专利名称：一种综合补偿装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种谐波、无功综合补偿装置和方法，属于柔性交流输电技术领域。
背景技术：
随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统、电气化铁道、冶金、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用，使电网谐波污染越来越严重。同时，这些设备还会产生大量无功，使电网功率因数偏低。电网中的谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，降低电气设备的使用寿命，干扰通讯等；电网中的无功会提高设备容量，增加线路损耗，增大线路的电压降。因此，为了保证电网的供电质量，保障电力系统的安全、经济运行，必须加强电网谐波抑制和无功补偿。
解决电网的谐波和无功问题，有两条基本思路一是装设补偿装置；二是对电力电子装置进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1。后一思路已得到实施，但是这一思路还处于发展阶段。针对目前电网谐波和无功问题，切实可行的解决方法是设置滤波补偿装置。
目前采用的补偿方式主要有无源滤波器、静止动态无功补偿装置(SVC)、有源电力滤波器等这几种方式。无源滤波器是一种传统补偿方法，在实际应用中发挥了很大作用，但它只能补偿特定次的谐波和固定容量的无功，谐振频率依赖于元件参数及系统阻抗的变化，因此滤波性能不稳定。对于变化范围较大的负载，无源滤波器易导致过补和欠补问题。
静止式动态无功补偿装置(SVC)近年得到广泛使用，主要有相控电抗器(Thyristor Controlled Reactor，简称TCR)和晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchor Capacitor，简称TSC)这两种形式。TCR通常与无源滤波器配合使用，能无级补偿无功，但也只能补偿几次固定谐波，同时存在损耗大，本身产生谐波的缺点。TSC具有损耗小，本身不产生谐波的优点，但只能滤除几次固定谐波和有级补偿无功。
谐波抑制和无功补偿的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(Active PowerFilter，简称APF)，有源电力滤波器能对电网谐波、无功和负序电流进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且在日本、欧美等国获得广泛应用，取得比无源滤波器好得多的滤波效果。但由于单独使用的有源电力滤波器容量小、成本高，所以使其推广应用受到很大的局限性。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种综合补偿装置和方法，它采用有源电力滤波器与TSC相结合的谐波、无功综合补偿方式，不仅可以克服单独使用有源电力滤波器和TSC的缺点，而且可以吸取两者的优点，以得到一种综合补偿效果好、成本较低的新型电力滤波装置。
一种综合补偿装置，其特征在于它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件。晶闸管投切电容器模块包括一个或一个以上的高次阶LC滤波支路，各支路分别通过开关器件在靠近负载侧与电网相连。
一种用在具有检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器的综合补偿装置的方法，其特征在于它包括以下步骤第一步，采集负载电流和经晶闸管投切电容器模块补偿后负载电流及系统电压，根据负载电流、系统电压及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量；第二步，根据晶闸管投切电容器模块和有源电力滤波器的容量大小决定向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，选择晶闸管投切电容器模块是否投入以及投入哪几组支路，并向晶闸管组发出触发脉冲，完成补偿支路的投切操作；第三步，实时采集晶闸管投切电容器模块补偿后的负载电流及电网电压，计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号，该信号与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反；第四步，采用三角波比较方式，将补偿电流的指令信号与实际输出电流的差值经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路开关器件的控制信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令电流的变化。
本发明的谐波、无功综合补偿装置和方法，由有源电力滤波器APF、耦合变压器T、真空接触器K、TSC、控制系统等组成。有源电力滤波器通过连接电抗器L、真空接触器K及耦合变压器T与电网并联。TSC由5次、7次、11/13次无源滤波支路(具体包括几条支路可根据滤波和无功性能指标确定)通过晶闸管(Thyristor)电子开关与电网并联。控制系统包括信号输入输出、信号调理、保护逻辑、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块等组成。
本发明改变了原来有源电力滤波器和TSC只出现单独使用的方式。通过控制系统的协同控制，由TSC补偿负载大部分的基波无功和主要谐波，有源电力滤波器则补偿剩余的谐波和无功。这样既克服了TSC只能有级调节无功补偿，滤波次数固定的缺陷，又解决了有源电力滤波器补偿容量小的问题。同时发挥了TSC补偿容量大和APF连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标。
本发明中有源部分需要的功率小，因此不会增加很多成本，但却可以极大地改善补偿效果。并可以抑制电网的“背景谐波”对TSC的影响，防止TSC支路与电网发生谐振，大大增强了补偿系统的整体安全性和可靠性，提高了整个系统的性能。因此，本发明具有良好的应用前景。
图1是本发明装置示意图；图2为本发明电路原理图；图3是本发明检测控制单元原理示意图；图4是变流器模块三角波比较法原理图；图5是本发明装置的一个实例；图6是本发明投入使用后达到的补偿效果。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例，对本发明的有源电力滤波器和TSC相结合的谐波、无功综合补偿装置及其工作原理作进一步地详细描述。
如图1、2所示，它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件。包括一个或一个以上的高次阶LC滤波支路，各支路分别通过开关器件在靠近负载侧与电网相连。
最右边是非线性负载，晶闸管投切电容器模块(TSC)靠近负载侧与电网并联，它由三组分别为5次、7次和11/13次无源滤波支路组成(具体包括几条支路可根据滤波和无功性能要求确定)。控制箱通过接收控制系统发出的指令信号，由电子开关控制各支路在电压过零点投入，电流过零点切除，其中开关器件采用SCR。有源电力滤波器在TSC后侧，通过连接电抗器L、真空接触器K及耦合变压器T与电网并联，有源电力滤波器的主电路采用三相桥式电压型逆变器结构，其中开关器件采用IGBT，控制信号来自控制系统的驱动电路。
谐波和无功主要由TSC进行补偿，TSC未补偿完的谐波由有源电力滤波器补偿。通过适当控制，有源电力滤波器能抑制TSC和电网可能发生的谐振。有源电力滤波器还可对无功功率进行补偿，使系统从整体上讲能够对无功功率进行连续补偿。这样，整个系统的性能优于TSC。而且，有源电力滤波器的容量可以远小于其单独使用时的容量，大大降低了成本。
本发明的有源电力滤波器和TSC之间采用协同控制，检测控制单元如图3所示，它包括信号输入输出、信号调理、保护逻辑、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块组成。
信号测量电路同时采集负载电流iL和经TSC补偿后负载电流iL′及系统电压U。控制系统首先根据负载电流iL、系统电压U及目标功率因数cos计算出负载需要补偿的无功容量Qf，然后根据TSC和有源电力滤波器的容量大小决定向TSC发出不同的投切指令。设TSC每支路补偿容量为QT，这样TSC可提供的补偿容量可以为QT、2QT和3QT，为了能让补偿装置能达到连续补偿的目的，有源电力滤波器的容量设为QA＝QT/2，由它可提供的补偿容量为-QT/2～QT/2，因此整个装置能提供的补偿容量为-QT/2～7QT/2。控制系统按照以下规则确定TSC补偿指令QT*，QT*决定TSC投切组数。
当Qf≤QT/2时，QT*=0,]]>TSC各支路均不投，0～-QT/2由有源电力滤波器补偿；当QT/2＜Qf≤3QT/2时，QT*=QT,]]>TSC投入一组支路，-QT/2～QT/2由有源电力滤波器补偿；
当3QT/2＜Qf≤5QT/2时，QT*=2QT,]]>TSC投入两组支路，-QT/2～QT/2由有源电力滤波器补偿；当5QT/2＜Qf时，QT*=3QT,]]>TSC三组支路同时投入，-QT/2～QT/2由有源电力滤波器补偿。
数字I/O电路根据补偿指令QT*向TSC的晶闸管控制器发出相应的投切指令，晶闸管组投切控制器接到指令后自动寻找最佳时刻通过光缆向晶闸管组发出触发脉冲，完成补偿支路的投切操作。
同时对于有源电力滤波器部分，信号测量电路实时采集TSC补偿后的负载电流iL′及电网电压U，通过以双DSP+CPLD为核心的数模混合电路，快速、准确地计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号ic*，ic*应与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反。电流跟踪控制电路根据补偿电流的指令信号ic*和实际补偿电流之间的关系，得出控制主电路各个器件通断的PWM信号。
PWM控制电路采用三角波比较方式，如图4所示，将指令电流iC*与实际输出电流iC的差值Δic经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路电力电子器件的控制信号，其控制目的是使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令电流的变化。
比较器的输入为ui(t)=KC(iC*-iC)=KC*A*iC,]]>则有源电力滤波器主电路的输出电压uo(t)可以表示为u0(t)=udcutriui(t)]]>上式中，Udc为有源电力滤波器主电路直流侧电容电压，Utri为脉宽调制电路三角波的幅值。若电源电压为Es(t)，有源电力滤波器输出的补偿电流为iC(t)=1L∫0t[u0(t)-eS(t)]dt]]>
综合补偿装置的故障保护包括有源电力滤波器保护和TSC保护，有源电力滤波器保护主要包括过流、短路、失压及掉电保护；IGBT模块故障保护保护；直流电压过压保护；TSC保护采用专门的微机保护装置，其保护主要为过流保护、差流保护、过压保护、失压保护、电容器故障保护。
图5是另一个实例。有源电力滤波器采用通用的IBBM90B型IGBT变流器模块，模块采用3300V/1200A的IGBT元件和一个支撑电容器。IBBM90B模块集成了7个3300V/1200A的IGBT元件，作为三相逆变器的三相桥臂及斩波桥臂。此外主电路还包括放电回路继电器、斩波电阻、充电电阻、放电电阻。主电路的交流输出电压为760V，容量为1Mvar，直流电压1600V。电网电压为10kV，输出电流，直流电压可在1500-1800V之间调节。模块的开关频率为2kHZ，死区时间小于17us，直流电容为320uF。脉冲分配单元和IGBT门控单元间的触发和反馈采用光纤传输，有较高的抗干扰能力和隔离作用。TSC分5次、7次和11/13次3组滤波支路，每组容量为2Mvar。这样补偿装置的补偿容量可以从1Mvar～-7Mvar进行连续补偿，补偿效果见图6所示。
从图6可见，投入本发明的综合补偿装置后，电网电流中的谐波电流显著降低，功率因数稳定在目标值。这种补偿装置的有源电力滤波器容量仅占到装置总补偿容量的12.5％，因此它具有很高的实用价值。
权利要求
1.一种综合补偿装置，其特征在于它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器，所述晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件。
2.如权利要求1的一种综合补偿装置，其特征在于所述晶闸管投切电容器模块包括一个或一个以上的高次阶LC滤波支路，各支路分别通过开关器件在靠近负载侧与电网相连。
3.如权利要求1的一种综合补偿装置，其特征在于所述晶闸管投切电容器模块的开关器件为晶闸管。
4.如权利要求3的一种综合补偿装置，其特征在于所述晶闸管投切电容器模块包括5次、7次、11/13次LC滤波支路或其中三种支路的任意组合。
5.如权利要求1的一种综合补偿装置，其特征在于所述有源电力滤波器在所述晶闸管投切电容器模块后侧与电网相连。
6.如权利要求1或5的一种综合补偿装置，其特征在于所述有源电力滤波器主电路采用三相桥式电压型逆变器结构，其中开关器件采用IGBT。
7.如权利要求1的一种综合补偿装置，其特征在于所述检测控制单元包括信号输入输出电路、信号调理电路、保护逻辑电路、以双DSP为核心的数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离和IGBT驱动模块。
8.一种用在具有检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器的综合补偿装置的方法，其特征在于它包括以下步骤第一步，采集负载电流和经晶闸管投切电容器模块补偿后负载电流及系统电压，根据负载电流、系统电压及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量；第二步，根据晶闸管投切电容器模块和有源电力滤波器的容量大小决定向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，选择晶闸管投切电容器模块是否投入以及投入哪几组支路，并向晶闸管组发出触发脉冲，完成补偿支路的投切操作；第三步，实时采集晶闸管投切电容器模块补偿后的负载电流及电网电压，计算出有源电力滤波器补偿电流的指令信号，该信号与需补偿瞬时无功和谐波分量大小相等、极性相反；第四步，采用三角波比较方式，将补偿电流的指令信号与实际输出电流的差值经比例放大环节后与三角波进行比较得到主电路开关器件的控制信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令电流的变化。
全文摘要
一种综合补偿装置和方法，它包括检测控制单元和分别与电网相连的晶闸管投切电容器模块、有源电力滤波器。所述晶闸管投切电容器和有源电力滤波器包括有控制端分别与检测控制单元的驱动电路的触发脉冲输出端相连的开关器件，它首先根据负载电流、系统电压及目标功率因数计算出负载需要补偿的无功容量，再向晶闸管投切电容器模块发出不同的投切指令，完成补偿支路的投切操作；确定有源电力滤波器补偿电流的指令信号，使有源电力滤波器的实际输出电流跟踪指令电流的变化。它同时发挥了晶闸管投切电容器补偿容量大和有源电力滤波器连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标。
文档编号H02J3/18GK101068082SQ20071003463
公开日2007年11月7日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者王卫安, 黄燕艳, 马雅青, 谭胜武, 周方圆, 沈辉, 张定华, 段世彦, 胡晓东 申请人:中国南车集团株洲电力机车研究所, 株洲变流技术国家工程研究中心