專利名稱：一種高壓直掛式svg綜合控制裝置及其綜合控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電能綜合控制裝置及其方法，尤其是涉及一種基于H橋的級聯(lián)型 高壓直掛式SVG綜合控制裝置及其方法，廣泛應用于各類電力系統(tǒng)。
背景技術：
近年來，在國家節(jié)能降耗政策的推動下，大型工礦企業(yè)的電氣節(jié)能已經(jīng)成為研究 的熱點，而無功和諧波補償是實現(xiàn)電氣節(jié)能的主要途徑。一方面，用電負荷日趨復雜化和 多樣化，特別是為了節(jié)能及提高電力系統(tǒng)的運行效果，供電部門鼓勵用戶更換使用更快、更 高效的生產(chǎn)設備。比如工業(yè)系統(tǒng)中各種變頻調(diào)速設備正在取代傳統(tǒng)的電動機直接驅動方 式，由于各種變流器的使用所帶來的無功、諧波、閃變和不平衡等穩(wěn)態(tài)電磁騷擾問題已經(jīng)成 為用戶關注的焦點。另一方面，隨著計算機、微處理器控制的精密電子和電氣設備的大量 使用，這些設備對供電的可靠性依賴越來越高。工業(yè)的發(fā)展使得越來越多的電力電子設備 及其非線性負荷在電網(wǎng)中獲得應用，這也使得諧波污染問題更加凸顯出來。諧波會造成電 網(wǎng)污染和危害電力系統(tǒng)正常運行外，還會帶來大量諧波損壞，浪費能源，并危害各種節(jié)電設 備。因此，對電能質(zhì)量的治理在當今社會尤為重要，其中諧波、無功負序治理是電能質(zhì)量問 題中的首要問題。目前的用電設備大都為感性負荷，除了向電源獲取有用的有功功率外，還存在大 量的無功功率在電源和負載之間交換，導致功率因數(shù)降低，造成以下方面的不良影響(1)引起線路電流增大，使得供配電設備的容量不能充分利用，降低了系統(tǒng)的供電 能力；(2)電流有效值增大，使得設備和線路的功率損耗和電能損耗急劇增加；(3)線路及變壓器的電壓損失加大，變化加劇，使得負載端的電壓質(zhì)量下降；(4)對發(fā)電機而言，無功電流增大，使電機的去磁效應增加，端電壓降低，使得發(fā)電 機的出力降低。目前的無功補償裝置主要有LC (電感L和電容C組成的濾波器)、TSC (Thyristor Switched Capcitor，晶閘管投切電抗器)、TCR(Thyristor Controlled Reactor，晶閘管 控制電抗器)、MCR(Magnetically Controlled Reactor，磁控電抗器)、SVG(Matic Var Generator，靜止無功發(fā)生器)等，其中SVG是目前無功功率治理領域最先進的方式，其采用 全控型開關器件組成自換相逆變器輔助以小容量儲能元件構成的無功補償裝置，它是柔性 交流輸電系統(tǒng)的核心裝置和核心技術之一，在電力系統(tǒng)中的主要作用是進行無功補償、維 持連接點的電壓的穩(wěn)定、改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。與現(xiàn)有的靜止無功補償裝置SVC 相比具有調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬、吸收無功連續(xù)、諧波電流小、損耗低、所用電抗器和電容 器容量及安裝體積大為降低等優(yōu)點。在SVG裝置中，為了減少諧波、提高容量，經(jīng)常采用兩 電平逆變器的多重化技術。但是需要笨重、昂貴、耗能的曲折變壓器，這大大增加了系統(tǒng)的 體積和成本、能量損耗也隨之增加。電網(wǎng)中諧波的存在會引起以下后果
(1)諧波會引起電網(wǎng)的附加損耗。一般來說，諧波電流和基波電流相比所占比例 不大，但是諧波頻率高，導線的集膚效應使得諧波電阻增加很多，因此由諧波產(chǎn)生的損耗也 大。(2)諧波會引起旋轉電機和變壓器的附加損耗。諧波對旋轉電機和變壓器的影響 主要是引起附加損耗過熱，其次是產(chǎn)生機械振動、造成和諧波過電壓，這些都會縮短電機或 變壓器壽命，嚴重時還會損壞電機或變壓器。(3)諧波對電力設備的危害大。諧波存在會對電力設備造成損壞，加速絕緣老化； 諧波疊加后的電壓峰值會降低其絕緣性能；嚴重的諧波過流使得設備的損耗增加，發(fā)熱加 劇。(4)諧波干擾通訊和繼電保護等設備。諧波對計算機、通訊、繼電保護、電表等弱點 設備進行干擾，影響正常的工作和生活。目前的諧波抑制裝置有LC、APF(Active Power Filter，有源電力濾波器)兩種，而 LC是無源方式，容易與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，只能補償固定頻率諧波。而APF其原理與SVG類似， 也是采用全控型開關器件組成自換相逆變器輔助以小容量儲能元件構成，能快速跟蹤補償 各次諧波，并一致系統(tǒng)諧振，是目前諧波治理領域最先進的方式。目前主要使用的是變壓器 多重化方式，或者多個APF直接并聯(lián)或分布式補償以實現(xiàn)較大容量的補償。由于是工作在 低壓側，受變壓器的影響，對高壓側諧波源補償?shù)募皶r性受到影響，對高壓側諧波的補償效 果有限。APF具備無功功率和諧波同時補償?shù)墓δ?，但由于APF進行諧波補償，所需的器件 的開關頻率高，受器件容量的限制，基本無無功功率輸出的能力，更難以滿足大容量無功補 償?shù)男枨?。負序電流是電網(wǎng)治理的另一個對象。負序電流使得旋轉電機產(chǎn)生逆向旋轉磁場， 導致轉子產(chǎn)生諧波電流，電機熱功率增大，功率降低；負序還容易導致電力系統(tǒng)以負序為啟 動的繼電保護誤動作；負序造成電力系統(tǒng)容量和設備容量利用率低，還造成附加損耗，造成 電壓不對稱，降低發(fā)電機和電動機出力等不良影響。目前治理負序常用的方式有分相投切 的TSC、分相控制的TCR和SVG，由于SVG采用有源器件，其反應速度快，治理效果好。目前，補償設備功能單一，主要偏向于一個方向，要么以無功功率為主，兼顧部分 諧波，要么以諧波為主，兼顧部分無功功率?，F(xiàn)有技術方案的一種典型代表是以多種補償器 進行組成以達到綜合補償?shù)哪康?，如APF和TSC的組合。由哈爾濱威瀚電氣設備股份有限公 司于2010年07月31日申請，2010年12月08日公開，公開號為CN101908767A的中國發(fā)明專 利申請《無功諧波綜合補償裝置》，提出了一種包括晶閘管控制的電容性無源補償器和IGBT 控制的有源補償器，如

圖1所示。虛框內(nèi)左邊為TSC，右邊為三相共直流側APF。其所述的晶 閘管控制的電容型無功補償器是為了滿足大容量補償和補償精度的要求，根據(jù)需要設置多 組電容支路，通過對電容支路的投切控制，進行容性無功的分組投切，實現(xiàn)無功功率補償； 所述的IGBT控制的有源補償器基于電壓源逆變器(VSC，Voltage Sourced Converters), 通過對各種IGBT的快速通斷控制，發(fā)出所需要的無功和諧波電流。這種組合是利用無源補 償器進行無功補償，有源補償器進行諧波抑制，兩者組合以解決大容量、成本、補償精度和 可靠性的矛盾。
本發(fā)明的目的是提供一種不需變壓器而實現(xiàn)高壓側電能治理的綜合控制裝置 及其方法，即一種同時具備SVG和APF功能，基于H橋級聯(lián)的高壓直掛式級聯(lián)逆變器 HSVG (Η-Bridge Static Var Generator，H橋靜止無功發(fā)生器)綜合控制裝置及其方法，該 綜合控制裝置及其方法解決了結構復雜、高成本和大容量、高補償精度和可靠性之間的矛盾。本發(fā)明具體提供了一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置的具體實施方式
，一種高壓 直掛式SVG綜合控制裝置，與電網(wǎng)相連，高壓直掛式SVG綜合控制裝置的每一相均包括LC 濾波支路，連接電抗和H橋單元串聯(lián)支路，H橋單元串聯(lián)支路與連接電抗串聯(lián)再與LC濾波 支路并聯(lián)，LC濾波支路包括電感和電容，H橋單元串聯(lián)支路包括N個相串聯(lián)的H橋單元， N ^ 2，每一個H橋單元包括由四個功率元件組成的橋式電路。作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置進一步的實施方式，橋式電路 的功率元件為IGBTansulated Gate Bipolar ^Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)或 IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor，集成門極換流晶閘管)。同時，橋式電路的 兩端并聯(lián)有電容。本發(fā)明還具體提供一種對高壓直掛式SVG綜合控制裝置進行綜合控制的方法的具體實施方式
，一種高壓直掛式SVG綜合控制方法包括綜合控制步驟，綜合控制步驟包括(1)檢測高壓直掛式SVG綜合控制裝置發(fā)出的電流IC的三相瞬時值i。a、i。b、icc ； 檢測母線電流IS的三相瞬時值isa、isb、is。；檢測高壓直掛式SVG綜合控制裝置有源部分電 流ISVG的三相瞬時值isvga、isvgb、isvg。；采集各個模塊的直流側電壓，求出各相N個直流側的 電壓和 UAD、UBD、UCD ；(2)基波正序無功控制過程進行基波正序無功控制，得到補償正序無功和直流 側電壓所需的電壓參考波Va+、vb+、vc+ ；(3)負序電流控制過程進行負序電流控制，得到補償負序功率所需的電壓參考 波m(4)諧波控制過程進行諧波控制，得到補償負序功率所需的電壓參考波Vah、Vbh, Vch ；(5)根據(jù)以下公式，將上述計算得到的va+、vb+、V。+，va_、vb_、v。_和νΛ、Vbh、Vch相加， 得到參考電壓波形<、U:、U;ua=Va++Va_+Vah；ub=Vb++Vb_+Vbh·,uc=Vc+ + Vc_ + Vch；進行180° /N的單極倍頻調(diào)制，產(chǎn)生3N路三角波，與參考電壓的瞬時值<、u:、u 及其反值-<、-‘、比較得到6N路脈沖以觸發(fā)各個H橋單元，產(chǎn)生電壓PWM波，PWM電壓 通過連接電抗，產(chǎn)生相應的諧波、無功和負序電流。作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制方法進一步的實施方式，基波正序無功 控制過程進一步包括以下步驟(1)對isa、isb、is。進行正序DQ分解后得到DQ坐標下的isdl+和iSql+，將isdl+和iSql+進行低通濾波后得到基波正序電流的有功分量和無功分量的直流值isql+ ；(2)對isvga、isvgb, isvgc進行正序DQ分解后得到DQ坐標下的isvgd和iSVM，將isvgd和 isvgq進行低通濾波后得到基波正序電流的有功分量和無功分量的直流值；(3)對UM、UBD, Ucd求和與參考電壓t/；進行比較，其中為每個H橋單元直流側控 制電壓冗的3N倍，即％ =3N-U，對UAD+UBD+UCD與冗的差進行PI調(diào)節(jié)后以控制整個直流側 的電壓控制所需有功電流i。d,f ；(4)對母線電壓Vabe進行DQ分解并濾波后，得到DQ坐標下的uD_feedba。k和uQ_feedback ；(5)根據(jù) icdmC^，、1+、4^，uD_feedback，鎖相值 sin-cosl 和連接電抗 La、Lb、Lc 在 DQ坐標下的值WL，通過雙PI解耦控制得到DQ坐標下的電壓usdl+和uStll+，并對usdl+和uStll+ 進行DQ反變換得到補償正序無功和直流側電壓所需的電壓參考波Va+、Vb+、V。+。作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制方法進一步的實施方式，負序電流控制 過程進一步包括以下步驟(1)對 ila = isa-ica,ilb = isb-i。b、ile = isc"icc 進行負序 DQ 分解后得到 DQ 坐標下 的isdl-和iS(11-，將isdl-和iSql-進行低通濾波后得到基波負序電流的有功分量和無功分量的 直流值isdl_和isql-；(2)根據(jù)isdl_和isql_和連接電抗La、Lb、Lc在DQ坐標下的值WL，計算得到DQ坐 標下的電壓Usdl-和US(11_，并對usdl_和uS(11_進行DQ反變換即得補償負序功率所需的電壓參 考波m作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制方法進一步的實施方式，諧波控制過程 進一步包括以下步驟(1)對 ila = isa_i。a、ilb = isb-icb>ilc = isc-icc 進行各次諧波的 DQ 分解，即根據(jù)諧 波次數(shù)確定其屬性是正序還是負序，聯(lián)合諧波次數(shù)所確定的鎖相sin-cosN進行對于DQ分 解，得到ildN和ilqN;(2)根據(jù)ildN、ilqN和連接電抗La、Lb、Lc在DQ坐標下的值NWL，計算得到DQ坐標 下的電壓Ultffl和11_，并對Ultffl和U1qn進行DQ反變換得到補償負序功率所需的電壓參考波
Vah、Vbh、Vch。作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制方法進一步的實施方式，綜合控制步驟 進一步包括檢測步驟，檢測步驟包括(1)采集需要分析的電流ia、ib、ic ；(2)基波正序電流檢測過程進行基波正序電流檢測，通過計算得到三相正序電
、聲 1 ‘ ‘ ‘
171L 丄 ai +、丄 bl+、丄 cl+ ；(3)負序電流檢測過程進行負序電流檢測，通過計算得到三相負序電流i' al_、 / · /
1 bl-、1 cl-；(4)諧波電流檢測過程進行諧波電流檢測，通過計算得到N次諧波的直流分量
IdN、IqN ；綜合控制方法進一步包括多頻鎖相值計算步驟，多頻鎖相值計算步驟包括通過 對電網(wǎng)電壓進行鎖相得到基波的角頻率瞬時值《t ；通過基波的角頻率瞬時值《t乘以諧 波的次數(shù)N，得到Ncot的值，求出sin-cosN的值。作為本發(fā)明一種高壓直掛式SVG綜合控制方法進一步的實施方式，基波正序無功
權利要求
1.一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置，與電網(wǎng)相連，其特征在于高壓直掛式SVG綜合 控制裝置的每一相均包括LC濾波支路，連接電抗和H橋單元串聯(lián)支路，H橋單元串聯(lián)支路 與連接電抗串聯(lián)再與LC濾波支路并聯(lián)，LC濾波支路包括電感和電容，H橋單元串聯(lián)支路包 括N個相串聯(lián)的H橋單元，N ^ 2,每一個H橋單元包括由四個功率元件組成的橋式電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置，其特征在于所述橋式 電路的功率元件為IGBT或IGCT，橋式電路的兩端并聯(lián)有電容。
3.一種對權利要求1或2所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置進行控制的方法， 其特征在于所述的控制方法包括綜合控制步驟，綜合控制步驟包括(1)檢測高壓直掛式SVG綜合控制裝置發(fā)出的電流IC的三相瞬時值i。a、i。b、i。。；檢測母 線電流IS的三相瞬時值isa、isb、is。；檢測高壓直掛式SVG綜合控制裝置有源部分電流ISVG 的三相瞬時值isvga、isvgb、isvgc ；采集各個模塊的直流側電壓，求出各相N個直流側的電壓和 Uad、UBD、UCD ；(2)基波正序無功控制過程進行基波正序無功控制，得到補償正序無功和直流側電 壓所需的電壓參考波va+、vb+、v。+ ；(3)負序電流控制過程進行負序電流控制，得到補償負序功率所需的電壓參考波Va_、vb_、vc_;(4)諧波控制過程進行諧波控制，得到補償負序功率所需的電壓參考波νΛ、Vbh,Vch ；(5)根據(jù)以下公式，將上述計算得到的Va+、Vb+、V。+，Va_、Vb_、V。_和νΛ、Vbh、Vch相加，得到 參考電壓波形μ〗、ub, uc·,U*a=Va++Va-+Vah' Ul=Vi++Vb-+Vik^ < = K+ + K- + Khi進行180° /N的單極倍頻調(diào)制，產(chǎn)生3N路三角波，與參考電壓的瞬時值<、u:、<及其 反值-<、-‘、-<比較得到6N路脈沖以觸發(fā)各個H橋單元，產(chǎn)生電壓PWM波，PWM電壓通過 連接電抗，產(chǎn)生相應的諧波、無功和負序電流。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的基波 正序無功控制過程包括以下步驟(1)對isa、isb、isc進行正序DQ分解后得到DQ坐標下的^Sdl+ 禾口 “ql+，^ lsdl+ 禾口 ^Sql+ S 行低通濾波后得到基波正序電流的有功分量和無功分量的直流值isql+ ；(2)對isvga>isvgb>Isvgc進行正序DQ分角軍后得至丨J DQ坐標下的isvgd 禾口 isvgq，4寸 svgd 禾口 ^svgq進行低通濾波后得到基波正序電流的有功分量和無功分量的直流值(3)對UAD、UBD,Ucd求和與參考電壓t/纟進行比較，其中t/纟為每個H橋單元直流側控制電 壓冗的3N倍，即《=3N-U，對U^+U^+U^與冗的差進行PI調(diào)節(jié)后以控制整個直流側電壓 控制所需有功電流i。d,f ；(4)對母線電壓Vabe進行DQ分解并濾波后，得到DQ坐標下的uD_feedba。k和uQ_feedback；(5)根據(jù)icd-ref>Cgd，iSqi+、Cgg，uD_feedback,鎖相值 sin-cosl 禾口連接電抗 La、Lb、Lc 在 DQ 坐標下的值WL，通過雙PI解耦控制得到DQ坐標下的電壓usdl+和uS(11+，并對usdl+和Ustll+進 行DQ反變換得到補償正序無功和直流側電壓所需的電壓參考波Va+、Vb+、V。+。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的負序 電流控制過程包括以下步驟(1)對ila= isa_i。a、ilb = isb_i。b、ilc = isc-icc進行負序DQ分解后得到DQ坐標下的 isdl-和iS(11-，將isdl-和iSql-進行低通濾波后得到基波負序電流的有功分量和無功分量的直 流值 iSdi-禾口 iS(1i-；(2)根據(jù)isdl_和isql_和連接電抗La、Lb、Lc在DQ坐標下的值WL，計算得到DQ坐標下 的電壓Usdl-和uS(11_，并對usdl_和uS(11_進行DQ反變換即得補償負序功率所需的電壓參考波 Va_、Vb_、Vc_。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的諧波 控制過程包括以下步驟(1)對ila=isa_i。a、ilb= isb_i。b、ilc;= is。_i。。進行各次諧波的DQ分解，即根據(jù)諧波次 數(shù)確定其屬性是正序還是負序，聯(lián)合諧波次數(shù)所確定的鎖相值sin-cosN進行DQ分解，得到 iIdN 禾Π iIqN ；(2)根據(jù)ildN和ilqN和連接電抗La、Lb、Lc在DQ坐標下的值NWL，計算得到DQ坐標下 的電壓uldN和u1(lN，并對uldN和U1qn進行DQ反變換得到補償負序功率所需的電壓參考波Vah、Vbh、Vch。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于所述的綜 合控制步驟包括檢測步驟，檢測步驟包括(1)采集需要分析的電流ia、ib、i。；(2)基波正序電流檢測過程進行基波正序電流檢測，通過計算得到三相正序電流 / · / · /1 al+、1 bl+、1 cl+ ；(3)負序電流檢測過程進行負序電流檢測，通過計算得到三相負序電流i'al_、 / · /1bl-、1Cl-；(4)諧波電流檢測過程進行諧波電流檢測，通過計算得到N次諧波的直流分量idN、IqN ；所述的檢測步驟包括多頻鎖相值計算步驟，多頻鎖相值計算步驟包括通過對電網(wǎng)電 壓進行鎖相得到基波的角頻率瞬時值Ot ；通過基波的角頻率瞬時值Ot乘以諧波的次數(shù) N，得到Ncot的值，求出sin-cosN的值。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的基波 正序無功控制過程包括基波正序電流檢測過程，基波正序電流檢測過程包括以下步驟、、、、“通過帶通濾波器處理得到其基波部分丨…‘^…然后通過公式⑶矩陣變換 得到DQ坐標的正序電流的有功和無功直流分量；ld\+ζο^ηω η{ηω --cos(肺f --通過對公式(3)計算取得的正序有功和無功分量idl+、ial+進行低通濾波，并通過乘以
9.根據(jù)權利要求8所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的負序 電流控制過程包括負序電流檢測過程，負序電流檢測過程包括以下步驟、、、、“通過帶通濾波器處理得到其基波部分込”‘^…然后通過公式(5)矩陣變換 得到DQ坐標的正序電流的有功和無功直流分量；
10.根據(jù)權利要求9所述的一種高壓直掛式SVG綜合控制方法，其特征在于，所述的諧 波控制過程包括諧波電流檢測過程，諧波電流檢測過程包括以下步驟 通過一個設定上下截止頻率的帶通濾波器處理得到固定次諧波電流 ，利用公式(7)或公式(8)將i 轉換到N次諧波的DQ坐標系中；若N = 3K+1, 則根據(jù)公式(7)進行計算^N = 3K-1，則根據(jù)公式⑶進行計算，得到N次諧波的直流分 量i
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高壓直掛式SVG綜合控制裝置及其控制方法，綜合控制裝置與電網(wǎng)相連，高壓直掛式SVG綜合控制裝置的每一相均包括LC濾波支路，連接電抗和H橋單元串聯(lián)支路，H橋單元串聯(lián)支路與連接電抗串聯(lián)再與LC濾波支路并聯(lián)，LC濾波支路包括電感和電容，H橋單元串聯(lián)支路包括N個相串聯(lián)的H橋單元，N≥2，每一個H橋單元包括由四個功率元件組成的橋式電路。綜合控制方法包括綜合控制步驟，綜合控制步驟有進一步包括檢測步驟，采用基于同步多旋轉坐標的檢測方法，能對無功電流、負序電流和諧波電流進行綜合控制。本發(fā)明描述的技術方案具有結構簡單、響應速度快、輸出電壓波形好、控制靈活、便于模塊化制造等多種優(yōu)點。
文檔編號H02J3/18GK102142684SQ20111006673
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者劉華東, 唐建宇, 張定華, 彭勃, 曹洋, 王衛(wèi)安, 羅仁俊, 范偉, 藍德劭, 譚勝武, 邱岳烽, 鐘強, 黃歡, 黃燕艷, 黃超 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司