專利名稱：用于一種具有脈沖變流器的補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償無功電流分量的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和一種裝置，用于采用一種與負(fù)載電氣并聯(lián)的補(bǔ)償裝置來對一由電網(wǎng)供電的非理想負(fù)載的無功電流分量作補(bǔ)償，該補(bǔ)償裝置具有一帶有至少一個電容存貯器的脈沖變流器、一匹配濾波器以及一調(diào)節(jié)和控制裝置。
從刊登在1992年10月在美國德克薩斯州休斯敦舉行的IAS年會的會議錄(IEEE-IAS Conference Proceedings of the IAS Annual Meeting inHouston/Texas,October 1992)中地署名為R.Marschalko和M.Weinhold所作的文章“用于三相電壓直流耦合脈寬調(diào)制變換器的最佳控制和恰當(dāng)脈寬調(diào)制”(Optimal Control and Appropriate Pulse Width Modulation for a Three-phaseVoltage dc-link PWM Convertes)中已知有一種用于執(zhí)行如權(quán)利要求1前序部分所述方法的裝置和方法。
在電力網(wǎng)中越來越多地使用非線性負(fù)載器(尤其是如在個人計算機(jī)、電視機(jī)等中的電源部分中的二極管整流器)則越來越使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。其電流也飽含著諧波成分且在網(wǎng)絡(luò)阻抗中產(chǎn)生壓降，該壓降疊加到起始為正弦波的電網(wǎng)電壓中。這些電壓畸變當(dāng)它的值變得很大時會導(dǎo)致對電網(wǎng)運(yùn)行裝置(例如變壓器、補(bǔ)償裝置)的過載且干擾其它負(fù)載器的有序操作。
從供電企業(yè)和國際工作小組那里因此公布了關(guān)于最大允許的電壓波形畸變的建議，該電壓波形畸變能導(dǎo)致一負(fù)載。對在低壓電網(wǎng)中的各諧波成分又規(guī)定了所謂的兼容性電平。儀器制造商必須開發(fā)他們的產(chǎn)品，使得這些產(chǎn)品在這種畸變值之下仍能無干擾地工作。供電企業(yè)必須關(guān)心在他們的電網(wǎng)中不超過該兼容性電平。然而在許多電網(wǎng)中的電網(wǎng)電壓畸變程度早已到達(dá)了兼容性電平而且還會進(jìn)一步提高。
在配電網(wǎng)中的另一個問題是工業(yè)中所用的比如線換向晶閘管變流器或異步電機(jī)的取決于工作點(diǎn)的以及由此一般也是交變的無功功率需求。這些儀器的各個用戶必須經(jīng)常根據(jù)與供電的電力企業(yè)所達(dá)成的合同協(xié)議為此而操心出于與高一級電網(wǎng)共聯(lián)點(diǎn)的觀點(diǎn)他要遵循一定的功率因數(shù)。
例如，單相耦合的負(fù)載造成對三相電壓網(wǎng)的一非對稱負(fù)載。根據(jù)電網(wǎng)短路功率，大負(fù)載造成負(fù)載電流，該電流在電網(wǎng)阻抗中造成大的非對稱電網(wǎng)電壓降。這些電網(wǎng)電壓降能干擾用電器的有序工作。
用電器的高的短時間有功功率要求可造成提高的電源參考價格，因?yàn)楣╇姷碾娏臼共糠帜茉促M(fèi)用取決于在一定的時間問題中(經(jīng)常為一年)最大標(biāo)稱有功功率。通過使用一種貯能器，該貯能器在該高峰負(fù)載時間內(nèi)給出事先貯存好的能量，則可削減功率峰值并降低電能價格。通過使用貯能器也可避免昂貴的電網(wǎng)擴(kuò)建工程。
迄今為止采用常規(guī)的濾波器回路已可解決負(fù)載電流諧波成分以及由此產(chǎn)生的電網(wǎng)電壓畸變的問題。自80年代中期以來已使用了有源濾波器，其調(diào)節(jié)方法既可在時域也可在頻域進(jìn)行工作。在Sevilla召開的EPE’95國際會議所出版的會議錄第0.017～0.026頁上所載的署名作者為H.Akagi的題為“有源濾波器新趨勢”一文(“New Trends in Active Filters”,H.Akagi,Conference Proceedings of EPE’95 in Sevilla)中介紹了許多不同的有源濾波器。
對無功功率或功率因數(shù)調(diào)節(jié)的補(bǔ)償目前通常仍是用被調(diào)節(jié)的扼流的和未扼流的補(bǔ)償器組來進(jìn)行的。近幾年以來也采用線換向變流器、即所謂的靜態(tài)乏補(bǔ)償器(SVC)以及采用自動換向GTO或IGBT變流器、亦即所謂的靜態(tài)電容器來作為解決方案。
在1996年4月9～11日舉行的“未來的電力傳遞EPRI國際會議”出版的會議錄中署名為D.Povh和M.Weinhold的題為“配電系統(tǒng)用FACTS的進(jìn)展”(“Development of FACTS for Distribution Systems”,D.Povh andM.Weinhold.Conference Proceedings ofthe EPRI-Conference on the Future ofPower Delivery,April 9-11,1996)一文中詳細(xì)描述了這樣一種帶有一IGBT脈沖變流器的補(bǔ)償裝置。這樣一種補(bǔ)償裝置也被稱為電力調(diào)整器，尤其稱西門子電力調(diào)整器(SIPCON)。這樣一種電力調(diào)整器具有一脈沖變流器，該變流器經(jīng)一電感-電容-電感濾波器并聯(lián)至電網(wǎng)中。該電感-電容-電感濾波器的任務(wù)是降低脈寬調(diào)制控制裝置的操作頻率反作用。所使用的變流器是為轉(zhuǎn)速受控制的驅(qū)動裝置而開發(fā)的且以2kVA～1.5MVA的額定功率的型號大批量生產(chǎn)，這種變流器代表了SIPCON的基礎(chǔ)。這種脈沖變流器包含絕緣柵雙極晶體管(IGBT)且以高達(dá)16kHz的工作頻率進(jìn)行工作。該電力調(diào)整器可用一貯能器來加以擴(kuò)展，以短接有功功率故障并均衡負(fù)載波動。普通的應(yīng)用情況是并聯(lián)。這種聯(lián)接適合于用無功功率來調(diào)節(jié)電壓波動以及對負(fù)載的低次諧波分量進(jìn)行濾波。另一種可能性是將功率調(diào)整器作串聯(lián)。當(dāng)負(fù)載必須被供以改善的電壓質(zhì)量或當(dāng)經(jīng)常出現(xiàn)瞬態(tài)電網(wǎng)電壓波動時，這一聯(lián)接方式是有優(yōu)點(diǎn)的。
這一功率調(diào)整器的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)是這樣來設(shè)計的在三種模式之間可進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在輸入端，調(diào)節(jié)具有一空間向量變換裝置，用該裝置從被測的電網(wǎng)電流、線電壓以及補(bǔ)償器電流中可生成一電網(wǎng)電流空間向量、一線電壓空間向量以及一補(bǔ)償器電流空間向量。將這些空間向量數(shù)字化并輸入一電壓調(diào)節(jié)、一無功電流補(bǔ)償以及一閃爍調(diào)節(jié)，其中這些調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)一轉(zhuǎn)換器被輸入脈沖變流器的一脈寬調(diào)節(jié)器。
如果選定了電壓調(diào)節(jié)模式，電網(wǎng)電壓的空間向量則與一設(shè)定值相比較。一PI調(diào)節(jié)器然后檢測無功功率，該無功功率是消除電壓波動所必需的。無功功率調(diào)節(jié)器的輸出值被傳遞到脈寬調(diào)制器。
負(fù)載對稱迄今為止通常是用砌石電路來實(shí)施的。這些電路由無功元件(電容器和電抗器)組成，它們根據(jù)需要經(jīng)開關(guān)或變流器(例如三相電流調(diào)節(jié)器)接入電網(wǎng)。
貯能器迄今主要是用于電站故障時的儲備以及頻率調(diào)節(jié)。從德國專利公開文本4215550中已知有一種用于從一個用于交流電網(wǎng)的直流貯能器中制備電能的裝置，其中使用了一種超導(dǎo)磁貯能器(SMES)作為具有很高的貯能器效率的直流貯能器。
在上文提及的國際會議報告(美國休斯敦召開)中介紹了一些調(diào)節(jié)方法，這樣功率調(diào)整器能補(bǔ)償基波分量位移無功功率。為從電力網(wǎng)中消除負(fù)載的不希望的無功電流分量，補(bǔ)償裝置必須將該分量饋入負(fù)載，這樣補(bǔ)償器的電流分量在電網(wǎng)共聯(lián)點(diǎn)(亦稱PCC)上抬高了負(fù)載的無功電流分量。為此要從電網(wǎng)電壓空間向量和電網(wǎng)電流空間向量中首先來計算電網(wǎng)電流所包含的無功電流分量。電網(wǎng)電流一側(cè)的補(bǔ)償器電壓空間向量和電網(wǎng)電壓空間向量間的差值現(xiàn)必須經(jīng)表示為補(bǔ)償器電感的耦合濾波器來產(chǎn)生一電流空間向量，該空間向量可消除電網(wǎng)中不希望的無功電流分量且還能為直流電壓回路供電。所介紹的功率調(diào)整器的調(diào)節(jié)任務(wù)是確定在脈沖變流器的級間耦合電路電壓和電網(wǎng)側(cè)補(bǔ)償器電壓空間向量之間的用于產(chǎn)生該電壓所需的傳輸比空間向量
用所計算到的電網(wǎng)電壓空間向量和所計算到的共軛復(fù)電網(wǎng)電流空間向量來計算瞬時無功功率并輸入一PI調(diào)節(jié)器，在其輸出端則提供有一角度值，該角度值給出電網(wǎng)電壓空間向量和傳輸比空間向量之間的角位移。從該角度并借助于一指向傳輸比空間向量方向上的單位空間向量來產(chǎn)生傳輸比空間向量的一恒定的絕對值，該值被輸?shù)矫}沖變流器的脈寬調(diào)制器中。脈沖變流器在其電網(wǎng)一側(cè)的輸出端根據(jù)電容或貯能器的電壓和傳輸比空間向量來產(chǎn)生一補(bǔ)償器電壓空間向量，該補(bǔ)償器電壓空間向量則經(jīng)其匹配濾波器的電感來驅(qū)動一補(bǔ)償電流。
如果用電器現(xiàn)在需要基波分量位移無功功率的話，則該功率可先從供電網(wǎng)中抽取。在電網(wǎng)中出現(xiàn)該無功功率，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器改變了電網(wǎng)電壓空間向量與電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量間的角度。這樣導(dǎo)致了建立起一補(bǔ)償器電流空間向量，該向量另外還包括一有功分量。由此可導(dǎo)致在電網(wǎng)和中間電路間的一有功功率交換和中間電路電壓的一種改變。角度和中間電路電壓的變化僅僅直到電網(wǎng)中所出現(xiàn)的基波分量相移無功功率消失為止。靜態(tài)時該角度重新為零且補(bǔ)償裝置恰又提供用電器所需的基波分量位移無功功率。然而相對于空載時該中間電路電壓已經(jīng)改變。假設(shè)用電器需要電感式基波分量相移無功功率，則補(bǔ)償裝置必須提供電容式無功功率且電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量要比電網(wǎng)電壓空間向量大許多。這樣中間電路電壓比空載時增加且根據(jù)工作點(diǎn)而出現(xiàn)。
一個理想的三相供電網(wǎng)為用電器提供三個恒定頻率的純正弦波形電壓，它們相互間相移120°，且具有恒定的、相同的幅值。該電網(wǎng)的理想的電網(wǎng)電流在每一相均正比于相應(yīng)的線對地電網(wǎng)電壓，其中比例系數(shù)在所有三相中均相等。這樣即可傳輸一所希望的具有最小共同的電流有效值以及因此也具有最小電網(wǎng)負(fù)載的電能量或有功功率。因此這些電流亦被稱為有功電流。這樣一種理想的用電器對供電網(wǎng)來說其行為就象一個三相對稱的電阻器。
每一個偏離該行為的用電器則會引起對有功功率傳輸沒有貢獻(xiàn)的電流成分。這些電流成分被稱作無功電流。在電源電壓近似對應(yīng)于上述理想情況的前提條件下，該無功電流包含有諧波分量電流(包括一直流分量)，其頻率為電網(wǎng)頻率的倍數(shù)；基波分量相移無功電流，它們經(jīng)電網(wǎng)電壓基波分量和電網(wǎng)電流基波間的相移所產(chǎn)生；以及基波分量非對稱無功電流，它們被反饋至非對稱負(fù)載上。
本發(fā)明的目的在于對用于調(diào)節(jié)已有的具有一脈沖變流器的補(bǔ)償裝置的方法加以改進(jìn)，使得在補(bǔ)償電網(wǎng)中的基波分量位移無功功率時也考慮補(bǔ)償器的基波分量相移無功功率并能調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。
本發(fā)明的目的是通過如權(quán)利要求1所述的特征來實(shí)現(xiàn)的。
在靜態(tài)時，補(bǔ)償裝置提供一基波分量相移無功功率，用該無功功率來覆蓋用電器和補(bǔ)償裝置的基波分量相移無功功率。由此電容式貯能器始終正常地被供電，即便當(dāng)對電網(wǎng)的基波分量位移無功功率的補(bǔ)償被抑制時也是如此。通過計算出電網(wǎng)中的有功功率，則可得到電網(wǎng)電壓空間向量和電網(wǎng)電流空間向量的基波分量順相序系統(tǒng)之間的一所希望的相移。亦即，根據(jù)所計算的電網(wǎng)有功功率和預(yù)先確定的相移可調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。
權(quán)利要求1和2的特征表征了一種具有優(yōu)點(diǎn)的方法。
用該具有優(yōu)點(diǎn)的方法可補(bǔ)償無功電流分量，該無功電流分量包含頻率為電網(wǎng)頻率倍數(shù)的諧波電流、被反饋至非對稱負(fù)載的基波分量非對稱無功電流。為能根據(jù)單個的諧波分量和基波分量非對稱部分分開地補(bǔ)償這一無功電流分量，則對每一個無功功率類型都產(chǎn)生一部分傳輸比空間向量，這些空間向量然后與基礎(chǔ)傳輸比空間向量相加得到一總傳輸比空間向量。
基波分量不對稱性與電網(wǎng)電流諧波分量的鑒別是基于對電網(wǎng)電流空間向量的復(fù)數(shù)傅里葉級數(shù)展開。如果電網(wǎng)電壓基波分量空間向量具有旋轉(zhuǎn)頻率ω，則為鑒別一ν次諧波分量先要產(chǎn)生一單位空間向量，其旋轉(zhuǎn)頻率對一正序系統(tǒng)為+νω而對一負(fù)序系統(tǒng)則為-νω。通過在一個電網(wǎng)周期上取平均則從電網(wǎng)電流空間向量與共軛復(fù)單位空間向量的乘積中可計算出相應(yīng)電網(wǎng)電流分量的復(fù)傅里葉系數(shù)。該復(fù)傅里葉系數(shù)被輸入一積分調(diào)節(jié)器，其輸出信號與一單位空間向量相乘。根據(jù)是否是一正序系統(tǒng)還是一負(fù)序系統(tǒng)，可在乘以一虛線單位j或-j之后得到一部分傳輸比空間向量。用積分調(diào)節(jié)器可將部分傳輸比空間向量的幅值和相角一直改變至相應(yīng)的諧波成分在電網(wǎng)電流中消失為止。在靜態(tài)時，部分傳輸比空間向量與從屬的電壓分量經(jīng)耦合電感與用于補(bǔ)償負(fù)載電流中相應(yīng)諧波成分的補(bǔ)償電流分量垂直。
對每一要補(bǔ)償?shù)闹C波分量，必須要產(chǎn)生一部分傳輸比空間向量。為補(bǔ)償基波分量非對稱性，積分調(diào)節(jié)器的輸出信號與具有旋轉(zhuǎn)頻率ω的一單位空間向量和虛線單位-j相乘，以此來產(chǎn)生一補(bǔ)償非對稱性的部分傳輸比空間向量。
用于執(zhí)行本發(fā)明具有權(quán)利要求1所述特征的方法的一種裝置的結(jié)構(gòu)是由權(quán)利要求3的特征所給出的，其中在權(quán)利要求4～9中給出了該裝置的具有優(yōu)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)型式。
為進(jìn)一步說明根據(jù)本發(fā)明的采用一具有脈沖變流器的補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償無功電流分量的方法以及執(zhí)行該方法的裝置，可參照附圖，附圖中示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的一實(shí)施例。


圖1示出現(xiàn)有的一補(bǔ)償裝置的方塊圖，該裝置具有一脈沖變流器，
圖2示出一用于產(chǎn)生總傳輸比空間向量的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，
圖3示出一用于產(chǎn)生一基礎(chǔ)傳輸比空間向量的已有的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，
圖4示出在復(fù)平面上的一有關(guān)向量圖5示出根據(jù)本發(fā)明的方法的一調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，
圖6示出用于產(chǎn)生一部分傳輸比空間向量的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，
圖7示出在復(fù)平面上的所屬的向量圖，
圖8示出根據(jù)圖1的一補(bǔ)償裝置的一具有優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施形式的方塊圖。
圖1示出一現(xiàn)有補(bǔ)償裝置2的一方塊圖，該補(bǔ)償裝置在上文所述的會議報告題為“用于三相電壓直流耦合脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器的最優(yōu)控制和合適的脈寬調(diào)制”(Optimal Control and Appropriate Pulse Width Modulation for a Three-Phase Voltage dc-link PWM Converner)一文中已作介紹且詳細(xì)描述了其作用方式。該補(bǔ)償裝置2具有一帶有至少一個電容式貯能器6的脈沖變流器4、一匹配濾波器8和一調(diào)節(jié)和控制裝置10。該補(bǔ)償裝置2被并聯(lián)至一非理想用電器12，該用電器12由一電力網(wǎng)14供電。調(diào)節(jié)和控制裝置10被輸入有一電網(wǎng)電壓空間向量
一電網(wǎng)電流空間向量
以及一補(bǔ)償電流空間向量
和一降在脈沖變流器4的兩電容式貯能器6上的中間電路電壓2Ed。這些空間向量
和
從所測得的線電壓、電網(wǎng)電流和補(bǔ)償器電流中經(jīng)一空間向量變換裝置產(chǎn)生。由于該裝置從上文提及的會議報告題為“用于配電系統(tǒng)的FACTS的進(jìn)展”(Development of FACTS for Distribution Systems)一文中已為人所知，因此在本文介紹中僅顯示出補(bǔ)償裝置2的主要部分，匹配濾波器8在此處替代性地用一電感Lk表示，而在上文提及的會議報告中該匹配濾波器8卻是詳加描述的。調(diào)節(jié)和控制裝置10具有一用于確定一傳輸比空間向量
的調(diào)節(jié)裝置16以及一脈寬調(diào)制器18，該脈寬調(diào)制器18用一虛線表示。傳輸比空間向量
為脈沖變流器4的調(diào)節(jié)量，該調(diào)節(jié)量用脈寬調(diào)制器18被轉(zhuǎn)換成用于該脈沖變流器4的控制信號Sv。調(diào)節(jié)裝置16的結(jié)構(gòu)在圖2中被詳細(xì)示出。
由于用電器12不是理想的用電器，因此該非理想的用電器12產(chǎn)生的電流分量對有功功率傳遞沒有任何貢獻(xiàn)。這些電流分量被稱為無功電流。如果電源電壓近似為恒定頻率的純正弦形電壓，該電壓間相互相移120°且具有恒定的相等的峰值，在這一前提條件下這種無功電流則包括諧波分量電流(包括一直流分量)，其頻率等于電網(wǎng)頻率的數(shù)據(jù)；基波分量相移無功電流，該電流由電網(wǎng)電壓基波分量和電網(wǎng)電流基波分量間的相移所產(chǎn)生；以及基波分量非對稱無功電流，它被反饋至非對稱負(fù)載上。
為將所不希望的用電器12的無功電流排除在供電網(wǎng)14之外，補(bǔ)償裝置2須將該分量平行饋入用電器12，這樣補(bǔ)償裝置2的電流分量在共聯(lián)點(diǎn)20上被用電器12的無功電流分量所抬高。為此，首先要從電網(wǎng)電壓空間向量
和電網(wǎng)電流空間向量
中計算包含在電網(wǎng)電流
中的無功電流分量。在電網(wǎng)端的補(bǔ)償器電壓空間向量
和電網(wǎng)電壓空間向量
之間所檢測到的差值經(jīng)表示為補(bǔ)償電感Lk的匹配濾波器8產(chǎn)生一補(bǔ)償電流空間向量
，該向量將不希望的無功電流分量排除在供電網(wǎng)14之外且另外還對電容式貯能器6供電。
調(diào)節(jié)和控制裝置10的任務(wù)是確定中間電路電壓2Ed和電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
之間用于產(chǎn)生該電壓所必要的傳輸比空間向量
為能根據(jù)各諧波分量、基波分量相移無功功率以及基波分量非對稱性分別對無功分量作補(bǔ)償，調(diào)節(jié)和控制裝置10根據(jù)圖2對每一種無功功率形式以及對每一個諧波分量均具有一調(diào)節(jié)器22、24、26、28、30和32，它們的輸出與一加法點(diǎn)34相連接。調(diào)節(jié)器22的構(gòu)造部分表示在圖3中，部分表示在圖5中，而調(diào)節(jié)器24、26、28、30和32則用圖6的一代表性調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)詳細(xì)加以表示。調(diào)節(jié)器22被輸入有檢測到的電網(wǎng)電壓空間向量
和被檢測到的電網(wǎng)電流空氣向量
而調(diào)節(jié)器24,…,32則僅被輸入電網(wǎng)電流空間向量
每個調(diào)節(jié)器22,…,32從其輸入信號中計算一部分傳輸比空間向量
以及
用它們經(jīng)加法點(diǎn)34形成一總傳輸比空間向量
調(diào)節(jié)器22計算出基礎(chǔ)傳輸比空間向量
作為部分傳輸比空間向量，以補(bǔ)償基波分量相移無功功率并用于給脈沖變流器4的電容式貯能器6供電。調(diào)節(jié)器24-32分別計算出一部分傳輸比空間向量
作為部分傳輸比空間向量，以補(bǔ)償電網(wǎng)諧波分量以及電網(wǎng)電流的非對稱性。在該根據(jù)圖2的方塊圖中，調(diào)節(jié)和控制裝置10的調(diào)節(jié)裝置16具有用于補(bǔ)償一6-脈沖晶閘管電橋的四個諧波分量參數(shù)的調(diào)節(jié)器26、28、30和32，用于補(bǔ)償基波分量相移無功功率的調(diào)節(jié)器22、以及用于補(bǔ)償一基波分量不對稱性的調(diào)節(jié)器24。
圖3示出調(diào)節(jié)器22的第一部分36，它在上文所述的會議報告(修斯敦)中已為人所知。該調(diào)節(jié)器22的第一部分36具有一用于確定一基波分量相移無功功率QN的裝置38、一比例積分調(diào)節(jié)器40以及一用于形成一基礎(chǔ)傳輸比空間向量
的裝置42。用于確定一基波分量相移無功功率QN的裝置38具有一用來確定一瞬時無功功率qN的運(yùn)算裝置44，該瞬時無功功率qN亦稱橫向無功功率；以及一后接的平均器46。該平均器46形成橫向無功功率qN在一個電網(wǎng)周期上的均值。該橫向無功功率qN用運(yùn)算裝置44以電網(wǎng)電壓空間向量
以及共軛復(fù)電網(wǎng)電流空間向量
來加以計算。位于平均器46輸出端的基波分量相移無功功率QN被輸入比例積分調(diào)節(jié)器40，其輸出量為一角度δ，該角度位于電網(wǎng)電壓空間向量
和基礎(chǔ)傳輸比空間向量
之間(圖4)。該角度δ位于用于形成一基礎(chǔ)傳輸比空間向量
的裝置42的輸入端。該裝置42具有一函數(shù)發(fā)生器48，在其輸出端有一函數(shù)e-jδ，它經(jīng)一乘法器50與另一函數(shù)發(fā)生器52的輸出信號相乘。該另一函發(fā)生器52在基礎(chǔ)傳輸比空間向量
的方向上形成一單位空間向量，該單位空間向量與一數(shù)值
相乘。由于該總傳輸比空間向量
的數(shù)值是有限的，該數(shù)值
應(yīng)如此來選擇，使得對于其余的部分傳輸比空間向量
和
用于補(bǔ)償諧波分量和基波分量非對稱性仍有足夠的調(diào)節(jié)余量。這樣電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分的角度等于電網(wǎng)電壓角減去角δ且補(bǔ)償器電壓空間向量
的絕對值取決于中間電路電壓2Ed(圖4)。
假定用電器12不接受任何基波分量相移無功功率QN，則電網(wǎng)電壓空間向量
和電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分相等。這樣角度δ等于零且中間電路電壓值
補(bǔ)償器電流空間向量
的所屬分量也為零。
若用電器12要求有基波分量相移無功功率QN，則該無功功率QN首先從供電網(wǎng)14抽取。電網(wǎng)中出現(xiàn)該無功功率QN經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器40改變了電網(wǎng)電壓空間向量
和電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分之間的角度δ。這樣便導(dǎo)致建立一補(bǔ)償器電流空間向量
它此外還包含一有功分量。這樣便在電網(wǎng)14和電容式貯能器6之間形成一有功功率交換，由此中間電路電壓2Ed亦改變。角度δ和中間電路電壓2Ed的改變僅延續(xù)到在電網(wǎng)14中出現(xiàn)的基波分量相移無功功率QN消失為此。在靜態(tài)時，角度δ則重又為零且補(bǔ)償裝置2正好提供了用電器12所需的基波分量相移無功功率QN。然而，中間電路電壓2Ed相對于空載狀況發(fā)生改變。假設(shè)用電器12需要電感性基波分量相移無功功率QN，則補(bǔ)償裝置2必須給出電容式無功功率且電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
明顯大于電網(wǎng)電壓空間向量
因此中間電路電壓2Ed相對于空載時升高且根據(jù)工作點(diǎn)而出現(xiàn)。用這一調(diào)節(jié)回路則因此可同時保證對直流電壓中間電路有序供電，因?yàn)橹虚g電路電壓2Ed的每一偏離其取決于工作點(diǎn)的值的量必然會導(dǎo)致出現(xiàn)基波分量相移無功功率。
圖5中示出調(diào)節(jié)裝置16的調(diào)節(jié)器22的第二部分54，其中調(diào)節(jié)器22的第一部分36的各部件也一起被示出，從中可看出，調(diào)節(jié)器22的該兩部分36和54是如何交互作用的。用于確定基波分量相移無功功率QN的裝置38在輸出端與一比較器56的反相輸入端相連接，其非反相輸入端與一乘法器58的輸出端相連而其輸出端則與一積分調(diào)節(jié)器60相連接。該積分調(diào)節(jié)器60在輸出端與另一比較器62的非反相輸入端相連接，其輸出端與調(diào)節(jié)器22的第一部分36的比例積分調(diào)節(jié)器40相連而其非反相輸入端則與用于確定一補(bǔ)償器無功功率Qk的一裝置64的一輸出端相連接。乘法器58的輸入端一方面與一常值元件63另一方面與用于確定一有功功率PN的一裝置66相連接。該裝置66、乘法器58以及該常值元件63一起組成一設(shè)定值形成器68，在其輸出端有一基波分量相移無功功率QN的設(shè)定值。裝置64和66各具有一后接有平均器46的運(yùn)算裝置44，其中裝置64被輸入一電網(wǎng)電壓空間向量
和一共軛復(fù)補(bǔ)償器電流空間向量
而裝置66被輸入一電網(wǎng)電壓空間向量
和一共軛復(fù)電網(wǎng)電流空間向量
用該調(diào)節(jié)器22的第二部分54除出現(xiàn)在電網(wǎng)14中的基波分量相移無功功率QN之外，還計算電網(wǎng)14中的有功功率PN以及補(bǔ)償裝置2的基波分量相移無功功率Qk。這樣，當(dāng)需要時，例如為了對電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在電網(wǎng)電壓空間向量
和電網(wǎng)電流空間向量
的基波分量正序系統(tǒng)之間得到一所需的相移φsoll，該相移φsoll作為常值元件63的輸入信號。為此，電網(wǎng)有功功率PN與常數(shù)tanφsoll相乘且作為基波分量相移無功功率QN的額定值與基波分量相移無功功率QN的實(shí)際值相比較。調(diào)節(jié)偏差然后被積分調(diào)節(jié)器60所處理。積分調(diào)節(jié)器60的輸出信號則作為補(bǔ)償器無功功率Qk的額定值與補(bǔ)償器無功功率Qk的實(shí)際值相比較且所得到的調(diào)節(jié)偏差被輸入調(diào)節(jié)器22的第一部分的比例積分調(diào)節(jié)器40。
用該調(diào)節(jié)器22來產(chǎn)生一基本傳輸比空間向量
用它不僅可補(bǔ)償電網(wǎng)14的基波分量相移無功功率QN，還可補(bǔ)償補(bǔ)償裝置2的基波分量相移無功功率Qk。如果不要補(bǔ)償電網(wǎng)14的基波分量相移無功功率QN，則將積分調(diào)節(jié)器60的調(diào)節(jié)放大倍數(shù)選為零。同樣在這種情況下脈沖變流器4的電容式貯能器6也能被正常供電。
產(chǎn)生部分傳輸比空間向量
以及
的調(diào)節(jié)器24、26、28、30和32用諧波分量的階次ν并按如下方式來加以區(qū)分，即它們是否出現(xiàn)在正序的(+)或負(fù)序的(-)系統(tǒng)中。因此代替這些調(diào)節(jié)器24,…,32在圖6中詳細(xì)示出一廣義的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)70。
該調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)70在輸入端有一用于形成一復(fù)傅里葉系數(shù)
或
的裝置72，它后接有一比例積分調(diào)節(jié)器74。該比例積分調(diào)節(jié)器74在輸出端與一用于形成一部分傳輸比空間向量
或
的裝置76相連接。該裝置72具有一后接有平均器80的乘法器78，其中該乘法器78的一輸入與一單位空間向量形成器82的輸出相連接。在該乘法器78的第二輸入端提供有一電網(wǎng)電流空間向量
從乘法器78的輸出端的乘積y(t)可用平均器80在一個電網(wǎng)周期上形成一復(fù)傅里葉系數(shù)
或
其中ν為待補(bǔ)償諧波分量的階次而+或-表征正序系統(tǒng)或負(fù)序系統(tǒng)。共軛復(fù)單位空間向量
在正序系統(tǒng)中以旋轉(zhuǎn)頻率+νω旋轉(zhuǎn)而在負(fù)序系統(tǒng)中則以旋轉(zhuǎn)頻率-νω旋轉(zhuǎn)，其中ω為電網(wǎng)電壓基波分量空間向量的旋轉(zhuǎn)頻率。通過在電網(wǎng)周期上取平均可從電網(wǎng)電流空間向量
和共軛復(fù)單位空間向量
的乘積y(t)中得到相應(yīng)電網(wǎng)電流分量的復(fù)傅里葉系數(shù)
或
積分調(diào)節(jié)器74的輸出信號借助于另一乘法器84與單位空間向量
和一虛線單位j或-j相乘。其乘積為部分傳輸比空間向量
或
積分調(diào)節(jié)器74一直改變部分傳輸比空間向量
或
的幅值與相角直至電網(wǎng)電流中的相應(yīng)ν次諧波分量被消除為止。靜態(tài)時，部分傳輸比空間向量
或
以及因此也有從屬的補(bǔ)償器電壓空間向量
的電壓部分
或
垂直于補(bǔ)償器電流部分空間向量
或
該電流部分空間向量補(bǔ)償負(fù)載電流iL中相應(yīng)的ν次諧波分量(圖7)。
對每一要補(bǔ)償?shù)闹C波分量必須要提供一調(diào)節(jié)器26,…,32。為補(bǔ)償基波分量非對稱性必須提供一具有階次數(shù)ν=1的負(fù)序系統(tǒng)調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)器24)。
如果要通過補(bǔ)償裝置2來執(zhí)行電網(wǎng)14所提供的有功功率PN的影響的話，則與用電器12并聯(lián)的補(bǔ)償裝置2必須能夠接收有功功率PN或給出有功功率PN。為此必須將一附加的貯能器86聯(lián)接至脈沖變流器4的直流電壓中間電路，該直流電壓中間電路貯存或給出經(jīng)補(bǔ)償裝置2所引入的電網(wǎng)功率和用電器功率間的差ΔP。貯能器86必須電流受調(diào)節(jié)地被饋以電流，亦即它必須能根據(jù)一電流額定值信號iEsoll從補(bǔ)償裝置2的中間電路中獲得一定的直流電流iE。該電源額定值iEsoll由所施加的功率差ΔP以及補(bǔ)償裝置2的中間電路電壓2Ed中計算出。如果從電網(wǎng)14中獲得有功功率PN，則電流額定值信號iEsoll應(yīng)為正。這樣貯能器86將從脈沖變流器4的中間電路中獲得能量。這將導(dǎo)致中間電路電壓2Ed的降低。電網(wǎng)端補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分下降且導(dǎo)致基波分量相移無功功率QN的改變。該基波分量相移無功功率QN用調(diào)節(jié)器22的第一部分36加以補(bǔ)償，此時電網(wǎng)電壓空間向量
和補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分之間的角δ張開。由此在脈沖變流器4的中間電路中產(chǎn)生的有功功率流使中間電路電壓2Ed以及補(bǔ)償器電壓空間向量
的基礎(chǔ)部分重新升高。由于貯能器86現(xiàn)在不斷地從中間電路中獲取功率ΔP=2Ed·iEsoll，則在對電網(wǎng)相移無功功率QN作補(bǔ)償之后角度δ不再為零，而是保持一必要的值，以便從電網(wǎng)14將被貯能器86所取走的功率輸給補(bǔ)償裝置2。
貯能器86具有一直流貯能器和帶有從屬控制器的調(diào)節(jié)元件，這樣可調(diào)節(jié)電流額定值iEsoll。作為直流貯能器例如可采用一種超導(dǎo)磁性貯能器(SMES)。同樣也可使用其它的貯能器，如飛輪貯能器或電池來作為直流貯能器。
權(quán)利要求
1．一種用于采用一與被一供電網(wǎng)(14)所供電的非理想用電器(12)并聯(lián)的補(bǔ)償裝置(2)來補(bǔ)償該用電器(12)的無功電流分量的方法，該補(bǔ)償裝置(2)具有一帶有至少一個電容式貯能器(6)的脈沖變流器(4)、一匹配濾波器(8)和一調(diào)節(jié)和控制裝置(10)，該方法具有以下步驟
a)從被測電網(wǎng)線電壓和電網(wǎng)電流來計算一電網(wǎng)電壓空間向量
和一共軛復(fù)電網(wǎng)電流空間向量
b)用所得的空間向量
來確定電網(wǎng)(14)的一基波分量相移無功功率(QN)，
c)從所確定的基波分量相移無功功率(QN)中確定一傳輸比空間向量
它被轉(zhuǎn)換成用于脈沖變流器(4)的控制信號(Sv)，
d)根據(jù)所確定的傳輸比空間向量
和電容式貯能器(6)的一中間電路電壓(2Ed)來產(chǎn)生一補(bǔ)償器電壓空間向量
其特征在于
e)用所計算到的空間向量
來確定一電網(wǎng)有功功率(PN)，
f)通過所確定的電網(wǎng)有功功率(PN)與一常數(shù)(tan φsoll)相乘來確定一基波分量相移無功功率(QN)的額定值，
g)根據(jù)對基波分量相移無功功率(QN)的實(shí)際值與設(shè)定值的比較來確定一補(bǔ)償器無功功率(QN)的額定值，
h)從一測得的電網(wǎng)電壓空間向量
和一測得的共軛復(fù)補(bǔ)償器電流空間向量
來確定一補(bǔ)償器無功功率(QK)，
i)從補(bǔ)償器無功功率(QK)的一所計算到的調(diào)節(jié)偏差來確定一基本傳輸比空間向量
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于
j)從一電網(wǎng)電流空間向量
和一共軛復(fù)單位空間向量
的乘積來確定一復(fù)傅里葉系數(shù)
k)根據(jù)所得的復(fù)傅里葉系數(shù)
一單位空間向量
以及一虛數(shù)單位(j,-j)來確定一部分傳輸比空間向量
l)將基本傳輸比空間向量
與部分傳輸比空間向量
作相量相加。
3．一種用于實(shí)施如權(quán)利要求1所述方法的裝置，該裝置用于一補(bǔ)償裝置(2)，該補(bǔ)償裝置(2)具有一帶有至少一個電容式貯能器(6)的脈沖變流器(4)、一匹配濾波器(8)以及一調(diào)節(jié)和控制裝置(10)，其中該調(diào)節(jié)和控制裝置(10)具有一用于確定一傳輸比空間向量
的調(diào)節(jié)裝置(16)以及一脈寬調(diào)制器(18)，在其輸出端有用于脈沖變流器(4)的控制信號(Sv)，其中該調(diào)節(jié)裝置(16)具有一用于確定一基波分量相移無功功率(QN)的裝置(38)、一比例積分調(diào)節(jié)器(40)以及一用于形成一基本傳輸比空間向量
的裝置(42)，其特征在于
用于確定一基波分量相移無功功率(QN)的裝置(38)在輸出端與一比較器(56)的一反相輸入端相連接，該比較器的非反相輸入端則與一用于基波分量相移無功功率(QN)的額定值形成器(68)的一輸出端相連，其輸出端則借助一積分調(diào)節(jié)器(60)與另一比較器(62)的非反相輸入端相連，該另一比較器的反相輸入端與一用于確定一補(bǔ)償器無功功率(QK)的裝置(64)的一輸出端相連且其輸出端與比例積分調(diào)節(jié)器(40)的一輸入端相連接，在額定值形成器(68)的輸入端具有一測得的電網(wǎng)電壓空間向量
一被測的共軛復(fù)電網(wǎng)電流空間向量
以及一相角((φsoll)且在用于確定一補(bǔ)償器無功功率(QK)的裝置的輸入端具有一測得的電網(wǎng)電壓空間向量
和一測得的共軛復(fù)補(bǔ)償器電流空間向量
4．如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于該調(diào)節(jié)裝置(16)具有n個用于確定n個部分傳輸比空間向量
的另外的調(diào)節(jié)器(24,…,32)，它們各自有一用于形成一復(fù)傅里葉系數(shù)
的裝置(72)、一積分調(diào)節(jié)器(74)、以及一用于形成一部分傳輸比空間向量
的裝置(76)，且該n個另外的調(diào)節(jié)器(24,…,32)的輸出端與一加法點(diǎn)(34)相連，其第一輸入端與用于確定一基本傳輸比空間向量
的調(diào)節(jié)器(22)的輸出端相連接。
5．如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于
所述用于形成一復(fù)傅里葉系數(shù)
的裝置(72)具有一后接有平均器(80)的乘法器(78)，其中乘法器(78)的一輸入端與一單位空間向量形成器(82)的一輸出端相連接。
6．如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述用于形成一部分傳輸比空間向量
的裝置(76)具有一單位空間向量形成器(82)以及一乘法器(84)它在輸入端一方面與積分調(diào)節(jié)器(74)，另一方面與單位空間向量形成器(82)相連接。
7．如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述用于基波分量相移無功功率(QN)的額定值形成器(68)具有一用于確定一瞬時有功功率(PN)的運(yùn)算裝置(44)、一平均器(46)、一常值器(63)以及一乘法器(58)，平均器(46)在輸入端與運(yùn)算裝置(44)的輸出端相連而在輸出端與乘法器(58)的一輸入端相連接，且乘法器(58)的第二輸入端與常值器(63)相連接。
8．如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述用于確定一補(bǔ)償器無功功率(Qk)的裝置(64)具有一后接有平均器(46)的用于確定一瞬時無功功率(qk)的運(yùn)算裝置(44)。
9．如權(quán)利要求4至8中任一項所述的裝置，其特征在于設(shè)置有一用于調(diào)節(jié)裝置(16)的信號處理器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法和一種裝置,用于采用一與被一供電網(wǎng)(14)所供電的非理想用電器(12)并聯(lián)的補(bǔ)償裝置(2)來補(bǔ)償該用電器(12)的無功電流分量,該補(bǔ)償裝置(2)具有一帶有至少一個電容式貯能器(6)的脈沖變流器(4)。根據(jù)本發(fā)明,則根據(jù)一測得的電網(wǎng)電壓空間向量(uN)、一電網(wǎng)電流空間向量(iN)、一補(bǔ)償器電流空間向量(iK)以及一位于電容式貯能器(6)上的中間電路電壓(2Ed)來計算一傳輸比空間向量(u),這樣脈沖變流器(4)獨(dú)立于中間電路電壓(2Ed)地在電網(wǎng)端產(chǎn)生一補(bǔ)償器電壓空間向量(uk)。這樣經(jīng)一表示為補(bǔ)償器電感(Lk)的耦合濾波器(8)出現(xiàn)一補(bǔ)償器電流空間向量(ik),該空間向量(ik)將不希望的無功電流分量排除于電網(wǎng)(14)之外。
文檔編號H02J3/18GK1233355SQ9719885
公開日1999年10月27日 申請日期1997年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月15日
發(fā)明者邁克爾·溫霍爾德, 雷納·朱羅韋斯基, 馬丁·索南夏因 申請人:西門子公司