專利名稱：利用一帶有自動(dòng)變流器的靜態(tài)補(bǔ)償裝置對(duì)電源電壓進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用靜態(tài)補(bǔ)償裝置對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的電源電壓進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制的方法，該靜態(tài)補(bǔ)償裝置具有一個(gè)帶有至少一個(gè)電容存儲(chǔ)器的自動(dòng)變流器和一個(gè)變壓器，并涉及實(shí)施此方法的裝置。
電力網(wǎng)首先用于傳輸有功功率。產(chǎn)生和消耗的功率必須始終是平衡的，否則將要致頻率變化。與有功功率平衡相同，同樣無功功率也必須始終平衡，以便在電網(wǎng)中產(chǎn)生可承受的電壓比。無功功率首先負(fù)責(zé)電壓水平。在每個(gè)時(shí)刻對(duì)電網(wǎng)中有功和無功功率的平衡必須進(jìn)行補(bǔ)償，從而使電壓和頻率位于預(yù)定的權(quán)限內(nèi)。
由于用電量日益增大并且電網(wǎng)擴(kuò)建的可能性受限，因而電力傳輸網(wǎng)總是被超強(qiáng)度地利用。電網(wǎng)中的無功功率流是電壓下降和附加的電網(wǎng)損耗的主要原因。通過有針對(duì)性的應(yīng)用無功功率器件，例如電容器和線圈，可以減少電網(wǎng)中補(bǔ)償?shù)臒o功功率平衡并隨之減少對(duì)電網(wǎng)電壓的作用和電網(wǎng)損耗?？刹捎每煽鼗蚩烧{(diào)無功功率器件滿足各種動(dòng)態(tài)要求。但實(shí)際上只有采用變流器電路才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的和動(dòng)態(tài)的變化。應(yīng)用可控硅技術(shù)的靜態(tài)補(bǔ)償器是目前實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償?shù)淖罱?jīng)濟(jì)的方案。
具有帶一個(gè)電容存儲(chǔ)器的自動(dòng)變流器的無功功率補(bǔ)償裝置常用的名稱是“靜態(tài)無功伏安發(fā)生器(SVG)”、“高級(jí)靜態(tài)無功伏安補(bǔ)償器(ASVC)”或“靜態(tài)電容器(STATCON)”。利用將電容能量存儲(chǔ)器(電容器)的直流電壓變換成交流電壓并通過一變壓器(電感)與電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC＝公共連接點(diǎn))連接的自動(dòng)換流器可產(chǎn)生或輸出基波振蕩無功功率。
在發(fā)表于“PESC′92在西班牙的托利舉行的第23次電氣及電子工程師學(xué)會(huì)電力電子專家年會(huì)，1992，會(huì)議錄”521至529頁的論文“高級(jí)靜態(tài)無功伏安補(bǔ)償器(ASVC)不同電路配置的比較”中記載了一種無功功率補(bǔ)償裝置。在該論文中介紹了多種ASVC電路并對(duì)它們進(jìn)行了比較。ASVC的基本電路由一帶有電容存儲(chǔ)器的三相換流器構(gòu)成，其中該換流器通過一變壓器接在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上。
采用兩點(diǎn)換流器或三點(diǎn)換流器作為換流器，并采用基波振蕩頻率調(diào)制(全單元式控制)，其中在三點(diǎn)換流器中實(shí)現(xiàn)的基波振蕩無功功率大于在兩點(diǎn)換流器中實(shí)現(xiàn)的無功功率。另外當(dāng)角β(零電位的角范圍)等于π/12時(shí)，5次和7次諧波最小。另外在此論文中對(duì)由兩點(diǎn)及三點(diǎn)換流器構(gòu)成的ASVC電路做了研究，其中采用了不同的變壓器。采用此電路將減少脈沖數(shù)和相電流的失真。
在發(fā)表于“電氣及電子工程師學(xué)會(huì)電力系統(tǒng)學(xué)報(bào)”，第8卷，第1期，1993年2月，371至377頁中的論文“用于改進(jìn)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性采用自動(dòng)換流器的大型靜態(tài)無功伏安發(fā)生器”中介紹了用于80兆伏安的“靜態(tài)無功伏安發(fā)生器(SVG)”。這種80兆伏安SVG由8個(gè)換流器構(gòu)成，其橋臂分別由6個(gè)串聯(lián)的可斷開的可控硅(GTO)構(gòu)成，這些可控硅分別產(chǎn)生相同的輸出電壓，但相互分別電氣位移7.5°。為實(shí)現(xiàn)此相移需要一個(gè)帶有8個(gè)初級(jí)線圈和8個(gè)次級(jí)線圈的專用變壓器。該專用的變壓器通過一主變壓器接在高壓電網(wǎng)上。這種變壓器結(jié)構(gòu)需要一部分產(chǎn)生的無功功率。因而可以實(shí)現(xiàn)脈沖值48并隨之在同時(shí)提高基波振蕩功率的情況下減少電網(wǎng)的反作用。而且在這種無功功率補(bǔ)償裝置(SVG)中只能通過多個(gè)換流器和一個(gè)專用的變壓器才能實(shí)現(xiàn)基波振蕩功率的改善，但并不提高每個(gè)換流器開關(guān)的基波振蕩產(chǎn)額。
改進(jìn)基波振蕩產(chǎn)額(每個(gè)開關(guān)件的效率)的另一方案在于采用一多點(diǎn)換流器。在發(fā)表于PESC′92在西班牙的托利舉行的第23次電氣及電子工程師學(xué)會(huì)電力電子專家年會(huì)，1992，會(huì)議錄”538至545頁中的論文“采用多級(jí)電壓源換流器的高壓大容量動(dòng)態(tài)無功伏安補(bǔ)償器”中具體介紹了SVC的5點(diǎn)換流器。通過采用多點(diǎn)換流器，改善了在由換流器產(chǎn)生的交流電壓中的基波振蕩產(chǎn)額。
在發(fā)表于“第五次國(guó)際交流和直流電輸電會(huì)議”會(huì)議錄，1991，225至260頁中的由G.Welsh、K.Bergmann、L.Hügelschafer、H.-F.Leowald和G.Wild撰寫的“采用數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)SVC應(yīng)用的系統(tǒng)變量評(píng)價(jià)”論文中記載了用于靜態(tài)補(bǔ)償器(SVC)的電壓調(diào)節(jié)，該靜態(tài)補(bǔ)償器由一固定連接的電容(FC)、一可控硅控制的線圈(TCR)以及一可控硅控制的電容(TSC)構(gòu)成，該電壓調(diào)節(jié)是數(shù)字式的。該電壓調(diào)節(jié)由3個(gè)導(dǎo)線對(duì)地電壓求出系統(tǒng)電壓(3個(gè)導(dǎo)線對(duì)地電壓的平均值，并與系統(tǒng)額定電壓進(jìn)行比較)。根據(jù)產(chǎn)生的調(diào)節(jié)偏差，利用一電壓調(diào)節(jié)器(在其輸出端加有電納值)求出補(bǔ)償器的控制信號(hào)。在計(jì)算系統(tǒng)電壓時(shí)，該數(shù)字調(diào)節(jié)采用一個(gè)信號(hào)處理器，該處理器是多處理器調(diào)節(jié)系統(tǒng)(SIMA DYND)的一個(gè)組成部分。
在所引用的出版物“PESC′92在西班牙的托利舉行的第23次電氣及電子工程師學(xué)會(huì)電力電子專家年會(huì)，1992，會(huì)議錄”538至545頁中不僅具體地介紹了一種SVC的五點(diǎn)換流器，而且還介紹了相應(yīng)的調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)在輸入端具有一裝置，利用該裝置根據(jù)負(fù)載要求的無功功率值QL和由自動(dòng)換流器輸出的無功功率值QI確定無功功率調(diào)節(jié)偏差QS的平均值。后置的PI(比例積分)調(diào)節(jié)器根據(jù)值QS產(chǎn)生調(diào)節(jié)值φm(換流器的相角)。具有最佳脈沖圖形的控制組件根據(jù)調(diào)節(jié)值φm和調(diào)制值Mi為自動(dòng)換流器產(chǎn)生控制信號(hào)。該調(diào)節(jié)的任務(wù)是，將無功功率調(diào)節(jié)偏差QS調(diào)到零。當(dāng)調(diào)節(jié)偏差QS＝0時(shí)，則調(diào)節(jié)值φm＝0并且換流器的輸出電壓與連接點(diǎn)PCC上的電壓同相。該調(diào)節(jié)的任務(wù)在于，由自動(dòng)換流器提供負(fù)載要求的無功功率。故該調(diào)節(jié)不能對(duì)連接點(diǎn)上(補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)上的連接點(diǎn))的電源電壓進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)控制。
本發(fā)明的目的在于提出一種方法和裝置，利用此方法和裝置可對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的電源電壓進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制。
本發(fā)明的目的采用權(quán)利要求1及權(quán)利要求6的特征得以實(shí)現(xiàn)。
為了將連接點(diǎn)上的電源電壓調(diào)節(jié)到恒定不變的幅度上，補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)必須交換位移無功功率。以補(bǔ)償裝置的穩(wěn)定的工作點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)(在此點(diǎn)與電網(wǎng)沒有功率交換(空載))，在突然出現(xiàn)電壓降落時(shí)補(bǔ)償裝置向電網(wǎng)提供位移無功功率，從而使該壓降消除。反之，在電壓升高時(shí)由補(bǔ)償裝置接納來自電網(wǎng)的位移無功功率。
調(diào)節(jié)方法的第一部分涉及的是電壓調(diào)節(jié)，該電壓調(diào)節(jié)為調(diào)節(jié)方法的第二部分產(chǎn)生額定值。調(diào)節(jié)方法的第二部分，即瞬時(shí)調(diào)節(jié)方法根據(jù)產(chǎn)生的額定值立刻利用求出的連接點(diǎn)上的電源電壓空間矢量產(chǎn)生一調(diào)節(jié)值(補(bǔ)償裝置的自動(dòng)變流器電壓空間矢量的角位置)，利用最佳脈沖圖形將該調(diào)節(jié)值轉(zhuǎn)換成開關(guān)狀態(tài)信號(hào)。該動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)值的作用在于，在補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)間交換電能。一旦實(shí)現(xiàn)所需要的瞬時(shí)無功功率(新的工作點(diǎn))，則動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)值重新為零。在瞬時(shí)過程中(無功功率變化)換流器電壓空間矢量向電源電壓空間矢量移動(dòng)，以便在此瞬時(shí)過程中產(chǎn)生的瞬時(shí)功率不等于零，此點(diǎn)是必要的，以便可以調(diào)整一個(gè)新的工作點(diǎn)(無功功率變化)。
采用此分階調(diào)節(jié)方法，補(bǔ)償裝置可以快速地對(duì)連接點(diǎn)上電源電壓的變化做出反應(yīng)并且將用于控制電源電壓達(dá)到一個(gè)預(yù)定值所需的瞬時(shí)無功功率加到電網(wǎng)上或由從電網(wǎng)中進(jìn)行接收。
在從屬權(quán)利要求2至5中對(duì)本方法有益的設(shè)計(jì)做了表述。
在靜態(tài)補(bǔ)償裝置中實(shí)施本發(fā)明方法的裝置中(該靜態(tài)補(bǔ)償裝置具有一帶至少一個(gè)電容存儲(chǔ)器和一變壓器的自動(dòng)換流器)，該裝置具有一帶下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路的電壓調(diào)節(jié)回路，其中該下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路與微分發(fā)生器的第二輸入端連接，在微分發(fā)生器的第一輸入端上加有求出的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的電源電壓空間矢量的角位置值。該裝置根據(jù)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的電源電壓產(chǎn)生換流器空間矢量的角位置值作為控制組件的調(diào)節(jié)值。由于在控制組件中采用了最佳脈沖圖形，故根據(jù)確定的換流器空間矢量角位置值選出的開關(guān)信號(hào)促使換流器在其輸出端調(diào)整出所需要的電壓空間矢量。采用此換流器電壓空間矢量獲得在變壓器漏電抗上的變化的壓降(數(shù)值和相位)，該漏電抗隨電源電流調(diào)節(jié)，從而在瞬時(shí)過程中在電源電壓空間矢量方向或其反向存在電流分量和與電源電壓空間矢量垂直的電流分量。在電源電壓空間矢量方向或與其反向的該分量與該空間矢量共同構(gòu)成瞬時(shí)功率，其對(duì)所要求的無功功率變化是必須的，以便可以對(duì)電容存儲(chǔ)器充電或放電。在瞬時(shí)過程結(jié)束時(shí)換流器的電容存儲(chǔ)器和電源電流空間矢量根據(jù)所需要的工作點(diǎn)具有相應(yīng)的電壓和所需要的與電源電壓空間矢量垂直的電流分量。
這種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與分階調(diào)節(jié)相符，其中由下層較快的調(diào)節(jié)回路實(shí)現(xiàn)由上層較慢的調(diào)節(jié)回路產(chǎn)生的額定值。
有關(guān)裝置的有益的設(shè)計(jì)，見從屬權(quán)利要求7至9。
下面將對(duì)照在其中示意性表述本發(fā)明裝置實(shí)施例的附圖，進(jìn)一步說明利用一具有帶至少一電容存儲(chǔ)器的變流器的靜態(tài)補(bǔ)償裝置對(duì)電源網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的電源電壓進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制的本發(fā)明的方法和裝置，其中

圖1是本說明書引言部分中所述補(bǔ)償裝置的方框圖，該補(bǔ)償裝置接在一帶有實(shí)施本發(fā)明方法的裝置的交流電源上；圖2是有關(guān)的實(shí)型的等效電路圖；圖3為上層電壓調(diào)節(jié)回路的方框圖；圖4和5為下層的瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路(瞬時(shí)無功功率調(diào)節(jié)、瞬時(shí)無功電流調(diào)節(jié))的方框圖6為對(duì)應(yīng)于圖2等效電路圖的動(dòng)態(tài)空間矢量圖；圖7為穩(wěn)定工作時(shí)的矢量圖；圖8為變流器電壓空間矢量與變流器中間回路電壓關(guān)系的空間矢量圖；圖9為調(diào)整補(bǔ)償裝置新工作點(diǎn)瞬時(shí)過程的矢量圖；圖10為本說明書引言部分中所述的補(bǔ)償裝置的所謂的電壓-電流特性曲線；圖11為已知的位移無功功率調(diào)節(jié)回路的方框圖。
在圖1的方框圖中用2表示補(bǔ)償裝置，用4表示交流電源、6表示測(cè)量值裝置、8表示實(shí)施本發(fā)明方法的裝置和10表示已知的位移無功功率調(diào)節(jié)。靜態(tài)補(bǔ)償裝置2具有一個(gè)至少帶有一個(gè)電容存儲(chǔ)器14的自動(dòng)變流器12和一個(gè)變壓器，該變壓器在圖中用電壓XT示出。自動(dòng)變流器12通過此變壓器接在交流電源4上。連接點(diǎn)或電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)用PCC(Point of Common Coupling)表示。正如本說明書引言部分中所述，這種補(bǔ)償裝置2通常稱作“靜態(tài)無功伏安發(fā)生器(SVG)”、“高級(jí)靜態(tài)無功伏安補(bǔ)償器”(ASVS)”或“靜態(tài)電容器(STATCON)”。
測(cè)量裝置6由高壓測(cè)量變送器16、電流測(cè)量裝置18、在此未進(jìn)一步說明的測(cè)量處理裝置和坐標(biāo)變換器20構(gòu)成。電流測(cè)量裝置18也可以設(shè)置在靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的變壓器的低壓側(cè)。該坐標(biāo)變換器的輸出電源電壓-空間矢量v的笛卡爾坐標(biāo)vα、vβ和電源電流-空間矢量i的笛卡爾坐標(biāo)iα、iβ的輸出分別輸送給裝置8和調(diào)節(jié)10。從對(duì)異步電機(jī)針對(duì)場(chǎng)的調(diào)節(jié)技術(shù)中已充分了解這種坐標(biāo)變換器。用于實(shí)施本發(fā)明方法的裝置8包含一調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)，該調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)由圖3中進(jìn)一步示出的上層的電壓調(diào)節(jié)回路22和下層的瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路24構(gòu)成，其中圖4和5分別進(jìn)一步示出一種實(shí)施方式。
從電源4的角度看，也可以把靜態(tài)補(bǔ)償裝置2理解成三入口，其中在補(bǔ)償器2內(nèi)具有一個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的電位點(diǎn)分別是每個(gè)入口的電源連接端子。由于涉及的是三線系統(tǒng)，故電源電流不含有零系統(tǒng)分量。由于在具有非零系統(tǒng)的電流的電壓中的零系統(tǒng)分量不會(huì)構(gòu)成瞬時(shí)功率，故所有功率都可以通過電流和電壓的空間矢量計(jì)算得出。
瞬時(shí)功率p(t)與流入靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的電流是相關(guān)聯(lián)的。該瞬時(shí)功率可由相圖根據(jù)流入三個(gè)入口的瞬時(shí)功率的總合計(jì)算出并可根據(jù)空間矢量圖示相應(yīng)簡(jiǎn)單地根據(jù)電源電壓空間矢量v和電源電流空間矢量i的α和β坐標(biāo)求出。由旋轉(zhuǎn)-90°的電源電壓空間矢量v與電源電流空間矢量i構(gòu)成的瞬時(shí)功率為瞬時(shí)無功功率q(t)并同樣可以借助電源電壓空間矢量v和電源電流空間矢量i的α和β坐標(biāo)求出。在理想的正弦電源電壓和電源電流時(shí)的穩(wěn)定狀況條件下q(t)等于基波移位無功功率Q。有功功率P作為瞬時(shí)功率p(t)在電源周期上的平均值求出并在穩(wěn)定狀態(tài)條件下(對(duì)在靜態(tài)補(bǔ)償裝置中的損耗忽略不計(jì))為零。
如圖2的等效電路圖所示，用電壓為vSL的電壓源28表示理想的電源4。其有限的短路功率用電感XL表示。靜態(tài)補(bǔ)償裝置及用于電壓適配的變壓器的漏感用電壓XT表示。自動(dòng)變流器12的電源側(cè)的電壓vS用電壓流28表示。電源電流空間矢量i根據(jù)自動(dòng)變流器12的電壓空間矢量進(jìn)行調(diào)整，該電源電流空間矢量在用于電壓適配的變壓器的漏感XT上產(chǎn)生電壓空間矢量vT。通過以數(shù)值和相位方式對(duì)自動(dòng)變流器12的電壓空間矢量vS的預(yù)給定確定出靜態(tài)補(bǔ)償裝置2與電源4間的能量交換。
為將連接點(diǎn)PCC上的電源電壓v上調(diào)整到恒定不變的振幅V上，靜態(tài)補(bǔ)償裝置2必須與電源4進(jìn)行移位無功功率交換。在實(shí)踐中電源4沒有無限短路功率，而是具有有限短路功率。故在連接點(diǎn)PCC上的電壓空間矢量v等于電壓空間矢量vSL和vL(在短路電感XL上的壓降)的和。這時(shí)當(dāng)電壓空間矢量vSL的幅度急劇降到較小的值時(shí)，則在靜態(tài)補(bǔ)償裝置2與電源4沒有功率交換的前提下(無載)，這將伴隨在連接點(diǎn)PCC上的電壓v的相應(yīng)壓降。利用靜態(tài)補(bǔ)償裝置2將移位無功功率加到電源上(其作用方式與電容器相同)，可以消除該壓降。這樣電源電壓空間矢量v的振幅V對(duì)應(yīng)于振幅VSL增大的值為I·XL。反之，利用靜態(tài)補(bǔ)償裝置2由電源4接收移位無功功率(其作用方式與扼流圈相同)，可以消除振幅V的增高。
在電壓控制回路22中宜使用空間矢量表示法。替代在連接點(diǎn)PCC上各導(dǎo)線對(duì)地電壓振幅的時(shí)間平均值，直接對(duì)連接點(diǎn)PCC上的電壓空間矢量v的值進(jìn)行分析(此值在正弦交流電壓系統(tǒng)中與導(dǎo)線對(duì)地相電壓振幅相同)。該值還要按照濾波器30，例如第一級(jí)延遲網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)濾波，以便充分地減少電源電壓失真的影響。如圖3所示，經(jīng)濾波的數(shù)值v通過比較器32與電壓振幅額定值V’ref進(jìn)行比較并且調(diào)節(jié)偏差被輸送給PI(比例積分)調(diào)節(jié)器34。輸出信號(hào)是一個(gè)瞬時(shí)額定值qref及isvref，該值將轉(zhuǎn)加到下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路24上。在連接點(diǎn)PCC上的電壓空間矢量v的數(shù)值由一數(shù)值發(fā)生器36根據(jù)連接點(diǎn)PCC上的電壓空間矢量v的電壓坐標(biāo)vα和vβ確定。
在圖4中示出下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路24的第一實(shí)施方式的方框圖。由于輸送給該調(diào)節(jié)回路24的是瞬時(shí)無功功率額定值qref，故該調(diào)節(jié)被稱作瞬時(shí)無功功率調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)回路24由輸入端的帶有后置的P(比例)調(diào)節(jié)器40的比較器38和輸出端的微分發(fā)生器42構(gòu)成。比較器38的反相輸入端與計(jì)算瞬時(shí)無功功率實(shí)際值q的裝置44的輸出端相連接。電源電流空間矢量i和電源電壓空間矢量v的坐標(biāo)iα、iβ和vα、vβ加在該裝置的輸入端。在這種有益的實(shí)施方式中備有一個(gè)計(jì)算裝置作為裝置44，等式q＝3/2·(vβ·iα-vα·iβ)存儲(chǔ)在該計(jì)算裝置內(nèi)。
微分發(fā)生器42的輸出端與控制組件46的輸入端連接，該控制組件利用最佳脈沖圖形由求出的變流器電壓空間矢量vs的角位置σ為靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的自動(dòng)變流器產(chǎn)生開關(guān)狀態(tài)信號(hào)Sv。在連接點(diǎn)PCC上的電源電壓空間矢量v的角位置值ψ加在該微分發(fā)生器42的第一輸入端。該微分發(fā)生器42的第二輸入端與比例調(diào)節(jié)器40的輸出端連接，在該輸出端加有一個(gè)相角值δ。
圖5方框圖示出的下層的瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路24的第二實(shí)施方式與圖4的第一實(shí)施方式的區(qū)別在于，瞬時(shí)無功電流額定值isvef作為額定值被輸送給輸入端的比較器38。該比較器38的反相輸入端與用于計(jì)算瞬時(shí)無功電流實(shí)際值isv的裝置48相連接。該實(shí)際值isv利用電源電流空間矢量i和電源電壓空間矢量v的坐標(biāo)iα、iβ和vα、vβ根據(jù)下式isv＝(vβ·iα-vα·iβ)/|v|計(jì)算得出。由于在該瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路24中瞬時(shí)無功電流isv被用于產(chǎn)生相位δ，故也被稱作瞬時(shí)無功電流調(diào)節(jié)。
圖6示出屬于圖2等效電路圖的動(dòng)態(tài)空間矢量圖。循環(huán)的空間矢量v通過給出的坐標(biāo)變換由測(cè)出的相量值得出。用相角δ標(biāo)示變流器電壓空間矢量vs與循環(huán)的電源電壓空間矢量v的相對(duì)相位。角度ψ表示以固定的直角坐標(biāo)系α、β的α軸為基準(zhǔn)的循環(huán)的電源電壓空間矢量v的位置，角度σ表示以α軸為基準(zhǔn)的循環(huán)的變流器電壓矢量vs的位置。就電源電壓空間矢量v而言，循環(huán)的電源電流空間矢量i可以被分成兩個(gè)分量其中一個(gè)分量是沿循環(huán)的電源電壓空間矢量v方向或與其反向的，用ipv標(biāo)示，而另一分量與電源電壓空間矢量v垂直，用isv標(biāo)示。經(jīng)簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，僅分量ipv對(duì)形成瞬時(shí)功率起作用。相反，分量isv含有有關(guān)瞬時(shí)無功功率的完整的信息。不管是瞬時(shí)無功功率q(t)還是瞬時(shí)功率p(t)都可以非常簡(jiǎn)單地由電源電壓空間矢量v和電源電流空間矢量i的坐標(biāo)計(jì)算得出。在穩(wěn)定狀態(tài)條件下靜態(tài)補(bǔ)償裝置2和電源(對(duì)損耗忽略不計(jì))間沒有瞬時(shí)功率p(t)并因而也沒有有功功率p進(jìn)行交換，而交換的僅是瞬時(shí)無功功率q(t)及無功功率Q。
圖7的矢量圖適用于各種穩(wěn)定的工作狀態(tài)(空載、電感負(fù)載、電容負(fù)載)。電源4與靜態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置2間交換靜態(tài)無功功率的情況可以在矢量圖中看出，此時(shí)，電源電壓空間矢量v和電源電流空間矢量i總是相互垂直的(在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)時(shí)根據(jù)瞬時(shí)功率p(t)的出現(xiàn)該相位關(guān)系是任意的)。
當(dāng)各直流電壓完全相等時(shí)，變流器電壓空間矢量vS與中間回路電壓間的關(guān)系則尤為簡(jiǎn)單。這時(shí)用變換比例空間矢量ü說明該關(guān)系。在設(shè)定電源電壓的角幅為ωt并且變流器電壓空間矢量vS和電源電壓空間矢量v間的相角用δ標(biāo)示的情況下，根據(jù)圖8的矢量圖的相應(yīng)的角標(biāo)示適合下述等式vs(t)＝ü(t)·Vdcü(t)＝|ü|·ej(ωt-δ)。
因脈沖圖形是最佳的，故變換比例空間矢量ü的值是不變的。這意味著，中間回路電壓根據(jù)電流空間矢量i并隨之根據(jù)交換的無功功率可取各種值。當(dāng)靜態(tài)補(bǔ)償裝置2起著扼流圈作用并由電源4接收無功功率時(shí)，則直流電壓小于空載時(shí)的直流電壓。在靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的電容范圍內(nèi)，直流電壓大于空載時(shí)的直流電壓。此點(diǎn)在圖7矢量圖中也可以看出。反之，也可以保持直流電壓進(jìn)行變化，以便實(shí)現(xiàn)所需的與電源的無功功率交換。但該直流電壓變化在所需的瞬時(shí)充放電過程中伴隨電源與電流電壓電容器間的能量交換。所以為進(jìn)行無功功率變化必須在電源電流中總是存在分量ipv，因?yàn)橹挥性撾娏鞣至縤pv才能與電源電壓空間矢量v構(gòu)成瞬時(shí)功率。
在圖9中在一以ωt循環(huán)的坐標(biāo)α′、jβ′中表述了該瞬時(shí)過程，其中電源電壓空間矢量v′靜止在一循環(huán)的坐標(biāo)系α′jβ′中并指向α′方向。在該坐標(biāo)系中靜止的電流分量ipv總是指向α′或-α′方向，靜止的電流分量isv與此相反總是指向β′或-β′方向。用A1標(biāo)示的點(diǎn)例如適用于靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的電容范圍。電流空間矢量i′相對(duì)于電壓空間矢量v的相位為90°。用A2標(biāo)示的工作點(diǎn)適用于電感范圍。在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，電流空間矢量i′的α′坐標(biāo)總是等于零。如上所述，在調(diào)整新的工作點(diǎn)時(shí)需要在靜態(tài)補(bǔ)償裝置2與電源4間進(jìn)行能量交換，即在交換期間電源電流空間矢量i′中的α′分量必須不等于零。為降低加到電源4的無功功率(減少電容工作方式)必須通過自動(dòng)變流器12的中間回路電容器14降低電壓，即產(chǎn)生一由靜態(tài)補(bǔ)償裝置2至交流電壓網(wǎng)4的能量流。對(duì)此必要的α′分量必須是負(fù)的并且在該坐標(biāo)系中的電流空間矢量i′的尖端與其搭接的路徑(瞬時(shí)過程中的電流空間矢量i′的矢量軌跡)如β′軸的下面所示。對(duì)實(shí)際應(yīng)用重要的是，在瞬時(shí)過程中電流空間矢量i′不脫離開一由自動(dòng)變流器12的可斷開的功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)容量決定的圓，該圓用虛線示出并用|i|max標(biāo)示，因?yàn)榉駝t將導(dǎo)致保護(hù)斷路。另外矢量軌跡(Trajektorie軌跡)的形狀是調(diào)節(jié)品質(zhì)因數(shù)的量度。當(dāng)例如靜態(tài)補(bǔ)償裝置盡可能迅速地達(dá)到其新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，則軌跡必須在盡可能直接的路徑上由一個(gè)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)工作點(diǎn)。
電流分量ipv的構(gòu)成(圖6)是通過在漏電抗上的相應(yīng)壓降vT實(shí)現(xiàn)的(電流與電壓時(shí)間面積成比例)。該漏電抗空間矢量是由于調(diào)節(jié)過程在電源電壓空間矢量v與變流器電壓空間矢量vS動(dòng)態(tài)地需要一相角δ而導(dǎo)致的。一旦達(dá)到所需要的瞬時(shí)無功功第q(t)(自動(dòng)變流器12的電容存儲(chǔ)器14具有與所需要的工作點(diǎn)A2相應(yīng)的電壓并且電源電流空間矢量i具有所需要的電流分量isv)，相角δ又重新為零(功率損耗忽略不計(jì))。自動(dòng)變流器12的中間回路電壓不必進(jìn)行明顯的調(diào)節(jié)即可自動(dòng)調(diào)整到屬于工作點(diǎn)A1或A2的值上。
由循環(huán)的坐標(biāo)系的β軸和軌跡D(矢量軌跡)環(huán)圍的陰影面B含有在瞬時(shí)再充電過程中由穩(wěn)定的補(bǔ)償裝置2的自動(dòng)變流器12輸送給電源L的能量。瞬時(shí)過程在工作點(diǎn)A1(補(bǔ)償裝置的電容工作)處開始并在工作點(diǎn)A2(補(bǔ)償裝置的電感工作)處結(jié)束。由循環(huán)的坐標(biāo)系的β軸和軌跡E(矢量軌跡)環(huán)圍的陰影面C含有在瞬時(shí)再充電過程中電源4和補(bǔ)償裝置2的自動(dòng)變流器12間交換的能量。此瞬時(shí)過程在工作點(diǎn)A2(電感工作)處開始并在工作點(diǎn)A1(電容工作)處結(jié)束。由此圖同樣可以看出，在工作點(diǎn)A1和A2處由補(bǔ)償裝置2僅將無功功率輸入電源4中或由電源中僅接收無功功率。僅在瞬時(shí)過程中需要用于自動(dòng)變流器12的電容存儲(chǔ)器14的再充電過程的瞬時(shí)功率p(t)。
圖10示出帶有具有至少一個(gè)電容存儲(chǔ)器14的自動(dòng)變流器12的靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的所謂的電壓-電流特性曲線。每根平行的由左開始上升的線作為電源電壓空間矢量值v的函數(shù)表述在恒定不變的變流器電壓空間矢量值vs的情況下的靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的工作特性曲線。在橫坐標(biāo)上可以讀出由此產(chǎn)生的電流空間矢量值。在此圖中例如可以繪制電源特性曲線V＝VSL-I·XL。該曲線與靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的相應(yīng)的工作特性曲線的交點(diǎn)是穩(wěn)定調(diào)整的工作點(diǎn)A1及A2。根據(jù)此圖可以很容易求出需要哪個(gè)電源電壓空間矢量值vs及哪個(gè)電源電流空間矢量值I，以便電源電壓空間矢量v重新取其額定值。此點(diǎn)與靜態(tài)補(bǔ)償裝置2的工作特性曲線的選取相符，該工作特性曲線在所需要的工作點(diǎn)A1及A2與電源特性曲線相交。在實(shí)踐中工作范圍例如由有限的熱負(fù)載(平行于縱坐標(biāo)的粗線)、變流器12的功率半導(dǎo)體開關(guān)的最大瞬時(shí)斷路電流(虛線)和變流器12的最大允許中間回路電壓決定。這里所述的調(diào)節(jié)可調(diào)整到所需的具有最佳動(dòng)態(tài)工作特性的工作點(diǎn)。
與對(duì)傳統(tǒng)的靜態(tài)無功功率補(bǔ)償器調(diào)節(jié)時(shí)的情況相同，在采用該調(diào)節(jié)方法時(shí)也可以將帶有自動(dòng)變流器12的靜態(tài)補(bǔ)償裝置2近似穩(wěn)定地調(diào)控到工作點(diǎn)A1及A2上，該工作點(diǎn)從操作技術(shù)角度來看是最佳的(例如損耗小、對(duì)調(diào)節(jié)過程具有大的調(diào)整潛力)。只要不脫離連接點(diǎn)PCC上的預(yù)定的電源電壓的容限帶(例如0.98......1.02pu)，調(diào)節(jié)將導(dǎo)引靜態(tài)補(bǔ)償裝置2例如將持續(xù)向所需的工作點(diǎn)移動(dòng)(持續(xù)或改變交換的位移無功功率)。該與電壓調(diào)節(jié)疊加在一起的緩慢的調(diào)節(jié)具有作為額定值的穩(wěn)定的額定位移無功功率Qref并利用比較器50將此額定位移無功功率與實(shí)際的位移無功功率Q進(jìn)行比較，其中在所述比較器后接有一個(gè)調(diào)節(jié)器52。利用調(diào)節(jié)器52的輸出值ΔV對(duì)電源電壓額定值Vref進(jìn)行修改并將修改后的額定值V′ref輸送給電壓調(diào)節(jié)回路22。利用裝置54根據(jù)在連接點(diǎn)PCC上求出的電源電流空間矢量i和求出的電源電壓空間矢量v的坐標(biāo)iα、iβ和vα和vβ計(jì)算出實(shí)際位移無功功率Q。為此該裝置54例如含有等式Q(t)=1T∫0Tq(t)·dt]]>和q(t)＝3/2(vβ·iα-vα·iβ)例如在德國(guó)“電工雜志”，115卷，1994年，第22-23期，1332至1338頁中就記載了這種位移無功功率調(diào)節(jié)回路56，其中該出版物公開了一種由可控硅控制的扼流圈(TCR)、可控硅控制的電容器(TSC)和一固定的電容器(FC)構(gòu)成的傳統(tǒng)的靜態(tài)補(bǔ)償器。
該緩慢的調(diào)節(jié)與快速的下層調(diào)節(jié)級(jí)聯(lián)并不沖突，這是因?yàn)樗皇窃诤撩敕秶?，而是在秒范圍工作，時(shí)間常數(shù)得到了充分分離。
權(quán)利要求
1.一種利用靜態(tài)補(bǔ)償裝置(2)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的電源電壓(v)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制的方法，該靜態(tài)補(bǔ)償裝置具有一帶有至少一電容存儲(chǔ)器(14)的自動(dòng)變流器(12)和一變壓器，其中根據(jù)求出的在電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的電源電壓空間矢量(v)的值(V)與電源電壓空間矢量(v)預(yù)定的數(shù)值額定值(V′ref)的偏差持續(xù)地確定下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)方法的額定值(qref、isverf)，其中根據(jù)求出的瞬時(shí)實(shí)際值(q、isv)與給出的瞬時(shí)額定值(qrefisvref)的偏差產(chǎn)生一個(gè)相角(δ)，該相角指示產(chǎn)生的自動(dòng)變流器(12)的電壓空間矢量(vs)與電源電壓空間矢量(v)的瞬時(shí)相移，由此相角根據(jù)電源電壓空間矢量(v)的角位置(ψ)求出自動(dòng)變流器(12)的電壓空間矢量(vs)的角位置(σ)，采用此角位置利用最佳脈沖圖形為自動(dòng)變流器(12)選出配屬的通斷狀態(tài)信號(hào)(Sv)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采用瞬時(shí)無功功率(q)作為下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)方法的瞬時(shí)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中采用瞬時(shí)無功電流分量(isv)作為下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)方法的瞬時(shí)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中根據(jù)等式q＝3/2(vβ·iα-vα·iβ)由求出的電源電壓空間矢量(v)和求出的電源電流空間矢量(i)的坐標(biāo)(vα、vβ、iα、iβ)確定瞬時(shí)無功功率實(shí)際值(q)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中根據(jù)等式isv＝(vβ·iα-vα·iβ)/|v|由求出電源電壓空間矢量(v)和求出的電源電流空間矢量(i)的坐標(biāo)(vα、vβ、iα、iβ)和求出的電源電壓空間矢量(v)的數(shù)值(|v|)確定瞬時(shí)無功電流實(shí)際值(isv)。
6.一種在靜態(tài)補(bǔ)償裝置(2)中實(shí)施根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法的裝置(8)，所述靜態(tài)補(bǔ)償裝置具有帶至少一個(gè)電容存儲(chǔ)器(14)的自動(dòng)變流器(12)和變壓器，其中該裝置具有一帶下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路(24)的電壓調(diào)節(jié)回路(22)，其中該瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路(24)的輸出端與微分發(fā)生器(42)的第二輸入端連接，在微分發(fā)生器的第一輸入端加有電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的求出的電源電壓空間矢量(v)的角位置值(ψ)并且其輸出端與靜態(tài)補(bǔ)償裝置(2)的自動(dòng)變流器(12)的控制組件(46)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置(8)，其中電壓調(diào)節(jié)回路(22)具有一帶后置的調(diào)節(jié)器(34)的比較器(32)和一電源電壓數(shù)值發(fā)生器(36)，其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的電源電壓空間矢量(v)的預(yù)定數(shù)值額定值(V′ref)加在比較器(32)的非反相輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置(8)，其中下層瞬時(shí)調(diào)節(jié)回路(24)具有一帶后置調(diào)節(jié)器(40)的比較器38和一計(jì)算瞬時(shí)實(shí)際值(q、isv)的裝置(44及48)，其中該裝置(44及48)的輸出端與比較器(38)的反相輸入端相連接并且比較器(38)的非反相輸入端與電壓調(diào)節(jié)回路(22)的調(diào)節(jié)器(34)的輸出端連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置(8)，其中備有一計(jì)算裝置作為計(jì)算瞬時(shí)實(shí)際值(q、isv)的裝置(47及48)，在該計(jì)算裝置中存儲(chǔ)有根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求5的等式。
全文摘要
一種利用靜態(tài)補(bǔ)償裝置(2)對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的電源電壓(v)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)控制的方法,所述靜態(tài)補(bǔ)償裝置具有一帶有至少一個(gè)電容存儲(chǔ)器(14)的自動(dòng)變流器(12)和一變壓器,以及實(shí)施此方法的裝置(8)。根據(jù)本發(fā)明,根據(jù)求出的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(PCC)上的電源電壓(v)值的偏差為下層的瞬時(shí)調(diào)節(jié)過程持續(xù)地求出瞬時(shí)額定值(q
文檔編號(hào)H02J3/18GK1181160SQ96193119
公開日1998年5月6日 申請(qǐng)日期1996年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月9日
發(fā)明者邁克爾·韋恩霍爾德 申請(qǐng)人:西門子公司