一種電流無差拍控制的靜止無功發生器的製作方法
2023-12-01 10:49:32
本發明涉及一種無功發生器，具體是一種電流無差拍控制的靜止無功發生器。
背景技術：
近年來，隨著我國經濟的快速發展，電力系統的安全穩定和高效運行已經成為各行各業發展的最根本保障。特別是伴隨電信產業的發展，一些精密儀器和設備對電能質量的要求也越來越高。隨著電力系統的發展，各種新型衝擊性負荷使電網上電壓波動頻繁，電壓質量變差，影響了某些設備的正常工作。同時，近年來電力系統中非線性用電設備，特別是電力電子裝置的迅速增多和應用日益廣泛，一方面使得電能得到更加充分地利用，另一方面又使大量的無功電流注入電網，公用電網中存在的無功功率，將導致設備及線路損耗增加，引起電壓閃變、頻率變化和三相不平衡，致使電網的電能質量嚴重惡化，影響輸電效率和設備壽命，同時也會影響供電企業的經濟效益，嚴重時甚至危及到電力系統的安全運行。
無功功率在電網中的傳輸不但會產生很大的有功損耗，而且沿傳輸途徑還會產生很大的電壓降落，並使電網的視在功率增大，對電力系統的安全性與穩定性產生不利影響。電網無功功率不平衡將導致系統電壓的巨大波動，嚴重時會導致用電設備的損壞，出現系統電壓崩潰和穩定破壞事故。通常，大多數網絡元件和負載都是需要消耗無功功率的，這些無功功率如果都要由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，也是不可能的。合理的方法是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率來補償損耗，這就是我們所說的無功補償。其作用有以下幾點：
(1)提高供用電系統和負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗；
(2)穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離的輸電線路中設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力；
(3)減少線路損失，提高電網的有功傳輸能力；
(4)降低電網的功率損耗，提高變壓器的輸出功率及運行經濟效益；
(5)在三相負載不平衡的場合，通過適當的無功補償來平衡三相的有功及無功負載；
(6)防止電壓崩潰和穩定破壞事故，提高運行安全性，確保系統電壓的穩定。
隨著科學技術與現代化建設的發展，現代社會從工業生產到日常生活都越來越離不開電力供應，對供電質量也提出了更高的要求，作為供電質量的衡量指標，無功消耗的多少、電流的諧波總量是電力系統供電質量的重要指標。系統中無功負荷，特別是衝擊性無功負荷的存在，不僅增加了各種損耗，而且嚴重影響了用戶端的電能質量。因此，研究容量更大、響應速度更快的無功補償裝置，以有效提高電力系統穩定性和改善電能質量成為電力系統領域的一個重點研究方向。
(二)無功補償裝置的研究現狀及分析
1、無功補償裝置的研究現狀
目前，世界上很多國家的電網上已經投入多臺svg在運行。據不完全統計，自svg問世至2004年底，全世界已投入工業運行的大容量(10mvar及以上)svg工程超過20個，總的可控容量超過3000mvar。其中，1980年日本研製出了20mva採用強迫換相晶閘管橋式電路的svg，並成功的投入了電網運行；1986年美國的epri與西屋公司等研製的±1mvarsvg在紐約州的springvalley投入示範運行；1991年日本的三菱公司與關西電力公司共同研製的採用gto的±80mvarsvg在inuyama開關站投入154kv系統運行；1992年東京電力分別與東芝公司和日立公司開發的兩臺±50mvarsvg在新信濃電站投入使用；1995年美國的電力科學院epri、田納西流域管理局tva與西屋公司投運了一臺±100mvarsvg；1997年由德國西門子公司開發研製的±80mvarsvg在丹麥的reisbyhede風場投入運行；目前為止世界上最大容量的svg是美國aep統一潮流控制器項目中的並聯部分——±160mvarsvg，已於1997年開始運行；由abb公司研製的配電svg(distributionsvg——d-svg)，開關器件採用多個igbt串聯，觸發脈衝採用脈寬調製(pulsewidthmodulation——pwm)技術，分別於2002年在芬蘭tornio地區avestapolarit不鏽鋼廠、2003在年法國evron變電站、2004年在美國holly變電站投入使用，有效地提高了動態電壓穩定性，改善了電能質量。
我國首臺±20mvar的svg是由清華大學與河南省電力局在1994-1999年共同研製，已於1999年3月在河南省洛陽市朝陽變電站投入運行。改善了河南北、中、和西部向東南部送電的暫態穩定性和動態阻尼特性，標誌著我國facts技術發展進入了一個新的階段。2001年2月國家電力公司電力自動化研究院也將±500kvarsvg投入了運行。2006年,由上海電力公司、清華大學、許繼集團公司等單位共同研製的±50mvarsvg在上海黃渡分區西郊變電站併網試運行。2007年，湖南大學就基於svg和svc的電能質量調節器協調控制方法申請了國家專利。清華大學facts研究所在河南±20mvarsvg研製經驗基礎之上繼續研製上海西郊變±50mvarsvg的關鍵技術。裝置的研製在建模、主電路及參數計算方法、分布式連結控制與保護，系統控制策略等方面取得重大突破，核心技術達到了國際領先水平。2006年在上海黃渡分區西郊變電站併網試運行；在2007年由湖南大學的羅安等人就基於svg與svc的電能質量調節器協調控制方法、由郭育華等人就svg的控制方法申請了國家專利。中新廣東網2012年5月5日電：全球首次「±200mvar鏈式靜止補償器」人工接地短路試驗最近在東莞完成，這是國內迄今為止性能最優越的靜止無功補償設備進行的首次人工接地短路試驗。
直到近年來，尤其是高壓大功率的門極可關斷晶閘管gto的出現，大大的推動了svg的開發和應用。svg是並聯型facts設備，它基於可控電抗器和投切電容器靜止無功補償器svc相比，性能上具有極大地優越性，並得到了廣泛的重視，勢必將取代svc稱為新一代的電壓無功補償設備。大容量高電壓的靜止同步補償器仍是今後研究的重點，另外新的功率模塊如ipm的研究開發將會為svg技術帶來新的生機。svg是柔性交流輸電系統的核心，有效的無功補償對電力系統乃至國民經濟有著重要的意義。
2、控制策略的研究現狀
當前的實際工程應用中，svg的控制基本上都是採用電壓電流雙閉環控制。電壓為外環，電流為內環。電壓外環的主要任務是穩定直流側儲能電容的電壓，使其穩定在設定的工作電壓。內環的任務則是跟蹤負載的無功電流指令，使變流器輸出相應的無功電流，補償負載所需。
電壓環的有功電流指令信號一般由電壓的設定值和實際值作差經pi調節器得到。電流環的無功指令信號一般由負載三相電流經三相旋轉變換得到。根據對無功電流跟蹤的控制方式可以將控制方式分為電流間接控制和直接控制。工程上所採用的間接控制方式早期為控制變流器交流側電壓的相位和幅值，當前主要採用前饋結構控制，補償效果尚可，但是pi調節器的存在，延緩了系統的響應速度，造成了svg不能及時迅速的跟蹤負載無功的動態變化。為了提高svg的動態響應速度，學者們提出了很多改進的方法。這些控制方法一定程度解決pi控制器難以設計的問題，但同時帶來了自身的問題，穩定性和通用性較差。
而基於三角波調製的電流直接跟蹤以及無差拍則具有很好的性能，尤其無差拍控制跟蹤的電流毛刺少，對無功電流指令的響應速度非常快，而且電壓外環也非常快，以至於需要限制有功電流信號生成的pi調節器輸出來限制穩壓的快慢。
隨著處理器處理速度能力快速提升，控制方法的改進以及級聯技術的完善，svg的性能將會越來越優越，越來越穩定，將會在電力系統的各個電壓等級的穩定性控制、無功補償起到不可替代的作用，為工農業生產等國民經濟活動保駕護航。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種電流無差拍控制的靜止無功發生器，以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種電流無差拍控制的靜止無功發生器，包括：
(1)三相橋式逆變主電路，接受來自控制器的驅動脈衝svpwm的控制信號來驅動三相開關管，並且發出無功電流補償到電力系統網絡中；
(2)檢測和調理電路，將電網和逆變器一端需要採集的強電信號轉化為弱電信號，並且根據控制器輸入接口的要求使用調理信號電路將所述弱電信號轉化為能接受範圍的電信號；
(3)控制器，將接受來的信號經過運算轉化成svpwm驅動信號，使三相橋式逆變主電路合理工作，控制器控制電壓型主電路生成合適的電流分量，達到補償的目的。
作為本發明再進一步的方案：將三相橋式逆變主電路通過電抗器或者直接並聯在電網上，調節三相橋式逆變主電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，實現動態無功補償。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明將三相橋式逆變主電路通過電抗器或者直接並聯在電網上，調節三相橋式逆變主電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，實現動態無功補償，穩定性高。
附圖說明
圖1為電流無差拍控制的靜止無功發生器的結構示意圖。
圖2為電流無差拍控制的靜止無功發生器中單相等效電路
圖3為電流無差拍控制的靜止無功發生器中無差拍控制的原理框圖。
圖4為電流無差拍控制的靜止無功發生器中p-q運算方式原理圖。
圖5為電流無差拍控制的靜止無功發生器中ip-iq運算方式原理圖。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明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發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
請參閱圖1～5，本發明實施例中，一種電流無差拍控制的靜止無功發生器，包括：
(1)三相橋式逆變主電路，接受來自控制器的驅動脈衝svpwm的控制信號來驅動三相開關管，並且發出無功電流補償到電力系統網絡中；
(2)檢測和調理電路，將電網和逆變器一端需要採集的強電信號轉化為弱電信號，並且根據控制器輸入接口的要求使用調理信號電路將所述弱電信號轉化為能接受範圍的電信號；
(3)控制器，將接受來的信號經過運算轉化成svpwm驅動信號，使三相橋式逆變主電路合理工作，控制器控制電壓型主電路生成合適的電流分量，達到補償的目的。
將三相橋式逆變主電路通過電抗器或者直接並聯在電網上，調節三相橋式逆變主電路交流側輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側電流，實現動態無功補償。
無功發生器的實際等效電路如圖2所示。設電網電壓和無功發生器輸出的交流電壓分別用向量和表示，連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗(如管壓降、線路電阻等)等效為連接電阻r考慮，x表示連接電抗，則連接電抗x和r上的電壓即為和的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個電流就是無功發生器從電網吸收的電流因此，改變無功發生器交流側輸出電壓的幅值及其相對於的相位，就可以改變連接電抗上的電壓，從而控制無功發生器從電網吸收電流的相位和幅值，也就控制了無功發生器吸收無功功率的性質和大小。
在圖2的等效電路中，將所連接的電抗器視為純電感(r＝0)，沒有考慮其損耗。因此不必從電網吸收有功能量。在這種情況下，只需使和相位同相，僅改變的幅值大小即可以控制無功發生器從電網吸收的電流的相位和大小，從而也就控制了從電網吸收的無功功率的大小。當大於時，電流超前電壓90°，無功發生器吸收容性的無功功率；當小於時，電流滯後電壓90°，無功發生器吸收感性的無功功率。
考慮到連接電抗器的損耗和變流器本身的損耗(如管壓降、線路電阻等)，並將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮。在這種情況下，變流器電壓與電流相差90°，因為變流器無需有功能量。而電網電壓與電流的相差則不再是90°，而是比90°小了δ角，因此電網提供了有功功率來補充電路中的損耗，也就是說相對於電網電壓來講，電流中有一定量的有功分量。這個δ角也就是變流器電壓與電網電壓的相位差。改變這個相位差，並且改變的幅值，則產生的電流的相位和大小也就隨之改變，無功發生器從電網吸收的無功功率也就因此得到調節。當電流超前電壓，無功發生器吸收容性的無功功率；當電流滯後電壓，無功發生器吸收感性的無功功率。
控制方法
(1)無差拍的原理
無差拍控制是數字控制系統的控制方式，其理想控制效果是系統在任何採樣時刻輸出信號的幅值和相位都與該時刻的參考信號完全一致。圖3是無差拍控制基本原理框圖，其中，u(k)、y(k)、x(k)和r(k)分別表示第k個採樣周期內系統的控制量、輸出量、狀態變量及指令信號，a、b、c為系統狀態矩陣。根據自動控制原理，對於數字控制系統，可以利用k時刻的控制量u(k)與狀態變量x(k)的線性組合，表示系統在k+1時刻的輸出。因而該系統可用狀態方程來描述，
(1)
則第k+1個採樣周期的輸出量y(k+1)可表示為(2)
令y(k+1)與k+1拍指令信號r(k+1)相等，得(3)
由公式(1)—(3)推導可得可見以式(3)位控制目標選擇作用於被控對象的控制量，可使每一拍系統輸出與指令信號保持一致，達到無差跟蹤的效果。由於控制和響應之間的無差拍可知其具有良好的動態性能。
圖3中的超前環節z即為參考信號預測環節，該環節對參考信號的準確預測是保證無差拍控制效果的關鍵。目前普遍採用的預測方式有平推預測。周期預測及外推插值法預測等。
電流預測方法
1、平推預測
該方法實際上並不對下一拍指令進行預測，而是以k時刻的實測指令信號作為k+1時刻的指令值，此時相當於圖5中無超前環節z，最終結果為延時一拍控制，即當前輸出為上一拍指令值，如式所示。平推預測易於實現，適用於高採樣頻率或對控制精度要求不高的系統，由於實際上沒有進行任何預測，因而在無功發生器電流控制環節，難以實現較理想的控制效果。
2、周期預測
若非線性系統穩態時的指令信號是周期性重複的，周期預測的基本原理就是利用這種重複性，採用一個周期前的歷史數據預測當前周期各採樣點的參考信號。以無功發生器補償電流參考值的預測為例，設k時刻的參考電流為i*(k)，每個基波周期進行n次採樣，穩態時預測電流參考值可由上一周期對應的參考電流得到周期預測的方法在系統處於穩態時可實現較好的預測效果，但延遲環節的存在使控制器難以獲得良好的動態性能。在無功發生器系統中，無功電流往往波動頻繁，若採用周期預測，需要利用自適應整定等方法修正周期性無差，參數設計複雜。
3、拉格朗日插值法
拉格朗日插值法是十八世紀法國數學家拉格朗日在數值分析中提出的一種多項式插值方法。拉格朗日插值法的基本思路是構造線性多項式函數，使函數曲線通多一系列一直的離散點，並由此預測其他未知點的位置。
假設多項式函數的k+1個離散點已知，坐標為(x0，y0)，···(xk，yk)，xi為自變量，yi為xi對應的函數值。若已知點中無重合節點，可以構造k次多項式pk(x)，使pk(xi)＝yi(i＝0,1,2，···k)。拉格朗日插值公式如式(4)所示
(4)
式中n為預算階數，li(x)稱為拉格朗日插值基函數，如式(5)所示。
(5)
拉格朗日插值公式是應用較廣泛的一種預測方式，它是一種現行預測方法，計算簡單，動態響應快，易於編程實現，且容易通過改變插值階數，提高預測精度。
三相電路瞬時無功功率理論首先於1983年由赤木泰文提出,此後該理論經不斷研究而逐漸完善，在許多方面得到了成功的應用。該理論突破了傳統的以平均值為基礎的功率定義，系統地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎，可以得出用於靜止無功發生器的無功電流實時檢測方法。它將三相電路各相電壓和電流瞬時值ea,eb,ec和ia,ib,ic變換到α-β兩相正交的坐標系上研究，分為p-q運算方式和ip-iq運算方式。
1)p-q運算方式
該檢測方法的框圖如圖4所示。圖中上標-1表示矩陣的逆。
該方法根據定義算出p和q，經低通濾波器(lpf)得p、q的直流分量電網電壓波形無畸變時，為基波有功電流與電壓作用所產生，為基波無功電流與電壓作用所產生。
將iaf、ibf、icf與ia,ib,ic相減，即得到ia,ib,ic的諧波分量iah、ibh、ich；當同時補償諧波和無功時，就需要同時檢測出補償對象中的諧波和無功電流。在這種情況下，只需斷開計算p的通道即可。這時由即可計算出被檢測電流ia,ib,ic的基波有功分量iapf、ibpf、icpf；將ia,ib,ic與iapf、ibpf、icpf相減，即可得到ia,ib,ic的諧波分量和基波無功分量之和。在檢測時，由於採用了低通濾波器(lpf)求取故當被檢測電流發生變化時，需經一定延遲時間才準確測出
2)ip-iq運算方式
該檢測方法的框圖如圖5所示。
該方法中，需要用到與a相電網電壓ua基波分量同相位的正弦信號sinωt和對應的餘弦信號-cosωt，它們由一個鎖相壞(pll)和一個正餘弦信號發生電路得到。由此計算出ip-iq，經lpf濾波得出ip、iq的直流分量於是，由即可計算出被檢測電流ia,ib,ic的基波分量iaf、ibf、icf。
理論分析表明，對於三相三線制電路，當電網電壓發生畸變，不論三相電壓、電流是否對稱，p-q運算方式的檢測結果都有誤差。而對ip-iq運算方式，即使電網電壓發生畸變，按這種方式進行檢測時，由於只取sinωt和-cosωt參與計算，畸變電壓的諧波成分在運算過程中不出現，檢測結果也不受電壓波形畸變的影響。
通過瞬時無功功率理論的無功電流檢測法實時檢測無功電流，提高了系統響應速度。針對直接電流控制開關頻率過高的不足，引入了電壓空間矢量技術，分析了電壓空間矢量在靜止無功發生器中的應用原理，為了消除採樣及計算等帶來的延時，引入了無差拍控制技術，選擇適當的預測電流方法，可以消除採樣和計算帶來的延時，達到真正的無差拍控制。
1、用電流無差拍控制方法比傳統的pi控制響應速度快，而且易於實現，不像pi控制參數不容確定；
2、直流側電壓利用率提高，達到穩定的時間短；
3、無功電流跟蹤精度高。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。