本發(fā)明涉及電網(wǎng)電能質(zhì)量管理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜止無功發(fā)生器及其多目標容量協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)：

電能是社會經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)保證，由于大量非線性和沖擊性負荷接入電網(wǎng)，所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題嚴重威脅著整個電網(wǎng)和各供用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。目前我國最新的五項電能質(zhì)量國家標準包括：供電電壓偏差、電壓波動和閃變、電力系統(tǒng)頻率偏差、三相電壓不平衡、公用電網(wǎng)間諧波。這些標準的發(fā)布對諧波抑制和無功補償設(shè)備的設(shè)計提供了可靠的依據(jù)和參考。

伴隨著電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，對于電能質(zhì)量治理設(shè)備而言往往需要對諧波無功甚至負序同時進行補償。采用無源裝置治理諧波和補償無功是目前應(yīng)用的主流，但無源補償只能考慮除特定次數(shù)的諧波，易與電網(wǎng)發(fā)生諧振、體積大、損耗大、無功功率只能分級補償，不僅補償速度慢、沖擊大、補償精度低，還容易發(fā)生過補和欠補，智能性很差。在現(xiàn)代電網(wǎng)中，電壓波動、無功不足、諧波超限、三相不平衡的電能質(zhì)量問題會同時存在，需要不同類型的治理和控制手段加以解決。有源補償設(shè)備因為其優(yōu)越的補償性能得到越來越多的應(yīng)用。

有源補償又分為有源電力濾波器(APF)和靜止無功發(fā)生器(SVG)，大多數(shù)情況下分別用來補償電網(wǎng)中的諧波和無功功率，即使是用來綜合補償也是采用基波無功功率和所有諧波的補償形式。有源補償裝置的容量相對都是有限的，在裝置容量受限的情況下不能很好的進行有目的、有重點的補償，不能充分考慮裝置容量的合理分配，往往裝置達不到最優(yōu)的補償效果，同時對于不同工況的適應(yīng)性也有限。根據(jù)有源補償?shù)目刂品绞?，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達0.98以上，這在一定程度上會抬高電網(wǎng)側(cè)電壓幅值，對電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響。此外，用電負荷的不確定性，導(dǎo)致已安裝的補償設(shè)備不能很好的達到補償效果，需要二次投入，增加了治理費用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種靜止無功發(fā)生器及其多目標容量協(xié)調(diào)控制方法，用以解決現(xiàn)電網(wǎng)中有源補償中無功功率、諧波和負序不平衡只能分別補償，以及不能充分考慮裝置容量的合理分配等問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種靜止無功發(fā)生器，所述靜止無功發(fā)生器包括電抗器、三相電壓型PWM變流器、驅(qū)動電路、控制器、以及上位機和與人機接口；

所述電抗器用于儲能和濾除高頻開關(guān)紋波電流，所述電抗器的原邊與電網(wǎng)相連接，副邊與所述三相電壓型PWM變流器相連；

所述三相電壓型PWM整流器的交流側(cè)與所述電抗器連接，直流側(cè)連接儲能電容，所述儲能電容儲存了經(jīng)所述三相電壓型PWM整流器產(chǎn)生的直流能量；

所述驅(qū)動電路接受所述控制器發(fā)出的控制信號，驅(qū)動所述三相電壓型PWM變流器的半導(dǎo)體功率器件；

所述控制器采集所述三相電壓型PWM變流器的直流電壓值，以及電網(wǎng)側(cè)三相電壓、三相電流值，分析處理后發(fā)送驅(qū)動指令給所述驅(qū)動電路，同時，所述控制器將采集的電壓電流值發(fā)送給所述上位機與人機接口，接受所述上位機與人機接口發(fā)送的指令。

進一步地，所述三相電壓型PWM整流器由絕緣柵雙極晶體管構(gòu)成，利用電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)驅(qū)動所述絕緣柵雙極晶體管產(chǎn)生補償電流波形。

進一步地，所述三相電壓型PWM整流器采用三相全控橋拓撲形式。

進一步地，所述上位機與人機接口為工控機、PLC或顯示屏。

本發(fā)明還提供一種基于靜止無功發(fā)生器的多目標容量協(xié)調(diào)控制方法，具體地，所述協(xié)調(diào)控制方法包括如下步驟：

步驟1.采集電網(wǎng)電壓信號、負載電流信號、靜止無功發(fā)生器電流信號；

步驟2.計算所述電網(wǎng)電壓的鎖相環(huán)角度；

步驟3.提取所述負載電流的無功分量、諧波分量和負序分量，計算所述負載的功率因數(shù)PF，確定母線電壓下限；

步驟4.提取靜止無功發(fā)生器的無功分量、諧波分量、負序分量；

步驟5.根據(jù)無功優(yōu)先原則，當所述功率因數(shù)PF<0.92時，補償無功功率使所述負載的功率因數(shù)PF大于等于0.92；

步驟6.當母線電壓小于所述母線電壓下限時，補償無功功率，使得母線電壓不小于所述母線電壓下限；

步驟7.判斷負載側(cè)5、7、11次電流諧波是否超國標，若超過國家標準，則補償所述負載側(cè)的5、7、11次電流諧波；

步驟8.判斷三相電流不平衡度是否超國標，若超過國家標準，則補償所述負載的負序電流。

進一步地，所述步驟5和步驟6中補償無功功率的具體方法如下：

以所述負載電流的無功分量作為給定值，所述靜止無功發(fā)生器的無功分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下進行PID(比例積分微分)閉環(huán)控制，實現(xiàn)對負載的無功補償，且補償目標為功率因數(shù)達到0.92，若此時電網(wǎng)側(cè)電壓低于實際需要，則需要繼續(xù)增加無功輸出量，直到電網(wǎng)側(cè)電壓滿足要求。

進一步地，所述步驟7中補償所述負載側(cè)的5、7、11次電流諧波的具體方法如下：

以所述負載電流的諧波分量作為給定值，所述靜止無功發(fā)生器的諧波分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下采用重復(fù)控制算法，獲取需要補償?shù)妮敵隽看笮?，實現(xiàn)對所述負載的電流諧波補償。

進一步地，所述步驟8中補償所述所述負載的負序電流的具體方法如下：

以所述負載電流的負序分量作為給定值，所述靜止無功發(fā)生器的負序分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下采用PID閉環(huán)控制，獲取需要補償?shù)妮敵隽看笮?，實現(xiàn)對所述負載的負序補償。

進一步地，當有源裝置容量受限時，采用比例縮小的方式來限制所述補償輸出量大小。

本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明公開的靜止無功發(fā)生器一臺設(shè)備既能補償無功、調(diào)節(jié)三相不平衡、諧波抑制，還能調(diào)節(jié)母線電壓；實現(xiàn)無功功率、諧波、三相不平衡的多目標補償，實現(xiàn)了一機多用，減少二次投入的費用，避免了相互干擾問題，在空間受限的場合增加了安全性。

本發(fā)明公開的多目標容量協(xié)調(diào)控制方法計算量小，所占存儲空間小，易于實現(xiàn)；可根據(jù)具體工況，靈活在線配置無功功率、諧波和負序電流的補償容量。將母線電壓納入無功補償?shù)目刂颇繕酥?，有效實現(xiàn)無功功率的合理補償，避免了母線電壓過高，無功功率過補或欠補問題。

在靜止無功發(fā)生器系統(tǒng)容量受限制的情況下，充分利用其動態(tài)容量，可多目標協(xié)調(diào)進行補償。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一具體實施方式中靜止無功發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明另一具體實施方式中靜止無功發(fā)生器的原理示意圖。

圖3是本發(fā)明一具體實施方式中基于靜止無功發(fā)生器的多目標容量協(xié)調(diào)控制方法流程示意圖。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

實施例1

如圖1和圖2所示，一種靜止無功發(fā)生器，包括電抗器1、三相電壓型PWM變流器2、驅(qū)動電路3、控制器4、以及上位機與人機接口5。

電抗器1用于儲能和濾除高頻開關(guān)紋波電流，電抗器1的原邊與電網(wǎng)相連接，副邊與三相電壓型PWM變流器2相連。

三相電壓型PWM整流器2采用三相全控橋拓撲形式，交流側(cè)與三相電抗器1連接，直流側(cè)連接儲能電容。三相電壓型PWM整流器2由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成，利用電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)驅(qū)動IGBT產(chǎn)生補償電流波形，儲能電容儲存經(jīng)IGBT功率轉(zhuǎn)化模塊產(chǎn)生的直流能量。

驅(qū)動電路3接受控制器4發(fā)出的控制信號，驅(qū)動三相電壓型PWM變流器2的半導(dǎo)體功率器件，其還兼顧對半導(dǎo)體功率器件的保護功能。

控制器4采集三相電壓型PWM變流器2的直流電壓值，以及三相電網(wǎng)側(cè)三相電壓、三相電流值，發(fā)送驅(qū)動指令給驅(qū)動電路3，同時，控制器4還負責與上位機和人機界面的通訊，將采集的各種電壓、電流值發(fā)送給上位機與人機接口5，接受上位機與人機接口5發(fā)送的指令。

上位機與人機界面5可采用工控機、PLC或者顯示屏等方式實現(xiàn)，方便操作人員對整個系統(tǒng)的監(jiān)視與控制。

本實施例公開的靜止無功發(fā)生器(SVG)可單獨使用，也可為有源和無源補償設(shè)備的混合式補償結(jié)構(gòu)，如TSC+SVG，F(xiàn)C+SVG等。

本實施例一臺設(shè)備既能補償無功、調(diào)節(jié)三相不平衡、諧波抑制，還能調(diào)節(jié)母線電壓；實現(xiàn)無功功率、諧波、三相不平衡的多目標補償，實現(xiàn)了一機多用，減少二次投入的費用，避免了相互干擾問題，在空間受限的場合增加了安全性。

實施例2

現(xiàn)代電網(wǎng)中，電動機等感性負載的大量應(yīng)用，使得電網(wǎng)普遍具有感性的特點，因此本實施例討論補償感性負載的情況。根據(jù)大多數(shù)應(yīng)用現(xiàn)場的諧波情況，5、7、11次諧波含量最多，為綜合補償節(jié)省容量，本實施例只對5、7、11次諧波進行補償。由于感性無功的存在，使得電網(wǎng)電流增大，電壓降增大，網(wǎng)側(cè)電壓降低，通過補償負載產(chǎn)生的無功功率，可提高網(wǎng)側(cè)電壓，但是網(wǎng)側(cè)電壓也不可太高。為避免網(wǎng)側(cè)電壓過高，可適當降低無功功率輸出量，這樣功率因數(shù)可不必補償?shù)?。一般情況下，為避免無功罰款，功率因數(shù)達到0.9就滿足要求了，但是考慮到變壓器的損耗等，本實施例功率因數(shù)設(shè)置補償?shù)?.92。

一種基于靜止無功發(fā)生器的多目標容量協(xié)調(diào)控制方法，對電網(wǎng)的無功功率，5、7、11次諧波，以及三相電流不平衡進行補償，其方法流程如圖3所示，具體地，該方法包括如下步驟：

S1.采集電網(wǎng)電壓信號、負載電流信號、靜止無功發(fā)生器電流信號。

S2.計算電網(wǎng)電壓的鎖相環(huán)角度。

S3.提取所述負載電流的無功分量、諧波分量和負序分量，計算所述負載的功率因數(shù)PF，確定母線電壓下限。

在母線電壓要求較高的場合，采用功率因數(shù)和母線電壓的聯(lián)合控制方式來控制輸出無功功率的大小，確保在不同工況下解決無功功率問題。母線電壓下限大小可根據(jù)具體應(yīng)用現(xiàn)場進行在線設(shè)置。

S4.提取靜止無功發(fā)生器的無功分量、諧波分量、負序分量。

S5.根據(jù)無功優(yōu)先原則，當所述功率因數(shù)PF<0.92時，補償無功功率使所述負載的功率因數(shù)PF大于等于0.92。

S6.當母線電壓小于所述母線電壓下限時，補償無功功率，使得母線電壓不小于所述母線電壓下限。

以負載電流的無功分量作為給定值，靜止無功發(fā)生器的無功分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下進行PID(比例積分微分)閉環(huán)控制，實現(xiàn)對負載的無功補償，且補償目標為功率因數(shù)達到0.92，若此時電網(wǎng)側(cè)電壓低于實際需要，則需要繼續(xù)增加無功輸出量，直到電網(wǎng)側(cè)電壓滿足要求。

S7.當負載側(cè)5、7、11次電流諧波超過國標時，則補償所述負載側(cè)的5、7、11次電流諧波。

以負載電流的諧波分量作為給定值，靜止無功發(fā)生器的諧波分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下采用重復(fù)控制算法，獲取需要補償?shù)妮敵隽看笮?，實現(xiàn)對所述負載的電流諧波補償。

S8.當三相電流不平衡度超過國標時，則補償所述負載的負序電流。

以負載電流的負序分量作為給定值，靜止無功發(fā)生器的負序分量作為反饋值，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下采用PID閉環(huán)控制，獲取需要補償?shù)妮敵隽看笮?，實現(xiàn)對所述負載的負序補償。

本實施例中的補償方法以基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法為基礎(chǔ)，結(jié)合直流側(cè)電壓的直接比例積分PI控制算法和補償電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的PI控制算法，獲取需要調(diào)制的控制量。

當有源裝置容量受限時，采用比例縮小的方式來限制補償輸出量。

本實施例方法執(zhí)行過程中，無功、諧波、負序三者的優(yōu)先級依次排列，只有在功率因數(shù)和母線電壓符合要求的情況下，諧波補償功能才能開啟，否則裝置將不補償負載的諧波和負序電流，同理只有諧波符合國標后負序補償功能才能開啟。

本實施例的三種無功補償、諧波抑制、負序補償可根據(jù)需要單獨使能以適應(yīng)不同現(xiàn)場需要。

本實施例根據(jù)具體工況，靈活在線配置無功功率、諧波和負序電流的補償容量。將母線電壓納入無功補償?shù)目刂颇繕酥?，有效實現(xiàn)無功功率的合理補償，避免過補或欠補。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。