CN201805234U - 一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有谐波抑制功能的综合电压无功运行控制系统，包括综合电压无功控制装置和DSP控制电路，其中综合电压无功控制装置包括并联挂接于电网的有载调压变压器、晶闸管投切电容器和位于两者之间的单独注入式有源电力滤波器；所述DSP控制电路通过其内部的DSP控制器的输出端经驱动电路分别接入有载调压变压器、晶闸管投切电容器和单独注入式有源电力滤波器。本实用新型系统在具备传统VQC基本功能的同时，通过APF提高了系统滤波性能，抑制无源部分与电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理。

Description

一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统电网输电能力、安全稳定运行、节能降耗和电能质量，特别涉及一种具有谐波抑制功能的综合VQC运行控制系统。

背景技术

电压是衡量电能质量的主要质量指标之一，电压质量对电力系统的安全与经济运行，对保证用户安全生产和产品质量以及电器设备的安全与寿命，有着重要的影响。然而，无功功率与电压水平有着密切的联系，无功功率在电力网络中的流动就会在所经环节中产生电压损耗，高压线路和变压器的电压损耗主要取决于通过的无功功率，输送的距离越远，中间环节越多，引起的压降也就越大，负荷端的电压也就越低。目前我国的许多变电站中装设了用于电压无功调节的有载调压变压器和并联补偿电容器组。有载调压变压器可以在带负荷的情况下切换分接头，它是多电压级网络中进行电压控制和无功功率流动的重要手段，也是降低网络有功和无功功率损耗的重要途径之一。并联补偿电容器组其一方面可改善系统的功率因素，降低电网中的电能损耗，提高系统的经济性，另一方面可以调整系统电压，维持负荷点的电压水平，提高供电质量。

在日本，大约有半数电力公司采用个别控制和地区自动控制方式。所谓个别控制是指发电机单独运行，变电站无功补偿设备和有载调压变压器自动控制的方式；另一半公司实行在线集中综合控制。意大利国家电力系统(ENEL)也已实现电压、无功自动控制，至1993年，ENEL在整个超高压电网中普遍实现了二次和三次电压调整。

但是目前的电压无功控制(VQC)并没有考虑到谐波的影响，在有载调压变压器切换分接头和电容器的投切都会产生谐波，再加上系统的背景谐波和负载产生的谐波，不仅对电网的电能质量有严重的影响，还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能计量出现混乱。最严重的是在变压器调压时很可能会产生多个谐振点，从而使谐波放大，使电容器拒动作，引起严重事故。因此一种新型的具有谐波抑制功能的综合VQC补偿装置将成为未来变电站电压无功控制的发展方向。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，不但可以实现电压无功的调节，而且可以改善配电网电能质量，并抑制电压跌落和节能降耗。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，包括综合电压无功控制装置和DSP控制电路，其特征在于，所述综合电压无功装置包括串接在电网中的有载调压变压器OLTC、并联挂接于电网的晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF，所述单独注入式有源电力滤波器IAPF并联于有载调压变压器OLTC和晶闸管投切电容器TSC之间；单独注入式有源电力滤波器IAPF包括有源电力滤波器和注入支路，有源电力滤波器经注入支路接入电网，所述注入支路中有依次串联的电容C₁、注入电容C₂和电感L₁组成的单调谐滤波器，其中电容C₁和电感L₁串联组成基波串联谐振电路，有源电力滤波器依次经由电感L₀和电容C₀构成的输出滤波器和耦合变压器T与基波串联谐振电路并联连接后，再经注入电容C₂接入电网；所述与电网连接的DSP控制电路分别接入有载调压变压器OLTC、晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF。

所述DSP控制电路以DSP控制器为核心，还包括检测模块、光电隔离输入输出电路，所述采集端与电网连接的检测模块接入DSP控制器，其中DSP控制器经光电隔离输入输出电路接入驱动电路后，最后分别接入有载调压变压器OLTC、晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF。

所述检测模块包括设置在电网中的电压、电流采集电路。

与本实用新型所述具有谐波抑制功能的综合VQC控制系统相应的控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网三相电压三相电流、负载三相电流和APF输出电流的瞬时值：e_a、e_b、e_c；i_a、i_b、i_c；和i_La、i_Lb、i_Lc；

2)根据采样值e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c计算电网的无功和功率因数，根据采样值e_a、e_b、e_c和i_La、i_Lb、i_Lc利用瞬时功率理论并求解基波电压的有效值，谐波电流值；

3)利用九区域控制策略，求取有载变压器调节档位和晶闸管投切电容器的投切级数，并进行相应的控制；

4)根据复合电流的控制策略，实时采样电网电流i_a、i_b、i_c和负载电流i_La、i_Lb、i_Lc的谐波电流进行复合控制，可对负载中的谐波电流进行较好的动态补偿，而且使系统具有更好的动态性能和稳定性；

本实用新型采用多目标电压无功谐波优化方案，即将电压质量、无功损耗、网损、电压波动和谐波畸变等各指标的满意度最大为目标要求的多目标问题，将分目标函数统一到一个总的目标函数中，使可靠性优化设计转化为满足可靠性要求的多目标优化问题来求解，以变压器分接头、并联补偿电容器为控制变量，建立配电网多目标电压无功谐波优化模型。

本实用新型通过将有源电力滤波器引入传统的电压无功控制中，在进行电压调节和无功补偿的同时，对谐波进行治理。注入式有源电力滤波器IAPF安置于有载调压变压器变压器和晶闸管投切电容器之间，可以有效的滤除电网的谐波电流，还可以有效的避免调节变压器和电容器时产生谐振对整个装置造成影响。其中有源电力滤波部分不仅能够消除谐波，还可以动态的调节谐波阻抗，避免电网局部发生谐振，达到提高电网输电能力、系统安全稳定运行、节能降耗和提高电能质量的目的。

本实用新型所述具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统利用电压无功控制策略和复合电流控制策略实现电压、无功和谐波电流的补偿，确保了综合电压无功补偿系统的安全稳定运行。

附图说明

图1是实施例所述具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统的电路结构图；

图2是本实用新型所述电压无功谐波多目标优化结构框图；

图3是图1中DSP控制电路实现的电压无功控制方法结构图；

图4是图1中DSP控制电路实现的谐波电流复合控制方法结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，包括由有载调压变压器OLTC、晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF构成的综合电压无功控制装置和DSP控制电路，有载调压变压器串接在电网中用于调节电压高低，晶闸管投切电容器和注入式有源电力滤波器并联挂接于电网用于补偿无功和谐波，注入式有源电力滤波器并联与有载调压变压器和晶闸管投切电容器之间，可以抑制可能发生的谐振；单独注入式有源电力滤波器IAPF包括有源电力滤波器和注入支路，有源滤波器经注入支路接入电网，所述注入支路中有依次串联的电容C₁、电容C₂和电感L₁组成的单调谐滤波器，其中电容C₁和电感L₁串联组成基波串联谐振电路，有源电力滤波器依次经输出滤波器L₀、C₀和耦合变压器T与基波谐振电路并联连接后，再经注入电容C₂接入电网；由于注入支路中的串联谐振L₁和C₁谐振调谐于基波频率，其基波阻抗近似为0，在基波域相当于短路，所以流过注入支路的基波电流都将流入该网络，而不会流入耦合变压器和逆变器，系统在具备VQC基本功能的同时，通过APF提高了系统滤波性能，抑制无源部分与电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理。DSP控制电路由DSP控制器和驱动电路组成，输出端分别通过光纤接入OLTC、TSC和IAPF。DSP控制电路以DSP控制器为核心，还包括检测模块、输入和输出模块，DSP控制电路包括电压，电流采集电路、光电隔离输入输出电路，检测模块采集电网的三相电压，三相电流，负载侧和有源滤波器逆变器输出的三相电流；采集的数据输入到DSP控制器，DSP控制器对采集的数据进行多目标的电压无功和谐波计算处理，输出有载调压变压器和晶闸管投切电容器的调节信号和有源滤波器的PWM控制脉冲信号，经光电隔离输入输出电路分别送到驱动电路来实现有载调压变压器的调节、晶闸管投切电容器的投切和有源滤波器的逆变器工作。

如图2所示，电压无功谐波多目标优化模块主要实现控制的最优化，从而提高系统的鲁棒性和可靠性。电压无功控制器的优化是在可靠性基础上进行的优化设计，即把电压合格、无功达标、网损、电压波动和谐波抑制等各指标的满意度最大为目标要求的多目标问题，或者结合优化问题的约束在内，或者结合到优化问题的目标函数内，运用优化方法，得出其控制参数的最优解。电压无功优化设计属多目标优化，基本思想是在可靠性优化设计模型的基础上，把节点电压合格、电压偏差、网损、电压波动和谐波抑制作为一个分目标函数来考虑，并通过某种方法将分目标函数统一到一个总的目标函数中，使可靠性优化设计转化为满足可靠性要求的多目标优化问题来求解，以变压器分接头、并联补偿电容器为控制变量，建立配电网多目标电压优化模型。

在多目标优化设计中，其设计目标是计算系统的可靠度，即

$R=\underset{g\left(x\right)>0}{\∫}{f}_x\left(x\right)\mathrm{dx}$

式中f_x(x)是基本随机参数向量，x＝(x₁x₂…x_n)^T是联合概率密度函数：g(x)是状态函数，可以表示为综合VQC控制系统的两种状态：g(x)＜0为控制不合格，g(x)＞0为控制合格。极限状态方程g(x)＝0是n维曲面，称为极限状态表面。当基本随机参数向量X服从正态分布时，可用失效点处状态表面的切平面近似地模拟极限状态表面，由此得到可靠度的一阶估计量为：

$R=\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\β}\right)=\mathrm{\φ}\left(\frac{u_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\β}}}\right)=\mathrm{\φ}\frac{E\left[g\left(x\right)\right]}{\sqrt{\mathrm{Var}\left[g\left(x\right)\right]}}$

式中——β可靠性指标；

u_β、σ_β——状态函数的均值和标准差，

φ(g)——标准正态分布函数。

电压合格评价函数以节点电压是否合格为基准：电压在合格范围内(例如±5％)，满意度即为1；距离电压合格上下限越大，满意度越低，超过±20％时满意度为0。而电压偏差评价函数侧重考察节点电压相对于标准值的偏差：电压偏差越小，满意度越大。当电压偏差小于可接受电压偏差(例如±2％)即可达到最大的满意度。电压偏差超过±10％时满意度为0。降损是电压控制无功优化的重要目标之一，通过合理调整无功调节手段，可以在保证节点电压质量的前提下减少功率传输中的有功损耗。求解理想工况下的最小有功网损，作为优化可能达到的最优解。对节点电压的影响，根据最大的电压波动幅值对全网电压波动进行模糊评价在满足谐波治理标准的前提下，APF注入电网的谐波电流的值应尽可能小，所要考虑的因素有谐波源个数及性质、电力系统结构和阻抗参数、谐波治理标准等。

多目标电压无功综合的数学模型可以表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}\min & f\left(x\right)={\mathrm{\ω}}_1{f}_1\left(\stackrel{\‾}{x}\right)+{\mathrm{\ω}}_2{f}_2\left(\stackrel{\‾}{x}\right)+{\mathrm{\ω}}_3{f}_3\left(\stackrel{\‾}{x}\right)+{\mathrm{\ω}}_4{f}_4\left(\stackrel{\‾}{x}\right)\\ s.t.& \begin{array}{ccc}{T}_{t\min }\≤T_t\≤T_{t\max }& 0\≤Q_c\≤Q_{c\max }& 0\≤{\mathrm{THD}}_i\≤{\mathrm{THD}}_{\max }\end{array}\end{array}\right.$

其中ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为电压、无功，损耗和谐波函数的加权因子，其值取决于各分目标函数的数量级及重要程度；

f₁(x)为对全网电压合格情况、节点电压偏差指标；

f₂(x)为电压波动性指标；

f₃(x)为对全网网损指标；

f₄(x)为对电网谐波指标；

T_t和Q_c分别为变压器分接头和并联补偿电容器无功出力，THD_i为有源电力滤波器的补偿的电流畸变率；约束条件为控制变量不超过其上下限。

如图3所示，是有载调压变压器OLTC和晶闸管投切电容器TSC组成的VQC控制系统流程图，DSP控制电路以DSP控制器为核心，由检测模块和驱动模块组成，检测模块采样电压互感器PT和电流互感器CT传送过来的公共连接点的电压u_S、电流i_S和负载侧电流信号i_L，然后输入给DSP控制器进行数据处理，DSP控制器根据图2的多目标电压无功谐波优化的控制目标输出I/O信号，分别用于控制综合VQC装置中的变压器档位和投切晶闸管。

如图4所示，是注入式有源电力滤波器谐波电流复合控制方法框图，指令参考电流运算电路的输入信号来自电网电流i_S和负载电流i_L，检测负载谐波电流I_Lh，控制律为K₁·I_Lh，负载谐波电流控制系数为K₁；检测电网谐波电流I_Sh，控制律为K₂·I_Sh，电网谐波电流控制系数为K₂也就是控制U_C＝K₁·I_Lh+K₂·I_Sh，电压指令信号作用于逆变器传递函数就会输出一个谐波电流，在这种控制方式下，可对负载中的谐波电流进行较好的补偿，而且使系统具有更好的动态性能和稳定性。

Claims (3)

1.一种具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，包括综合电压无功控制装置和DSP控制电路，其特征在于，所述综合电压无功装置包括串接在电网中的有载调压变压器OLTC、并联挂接于电网的晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF，所述单独注入式有源电力滤波器IAPF并联于有载调压变压器OLTC和晶闸管投切电容器TSC之间；单独注入式有源电力滤波器IAPF包括有源电力滤波器和注入支路，有源电力滤波器经注入支路接入电网，所述注入支路中有依次串联的电容C₁、注入电容C₂和电感L₁组成的单调谐滤波器，其中电容C₁和电感L₁串联组成基波串联谐振电路，有源电力滤波器依次经由电感L₀和电容C₀构成的输出滤波器和耦合变压器T与基波串联谐振电路并联连接后，再经注入电容C₂接入电网；所述与电网连接的DSP控制电路最后经驱动电路分别接入有载调压变压器OLTC、晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF。

2.根据权利要求1所述具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，其特征在于：所述DSP控制电路以DSP控制器为核心，还包括检测模块、光电隔离输入输出电路，所述采集端与电网连接的检测模块接入DSP控制器，其中DSP控制器经光电隔离输入输出电路接入驱动电路后，最后分别接入有载调压变压器OLTC、晶闸管投切电容器TSC和单独注入式有源电力滤波器IAPF。

3.根据权利要求2所述具有谐波抑制功能的综合电压无功控制系统，其特征在于：所述检测模块包括设置在电网中的电压、电流采集电路。

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