串联型电能质量补偿器的电压补偿方法

文档序号:7420816阅读:506来源:国知局
专利名称:串联型电能质量补偿器的电压补偿方法
技术领域
本发明涉及一种电能质量补偿方法,属于用户电力技术领域。
如图1所示,SPQC的主电路主要由直流储能单元(1)、基于全控器件的电压源型逆变器(2)、输出滤波器(3)以及串联变压器(4)四部分构成,其核心部分是一个由三单相逆变器构成的逆变桥。其工作原理为当供电系统电压由于故障偏离正常值时,装置通过逆变器将储能单元的直流电压转换为交流补偿电压,经过滤波器和串联变压器注入系统馈线,以补偿故障电压和正常电压之差,使用户侧负载电压在故障情况下仍保持正常值,从而确保对电压敏感的电器设备正常运行。对于串联型装置,有其不足之处,即存在着如下两个制约补偿范围的极限1.电压极限(电压补偿能力),指在最小的直流侧电压Vd条件下,串联装置可以输出的最大补偿电压。
2.能量极限(能量补偿能力),即电压跌落时装置可向负载提供的最大能量。能量极限和储能装置相联系,除了超导储能和飞轮储能外,常用的是电池组或电容储能。
由于上述两个极限的存在,串联装置的设计通常就要考虑两个方面的问题一是电压补偿能力,即在相同的直流侧电压Vd条件下,如何补偿更大幅度的电压跌落的问题;二是能量补偿能力,即在相同直流侧电压Vd和储能的条件下,在电压跌落情况下如何获得更长补偿时间的问题。电压补偿能力是影响串联装置经济性的一个重要内容,串联装置的输出电压极限受到器件水平和成本的影响。大部分电压跌落幅度都在50%~70%之间,但是为了降低补偿装置的容量,在对系统进行优化设计(例如降低直流侧电压,改变串联变压器变比,降低储能单元容量等)后,串联单元输出电压的极限将被压缩。通常将此极限设计在50%左右,所以当使用现有补偿装置时,当电压跌落大于50%时,该装置即无法补偿。能量补偿能力和储能单元相关,储能单元通常是昂贵和需要维护的。而现有装置的补偿方法并不考虑能量注入的优化问题,通常在相同的电压补偿情况下,能量并不是最小的,为了获得较长的补偿时间,储能单元容量通常设计得较大,因此减小能量注入,降低储能单元成本就成为提高装置经济性的另一个主要内容。
对上述步骤,具体描述如下SPQC装置串联于供电系统和用户负荷之间,装置的输入点电压为系统电压,输出点电压为负载电压。当供电系统发生故障引起装置输入电压(即系统电压)发生跌落时,通过逆变器注入补偿电压使装置输出点电压(即负载电压)跟踪标准参考电压,从而确保负载电压为正常值。
由于负载参考电压向量的旋转和系统故障电压的旋转为相对运动(这两种旋转方式仅仅是方向相反),因此为计算方便,在下述步骤中将参考电压向量的旋转转化为系统故障电压向量的旋转,在求得旋转角度后取反即可。
如图2所示,图中OAref,OBref,OCref为三相参考电压向量,OA,OB,OC为发生电压跌落时系统故障电压向量, 为补偿电压向量,圆内部分表示SPQC的电压补偿范围。首先通过几何方法确定各相的系统故障电压向顺、逆时针方向旋转的角度极限,从而确定每相的旋转范围(以下标1表示可以顺时针方向旋转的极限,下标2表示可以逆时针方向旋转的极限)。以A相为例,如图3所示,假设A相电压向量与参考电压向量间夹角(相位偏移)为δa(滞后参考电压向量时,δa为正),电压补偿极限为Acmax,图中规定逆时针方向为正方向。利用几何关系及余弦定理得θ1a=δa-cos-1(Vsysa2+Vrefa2-Vcmax22VrefaVsysa)-----(I)]]>θ2a=δa+cos-1(Vsysa2+Vrefa2-Vcmax22VrefaVsysa)]]>讨论当 时,θ2a>θ1a>0表示该相只能向逆时针方向旋转并且旋转角度最大为θ2a,最小为θ1a;当 时,θ2a≥0≥θ1a表示该相能向逆时针方向最大旋转角度为θ2a,向顺时针方向最大旋转角度为θ1a;当 时,0>θ2a>θ1a表示该相只能向顺时针方向旋转并且旋转角度最大为θ1a,最小为θ2a,
于是,系统故障电压可以旋转的角度θ′范围可以描述为θ2a≥θ≥θ1a。
同理可求得另外两相的旋转范围,用下标A、B、C分别表示各相。于是系统故障电压向量可以旋转的角度θ′需满足以下不等式 令θ1=max(θA1,θB1,θC1);θ2=min(θA2,θB2,θC2)则有θ1≤θ′≤θ2,式中θ1、θ2的大小将对应不同的补偿情况。分三种情况讨论如下1)θ1≤0≤θ2,这种情况下,系统故障电压落在SPQC可以补偿的范围内,不需要对参考电压旋转变换就可以进行同相补偿,跌落前后SPQC的输出电压相位和幅值保持不变;2)0≤θ1≤θ2或θ1≤θ2≤0,这种情况下,可以确定三相系统故障电压中至少有一相落在SPQC的补偿范围以外,如果超过一相电压落在补偿范围外,则它们均超前或滞后于相应的参考电压向量。在这种情况下无法进行同相补偿。但如果将参考电压向量旋转一个合适的角度则可以进行补偿。无论采用什么算法,补偿后负载电压与故障前相比都将发生一定的相移。0≤θ1≤θ2时,最小的相移为θ1角度,θ1≤θ2≤0时,最小的相移为|θ2|角度;3)θ1>θ2,这种情况下,三相电压中至少有一相落于补偿范围外;一相落于补偿范围内,或者有两相都落在相应的补偿范围圆外且分别落在补偿范围圆的两侧,此时θ′无解,SPQC无法对系统故障电压进行补偿。
在确定各相角度的旋转范围后,再根据注入功率P最小的能量优化目标来求解输入电压正序与最优能量补偿点之间的旋转角度θe。
根据系统功率平衡有Pload=Psys+PSPQC,由于Psys=3U1sysI1cos+3U2sysI1cos(2ωt--φ2),假设负载功率因数在故障期间不发生变化,则SPQC的输出点电压(即负载电压,跟踪参考电压向量)与系统电流之间的夹角是固定的(一般情况下负荷为感性,电压超前电流)。三相系统中电压发生变化时可能导致电压正序分量V1sys相对于旋转前的参考电压Vo间存在相位差1,这个相位差可能超前也可能滞后于参考电压。当输入正序电压超前参考电压时1>0,反之则1<0。
规定所有角度都以逆时针方向为正方向,利用图4、5可以求解θe,比较V1sys和Vocos之间的大小关系如下(1)若Vocos≥V1sys(图4所示情况),则能量最优电压向量与旋转前参考电压向量间夹角θ=;(2)若Vocos<V1sys(图5所示情况),则能量最优电压向量与旋转前参考电压向量间夹角 于是,可以求得θe=-(1+)θ至此,已求得在一定补偿极限下系统故障电压向量可以相对负载参考电压向量旋转的角度θ2≥θ′≥θ1,以及能量优化后需要系统故障电压向量相对于负载参考电压向量旋转的角度θe,对这两个参数进行讨论就可以得到综合考虑电压补偿极限和能量补偿极限的电压补偿方法
情况一θ2≥θe≥θ1,能量优化旋转角度正好落在电压补偿极限确定的角度范围之内,可以直接选用θe作为最终的旋转变换角度。
情况二θe>θ2或θe<θ1,表示需要向逆时针或顺时针方向旋转更大的角度才能满足能量优化的目标,由于受到电压补偿极限选择角度θ1,θ2的限制,因此只能分别取θ2或θ1做为旋转变换优化补偿的折衷方案。
将所确定的旋转变换角度记为θr,因为实现过程中是旋转负载参考电压向量的角度,因此负载参考电压向量的旋转角度应为-θr。


图1是串联型电能质量补偿器主电路结构图;图2是旋转变换的旋转角度范围示意图;图3是A相电压的旋转角度极限示意图;图4,5是功率极限计算示意图;具体实施方式
故障前和故障发生时供电系统A、B、C三相电压,三相电流如下表所示

当故障发生时,若取故障前系统正常电压为负载参考电压,则A,B两相逆变器需输出补偿电压119.4伏,由于超过110伏的电压补偿极限,装置将无法对此类故障进行补偿。若采用本发明提供的方法,将负载参考电压进行旋转,则可进行补偿。计算过程如下首先由(I)得出各相负载参考电压向量的旋转范围

则θ1=max(θA1,θB1,θC1)=10.6°,θ2=min(θA2,θB2,θC2)=29.2°;然后考虑能量关系故障电压正序分量与参考电压向量夹角1=-12.5°;负载功率因数为0.8,故θ==36.8°(图4所示情况),则θe=-(1+θ)=-24.3°。
综合以上结果,在求出的旋转范围中选择一个最接近能量优化角度的旋转角度θ1,取反得实际参考电压旋转角度为-θr=-θ1=-10.6°。即顺时针旋转10.6°。旋转负载参考电压向量后提高了电压补偿范围,减小了能量注入。
权利要求
1.一种串联型电能质量补偿器的电压补偿方法,其特征是通过旋转负载电压的相位角来实现的,其具体步骤如下1)根据系统故障电压以及电压补偿极限来确定负载电压参考向量的角度旋转范围;2)根据能量优化的要求,利用负载功率因数和系统故障电压正序分量计算能量优化角度;3)综合2)中确定的优化角度与1)中确定的角度旋转范围,选定负载电压参考向量的旋转角度。
全文摘要
一种串联型电能质量补偿器的电压补偿方法,属于用户电力技术领域。本发明方法是通过旋转负载电压的相位角来实现的,其具体步骤如下:1.根据系统故障电压以及电压补偿极限来确定负载电压参考向量的角度旋转范围;2.根据能量优化的要求,利用负载功率因数和系统故障电压正序分量计算能量优化角度;3.综合2中确定的优化角度与1中确定的角度旋转范围,选定负载电压参考向量的旋转角度。用本发明方法可以提高电压补偿范围,减小能量注入。
文档编号H02J3/28GK1375904SQ0211708
公开日2002年10月23日 申请日期2002年4月29日 优先权日2002年4月29日
发明者杨潮, 张秀娟, 唐志, 韩英铎, 马维新 申请人:清华大学
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1