一種電能質量一體化治理方法
2023-05-11 14:51:56 2
專利名稱：一種電能質量一體化治理方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於電力系統領域的電能治理方法，尤其是一種應用於高壓配電網的直掛式電能質量一體化治理方法。
背景技術：
供配電系統電能質量的好壞直接關係到電力系統穩定、用電設備安全和是否經濟用電。隨著電力電子裝置和敏感負荷的使用日益增加，電能質量問題已經成為國際供電界關注的首要技術問題，其主要體現在電壓的波動、諧波、閃變等，以及電流中的無功、負序、諧波分量的影響等。現代電能質量問題因電力電子技術的應用而產生，而治理這些電能質量問題也可以通過基於電力電子的補償技術來解決。採用電力電子裝置就近吞吐無功和諧 波電流、改變電網中的功率潮流，從而實現對無功、諧波、負序等電能質量的全面治理。目前靜止無功補償器(Static Var Compensator, SVC)已經相對成熟，已經在高壓大容量上取得了的應用，並且價格低廉。但由於其是以半控晶閘管為控制對象的無源補償裝置，只適合較慢負載的無功補償，而且其出力受外界電壓的約束。另外其只能靠與其匹配的FC來濾除固定次諧波，對諧波抑制效果相當有限。靜止無功發生器(Static VarGenerator, SVG)是近年發展起來的新型補償裝置,其是以全控型IGBT (Insulated GateBipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)器件等為控制對象的有源補償裝置，同時具備無功、諧波等補償功能。特別是基於H橋結構的SVG具備高壓直接補償的條件，但是受器件電壓電流水平的限制，目前難以在高壓場合實現大容量的無功和諧波的快速同時補償，因此主要還是集中在小容量場合的無功補償方面的應用。在現有技術中主要有以下文獻於本發明有關現有技術I為湖南大學於2007年12月19日申請，2008年05月21日公開，公開號為CN101183791A的中國發明專利申請《一種靜止無功補償器和有源電力濾波器聯合運行系統及其控制方法》。如附圖
I所示,該專利利用TCR(Thyristor Controlled Reactor,晶閘管控制電抗器)和HAPF (Hybrid Active PowerFilter,有源電力濾波器)相結合,而TCR與HAPF中的FC (Fixed Capacitor，固定電容器)部分構成SVC進行諧波補償，而APF(Active Power Filter,有源電力濾波器)配合FC濾除諧波,如附圖I所示。由於TCR能夠實現高壓直接補償，為了實現高壓諧波補償，採用了諧振式LC與PPF串聯，使得APF的隔離變壓器既不承受基波電壓，也不承受基波電流，從而減少APF的容量和承受電壓。但是，其中的HAPF是不能動態補償無功功率的，所以動態無功調節依賴TCR控制，而TCR的響應時間在60-100ms,其響應速度遠比基於全控器件的SVG要慢,不適合快速變化負載的無功補償和閃變治理。同時該種方式的諧波補償是要通過變壓器耦合，並通過PPF支路傳送，因此不是高壓諧波直接補償，補償的延時、精度較差。因此該種方式實際上是一種低壓有源補償與高壓無源補償的組合，與本文將提到的基於H橋級聯SVG的高壓無功和諧波一體化補償在拓撲和效果上有明顯差別。現有技術2為湖南大學於2007年12月19日申請，並於2008年05月21日公開，公開號為CN101183791A的中國發明專利申請《適用於高壓系統的諧波和無功動態治理控制器及控制方法》。如附圖2所示，該發明利用可以高壓直接補償的TCR型SVC來動態補償高壓系統的無功功率，而利用諧振注入式混合有源濾波器來提供固定容性無功，並發出諧波。該種方式和現有技術I的原理一樣，只是增加了 MSC(Mechanically Switched Capacitor,機械投切電容器))支路來提供固定的容性無功。該種方式為治理高壓系統的諧波和無功，其無功的補償速度決定於TCR的補償速度,大約在6(Tl00ms,其響應速度遠比基於全控器件的SVG要慢，不適合快速變化負載的無功補償和閃變治理。而諧波補償還是利用變壓器隔離和LC諧振支路進行注入，同時逆變器的直流還需要外部供能，系統複雜，需要實現不同電位隔離，難適合高壓系統。因此該種方式的無功補償還是基於晶閘管的補償方式，而不是基於IGBT的快速補償，同時諧波還是低壓側補償通過變壓器和注入式支路反饋到高壓偵U。因此該種方式實際上是一種低壓有源補償與高壓無源補償的組合。
現有技術3為湖南大學於2007年12月19日申請，並於2008年05月21日公開，公開號為CN101183791A的中國發明專利申請《35kV大容量無功補償和諧波抑制綜合系統及其控制方法》。如附圖3所示，該發明通過高壓側FC和注入式HAPF相結合來實現高壓側的無功和諧波的補償，其中無功補償是通過FC固定發出，其出力受外部電壓的影響，而且不能連續可調的。其諧波是通過降壓變壓器耦合到其中一個FC支路，同樣是屬於低壓有源諧波補償的範疇。存在無功不能連續可調、諧波補償速度慢、效果差等影響。現有技術4為株洲變流技術國家工程研究中心有限公司於2010年09月08日申請，並於2012年12月22日公開，公開號為CN101924371A的中國發明專利申請《一種混合型電能質量治理方法》。如附圖4所示，該專利由無源和有源兩大部分組成。其中無源補償部分由TCR+TSC+FC組成，主要是進行無功功率補償，另外FC兼做固定次諧波濾波器。有源部分由變壓器隔離的多重化SVG+APF組成，分別通過降壓對TCR+TSC補償剩下的無功和對FC補償剩下的諧波進行補償。通過兩者的組合提高了整個系統無功補償的響應速度，同時實現了諧波的有源抑制。由於TCR採用三角型接法可以對負序電流進行補償，因此該裝置具備無功、諧波和負序綜合補償的功能。但是由於該種方式的有源部分全部是採用變壓器降壓進行補償的，相對直接補償，經過變壓器降壓後無功補償的速度會降低，諧波輸出效果因受到變壓器的阻礙受到影響。現有技術5為由趙偉、羅安等人於2009年07月05日發表在《中國電機工程學報》第19期，第29卷上的論文《靜止無功發生器與晶閘管投切電容器協同運行混合無功補償系統》。如附圖5所示，該論文中提出了使用基於一個DSTATC0M (配電靜止同步補償器)與多組TSC組成的混合無功補償系統，其中STATC0M用以實現快速連續無功調節，TSC實現無功的大容量分級調節，二者協同工作使HVC系統兼具DSTATC0M快速連續無功補償及TSC低成本大容量無功補償的優勢，實現低成本大容量的無功連續補償。該種方式是通過DSTATC0M與TSC的組合來擴大DSTATC0M的無功調節範圍，以降低STATC0M控制複雜度，降低成本。但這只是對無功功率進行控制，不具備諧波抑制功能，同時由於均採用星型接線，不具備負序抑制功能。是一種有源無功和無源無功的組合，而且由於其有源補償是採用變壓器降壓補償的方式，其響應時間和效果都會受到影響，而且由於變壓器的存在，損耗、噪聲和佔地面積都會很大。在當前IGBT等全控器件的電壓電流水平有限的前提下，通過混合補償，是降低全控型補償器的容量，減少在工程應用中的實施難度，並降低投資的有效途徑。但是，目前對於混合補償技術的研究主要集中在低壓側的無功功率補償方面，還沒有高壓直掛式配網的有源諧波治理的使用報導。因此利用級聯SVG的優勢，並將其擴展到諧波治理應用領域，並與SVC的結合實現高壓配網大容量的無功、諧波和負序的綜合治理是當前亟待解決的技術問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種電能質量一體化治理方法，該方法不僅僅能夠針對無功進行補償，還能實現諧波和負序的補償。同時，由於無功和諧波都是採用高壓側連續可調的直接補償，由於沒有變壓器的引入，因此補償速度較快。為了實現上述發明目的，本發明具體提供了一種電能質量一體化治理方法的技術實現方案，一種電能質量一體化治理方法，具體包括以下步驟S10:將靜止無功發生器、固定補償器和晶閘管控制電抗器相互並聯地連接在電網 電源與負載之間的電網上，由固定補償器和晶閘管控制電抗器組成靜止無功補償器；Sll :晶閘管控制電抗器以靜止無功發生器與固定補償器之間的電網無功和負序電流為補償對象；S12:靜止無功發生器以電網電源與靜止無功發生器之間的電網無功功率為補償對象，補償靜止無功補償器補償後的不足；S13:靜止無功發生器以固定補償器與晶閘管控制電抗器之間的電網諧波為控制對象，濾除負載和晶閘管控制電抗器產生的諧波，以及補償固定補償器吸收後的其他諧波。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，前述步驟SlO還進一步包括以下步驟SlOl :將一個或兩個以上的H橋單元相互串聯組成靜止無功發生器的一相，將直流支撐電容並聯在H橋單元的兩端；S102 :將電容和電抗相互串聯組成固定補償器的一相；S103:將由一個或兩個以上反並聯晶閘管串聯組成的可控閥體和相控電抗器相互串聯組成晶閘管控制電抗器3的一相。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，電網採用三相電網，靜止無功發生器、固定補償器和晶閘管控制電抗器均採用三相結構，將三相的靜止無功發生器採用星型連接方式與三相電網相連。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，當電能質量一體化治理裝置進行無功功率的動態補償、電網電壓的支撐以及負載不平衡的補償時，電能質量一體化治理裝置工作在基波域；而當電能質量一體化治理裝置進行非線性負載諧波以及晶閘管控制電抗器3調節時引起的諧波動態治理時，電能質量一體化治理裝置工作在諧波域。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，當電能質量一體化治理裝置工作在諧波域時，通過固定補償器支路諧波吸收通道和靜止無功發生器發出的補償諧波通道吸收諧波。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，靜止無功發生器和固定補償器採用分頻補償的方法對不同頻率的諧波進行補償，靜止無功發生器通過檢測負載和晶閘管控制電抗器調節引起的諧波電流，控制靜止無功發生器輸出相應的諧波電壓；該諧波電壓通過作用於連接電抗，產生一個與負載諧波電流和晶閘管控制電抗器諧波電流匯總後總的諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網後使得電網總的諧波電流為零流。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，選取需要補償負載的無功功率平均值的1ΑΓ1/3作為靜止無功發生器的基波容量，剩下的容量則為靜止無功補償器所需補償的容量。作為本發明一種電能質量一體化治理方法技術方案的進一步改進，通過以下公式計算靜止無功發生器能夠輸出的相電壓Uinv '
權利要求
1.一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，包括以下步驟 510:將靜止無功發生器(I)、固定補償器(2)和晶閘管控制電抗器(3)相互並聯地連接在電網電源(5)與負載(6)之間的電網上，由固定補償器(2)和晶閘管控制電抗器(3)組成靜止無功補償器； 511:所述晶閘管控制電抗器(3)以靜止無功發生器(I)與固定補償器(2)之間的電網無功和負序電流為補償對象； 512:所述靜止無功發生器(I)以電網電源(5)與靜止無功發生器(I)之間的電網無功功率為補償對象，補償靜止無功補償器補償後的不足； 513:所述靜止無功發生器(I)以固定補償器(2)與晶閘管控制電抗器(3)之間的電網諧波為控制對象，濾除負載(6)和晶閘管控制電抗器(3)產生的諧波，以及補償固定補償器(2)吸收後的其他諧波。
2.根據權利要求I所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，所述步驟SlO還進一步包括以下步驟 5101:將一個或兩個以上的H橋單元(4)相互串聯組成靜止無功發生器(I)的一相，將直流支撐電容並聯在H橋單元(4)的兩端； 5102:將電容和電抗相互串聯組成固定補償器(2)的一相； 5103:將由一個或兩個以上反並聯晶閘管串聯組成的可控閥體和相控電抗器相互串聯組成晶閘管控制電抗器(3)的一相。
3.根據權利要求2所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，所述電網採用三相電網，所述靜止無功發生器(I)、固定補償器(2)和晶閘管控制電抗器(3)均採用三相結構，將三相的靜止無功發生器(I)採用星型連接方式與三相電網相連。
4.根據權利要求I至3中任一權利要求所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於當所述電能質量一體化治理裝置進行無功功率的動態補償、電網電壓的支撐以及負載不平衡的補償時，電能質量一體化治理裝置工作在基波域；而當電能質量一體化治理裝置進行非線性負載諧波以及晶閘管控制電抗器(3)調節時引起的諧波動態治理時，電能質量一體化治理裝置工作在諧波域。
5.根據權利要求4所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於當電能質量一體化治理裝置工作在諧波域時，通過固定補償器(2)支路諧波吸收通道和靜止無功發生器(O發出的補償諧波通道吸收諧波。
6.根據權利要求1_3、5中任一權利要求所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於所述靜止無功發生器(I)和固定補償器(2)採用分頻補償的方法對不同頻率的諧波進行補償，靜止無功發生器(I)通過檢測負載(6)和晶閘管控制電抗器(3)調節引起的諧波電流，控制靜止無功發生器(I)輸出相應的諧波電壓；該諧波電壓通過作用於連接電抗，產生一個與負載(6 )諧波電流和晶閘管控制電抗器(3 )諧波電流匯總後總的諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網後使得電網總的的諧波電流為零。
7.根據權利要求6所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於選取需要補償負載(6)的無功功率平均值的1ΑΓ1/3作為靜止無功發生器(I)的基波容量，剩下的容量則為靜止無功補償器所需補償的容量。
8.根據權利要求1_3、5、7中任一權利要求所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，通過以下公式計算靜止無功發生器(I)能夠輸出的相電壓 :
9.根據權利要求8所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，通過以下公式計算電網電壓的最低值巧^
10.根據權利要求8所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，通過以下公式計算靜止無功發生器(I)的等效連接電抗i的最大值I
11.根據權利要求10所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，通過以下公式計算靜止無功發生器(I)的等效連接電抗I的最小值U
12.根據權利要求1-3、5、7、9-11中任一權利要求所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，通過以下公式計算所述靜止無功發生器(I)中H橋單元(4)中開關器件的額定電流: ^CfCRS ■ SOO Sflfifji)其中，\為裕量係數，Isi為需要補償的基波無功電流m力角頻率，a、b、C、d……為需要補償的諧波電流次數，為第η次需要補償的諧波電流的有效值。
13.根據權利要求12所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於將所述靜止無功發生器(I)中H橋單元(4)中開關器件的額定電流的裕量係數\控制在範圍內。
14.根據權利要求1-3、5、7、9-11、13所述的一種電能質量一體化治理方法，其特徵在於，當所述電能質量一體化治理裝置進行無功功率的動態補償時，所述靜止無功發生器(I)採用分類協調解耦方法，所述分類協調解耦方法包括以下過程 (A):如果電fJ/*=0； (B):如果趣/冶,同時 則/,Cfc+i) = *0-/*)+/,(t) 』 /*-/* ； (c):如果4 /**,同時Zff(*}-/,(*+5<0，_ φ· 則=/9, Jff =/s, 其中，1 /**為負載(6)的無功變化率，^aeZiit為靜止無功發生器(I)的無功調節 變換率，Tsc為其靜止無功發生器(I)的階躍響應時間，為給定無功電流，/￥(Jt+1)為fc+Ι時刻的基波無功電流，&(*)為fc時刻靜止無功發生器(I)發出的無功電流, <為靜止無功發生器(I)的額定容量，Jti為無功電流的變化率 為4 + 1時刻的無功電流門檻限制值。
全文摘要
本發明公開了一種電能質量一體化治理方法，將靜止無功發生器、固定補償器和晶閘管控制電抗器相互並聯地連接在電網電源與負載之間的電網上，由固定補償器和晶閘管控制電抗器組成靜止無功補償器。晶閘管控制電抗器以靜止無功發生器與固定補償器之間的無功和負序電流為補償對象。靜止無功發生器以電網電源與靜止無功發生器之間的無功功率為補償對象，補償靜止無功補償器補償後的不足。靜止無功發生器以固定補償器與晶閘管控制電抗器之間的諧波為控制對象，濾除負載和晶閘管控制電抗器產生的諧波，以及補償固定補償器吸收後的其他諧波。本發明能夠實現無功、諧波和負序的補償，補償速度快、效果好，同時降低了裝置的容量，節約了成本。
文檔編號H02J3/18GK102832631SQ20121033066
公開日2012年12月19日 申請日期2012年9月7日 優先權日2012年9月7日
發明者馮江華, 張志學, 倪大成, 尚敬, 羅仁俊, 劉華東, 藍德劭, 王衛安, 黃超, 邱嶽烽, 胡曉東, 南永輝, 羅文廣, 孫璐 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司