本發(fā)明涉及一種無(wú)功補(bǔ)償裝置，更具體地說(shuō)，它涉及一種鏈?zhǔn)絊TATCOM模塊化解耦基波無(wú)功補(bǔ)償和特定次諧波消除裝置。

背景技術(shù)：

隨著電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，大量非線(xiàn)性及沖擊負(fù)荷接入電網(wǎng)，同時(shí)，風(fēng)電與光伏發(fā)電等非線(xiàn)性電源陸續(xù)上網(wǎng)，造成諸如電壓波動(dòng)、電壓跌落及諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償已成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題，受到越來(lái)越多的關(guān)注，許多國(guó)家都對(duì)此給予了足夠的重視，STATCOM在無(wú)功補(bǔ)償中得到了廣泛的研究，并開(kāi)始應(yīng)用于電力系統(tǒng)當(dāng)中。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)，傳統(tǒng)意義上的無(wú)功補(bǔ)償裝置已不再適應(yīng)其發(fā)展要求，新的規(guī)劃方案將涉及實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的節(jié)能降耗，研究動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)入娔苜|(zhì)量控制技術(shù)，提高運(yùn)行和輸送效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高資產(chǎn)與投資利用率。

智能電網(wǎng)的建設(shè)要在現(xiàn)有電網(wǎng)的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行改造，電力電容和SVC等其他無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備仍被廣泛使用，SVC裝置采用相控原理，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)基波無(wú)功功率的同時(shí)，產(chǎn)生大量的諧波；電力電容設(shè)備由于本身質(zhì)量問(wèn)題、切投操作問(wèn)題以及系統(tǒng)諧波污染等問(wèn)題，常常出現(xiàn)電容器保險(xiǎn)熔斷器“群爆”現(xiàn)象。如果考慮其他無(wú)功補(bǔ)償裝置和STATCOM聯(lián)合運(yùn)行，STATCOM同時(shí)進(jìn)行功率因數(shù)校正和諧波消除是很有意義的。另外，高能耗企業(yè)中的大功率電力電子負(fù)荷由于工況變換頻繁且諧波含量較高，為了保證供電質(zhì)量，往往在進(jìn)行大容量無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還需要有效抑制各次諧波。

中低壓STATCOM的無(wú)功補(bǔ)償和諧波消除，相關(guān)內(nèi)容國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多研究，并有成熟產(chǎn)品。但其在高壓大功率應(yīng)用中面臨的功率器件耐壓水平較高，體積成本居高不下和中高壓就地補(bǔ)償中電流較大、發(fā)熱嚴(yán)重以及器件開(kāi)關(guān)頻率不高等問(wèn)題都亟待研究和解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)STATCOM在同時(shí)補(bǔ)償基波和諧波無(wú)功時(shí)，存在的高電壓大容量與開(kāi)關(guān)頻率之間的矛盾，提出一種模塊化解耦的無(wú)功補(bǔ)償方案。

為了解決上述矛盾，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

采用如圖1所示的鏈?zhǔn)絊TATCOM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每相由若干單相H橋串聯(lián)組成，把H橋分為兩組，采用疊加原理，c₁-c_n用來(lái)補(bǔ)償無(wú)功電流，h₁-h_n用來(lái)消除諧波，根據(jù)需要被補(bǔ)償?shù)闹C波要求，每一特定諧波補(bǔ)償模塊也可以采用多級(jí)串聯(lián)。根據(jù)圖1得出基波模塊和諧波模塊的等效 電路如圖2所示。和分別代表STATCOM輸出的基波電壓和諧波電壓?；o(wú)功補(bǔ)償?shù)氖滓繕?biāo)在于準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償無(wú)功電流，指令電流的變化不像補(bǔ)償諧波時(shí)的電流變化那樣急劇，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，無(wú)功補(bǔ)償對(duì)調(diào)節(jié)器的快速性要求不高，所以補(bǔ)償無(wú)功電流的開(kāi)關(guān)管頻率可以低一些，可以采用電壓等級(jí)較高的開(kāi)關(guān)管；補(bǔ)償諧波的開(kāi)關(guān)管頻率則需要根據(jù)所補(bǔ)償諧波的頻率確定，采用電壓等級(jí)較低的開(kāi)關(guān)管。

根據(jù)圖2等效電路STATCOM在d-q坐標(biāo)系中的基波模型為：

對(duì)輸入功率因數(shù)的控制可轉(zhuǎn)換成對(duì)輸入無(wú)功電流的控制，為達(dá)到預(yù)定功率因數(shù)，設(shè)計(jì)如圖4所示的控制器，φ＝0時(shí)，穩(wěn)態(tài)情況下，負(fù)載和逆變器的基波分量q軸電流大小相等，符號(hào)相反，從而負(fù)載和STATCOM作為一個(gè)整體只從電網(wǎng)吸收有功，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)校正。為解決工況突變時(shí)，常規(guī)PI算法響應(yīng)速度慢造成的直流側(cè)過(guò)電壓，對(duì)于基波模塊采用滑?？刂扑惴ā?/p>

根據(jù)圖2等效電路STATCOM在d-q坐標(biāo)系中的諧波數(shù)學(xué)模型分別為：

諧波模塊的控制目標(biāo)是要消除負(fù)載的某一特定諧波，采用解耦補(bǔ)償之后，諧波補(bǔ)償控制得以簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)如圖5所示的控制器，通過(guò)諧波分析計(jì)算出所需要補(bǔ)償?shù)闹噶铍娏?，然后與維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定所需要的基波電流指令相加，得到總的指令電流，最后通過(guò)跟蹤控制，使得諧波模塊輸出一個(gè)與需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流大小相等，方向相反的電流與之抵消，從而控制電源電流為基波形式。

本發(fā)明裝置控制系統(tǒng)采用主從式多CPU結(jié)構(gòu)，如圖6所示。主控制器采集系統(tǒng)電壓電流、負(fù)載電流等信號(hào)，完成STATCOM的電壓穩(wěn)定閉環(huán)控制，其控制輸出傳送給三相分相控制器；分相控制器完成脈沖發(fā)生和脈沖分配到各功率模塊，并將功率模塊狀態(tài)信息返回給主控制器。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在傳統(tǒng)鏈?zhǔn)絊TATCOM無(wú)功補(bǔ)償方案的基礎(chǔ)上，增加了特定次諧波消除功能，并實(shí)現(xiàn)了基波和特定次諧波的解耦控制。

附圖說(shuō)明：為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施 例或現(xiàn)有技術(shù)描述中使用的附圖作簡(jiǎn)單介紹。

圖1是本發(fā)明所采用鏈?zhǔn)絊TATCOM主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖2是鏈?zhǔn)絊TATCOM等效電路；

圖3是常規(guī)STATCOM控制框圖；

圖4是本發(fā)明的基波單元控制框圖；

圖5是本發(fā)明的諧波單元控制框圖；

圖6是本發(fā)明所采用控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

參照?qǐng)D1所示，本實(shí)施例提供一種鏈?zhǔn)絊TATCOM模塊化解耦無(wú)功補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)基波無(wú)功補(bǔ)償和特定次諧波消除，其具體的原理在于典型的非線(xiàn)性負(fù)載，其諧波的幅值隨著頻率的增加而減小，諧波幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基波，且隨著諧波次數(shù)的增加，幅值減小，故本方案可以等效為一套同步無(wú)功補(bǔ)償裝置和一套有源濾波器聯(lián)合運(yùn)行，但可以用于中高壓場(chǎng)合，諧波模塊可以工作在逐次減小的直流電壓下，諧波模塊開(kāi)關(guān)頻率可以逐次增加。

本發(fā)明在進(jìn)行基波和諧波檢測(cè)時(shí)，為了避免常規(guī)方法中的濾波器使用，采用離散傅立葉變化算法，實(shí)現(xiàn)基波和諧波分離，同時(shí)得出基波和諧波幅值相位信息，簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程，節(jié)約硬件成本。

當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，例如電網(wǎng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障，會(huì)造成母線(xiàn)電壓的相角發(fā)生突變，由于鎖相環(huán)角度偏差造成STATCOM在控制無(wú)功電流時(shí)相位錯(cuò)位，從而使得電流中含有一部分有功，而采用PI調(diào)節(jié)，直流電壓控制環(huán)的調(diào)節(jié)速度較慢，在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有將直流電壓控制在設(shè)定值，最終造成直流電容電壓上升達(dá)到過(guò)壓值，STATCOM退出運(yùn)行，另外，該控制在abc坐標(biāo)系下，控制存在穩(wěn)態(tài)誤差，且該方案需要均壓措施。本發(fā)明在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí)，為了克服常規(guī)控制的不足，采用滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略，如圖4和圖5所示。

基波模塊控制目標(biāo)有三個(gè)：其一是功率因數(shù)校正；其二是總直流側(cè)電壓控制；其三是相內(nèi)分離的直流母線(xiàn)電壓均衡控制。不同于其他控制方案，本項(xiàng)目采用各基波單元直流側(cè)電壓獨(dú)立控制方案，所以不需要額外的控制器來(lái)調(diào)節(jié)總的直流電壓。

諧波模塊中，為了維持直流側(cè)電壓最小，其參考電壓隨著諧波情況自動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)目標(biāo)是保持調(diào)制比恒定。

圖6主控制器各部分功能如下：

電源板：通過(guò)DC/DC提供控制器所需的5V和12V控制電源；

信號(hào)板：通過(guò)PT、CT變換各母線(xiàn)電壓和閥體電流信號(hào)；通過(guò)IO環(huán)節(jié)采集和控制現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)；

主控板一：核心的控制環(huán)節(jié)，基于DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)，完成采樣、計(jì)算及監(jiān)控通信等；

主控板二：核心的控制環(huán)節(jié)，基于DSP和FPGA實(shí)現(xiàn)，完成核心的頻譜分析、無(wú)功動(dòng)態(tài)控制和諧波補(bǔ)償策略；

主控通信板：基于FPGA實(shí)現(xiàn)，完成主控制器和分相控制器之間的通信；

每個(gè)分相控制器由以下板卡組成：

1)脈沖發(fā)生板：接收主控板的閉環(huán)控制輸出信號(hào)，發(fā)出該相換流鏈所有控制脈沖；

2)主脈沖分配板板：基于FPGA實(shí)現(xiàn)，和主控通信板通信，將各脈沖分配板的信息匯總傳送到主控板，并將主控板的指令信號(hào)分布到各脈沖分配板。

3)脈沖分配板：基于FPGA實(shí)現(xiàn)，將脈沖信號(hào)分別發(fā)送到各個(gè)鏈節(jié)；采集鏈節(jié)的狀態(tài)信息，向鏈節(jié)發(fā)送控制和保護(hù)指令。

以上實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的技術(shù)方案也應(yīng)該屬于本發(fā)明的范疇，應(yīng)由各權(quán)利要求所限制。