udc2，通过一定的控制规律，进行多目标协调控制(如图7所示)，控制目标包括：(1)母线电压保持恒定；(2)负载从系统吸收的无功为零，注入的低次谐波电流为零；(3)电容器组电压保持恒定；(4)电容器组电压保持平衡。
首先，将采集到的电压电流信号进行坐标变换，从静止的三相ABC坐标系转换到旋转的两相dq坐标系，得到Iload，PQ和Isvg，PQ。其中，Isvg，P是装置输出的有功电流，与电容器组的电压高低有关，Isvg，Q是装置输出的无功电流，与母线电压和无功有关。另，δUdc用于调节电容器组的电压平衡。
电压和无功协调控制，实现目标(1)和(2)。首先，根据用户要求给定母线电压指令值Ubus，ref无功指令值Qbus，ref。然后，与实际的母线电压Ubus和母线无功Qbus做比较，它们的差值ΔUbus和ΔQbus输入无功电压调节模块。无功电压调节模块根据无功电压情况，输出无功电流的参考值Iref，Q。无功电流参考值Iref，Q与装置实际输出的无功电流Isvg，Q的差ΔIQ，被输入电流调节模块1，得到Iref，q。Iref，q用于综合调节母线电压和无功。
直流电压控制，实现目标(3)。根据装置设计要求，设定电容器组电压指令值Udc，ref。Udc，ref与电容器组的实际电压Udc的差值ΔUdc输入到直流电压调节模块，得到有功电流参考值Iref，P。Iref，P与装置实际输出的有功电流Isvg，P的差ΔIP，被输入电流调节模块2，得到Iref，d。Iref，d用于调节电容器组的电压高低。
Iref，d和Iref，q经过坐标反变换，得到ABC坐标系下的电流指令Iref，ABC。Iref，ABC与装置输出的实际电流Isvg，ABC的差通过电流调节模块3，得到三电平三单相桥的脉冲发生逻辑，最终生成脉宽调制(PWM)波形，用于控制逆变桥中各个电力电子器件的导通和关断。以A相逆变桥为例，如果控制器输出的脉冲逻辑为“11000011”，则左桥臂从上至下的4个开关的状态为“通通断断”，而右桥臂从上至下的4个开关的状态为“断断通通”，A相逆变桥输出的电压为Udc1+Udc2。B、C相同理。通过不同的脉冲组合，可以调节各相逆变桥输出的电压，从而可以连续调节其输出电流的大小。
直流电压平衡控制，实现目标(4)。当电容器组电压Udc1和Udc2之差δUdc超过门限值时，控制单元启动直流电压平衡控制。直流电压平衡控制的作用是：通过适当调整脉冲发生逻辑，调配流入装置的有功电流Isvg，P，从而调整Udc1和Udc2的值，使电压差δUdc趋近于零。
图8是根据本发明的配电网综合动态补偿装置后台人机界面。如图8所示，利用“一键自动启动”将装置投入运行。在后台的人机界面上，点击“1#动补自动启动”，1#补偿装置将自动执行以下过程：
(1)后台通过以太网向1#控制单元下达自动启动命令(图9)；
(2)1#控制单元接收到此命令后，对1#补偿装置进行自检；
(3)确认装置一切正常后，1#控制单元向启动整流柜发出闭合整流开关的指令，并控制启动整流柜逐步升高1#电容器组的电压；
(4)1#控制单元控制1#补偿装置的逆变桥输出电压Usvg，并检测Usvg与母线电压Ubus的同期情况；
(5)符合同期条件后，1#控制单元发出“允许1#补偿装置并网”的指令，合1#断路器，断整流开关，1#补偿装置接入配电网；
(6)1#补偿装置随即进入闭环运行模式，对母线的电压、无功和谐波进行动态补偿。
同样，在后台人机界面上点击“2#动补自动启动”和“3#动补自动启动”，可以将2#和3#补偿装置投入运行。
配电网中，很多负荷是间歇运行的，例如电弧炉、轧钢机、电气化铁路，等等。传统的阻抗型补偿装置，即使在负荷停运时，仍然进行补偿，不仅容易引起过补偿，而且大大增加了装置的有功损耗，降低了装置的效率。
配电网综合动态补偿装置具有节能运行模式。当负荷轻载或停运时，母线的有功功率和无功功率降低到门限值以下。控制器检测到负载的这种状态并做一段时间的延时(对不同的负荷，具体判据和延时有所区别)，然后闭锁逆变桥，装置进入闭锁模式，不产生开关损耗。当负荷投运或变为重载时，控制器检测到无功功率和有功功率上升到门限值以上(为防止振荡，上下门限值之间设置了滞环)，则立即解锁逆变桥，恢复正常运行。这样，根据负荷的间歇运行状况决定装置的运行状态，可以减少逆变桥的开关损耗，提高装置平均运行效率。
装置具有自动复归功能。装置发生保护闭锁后，能够立即自检并对系统工况进行检查。自检就是控制器对驱动板进行复归，通过驱动板反馈的信号可知是否有开关器件损坏。然后检查直流电压是否在正常范围之内。通过这两项检查可以判定装置自身的安全状况。对系统工况的检查，主要是判断系统三相电压是否在正常范围以内，是否存在严重的不平衡等。
在装置和系统工况均正常的情况下，可以迅速复归，恢复正常运行，无需运行人员干预。
综合保护单元包括底层器件级保护、上层装置级保护以及系统级报警和后备保护。器件级保护速度最快，动作时间约为50～150μs；装置级保护次之，动作时间约为0.5～10ms；系统级报警和后备保护最慢，动作时间为50ms～1s。
如图10所示。器件级保护速度最快。电力电子器件的驱动电路实时检测和反馈器件的状态，电流阈值比较电路和电压阈值比较电路实时检测和反馈电力电子器件上的电流和电压。当发生器件损坏、器件过流或过压时，器件级保护在50～150μs内发生动作，闭锁逆变桥。另，器件失效会引起断路器跳闸。
装置级保护动作速度略逊于器件级保护，可作为器件级保护的后备保护。保护系统利用A/D转换和瞬时值计算，获得装置的输出电流和直流电压，当发生装置过载或直流电压过高时，装置级保护在0.5～10ms内发生动作，闭锁逆变桥。
系统级保护速度最慢，在出现危及装置安全但并非特别紧急的异常工况时，实施保护。例如，配电网或负载发生单相接地故障时，保护系统能够检测到系统电压有效值异常；再如水冷系统温度异常时会引起保护系统开入变位；以及其他类似故障信息。根据不同故障类型，系统级保护在50ms～1s内动作，闭锁逆变桥或者跳开装置断路器。
保护动作时，绝大多数情况下是不跳开断路器的，只是将逆变桥闭锁。此时，控制单元自动对装置进行自检。确认装置正常后，控制单元自动发出逆变桥复归命令，恢复装置的正常运行。整个过程无需运行人员干预。
控制单元、监测单元、后台以及远程监测计算机通过hub组成局域网，并连接至公共网络，如图9所示。控制单元和监测单元都采用分布式结构，将运行信息通过网络上传至后台，例如母线电压、母线电流、母线无功、装置出力、故障信息、操作日志，等等。后台通过公共网络将运行信息发送至远程监测计算机，供相关人员浏览，随时了解装置运行情况和相关数据。
监测单元不参与逆变桥的控制，仅仅对装置自身运行参数、运行状态和系统相关参数进行监视、采集和计算，并通过网络传至后台计算机。
监测单元实时获取器件、装置和系统的运行状态，一方面上传至后台人机界面，供运行人员浏览；另一方面，通过无线网络上传至远程人机界面，供其他相关人员浏览。
以上描述了本发明的具体实施例。而本发明的范围不应局限于这些描述。任何在本发明原理范围内的修改、改进都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1、一种配电网综合动态补偿装置，包括：
逆变桥(3)，通过连接变压器(8)接入配电网，与直流侧电容器组(4)相连，所述逆变桥(3)采用三电平三单相桥结构；
控制单元(5)，采用基于载波移相的直接电流控制算法，从母线上的PT和CT采集母线电压和电流，从装置的CT采集装置输出电流，以及从电容器组(4)采集直流电压，产生脉宽调制波形，控制所述逆变桥中各电力电子器件的导通和关断。
2、根据权利要求1所述的配电网综合动态补偿装置，其中控制单元包括：A/D转换模块，用于采集母线的电压和电流、装置输出的电流以及电容器组的电压；坐标转换模块，用于将静止的三相ABC坐标系转换到旋转的两相dq坐标系；无功电压调节模块，用于根据给定的母线电压指令值和无功指令值与实际的母线电压和母线无功的差值，输出无功电流的参考值；
第一电流调节模块，用于根据无功电流的参考值与装置实际输出的无功电流的差，调节母线电压和无功；
直流电压调节模块，用于根据电容器组电压指令值与电容器组的实际电压的差值，输出有功电流的参考值；
第二电流调节模块，用于根据有功电流参考值与装置实际输出的有功电流的差，调节电容器组的电压高低；
坐标反变换模块，用于将两相dq坐标系转换到三相ABC坐标系；
第三电流调节模块，用于根据ABC坐标系下的电流指令与装置输出的实际电流的差，得到三电平三单相桥的脉冲发生逻辑，最终生成脉宽调制(PWM)波，用于控制逆变桥中各个电力电子器件的导通和关断。
3、根据权利要求1所述的配电网综合动态补偿装置，还包括：
监测单元(7)，用于监视和上报逆变桥和系统的各模拟量、开关量，通过网络将这些信息传送给后台计算机；
保护单元(6)判断是否有模拟量越限或开关量异常变位，执行相应的保护策略，并把相关的异常信息通过光纤上传给控制单元(5)和监测单元(7)。
4、根据权利要求3所述的配电网综合动态补偿装置，所述保护单元的保护策略分为：
a)器件级，当发生器件损坏、器件过流或过压时，器件级保护在50μs到150μs内发生动作，闭锁逆变桥；
b)装置级，当发生装置过载或直流电压过高时，装置级保护在0.5ms到10ms内发生动作，闭锁逆变桥；
c)系统级，在出现危及装置安全但并非特别紧急的异常工况时，在50ms到1s内动作，闭锁逆变桥或者跳开装置断路器。
5、根据权利要求3所述的配电网综合动态补偿装置，所述控制单元和监测单元采用分布式结构，通过网络远程传送数据。
6、根据权利要求1-3中任意一项所述的配电网综合动态补偿装置，其中连接变压器(8)高压侧采用角形接线，低压侧采用三单相接线，并且在连接多组逆变桥时，采用多分裂变压器结构。
7、根据权利要求1-3中任意一项所述的配电网综合动态补偿装置，采用模块化设计，通过多模块并联扩大补偿容量。
8、根据权利要求1-3中任意一项所述的配电网综合动态补偿装置，具有“一键自动启动”并网运行的功能。
9、根据权利要求1-3中任意一项所述的配电网综合动态补偿装置，在装置发生保护闭锁后，立即自检并对系统工作状况进行检查，在装置和系统均正常的情况下，迅速复归，恢复正常运行。
10、根据权利要求1-3中任意一项所述的配电网综合动态补偿装置，所述配电网综合动态补偿装置判断负荷当前的工况，当负荷轻载或者停运时，控制单元向逆变桥发出闭锁指令，逆变桥处于闭锁状态，无任何损耗；当负荷变为重载或投运时，控制单元向逆变桥发出解锁指令，装置重新恢复动态补偿。
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