專利名稱：一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電能質(zhì)量治理裝置，尤其是一種應用于供配電系統(tǒng)的新型并 聯(lián)混合型有源和無源電能質(zhì)量治理裝置。
背景技術：
供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量的好壞直接關系到電力系統(tǒng)穩(wěn)定、用電設備安全和是否經(jīng)濟 用電。隨著電力電子裝置和敏感負荷的使用日益增加，電能質(zhì)量問題已經(jīng)成為國際供電界 關注的首要技術問題，其主要體現(xiàn)在電壓的波動、諧波、閃變等，以及電流中的無功、負序、 諧波分量的影響等。通過對電能質(zhì)量的治理不僅可以抑制配電系統(tǒng)的電壓波動和閃變等， 還可以提高設備生產(chǎn)率、降低線損和提高設備利用率，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。為了解決 這一問題，一系列的治理裝置陸續(xù)出現(xiàn)，主要分為串聯(lián)、并聯(lián)或其混合型，其中并聯(lián)型由于 具有投切方便以及各種保護簡單的優(yōu)點，成為了眾多公司研究的重點，包括TSCXThyristor Switched Capcitor，晶閘管投切電容器)、TCR (Thyristor Controlled Reactor，晶閘管控 制電抗器)、APF (Active Power Filter，有源電力濾波器)、SVG Gtatic Var Generator，靜 止無功發(fā)生器)及HAPF (Hybrid Active Power Filter，混合注入式有源電力濾波器)。其 中TSC和TCR是以半控器件晶閘管為開關器件，響應時間一般在1-2個工頻周期，其中TSC 是分級補償，有時兼顧某次諧波的部分補償，適合于負載波動小的場合；而TCR必須與TSC 或者FC(Fixed Capcitor，固定電容補償)配合使用，具備無功連續(xù)可調(diào)，但其自身也是諧波 源，濾波效果差；而 APF 和 SVG 是以全控器件 IGBTansulated Gate Bipolar Transistor, 絕緣柵雙極型晶體管)或者IGCT(Integrated Gate-Commutated ^Thyristor，集成門極換流 晶閘管)為開關器件，響應時間遠快于TSC和TCR，但由于受全控器件的電壓電流水平限制， 高壓大容量需要數(shù)十個器件的并聯(lián)和串聯(lián)，成本及控制復雜度高，可靠性較差，因此目前一 般使用于低壓小容量場合；而HAPF由于與FC變量提高部分等效容量，但實際中不能動態(tài)調(diào) 節(jié)無功功率輸出。在現(xiàn)有技術當中與本專利申請相關的內(nèi)容主要有以下幾篇文獻，文獻一為由西安賽博電氣有限責任公司于2009年6月沈日申請，2009年11 月25日公開，公開號為CN101588069的中國實用新型專利申請公開文件，基于雙向動 態(tài)無功補償裝置的諧波和無功綜合補償系統(tǒng)具體介紹了一種利用了機械投切電容MSC (Mechanically Switched Capacitor，機械投切電容器)和靜止無功發(fā)生器SVG和有源電力 濾波器APF組成的并聯(lián)系統(tǒng)，如圖1所示。這種方法是利用APF治理諧波，利用MSC來降低 SVG的容量，比單獨實用SVG相比，其容量可以降低一半。而且相對于圖2所示的方式，采用 SVG代替了 TCR，這樣減輕了 APF的負擔，因為TCR會帶入諧波，而SVG不會。該系統(tǒng)主要是 利用SVG能在感性和容性運行，而利用MSC提供容性，則可以提供更寬的容性運行空間。這 種方式可以降低SVG的補償容量的一半，但是對于實際所需的大容量時，SVG的容量還是要 很大，成本高。而且圖中這種單個機組很難實現(xiàn)高壓和大容量，只適合于低壓小容量系統(tǒng)。 整個系統(tǒng)有源受器件電壓水平的限制只適合于低壓系統(tǒng)。而且由于MSC不能頻繁投切，在空載情況下，SVG需額定運行，空載損耗大。文獻二為由湖南大學于2007年12月19日申請，2008年5月21日公開，公開號為 CN101183791的中國實用新型專利申請公開文件，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，具體介紹了一種利用TCR和HAPF相結合，而TCR與HAPF中的 FC部分構成SVC (static var compensator，靜止無功補償器)進行諧波補償，而APF配合 FC濾除諧波的補償系統(tǒng)及其控制方法，如圖3所示。該系統(tǒng)和控制方法利用TCR配合HAPF 中的FC進行無功治理，而APF配合FC進行無功補償。其中HAPF是不能動態(tài)補償無功功率 的，所以動態(tài)無功調(diào)節(jié)依賴TCR控制，而TCR的響應時間在60 100ms，這種速度對電壓閃 變的抑制效果差。而且這種HAPF方式構造復雜，不適合于高壓系統(tǒng)。而且這種空載運行時， TCR運載在額定電流，空載損耗高。文獻三為由湖南大學于2007年12月19日申請，2008年12月10日授權公告，公 告號為CN201163721Y的中國實用新型專利，基于靜止無功補償器和混合注入式有源濾波 器的聯(lián)合運行裝置，具體公開了一種利用TCR+TSC型SVC和HAPF相結合，而SVC與HAPF中 的FC部分構成大容量的SVC進行無功補償，而APF配合FC濾除諧波的無功補償裝置，如圖 4所示。該裝置在在專利CN101183791的基礎上加入了一組TSC，這樣使得無功補償?shù)姆秶?增大，同時降低了 TCR的容量，降低部分空載損耗。但是由于還是利用TCR控制無功，對閃 變的抑制效果差。而且由于TCR必須與HAPF中的FC匹配，所以還是存在較大的空載損耗。文獻四為由榮飛，羅安，范卿發(fā)表在2010年第三期《電工技術學報》上的論文《應 用于不平衡系統(tǒng)的STATC0M電壓控制新方法》主要公開了一種補償系統(tǒng)的電壓控制方法，在 靜止無功發(fā)生器STATCOM (Static Synchronous Compensator，靜止同步補償器)在穩(wěn)定接 入點電壓時，常采用雙環(huán)控制法，但該方法存在多個PI調(diào)節(jié)器，難以實現(xiàn)，同時也沒有考慮 電網(wǎng)電壓三相不平衡的問題。本文采用瞬時功率平衡原理，將參考電流信號直接變換為參 考電壓信號，省去了傳統(tǒng)雙環(huán)控制中的電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，同時引入負序電壓前饋環(huán)節(jié)以 維持接入點電壓保持三相平衡，并推導了負序電壓情況下逆變器輸出電壓和輸出電流之間 的代數(shù)關系式?？紤]到瞬時功率平衡原理需要STATCOM的等效電阻和等效電感值，而這兩 個參數(shù)值一般難以精確測量，為此根據(jù)反饋信息不斷修正這兩個參數(shù)的測量值。該方法利 用了瞬時功率平衡直接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙閉環(huán)控制，然后再對反饋信息不斷修正這等效電阻和 等效電感測量值。這樣由于要修正，就有滯后，影響控制的精度，而且魯棒性不好。文獻五為由茅靖峰，孫玉坤，吳愛華，孫運全發(fā)表在2007年10期《系統(tǒng)仿真學 報》上的論文《靜止同步補償器裝置建模、控制與仿真研究》主要介紹了靜止同步補償器 (STATCOM)的結構和原理。利用輸入輸出建模方法和能量方程，建立STATCOM裝置時域數(shù) 學模型和穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型。根據(jù)數(shù)學模型，給出了兩種STATCOM無功電流控制策略。使用 Matlab/Simulink平臺實現(xiàn)了 STATCOM控制系統(tǒng)的建模。仿真結果驗證了數(shù)學模型的正確 性和控制策略的有效性。該方法利用的傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制，這種控制方式對多個PI調(diào)節(jié)時 的復雜度高。因此，為了滿足電能質(zhì)量改善和電氣節(jié)能的迫切需求，研究一種大容量既能對電 壓閃變、功率因數(shù)、三相不平衡等進行補償，又能對諧波進行有效抑制的低成本綜合補償裝 置有著較大的實用意義和市場推廣價值。
實用新型內(nèi)容本實用新型實施方式提供一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，該實用新型實施方式具 有較大的補償容量，既能對電壓閃變、功率因數(shù)、三相不平衡等進行補償，又能對諧波進行 有效抑制的低成本綜合補償。本實用新型提供一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的具體實施方式
，一種混合型電能 質(zhì)量治理裝置，包括有源部分和無源部分，有源部分包括有源電力濾波器APF，靜止無功 發(fā)生器SVG，靜止無功發(fā)生器SVG用于提供暫態(tài)無功功率，有源電力濾波器APF用于濾除諧 波；有源電力濾波器APF和靜止無功發(fā)生器SVG具有不少于兩組，且以并聯(lián)形式通過變壓器 隔離方式與三相電網(wǎng)連接；無源部分包括靜止無功補償器SVC，靜止無功補償器SVC用于提 供穩(wěn)態(tài)無功功率；靜止無功補償器SVC包括晶閘管投切電容器TSC，晶閘管控制電抗器TCR， 固定電容補償FC，晶閘管投切電容器TSC，晶閘管控制電抗器TCR，固定電容補償FC均直接 與三相電網(wǎng)相連；晶閘管投切電容器TSC用于提供大容量容性無功功率，固定電容補償FC 用于提供小容量無功功率，并兼做晶閘管控制電抗器TCR的主要次諧波濾波支路。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括靜止無功補 償器SVC控制模塊，靜止無功補償器SVC控制模塊包括B點分相無功功率計算模塊，比例積
分模塊一，TSC投切控制模塊，各相控制角計算模塊，電圧 和電流iB輸入B點分相無功
功率計算模塊，經(jīng)過比例積分模塊一和TSC投切控制模塊得到TSC投切控制信號，并根據(jù) TCR需發(fā)的無功，進入各相控制角計算模塊，得出TCR的分相控制信號。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括有源電力濾 波器APF控制模塊，有源電力濾波器APF控制模塊包括無功諧波補償判斷模塊，目標諧波檢
測模塊，諧波及直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊，電壓和電流iB輸入無功諧波補償判斷模塊，無功
諧波補償判斷模塊計算出需補償?shù)哪繕酥C波，輸出通過計算得到的目標諧波，并和已經(jīng)發(fā) 出的諧波輸入諧波及直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊進行比例積分控制，確定參考電壓，并與固定的 三角波比較產(chǎn)生脈沖觸發(fā)有源電力濾波器APF中的各重模塊。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括靜止無功發(fā) 生器SVG控制模塊，靜止無功發(fā)生器SVG控制模塊包括自適應模糊控制器、無功電流直接計 算模塊和基于瞬時功率平衡雙閉環(huán)PI控制模塊，基于瞬時功率平衡雙閉環(huán)PI控制模塊根 據(jù)自適應模糊控制器和無功電流直接計算模塊的輸出信號，得到靜止無功發(fā)生器SVG的控 制信號。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括基于自適應 模糊控制和瞬時功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模塊，基于自適應模糊控制和瞬時功率平 衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)和基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模 塊，輸出電流i。反饋至電流內(nèi)環(huán)，a相電壓ea通過鎖相模塊和正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊進入電流 內(nèi)環(huán)，包括一路來自自適應模糊控制器的輸出信號在內(nèi)的來自電壓外環(huán)的兩路輸出信號經(jīng) 過限幅模塊組一，分別與來自電流內(nèi)環(huán)的兩路輸出信號進行差值運算，輸出差值經(jīng)過PI調(diào) 節(jié)模塊組一和限幅模塊組二后，進入基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊，基于瞬時功率平衡 流壓轉(zhuǎn)化模塊經(jīng)過計算將信號輸出至坐標轉(zhuǎn)換模塊二。作為本實用新型進一步的實施方式，自適應模糊控制器包括模糊控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡預測器，模糊控制器的輸入為母線電圧』與目標電壓之差和，，輸出 為目標無功電流的改變量Δ ，神經(jīng)網(wǎng)絡預測器根據(jù)K、K-UK- 2時刻的電壓差 mfh戰(zhàn)-谷漢貨- )和實際的輸出無功電流量如辦1)、預測出K+1時
刻的母線電壓差ΔΓ( + Ι),從而對模糊控制器的規(guī)則系數(shù)進行調(diào)節(jié)。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括基于瞬時無 功電流PI控制的瞬時功率平衡的雙閉環(huán)控制模塊，基于瞬時無功電流PI控制的瞬時功率 平衡的雙閉環(huán)控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)和基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊，輸出 電流i。反饋至電流內(nèi)環(huán)，a相電壓ea通過鎖相模塊和正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊后一路進入電流內(nèi) 環(huán)，另一路與電流ia, ib, i。進入坐標變換模塊一，經(jīng)過低通濾波器組一和PI控制器一后，與 來自電壓外環(huán)的另一路輸出信號經(jīng)過限幅模塊組一，分別與來自電流內(nèi)環(huán)的兩路輸出信號 進行差值運算，輸出差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)模塊組一和限幅模塊組二后，進入基于瞬時功率平衡 流壓轉(zhuǎn)化模塊，基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊經(jīng)過計算輸出信號至坐標轉(zhuǎn)換模塊二。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括PWM模塊，
PWM模塊為正弦脈寬調(diào)制模塊，坐標轉(zhuǎn)換模塊二輸出信號U對,與三角波經(jīng)過PWM模塊比
較后，得到SVG各相模塊的觸發(fā)信號，輸出至電壓源逆變器形成補償電流，補償負載電能質(zhì)量。作為本實用新型進一步的實施方式，正弦脈寬調(diào)制模塊包括窄脈沖消除模塊，窄 脈沖消除模塊的上鎖信號為每相IGBT觸發(fā)信號的翻轉(zhuǎn)信號，即PWM的翻轉(zhuǎn)信號，而解鎖信 號則為載波的波峰跟波谷，當調(diào)制波與載波在交點比較發(fā)生翻轉(zhuǎn)完成后，立即上鎖，在解鎖 之前禁止PWM信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)。作為本實用新型進一步的實施方式，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括開關器件頻 率變換模塊，所述開關器件頻率變換模塊與靜止無功發(fā)生器SVG相連，用于在發(fā)出不同無 功電流和諧波電流之間轉(zhuǎn)換改變靜止無功發(fā)生器SVG中開關器件的頻率，并改變允許靜止 無功發(fā)生器SVG發(fā)出無功電流的峰值，保護器件不過流和過壓。通過應用本實用新型實施方式所描述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，利用SVC 的大容量主要補償穩(wěn)態(tài)時負載所需無功功率，并進行三相不平衡補償，而利用SVG/APF較 小容量的快速性對補償中的動態(tài)無功或者電壓做出快速反應，以抑制電壓波動和閃變，同 時利用其APF部分配合SVC中的FC進行諧波治理，能夠起到協(xié)調(diào)利用小容量有源和大容量 無源實現(xiàn)低成本的大容量電能質(zhì)量補償?shù)淖饔谩?br>
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提 下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為現(xiàn)有技術基于雙向動態(tài)無功補償裝置的諧波和無功綜合補償系統(tǒng)的電氣 原理圖；[0024]圖2為現(xiàn)有技術基于APF與TCR及與MSC組成的混合系統(tǒng)的電氣原理圖；圖3為現(xiàn)有技術靜止無功補償器和有源電力濾波器聯(lián)合運行系統(tǒng)的電氣原理圖；圖4為現(xiàn)有技術基于靜止無功補償器和混合注入式有源濾波器的聯(lián)合運行裝置 的電氣原理圖；圖5為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的拓撲結構電氣原理圖；圖6為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的單相等效模型電路原理圖；圖7為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的控制原理框圖；圖8為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的基于自適應模糊控制和瞬時 功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制原理框圖；圖9為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的電壓自適應模糊控制器結構 原理框圖；圖10為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的基于瞬時無功電流PI控制和 瞬時功率平衡的雙閉環(huán)控制原理框圖；圖11為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置載波上升沿處窄脈沖的波形示 意圖；圖12為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置載波下降沿處窄脈沖的波形示 意圖；圖13為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置解鎖機制的波形示意圖；圖14為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置未采用上鎖機制的波形示意 圖；圖15為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置采用上鎖機制的波形示意圖；其中，I-B點分相無功功率計算模塊，2-比例積分模塊一，3- TSC投切控制模塊， 4-各相控制角計算模塊，5-無功諧波補償判斷模塊，6-目標諧波檢測模塊，7-諧波及直流 電壓PI調(diào)節(jié)模塊，8-自適應模糊控制器，9-無功電流直接計算模塊，10-基于瞬時功率平衡 雙閉環(huán)PI控制模塊，11-限幅模塊組一，12-PI調(diào)節(jié)模塊組一，13-限幅模塊組二，14-PWM模 塊，15-電壓源逆變器，16-坐標變換模塊二，17-模糊控制器，18-神經(jīng)網(wǎng)絡預測器，19-坐標 變換模塊一，20-低通濾波器組一，21-PI控制器一，22-鎖相模塊，23-正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行 清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部 的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提 下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。作為本實用新型一種混合型電能質(zhì)量治理裝置的具體實施方式
，如圖5所示的 拓撲結構電氣原理圖具體公開了混合型電能質(zhì)量治理裝置的電路拓撲結構。考慮到閃 變治理需要補償裝置的系統(tǒng)響應時間在一個工頻周期內(nèi)，結合目前技術的成熟度和性 價比，采用了 一種由變壓器耦合式多重化SVG/APF和直掛式SVC相結合的新型并聯(lián)混合 有源禾口無源電能質(zhì)量補償裝置(parallel mixed active and passive power quality compensator-PMAPPQC),其利用后者的大容量主要補償穩(wěn)態(tài)時負載所需無功功率，并進行三相不平衡補償，而利用前者的較小容量的快速性對補償中的動態(tài)無功或者電壓做出快速 反應，以抑制電壓波動和閃變，同時利用其APF部分配合SVC中的FC進行諧波治理，協(xié)調(diào)利 用小容量有源和大容量無源實現(xiàn)低成本的大容量的電能質(zhì)量補償。下面結合所述方案對控 制及工程應用中的實際問題處理方法進行描述。本實用新型的具體實施方式
是由SVC、變壓器隔離型多重化SVG和APF組成，由于 SVC不受電壓等級限制，而SVG、APF有變壓器隔離，可以適用于各種電壓等級的系統(tǒng)。同時 SVC中包括TCR、TSC和FC，其中TSC提供大容量容性無功功率，而FC提供小容量無功功率 并兼做TCR的主要次諧波濾波支路。這樣使得在空載時，TCR只需要和小容量的FC互相補 償，其運行損耗和空載損耗少，而且利用FC濾除部分諧波，減輕了 APF的諧波濾除功能。整 個SVC利用控制TCR實現(xiàn)負序的治理。而SVG主要是補償SVC補償后的無功的不足，即SVC 提供穩(wěn)態(tài)無功功率，而SVG提供暫態(tài)無功功率，這樣所需的SVG的容量較少。而隨著負荷的 增大，SVG采用的是多重化并聯(lián)的方式，既可以成倍提高容量還可以提高等效開關頻率。同 樣APF也可以通過多重化擴大補償容量。而SVG在無功補償量較少時可以改變開關頻率， 實現(xiàn)部分APF的功能改善諧波。如圖5所示，PMAPPQC主要分為基于全控器件的有源和基于半控或不控的無源兩 個部分。無源部分的加入主要是為了減少有源部分的容量，節(jié)約了成本，兩者通過協(xié)同控制 達到單獨使用大容量有源補償同樣的效果。其中有源部分采用了變壓器隔離多重化技術， 由于開關器件、連接電抗等不同，將其分解為多重化SVG和多重化APF，其中SVG主要補償 無功電流，APF補償諧波電流，而在電壓跌落嚴重時APF也可作為無功發(fā)生器以彌補SVG容 量的不足。兩者都采用多重化技術使得只需根據(jù)實際補償?shù)男枰x擇合適的耦合變壓器變 比和變流器重數(shù)，可達到降低所需功率器件的電壓和電流等級，這就避開了為實現(xiàn)大容量 采取功率器件串并聯(lián)方式帶來的眾多問題；并且采用開關頻率較高的小功率器件，價格便 宜同時使得裝置控制精度高，反應迅速，并通過載波移相提高等效開關頻率；另外，由于各 個逆變模塊并沒有直接的電氣聯(lián)系，在冗余情況下，若有模塊因故障被切除，其他模塊通過 調(diào)控能迅速自動彌補差異，裝置可降額工作。在無源部分中，其中的TCR與TSC、FC組合成 大容量的直掛式SVC進行無功補償，并通過對TCR的三相不對稱控制，對三相不對稱進行補 償。其中加入TSC是為了減少TCR的容量，同時與FC兼做某些次諧波的濾波支路，在實際 應用中可根據(jù)實際需要，分成多組或者選用其中一部分。在控制中，A點為變壓器出線點；B點為有源補償連接后點；C點為無源補償TCR連 接前點，SVC是通過采集圖5中B點的電壓電流信號，對此點無功電流和負序電流為零為控 制目標，這是對負載無功電流的閉環(huán)控制。而有源部分中的APF是根據(jù)采集的C點的諧波 電流，并與SVC中的FC、TSC進行配合分頻抑制諧波，選中C點諧波電流為目標是為了濾除 負載及TCR的諧波，同時抑制FC、TSC支路與電源支路造成的并聯(lián)諧振，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 而有源部分中的SVG是以A點的電壓為控制目標，通過改變對電網(wǎng)注入的無功電流來實現(xiàn) 對暫態(tài)電壓進行控制，抑制閃變。由于負載產(chǎn)生的電流型諧波源可視為一個理想的諧波電流源與一個很大的諧波 阻抗的并聯(lián)電路，而晶閘管控制電抗器TCR通過數(shù)學分析可等效成由一個非線性可變阻抗
和一個諧波電流源兩部分組成，根據(jù)圖6的PMAPPQC單相等效模型所示。其中~為系統(tǒng)電源電壓，4、Zi、 、k、Zfcr分別為電網(wǎng)阻抗、非線性負載的阻抗、FC支路阻抗、TSC支路 阻抗及TCR等效的可變阻抗。hk為負載產(chǎn)生的諧波電流源，U為TCR的諧波電流源，而有 源補償部分被假設為一個理想的受控電流源^，其他電氣量的定義如圖所示，只是利用A 和J分別表示相應量的諧波分量和基波分量。由圖6可知，當只考慮基波電流時，則只需要通過該變TCR的控制角則可改變其 電流以控制B點的無功電流，即可以消除負載電流&中的無功及負序電流；而通過控制
b中的無功電流^f分量即可將SVC補償后的所剩的無功電流，使得母線電流^不含無功電
流。而當只考慮諧波時，只需要t中的諧波電流U分量使其濾除C點中的部分諧波電流，即
不含有在運行的FC和TSC已經(jīng)調(diào)諧的特征次諧波^ ,使得C點處除含有k外無其他諧波，
而^將被和^rf所濾除，使得母線電流^不含諧波電流。其中，U指的就是FC和TSC將
濾除的諧波，即W =、+U ,這樣，APF和FC、TSC就不會濾除相同次的諧波，防止耦合。由于系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)無功功率由SVC補償，而SVG只補償彌補電壓暫態(tài)過程中所需 的無功功率。因此，SVC的容量為測量負載在無補償時的平均無功功率，而SVG的容量根據(jù) 負載波動無功功率的95%概率最大值減去平均無功功率。這是以目標無功補償率為95% 進行計算的，結合SVG的響應時間為5ms，整個系統(tǒng)的閃變改善率將接近80%。為了減少 SVG的容量，也可根據(jù)實際所需的閃變改善率來確定其容量。在圖6中，設B、C點的電壓為 由于PMAPPQC各個部分的功能不一樣，因此其控
制也自然的分為SVC、APF和SVG三部分如圖7所示。其中，靜止無功補償器SVC控制模塊 包括B點分相無功功率計算模塊1，比例積分模塊一 2，TSC投切控制模塊3，各相控制角計
算模塊4，電圧 和電流iB輸入B點分相無功功率計算模塊1，經(jīng)過比例積分模塊一 2和
TSC投切控制模塊3，得到TSC投切控制信號，并根據(jù)TCR需發(fā)的無功，進入各相控制角計算 模塊4，得出TCR的分相控制信號；有源電力濾波器APF控制模塊包括無功諧波補償判斷模
塊5，目標諧波檢測模塊6，諧波及直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊7，電壓和電流iB輸入無功諧波
補償判斷模塊5，無功諧波補償判斷模塊5計算出需補償?shù)哪繕酥C波，輸出通過計算得到的 目標諧波，并和已經(jīng)發(fā)出的諧波輸入諧波及直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊7進行比例積分控制，確 定參考電壓，并與固定的三角波比較產(chǎn)生脈沖觸發(fā)有源電力濾波器APF中的各重模塊；靜 止無功發(fā)生器SVG控制模塊包括自適應模糊控制器8、無功電流直接計算模塊9和基于瞬時 功率平衡雙閉環(huán)PI控制模塊10，基于瞬時功率平衡雙閉環(huán)PI控制模塊10根據(jù)自適應模糊 控制器8和無功電流直接計算模塊9的輸出信號，得到靜止無功發(fā)生器SVG的控制信號。其具體控制過程如下SVC裝置對B點的無功功率進行PI控制，并采用對TCR的
分相控制及對TSC的投切控制。而APF首先根據(jù)！^,電壓有效值偏離目標電壓的程度，若
電壓偏離度大于15%則直接發(fā)出滿額無功功率來支撐電壓，以彌補SVG容量的不足；若電壓 偏離度不大于15%時，則結合目前在運行的FC和TSC的來確定需補償?shù)哪繕酥C波，與FC和 TSC進行分頻來抑制諧波，消除耦合。將計算得到的目標諧波和已經(jīng)發(fā)出的諧波進行PI控制，并按照并聯(lián)的重數(shù)進行分配，同時需對其直流側電壓進行PI控制，確定參考電壓，并與 固定的三角波比較產(chǎn)生脈沖觸發(fā)APF中的各重模塊。對于SVG來說則直接以A點電壓為控 制目標，或以A點電流的無功分量為控制目標，為提高其響應速度和系統(tǒng)穩(wěn)定性，應用了基 于自適應模糊控制及基于瞬時功率平衡的雙閉環(huán)電壓控制策略和基于瞬時無功電流PI控 制的瞬時功率平衡雙閉環(huán)控制策略。為了利用靜止無功發(fā)生器穩(wěn)定接入點電壓，最常見的控制方法是雙閉環(huán)法，這種 控制方法的魯棒性好，其不足之處是必須設計4個PI調(diào)節(jié)器，并且利用PI控制進行有功和 無功電流的解耦控制，實際應用時參數(shù)難確定。文獻四《應用于不平衡系統(tǒng)的STATC0M電壓 控制新方法》從瞬時功率平衡原理出發(fā)，推導了逆變器輸出電流到輸出電壓的變換關系式， 從而省去了雙閉環(huán)中的電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，但該方法需要知道SVG裝置的等效電阻和電感 值，而這兩個參數(shù)一般難以精確測量，需要在線修正。此外，沒有電流內(nèi)環(huán)控制，導致沒有考 慮逆變器死區(qū)等對直流側充電等影響，使得直流側的電壓波動大，同時對無功電流的控制 精度低。本實用新型的具體實施方式
綜合了這兩種方法的優(yōu)勢，利用基于瞬時功率平衡較 容易的實現(xiàn)了有功和無功電流的解耦和電流到電壓的轉(zhuǎn)換，減少了單獨使用雙閉環(huán)設計的 復雜度。同時利用電壓內(nèi)環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)可以彌補等效電阻和等效電感值不精 確的缺陷，如圖3所示。同時考慮由于直流電容是一個相對穩(wěn)定的控制對象，普通的PI控 制器能滿足要求，而電網(wǎng)電壓受電網(wǎng)、負載、補償?shù)榷喾N制約，通常的PI調(diào)節(jié)的控制參數(shù)是 通過試驗，并折衷暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程以達到一種較滿意的效果，這顯然會影響其在大擾動或 小擾動下的控制效果。而自適應模糊控制是智能控制的一種，其在不需要知曉系統(tǒng)信息和 其數(shù)序模型而在較寬的系統(tǒng)運行條件下進行有效控制，增加了系統(tǒng)的魯棒性。因此，本實用 新型具體實施方式
采用了基于自適應模糊控制的電網(wǎng)電壓控制，其與直流側電壓PI控制 組成雙閉環(huán)系統(tǒng)中的電壓外環(huán)控制。如圖7和圖8所示，混合型電能質(zhì)量治理裝置包括基 于自適應模糊控制和瞬時功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模塊，基于自適應模糊控制和瞬 時功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)和基于瞬時功率平衡流壓 轉(zhuǎn)化模塊，輸出電流i。反饋至電流內(nèi)環(huán)，a相電壓ea通過鎖相模塊22和正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊 23進入電流內(nèi)環(huán)，包括一路來自自適應模糊控制器8的輸出信號在內(nèi)的來自電壓外環(huán)的兩 路輸出信號經(jīng)過限幅模塊組一 11，分別與來自電流內(nèi)環(huán)的兩路輸出信號進行差值運算，輸 出差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)模塊組一 12和限幅模塊組二 13后，進入基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模 塊，基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊經(jīng)過計算將信號輸出至坐標轉(zhuǎn)換模塊二 16。具體控制過程如下(1)通過檢測k時刻直流側電壓,經(jīng)過一個截止頻率為130HZ低通濾波后，與 目標電壓K^f比較后經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)并限幅后得到有功電流的過程變量k ；同時檢測k 時刻VSI (Voltage Source Inverter,電壓源逆變器)輸出電流b ,對其進行dq變換后并 各自經(jīng)過一個截止頻率為25HZ的低通濾波后得到基波有功電流^和無功電流,將^和 ^的差進行PI調(diào)節(jié)并限幅后后得到k+1時刻要發(fā)出的有功電流^^ ；(2)通過檢測k時刻電網(wǎng)相電壓仏，與根據(jù)目標電壓及鎖相得到的目標電壓瞬時比較，結合經(jīng)過自適應模糊控制器調(diào)節(jié)并限幅后得到無功電流的過程變量。；同時 檢測k時刻VSI (電壓源逆變器)輸出基波無功電流,將。和&的差進行PI調(diào)節(jié)并限幅 后得到k+Ι時刻要發(fā)出的無功電； ( 3)將目標有功*和無功電流通過連接等效電抗 和等效Rf根據(jù)式(1)
進行電流到電壓的轉(zhuǎn)換，其中Wi為連接電抗值，而&不好測量，取經(jīng)驗值為連接電抗值的 20%。選擇同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與接入點電壓矢量重合，并設電壓矢量的模為U。值得注 意的是》V在實際應用時不一定要為真實值，但需要改變PI的系數(shù)進行修正；
權利要求1.一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，包括 有源部分和無源部分，有源部分包括有源電力濾波器APF，靜止無功發(fā)生器SVG，靜止無功發(fā)生器SVG主要用 于提供暫態(tài)無功功率，有源電力濾波器APF用于濾除諧波；有源電力濾波器APF和靜止無功發(fā)生器SVG具有不少于兩組，且以并聯(lián)形式通過變壓 器隔離方式與三相電網(wǎng)連接；無源部分包括靜止無功補償器SVC，靜止無功補償器SVC用于提供穩(wěn)態(tài)無功功率； 靜止無功補償器SVC包括晶閘管投切電容器TSC，晶閘管控制電抗器TCR，固定電容補 償FC，晶閘管投切電容器TSC，晶閘管控制電抗器TCR，固定電容補償FC均直接與三相電網(wǎng) 相連；晶閘管投切電容器TSC用于提供大容量容性無功功率，固定電容補償FC用于提供小容 量無功功率，并兼做晶閘管控制電抗器TCR的主要次諧波濾波支路。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混合型 電能質(zhì)量治理裝置包括靜止無功補償器SVC控制模塊，靜止無功補償器SVC控制模塊包括 B點分相無功功率計算模塊(1 )，比例積分模塊一(2)，TSC投切控制模塊(3)，各相控制角計算模塊(4)，電壓和電流iB輸入B點分相無功功率計算模塊(1)，經(jīng)過比例積分模塊一(2)和TSC投切控制模塊(3)，得到TSC投切控制信號，并根據(jù)TCR需發(fā)的無功，進入各相控 制角計算模塊(4)，得出TCR的分相控制信號。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混合型 電能質(zhì)量治理裝置包括有源電力濾波器APF控制模塊，有源電力濾波器APF控制模塊包括 無功諧波補償判斷模塊(5 )，目標諧波檢測模塊(6 )，諧波及直流電壓PI調(diào)節(jié)模塊(7 )，電壓wP和電流iB輸入無功諧波補償判斷模塊(5)，無功諧波補償判斷模塊(5)計算出需補償?shù)哪繕酥C波，輸出通過計算得到的目標諧波，并和已經(jīng)發(fā)出的諧波輸入諧波及直流電壓PI調(diào) 節(jié)模塊(7)進行比例積分控制，確定參考電壓，并與固定的三角波比較產(chǎn)生脈沖觸發(fā)有源電 力濾波器APF中的各重模塊。
4.根據(jù)權利要求1、2、3中任一權利要求所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征 在于，所述的混合型電能質(zhì)量治理裝置包括靜止無功發(fā)生器SVG控制模塊，靜止無功發(fā)生 器SVG控制模塊包括自適應模糊控制器(8 )、無功電流直接計算模塊(9 )和基于瞬時功率平 衡雙閉環(huán)PI控制模塊(10)，基于瞬時功率平衡雙閉環(huán)PI控制模塊(10)根據(jù)自適應模糊控 制器(8)和無功電流直接計算模塊(9)的輸出信號，得到靜止無功發(fā)生器SVG的控制信號。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混合型 電能質(zhì)量治理裝置包括基于自適應模糊控制和瞬時功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模 塊，基于自適應模糊控制和瞬時功率平衡的SVG雙閉環(huán)電壓控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)、電壓 外環(huán)和基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊，輸出電流i。反饋至電流內(nèi)環(huán)，a相電壓ea通過鎖 相模塊(22)和正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊(23)進入電流內(nèi)環(huán)，包括一路來自自適應模糊控制器(8) 的輸出信號在內(nèi)的來自電壓外環(huán)的兩路輸出信號經(jīng)過限幅模塊組一(11 )，分別與來自電流 內(nèi)環(huán)的兩路輸出信號進行差值運算，輸出差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)模塊組一(12)和限幅模塊組二 (13)后，進入基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊，基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊經(jīng)過計算將信號輸出至坐標轉(zhuǎn)換模塊二(16)。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的自適應 模糊控制器(8)包括模糊控制器(17)和神經(jīng)網(wǎng)絡預測器(18)。
7.根據(jù)權利要求4所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混合型 電能質(zhì)量治理裝置包括基于瞬時無功電流PI控制的瞬時功率平衡的雙閉環(huán)控制模塊， 基于瞬時無功電流PI控制的瞬時功率平衡的雙閉環(huán)控制模塊包括電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)和 基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊，輸出電流i。反饋至電流內(nèi)環(huán)，a相電壓ea通過鎖相模塊 (22)和正弦余弦轉(zhuǎn)換模塊(23)后一路進入電流內(nèi)環(huán)，另一路與電流ia, ib, i。進入坐標變換 模塊一(19)，經(jīng)過低通濾波器組一(20)和PI控制器一(21)后，與來自電壓外環(huán)的另一路 輸出信號經(jīng)過限幅模塊組一(11)，分別與來自電流內(nèi)環(huán)的兩路輸出信號進行差值運算，輸 出差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)模塊組一(12)和限幅模塊組二(13)后，進入基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn) 化模塊，基于瞬時功率平衡流壓轉(zhuǎn)化模塊經(jīng)過計算輸出信號至坐標轉(zhuǎn)換模塊二(16)。
8.根據(jù)權利要求5或7所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混合 型電能質(zhì)量治理裝置包括PWM模塊(14)，所述的PWM模塊(14)為正弦脈寬調(diào)制模塊，坐標轉(zhuǎn)換模塊二(16)輸出信號,與三角波經(jīng)過PWM模塊(14)比較后，得到SVG各相模塊的觸發(fā)信號，輸出至電壓源逆變器(15)形成補償電流，補償負載電能質(zhì)量。
9.根據(jù)權利要求5或7所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的正弦 脈寬調(diào)制模塊包括窄脈沖消除模塊，所述窄脈沖消除模塊的上鎖信號為每相IGBT觸發(fā)信 號的翻轉(zhuǎn)信號，即PWM模塊(14)的翻轉(zhuǎn)信號，而解鎖信號則為載波的波峰跟波谷，當調(diào)制波 與載波在交點比較發(fā)生翻轉(zhuǎn)完成后，立即上鎖，在解鎖之前禁止PWM信號發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權利要求5或7所述的一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，其特征在于，所述的混 合型電能質(zhì)量治理裝置包括開關器件頻率變換模塊，所述開關器件頻率變換模塊與靜止 無功發(fā)生器SVG相連，用于在發(fā)出不同無功電流和諧波電流之間轉(zhuǎn)換改變靜止無功發(fā)生器 SVG中開關器件的頻率，并改變允許靜止無功發(fā)生器SVG發(fā)出無功電流的峰值，保護器件不 過流和過壓。
專利摘要本實用新型公開了一種混合型電能質(zhì)量治理裝置，包括有源和無源部分，有源部分包括有源電力濾波器APF，靜止無功發(fā)生器SVG，SVG用于提供暫態(tài)無功功率，APF用于濾除諧波；APF和SVG具有不少于兩組，且以并聯(lián)形式通過變壓器隔離方式與三相電網(wǎng)連接；無源部分包括靜止無功補償器SVC，SVC用于提供穩(wěn)態(tài)無功功率；SVC包括晶閘管投切電容器TSC，晶閘管控制電抗器TCR，固定電容補償FC，TSC，TCR，F(xiàn)C均直接與三相電網(wǎng)相連；TSC用于提供大容量容性無功功率，F(xiàn)C用于提供小容量無功功率，并兼做TCR的主要次諧波濾波支路，用于對電能系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)綜合補償和諧波治理。
文檔編號H02J3/01GK201846085SQ20102052155
公開日2011年5月25日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權日2010年9月8日
發(fā)明者劉華東, 呂順凱, 周方圓, 周靖, 張定華, 易海泉, 楊磊, 段世彥, 王衛(wèi)安, 王才孝, 胡曉東, 譚勝武, 鄧建華, 黃燕艷, 龍禮蘭 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司