專利名稱：一種靜止無功補償器和有源電力濾波器聯(lián)合運行系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜止無功補償器(SVC)和有源電力濾波器(APF)聯(lián)合運行 系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子器件在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重。 另外，有很多電力用戶，如電弧爐，因其特有的工作特性導(dǎo)致了其所在電網(wǎng) 也具有電壓波動嚴(yán)重、負(fù)序分量大、高次諧波多、電網(wǎng)功率因數(shù)低。因此， 提高電網(wǎng)功率因數(shù)、補償負(fù)序電流、抑制諧波污染越來越多的受到人們的關(guān)注。
采用電力電子裝置就近吞吐無功和吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流，是提高 功率因數(shù)和抑制諧波污染的有效措施。目前，TCR型靜止無功補償器(SVC) 以其高性價比而被公認(rèn)為無功補償?shù)淖罴蜒b備，并以其響應(yīng)快的特點有效解 決了電壓波動問題，而且還可以通過分相調(diào)節(jié)對三相不對稱負(fù)載進(jìn)行平衡化 補償以消除負(fù)序分量、通過在并聯(lián)電容器上串聯(lián)小的調(diào)諧電抗器組成單調(diào)諧 無源濾波器，提供容性無功的同時濾除固定次諧波。但是由于SVC本身也是 諧波源，如果給每次諧波都安裝濾波支路則會體積龐大，而且無源濾波器的 濾波性能受系統(tǒng)參數(shù)影響大，并且只能補償固定次諧波，同時不可避免的存 在與電網(wǎng)等效阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振的可能。近年來，有源電力濾波器(APF) 因其良好的諧波治理性能，越來越受到人們的關(guān)注，但受開關(guān)器件容量及電 壓等級的限制很難應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)?；旌闲陀性措娏V波器(HAPF)兼 有無源濾波器和有源電力濾波器的優(yōu)點，并且可以應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)，是目 前采用較為廣泛的諧波治理和無功補償裝置。而與SVC相比，HAPF只能補 償固定容量的無功功率，不具備SVC正負(fù)連續(xù)調(diào)節(jié)無功的能力。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種靜止無功補償器(svc)和有
源電力濾波器(APF)聯(lián)合運行系統(tǒng)及其控制方法，可應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)，在具 備SVC基本功能的同時，通過APF提高了無源濾波器的濾波性能，抑制無 源部分與電網(wǎng)等效阻抗間可能的諧振現(xiàn)象，并且可以實現(xiàn)對各次諧波的動態(tài)治理。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種靜止無功補償器SVC和有源電力濾波 器APF聯(lián)合運行系統(tǒng)，包括靜止無功補償器SVC、有源電力濾波器APF及 控制裝置，其中靜止無功補償器SVC由晶閘管控制電抗器TCR以及無源濾 波器PPF組成，其中無源濾波器PPF由電容器串聯(lián)調(diào)諧電感組成，APF與基 波諧振支路并聯(lián)后再與靜止無功補償器SVC中的無源濾波器PPF相串聯(lián)組 成輸出端，所述輸出端接入控制裝置中的DSP控制器，所述DSP控制器的 輸出端分別通過驅(qū)動電路和光纖接入APF和TCR。
相應(yīng)地， 一種靜止無功補償器SVC和有源電力濾波器APF聯(lián)合運行系 統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟
1) 檢測電網(wǎng)三相電壓、三相負(fù)載電流和TCR接入電網(wǎng)后TCR、供電電 源間三相電流和APF輸出電流的瞬時值^、 eA、 ec; zila、 /il6、 匕、&、
'￡c和 'fVW7 、；揚、* ^
2) 根據(jù)采樣值 、e6、 ^和&。、 &6、 ^利用瞬時功率理論并求解基波
電壓的有效值，基波電流的正序分量和負(fù)序分量；
3) 利用三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制方法，求取SVC需要接入電網(wǎng) 的等效電納值，并利用查表法求取TCR的各相導(dǎo)通角； 4) APF采樣基于檢測負(fù)載諧波電流的控制策略，實現(xiàn)抑制PPF與電網(wǎng)等 效阻抗間的串并聯(lián)諧振的功能；
5) 根據(jù)采樣值^、 &、 ^和"。、， 、 z^利用特定次諧波補償控制方 法實現(xiàn)電網(wǎng)諧波電流的動態(tài)治理。
本發(fā)明的工作原理為所述SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)中，SVC由晶閘 管控制電抗器TCR以及無源濾波器PPF組成，通過對TCR三相不對稱控制 來消除電網(wǎng)三相不對稱負(fù)載引起的負(fù)序電流，通過在電容器上串聯(lián)小的調(diào)諧 電感組成無源濾波器，提供容性無功的同時濾除固定次諧波，最后APF與基 波諧振支路并聯(lián)后再與SVC中的無源部分相串聯(lián)作為輸出端接入電網(wǎng)，利用 基于檢測負(fù)載諧波電流的控制策略實現(xiàn)動態(tài)治理電網(wǎng)諧波，用來消除電網(wǎng)及 SVC引起的諧波電流，同時抑制電容器與電網(wǎng)等效阻抗間可能的串并聯(lián)諧 振。本發(fā)明利用三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制方法實現(xiàn)負(fù)載負(fù)序電流的補 償。同時利用特定次諧波補償技術(shù)實現(xiàn)SVC與APF的解耦控制，確保了聯(lián) 合運行系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
本發(fā)明技術(shù)效果具體在于
(1) SVC和APF構(gòu)成的綜合補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，SVC進(jìn)行動態(tài)無功補償， 并實現(xiàn)負(fù)序電流的補償；APF進(jìn)行動態(tài)諧波治理，抑制PPF與電網(wǎng)阻抗間可
能的串并聯(lián)諧振。
(2) SVC的控制與APF的控制相互獨立、沒有形成閉環(huán)，因此他們同 時工作時不會產(chǎn)生穩(wěn)定性問題，方便實行獨立控制；TCR產(chǎn)生的諧波由APF 來補償，可以更好地濾除諧波。
(3) 在SVC和APF聯(lián)合運行系統(tǒng)中，TCR式靜補的基本工作原理就是 利用電力電子技術(shù)，根據(jù)負(fù)載的變化情況迅速計算出TCR所需投入的等效電 納，然后快速調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角使靜補呈現(xiàn)出相應(yīng)的等效電感(或電容)， 達(dá)到平衡化補償?shù)哪康摹?br> (4) APF與基波諧振支路并聯(lián)后再與SVC結(jié)構(gòu)中的無源濾波器串聯(lián)接 入電網(wǎng)，構(gòu)成基波串聯(lián)諧振注入式混合型結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中有源部分因與基波 諧振支路并聯(lián)，不承受基波電壓，大大降低了APF的容量。因此，適用于中 高壓大容量諧波治理與無功補償?shù)膱龊?。通過對APF采用合適的控制策略， 可以顯著提高無源部分的濾波性能，并有效抑制無源部分與電網(wǎng)等效阻抗間 的串并聯(lián)諧振現(xiàn)象。當(dāng)APF采用"特定次數(shù)諧波補償"方法時，APF與SVC 間的耦合程度低，聯(lián)合系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。


圖1是本發(fā)明中SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明中SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)的原理示意圖； 圖3是本發(fā)明中SVC三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制框圖； 圖4是本發(fā)明中SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)單相等效電路圖； 圖5是本發(fā)明中APF特定次諧波補償控制框圖6是本發(fā)明中APF采用特定次諧波補償控制時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)頻譜圖。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明的一種SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)，在SVC系統(tǒng)中增 加了小容量的APF部分和控制裝置，其中靜止無功補償器SVC由晶閘管控 制電抗器TCR以及無源濾波器PPF組成，其中無源濾波器PPF由電容器串 聯(lián)調(diào)諧電感組成，APF與基波諧振支路并聯(lián)后再與靜止無功補償器SVC中 的無源濾波器PPF相串聯(lián)組成輸出端，所述輸出端接入控制裝置中的DSP 控制器，所述DSP控制器的輸出端分別通過驅(qū)動電路和光纖接入APF和 TCR。所述SVC與APF聯(lián)合運行系統(tǒng)在具備SVC基本功能的同時，通過 APF提高了無源濾波器的濾波性能，抑制無源部分與電網(wǎng)等效阻抗間可能的
諧振現(xiàn)象，并且可以實現(xiàn)對各次諧波的動態(tài)治理。系統(tǒng)采用具有高性價比而
被公認(rèn)為無功補償?shù)淖罴蜒b備的TCR型靜止無功補償器SVC，并以其響應(yīng) 快的特點有效解決了電壓波動問題，而且還可以通過分相調(diào)節(jié)對三相不對稱 負(fù)載進(jìn)行平衡化補償以消除負(fù)序分量、通過在電容器上串聯(lián)小的電感組成單 調(diào)諧無源濾波器，提供容性無功的同時濾除固定次諧波。
該系統(tǒng)利用SVC進(jìn)行無功功率的動態(tài)連續(xù)補償，并利用平衡化補償控制 技術(shù)實現(xiàn)負(fù)載負(fù)序電流的補償；APF起到提高無源濾波器濾波性能，抑制無 源濾波器與電網(wǎng)等效阻抗間可能的串并聯(lián)諧振的作用。在所述SVC與APF 聯(lián)合運行系統(tǒng)中SVC的控制與APF的控制相互獨立、沒有形成閉環(huán)，因此 他們同時工作時不會產(chǎn)生穩(wěn)定性問題，方便實行獨立控制；另外TCR產(chǎn)生的 諧波由APF來補償，可以更好地濾除諧波。
參見圖2，本發(fā)明通過檢測電網(wǎng)三相電壓，負(fù)載三相電流實現(xiàn)TCR接入 點至電源端的負(fù)載電流以及APF輸出電流；并利用SVC三相不平衡負(fù)載補 償控制方法和APF特定次諧波補償控制方法分別實現(xiàn)無功功率的動態(tài)調(diào)節(jié)、 負(fù)序電流的快速補償和諧波的動態(tài)治理、電網(wǎng)諧振抑制。
參見圖3，本發(fā)明的SVC三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制方法包括以下
步驟
檢測出三相電路各相電壓和電流的瞬時值e。、 ％、 ^和^、 ，il6、 將電壓和電流變換到a-々坐標(biāo)系，可得
","、7-，"分別表示為"次電流正序和負(fù)序電流的有效值；￡+'"、 ￡-'"分別表
示"次電壓正序和負(fù)序電壓有效值。十與一號分別表示n次電壓和電流的正序 與負(fù)序有效值；
假設(shè)電網(wǎng)電壓是對稱的，并且相對于電流，其畸變情況是可以忽略不計
的。電網(wǎng)電壓可以表示為
￡ = V^五+丌乂紐
此時，基波電流正序分量和負(fù)序分量可以通過下式獲得
Re(/—》-y.Im("):
其中，&(/+,1)和1111(/+,1)分別表示基波正序的實部和虛部，Re(/—，i)和lm(")分別表 示基波負(fù)序的實部和虛部，下標(biāo)av表示平均值； 使負(fù)序分量，正序分量的虛部為0:
"。v扁—A
^av ——A
0
Im(/〖,1+K) = 0 上標(biāo)丄、△「 F分別表示負(fù)載，TCR以及無源濾波器PPF;
別表示正序、負(fù)序和基波成分。
由上式求解可獲得SVC需要接入電網(wǎng)的等效電納值
-和l分
1 [eF+-
2'
(五+,i(p"))
五/X
1
i
2'
20]
五/x
1
(《,i(p"))2
其中，e卩和f分別表示無源濾波器組和TCR三相無功功率的和。 由于TCR電流的基波分量與晶閘管導(dǎo)通角之間滿足如下關(guān)系
/，
3 _ sin 3
'l(戸)
將等效電納值帶入上式即可求取TCR各相的導(dǎo)通角。根據(jù)把各導(dǎo)通角的
值，經(jīng)觸發(fā)電路控制TCR各相晶閘管，從而實現(xiàn)不對稱負(fù)載時無功功率的動
態(tài)補償和負(fù)序電流的消除。
參見圖4，為了實現(xiàn)APF動態(tài)治理電網(wǎng)諧波，并抑制SVC的無源部分 與電網(wǎng)等效阻抗間可能的串并聯(lián)諧振，本發(fā)明采用了基于檢測負(fù)載諧波電流 的控制策略，并控制
<formula>formula see original document page 9</formula>由圖4和基爾霍夫定律，可得系統(tǒng)的電路方程為
<formula>formula see original document page 9</formula>
由上式可以求得諧波源諧波抑制函數(shù)為<formula>formula see original document page 9</formula>
<formula>formula see original document page 9</formula>電網(wǎng)諧波抑制函數(shù)
<formula>formula see original document page 9</formula>通過諧波源諧波抑制函數(shù)來分析APF抑制并聯(lián)諧振的性能，用電網(wǎng)諧波 抑制函數(shù)來分析APF抑制串聯(lián)諧振的性能。結(jié)果表明采樣本發(fā)明所述控制策 略時，APF具有良好的濾波效果和諧振抑制性能。
參見圖5，本發(fā)明的APF特定次諧波補償控制方法包括以下步驟 檢測出逆變器輸出電流采樣信號W";
計算出e'W為逆變器輸出電流參考信號4/0與采樣信號的差值,；
利用公式可知^的廣義積分力W滿足以下頻域方程.-
<formula>formula see original document page 9</formula>
但實際上，對于有源電力濾波器而言，只需要考慮有限的幾次諧波，則
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中W為APF需濾除的諧波次數(shù)集合，為{2,3,5,7,11,13,17,19,23}; 通過常規(guī)PI控制，APF的基于廣義積分算法的等效控制為
<formula>formula see original document page 10</formula>得
式中，^為比例系數(shù)，《b為對m次諧波的積分系數(shù)； 本發(fā)明充分利用以前的控制量信息，大大減小了控制算法的計算] 到的結(jié)果為
<formula>formula see original document page 10</formula>可知只要保留上兩個控制周期的諧波分量提取式積分控制量"Im (A _ 1)和
Wlm(A-2)以及上一個控制周期的電流誤差A(yù)/re/*-u ，可以很方便地獲得新的 廣義積分控制量、(^;
基于特定次諧波補償控制算法的離散等效控制率為
<formula>formula see original document page 10</formula>通過圖6可以看出廣義積分控制器可以使得2次、5次、7次、11次、 13次、17次、19次和23次諧振頻率及其附近頻段處的增益極大，這意味著 穩(wěn)態(tài)時，在諧振頻率處控制器可以實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。同時，可以看出， 廣義積分器對其余頻段的諧波具有很大的衰減，實現(xiàn)了對"特定次數(shù)諧波的 補償"，達(dá)到了 SVC和APF解耦的目的。
權(quán)利要求
1、一種靜止無功補償器和有源電力濾波器聯(lián)合運行系統(tǒng)，包括靜止無功補償器SVC，其特征在于，還包括有源電力濾波器APF及控制裝置，其中靜止無功補償器SVC由晶閘管控制電抗器TCR以及無源濾波器PPF組成，其中無源濾波器PPF由電容器串聯(lián)調(diào)諧電感組成，APF與基波諧振支路并聯(lián)后再與靜止無功補償器SVC中的無源濾波器PPF相串聯(lián)組成輸出端，所述輸出端接入控制裝置中的DSP控制器，所述DSP控制器的輸出端分別通過驅(qū)動電路和光纖接入APF和TCR。
2. —種如權(quán)利要求1所述靜止無功補償器和有源電力濾波器聯(lián)合運行系 統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟1) 檢測電網(wǎng)三相電壓、三相負(fù)載電流和TCR接入電網(wǎng)后TCR、供電電 源間三相電流和APF輸出電流的瞬時值e。、 ^、 4; ,ila、 ，il6、 ,ta、 &、禾口2) 根據(jù)采樣值e。、 e6、 4和,￡1。、 &6、 ^利用瞬時功率理論并求解基波 電壓的有效值，基波電流的正序分量和負(fù)序分量；3) 利用三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制方法，求取SVC需要接入電網(wǎng) 的等效電納值，并利用查表法求取TCR的各相導(dǎo)通角；4) APF采樣基于檢測負(fù)載諧波電流的控制策略，實現(xiàn)抑制PPF與電網(wǎng)等 效阻抗間的串并聯(lián)諧振的功能；5) 根據(jù)采樣值^、 ^、 ^和"。、"6、 ，i利用特定次諧波補償控制方 法實現(xiàn)電網(wǎng)諧波電流的動態(tài)治理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靜止無功補償器和有源電力濾波器聯(lián)合運行系統(tǒng)及其控制方法，在靜止無功補償器SVC中增加了有源電力濾波器APF和控制裝置。并利用三相不平衡負(fù)載平衡化補償控制方法實現(xiàn)負(fù)載負(fù)序電流的補償，同時利用特定次諧波補償技術(shù)實現(xiàn)SVC與APF的解耦控制，確保了聯(lián)合運行系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。本發(fā)明在具備SVC基本功能的同時，通過APF提高了無源濾波器的濾波性能，抑制無源部分與電網(wǎng)等效阻抗間可能的諧振現(xiàn)象，并且可以實現(xiàn)對各次諧波的動態(tài)治理。
文檔編號H02J3/18GK101183791SQ20071019266
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者孫賢大, 帥智康, 鋒 李, 瑩 程, 安 羅, 適 舒 申請人:湖南大學(xué)