本發(fā)明涉及電網電能質量管理技術領域，具體涉及一種靜止無功發(fā)生器及其多目標容量協(xié)調控制方法。

背景技術：

電能是社會經濟發(fā)展的重要物質保證，由于大量非線性和沖擊性負荷接入電網，所產生的電能質量問題嚴重威脅著整個電網和各供用電設備的安全穩(wěn)定運行。目前我國最新的五項電能質量國家標準包括：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、公用電網間諧波。這些標準的發(fā)布對諧波抑制和無功補償設備的設計提供了可靠的依據和參考。

伴隨著電力用戶對電能質量的要求越來越高，對于電能質量治理設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用的主流，但無源補償只能考慮除特定次數的諧波，易與電網發(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。在現代電網中，電壓波動、無功不足、諧波超限、三相不平衡的電能質量問題會同時存在，需要不同類型的治理和控制手段加以解決。有源補償設備因為其優(yōu)越的補償性能得到越來越多的應用。

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)，大多數情況下分別用來補償電網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性也有限。根據有源補償的控制方式，電網側功率因數可達0.98以上，這在一定程度上會抬高電網側電壓幅值，對電氣設備產生不利影響。此外，用電負荷的不確定性，導致已安裝的補償設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。

技術實現要素：

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)調控制方法，用以解決現電網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紋波電流，所述電抗器的原邊與電網相連接，副邊與所述三相電壓型PWM變流器相連；

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

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

所述控制器采集所述三相電壓型PWM變流器的直流電壓值，以及電網側三相電壓、三相電流值，分析處理后發(fā)送驅動指令給所述驅動電路，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成，利用電壓空間矢量調制技術驅動所述絕緣柵雙極晶體管產生補償電流波形。

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)調控制方法，具體地，所述協(xié)調控制方法包括如下步驟：

步驟1.采集電網電壓信號、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.根據無功優(yōu)先原則，當所述功率因數PF<0.92時，補償無功功率使所述負載的功率因數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，在同步旋轉坐標系下進行PID(比例積分微分)閉環(huán)控制，實現對負載的無功補償，且補償目標為功率因數達到0.92，若此時電網側電壓低于實際需要，則需要繼續(xù)增加無功輸出量，直到電網側電壓滿足要求。

進一步地，所述步驟7中補償所述負載側的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，在同步旋轉坐標系下采用重復控制算法，獲取需要補償的輸出量大小，實現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，在同步旋轉坐標系下采用PID閉環(huán)控制，獲取需要補償的輸出量大小，實現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)生器一臺設備既能補償無功、調節(jié)三相不平衡、諧波抑制，還能調節(jié)母線電壓；實現無功功率、諧波、三相不平衡的多目標補償，實現了一機多用，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)調控制方法計算量小，所占存儲空間小，易于實現；可根據具體工況，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的控制目標中，有效實現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)生器結構示意圖。

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紋波電流，電抗器1的原邊與電網相連接，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，交流側與三相電抗器1連接，直流側連接儲能電容。三相電壓型PWM整流器2由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)構成，利用電壓空間矢量調制(SVPWM)技術驅動IGBT產生補償電流波形，儲能電容儲存經IGBT功率轉化模塊產生的直流能量。

驅動電路3接受控制器4發(fā)出的控制信號，驅動三相電壓型PWM變流器2的半導體功率器件，其還兼顧對半導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，以及三相電網側三相電壓、三相電流值，發(fā)送驅動指令給驅動電路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，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備的混合式補償結構，如TSC+SVG，FC+SVG等。

本實施例一臺設備既能補償無功、調節(jié)三相不平衡、諧波抑制，還能調節(jié)母線電壓；實現無功功率、諧波、三相不平衡的多目標補償，實現了一機多用，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

現代電網中，電動機等感性負載的大量應用，使得電網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。根據大多數應用現場的諧波情況，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，使得電網電流增大，電壓降增大，網側電壓降低，通過補償負載產生的無功功率，可提高網側電壓，但是網側電壓也不可太高。為避免網側電壓過高，可適當降低無功功率輸出量，這樣功率因數可不必補償到1。一般情況下，為避免無功罰款，功率因數達到0.9就滿足要求了，但是考慮到變壓器的損耗等，本實施例功率因數設置補償到0.92。

一種基于靜止無功發(fā)生器的多目標容量協(xié)調控制方法，對電網的無功功率，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，采用功率因數和母線電壓的聯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具體應用現場進行在線設置。

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.根據無功優(yōu)先原則，當所述功率因數PF<0.92時，補償無功功率使所述負載的功率因數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，在同步旋轉坐標系下進行PID(比例積分微分)閉環(huán)控制，實現對負載的無功補償，且補償目標為功率因數達到0.92，若此時電網側電壓低于實際需要，則需要繼續(xù)增加無功輸出量，直到電網側電壓滿足要求。

S7.當負載側5、7、11次電流諧波超過國標時，則補償所述負載側的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，在同步旋轉坐標系下采用重復控制算法，獲取需要補償的輸出量大小，實現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，在同步旋轉坐標系下采用PID閉環(huán)控制，獲取需要補償的輸出量大小，實現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，結合直流側電壓的直接比例積分PI控制算法和補償電流在同步旋轉坐標系下的PI控制算法，獲取需要調制的控制量。

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、負序補償可根據需要單獨使能以適應不同現場需要。

本實施例根據具體工況，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的控制目標中，有效實現無功功率的合理補償，避免過補或欠補。

雖然，上文中已經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)明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術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。