专利名称：一种电能质量一体化治理方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于电力系统领域的电能治理方法，尤其是一种应用于高压配电网的直挂式电能质量一体化治理方法。
背景技术：
供配电系统电能质量的好坏直接关系到电力系统稳定、用电设备安全和是否经济用电。随着电力电子装置和敏感负荷的使用日益增加，电能质量问题已经成为国际供电界关注的首要技术问题，其主要体现在电压的波动、谐波、闪变等，以及电流中的无功、负序、谐波分量的影响等。现代电能质量问题因电力电子技术的应用而产生，而治理这些电能质量问题也可以通过基于电力电子的补偿技术来解决。采用电力电子装置就近吞吐无功和谐 波电流、改变电网中的功率潮流，从而实现对无功、谐波、负序等电能质量的全面治理。目前静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)已经相对成熟，已经在高压大容量上取得了的应用，并且价格低廉。但由于其是以半控晶闸管为控制对象的无源补偿装置，只适合较慢负载的无功补偿，而且其出力受外界电压的约束。另外其只能靠与其匹配的FC来滤除固定次谐波，对谐波抑制效果相当有限。静止无功发生器(Static VarGenerator, SVG)是近年发展起来的新型补偿装置,其是以全控型IGBT (Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件等为控制对象的有源补偿装置，同时具备无功、谐波等补偿功能。特别是基于H桥结构的SVG具备高压直接补偿的条件，但是受器件电压电流水平的限制，目前难以在高压场合实现大容量的无功和谐波的快速同时补偿，因此主要还是集中在小容量场合的无功补偿方面的应用。在现有技术中主要有以下文献于本发明有关现有技术I为湖南大学于2007年12月19日申请，2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《一种静止无功补偿器和有源电力滤波器联合运行系统及其控制方法》。如附图
I所示,该专利利用TCR(Thyristor Controlled Reactor,晶闸管控制电抗器)和HAPF (Hybrid Active PowerFilter,有源电力滤波器)相结合,而TCR与HAPF中的FC (Fixed Capacitor，固定电容器)部分构成SVC进行谐波补偿，而APF(Active Power Filter,有源电力滤波器)配合FC滤除谐波,如附图I所示。由于TCR能够实现高压直接补偿，为了实现高压谐波补偿，采用了谐振式LC与PPF串联，使得APF的隔离变压器既不承受基波电压，也不承受基波电流，从而减少APF的容量和承受电压。但是，其中的HAPF是不能动态补偿无功功率的，所以动态无功调节依赖TCR控制，而TCR的响应时间在60-100ms,其响应速度远比基于全控器件的SVG要慢,不适合快速变化负载的无功补偿和闪变治理。同时该种方式的谐波补偿是要通过变压器耦合，并通过PPF支路传送，因此不是高压谐波直接补偿，补偿的延时、精度较差。因此该种方式实际上是一种低压有源补偿与高压无源补偿的组合，与本文将提到的基于H桥级联SVG的高压无功和谐波一体化补偿在拓扑和效果上有明显差别。现有技术2为湖南大学于2007年12月19日申请，并于2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《适用于高压系统的谐波和无功动态治理控制器及控制方法》。如附图2所示，该发明利用可以高压直接补偿的TCR型SVC来动态补偿高压系统的无功功率，而利用谐振注入式混合有源滤波器来提供固定容性无功，并发出谐波。该种方式和现有技术I的原理一样，只是增加了 MSC(Mechanically Switched Capacitor,机械投切电容器))支路来提供固定的容性无功。该种方式为治理高压系统的谐波和无功，其无功的补偿速度决定于TCR的补偿速度,大约在6(Tl00ms,其响应速度远比基于全控器件的SVG要慢，不适合快速变化负载的无功补偿和闪变治理。而谐波补偿还是利用变压器隔离和LC谐振支路进行注入，同时逆变器的直流还需要外部供能，系统复杂，需要实现不同电位隔离，难适合高压系统。因此该种方式的无功补偿还是基于晶闸管的补偿方式，而不是基于IGBT的快速补偿，同时谐波还是低压侧补偿通过变压器和注入式支路反馈到高压侦U。因此该种方式实际上是一种低压有源补偿与高压无源补偿的组合。
现有技术3为湖南大学于2007年12月19日申请，并于2008年05月21日公开，公开号为CN101183791A的中国发明专利申请《35kV大容量无功补偿和谐波抑制综合系统及其控制方法》。如附图3所示，该发明通过高压侧FC和注入式HAPF相结合来实现高压侧的无功和谐波的补偿，其中无功补偿是通过FC固定发出，其出力受外部电压的影响，而且不能连续可调的。其谐波是通过降压变压器耦合到其中一个FC支路，同样是属于低压有源谐波补偿的范畴。存在无功不能连续可调、谐波补偿速度慢、效果差等影响。现有技术4为株洲变流技术国家工程研究中心有限公司于2010年09月08日申请，并于2012年12月22日公开，公开号为CN101924371A的中国发明专利申请《一种混合型电能质量治理方法》。如附图4所示，该专利由无源和有源两大部分组成。其中无源补偿部分由TCR+TSC+FC组成，主要是进行无功功率补偿，另外FC兼做固定次谐波滤波器。有源部分由变压器隔离的多重化SVG+APF组成，分别通过降压对TCR+TSC补偿剩下的无功和对FC补偿剩下的谐波进行补偿。通过两者的组合提高了整个系统无功补偿的响应速度，同时实现了谐波的有源抑制。由于TCR采用三角型接法可以对负序电流进行补偿，因此该装置具备无功、谐波和负序综合补偿的功能。但是由于该种方式的有源部分全部是采用变压器降压进行补偿的，相对直接补偿，经过变压器降压后无功补偿的速度会降低，谐波输出效果因受到变压器的阻碍受到影响。现有技术5为由赵伟、罗安等人于2009年07月05日发表在《中国电机工程学报》第19期，第29卷上的论文《静止无功发生器与晶闸管投切电容器协同运行混合无功补偿系统》。如附图5所示，该论文中提出了使用基于一个DSTATC0M (配电静止同步补偿器)与多组TSC组成的混合无功补偿系统，其中STATC0M用以实现快速连续无功调节，TSC实现无功的大容量分级调节，二者协同工作使HVC系统兼具DSTATC0M快速连续无功补偿及TSC低成本大容量无功补偿的优势，实现低成本大容量的无功连续补偿。该种方式是通过DSTATC0M与TSC的组合来扩大DSTATC0M的无功调节范围，以降低STATC0M控制复杂度，降低成本。但这只是对无功功率进行控制，不具备谐波抑制功能，同时由于均采用星型接线，不具备负序抑制功能。是一种有源无功和无源无功的组合，而且由于其有源补偿是采用变压器降压补偿的方式，其响应时间和效果都会受到影响，而且由于变压器的存在，损耗、噪声和占地面积都会很大。在当前IGBT等全控器件的电压电流水平有限的前提下，通过混合补偿，是降低全控型补偿器的容量，减少在工程应用中的实施难度，并降低投资的有效途径。但是，目前对于混合补偿技术的研究主要集中在低压侧的无功功率补偿方面，还没有高压直挂式配网的有源谐波治理的使用报道。因此利用级联SVG的优势，并将其扩展到谐波治理应用领域，并与SVC的结合实现高压配网大容量的无功、谐波和负序的综合治理是当前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电能质量一体化治理方法，该方法不仅仅能够针对无功进行补偿，还能实现谐波和负序的补偿。同时，由于无功和谐波都是采用高压侧连续可调的直接补偿，由于没有变压器的引入，因此补偿速度较快。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种电能质量一体化治理方法的技术实现方案，一种电能质量一体化治理方法，具体包括以下步骤S10:将静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器相互并联地连接在电网 电源与负载之间的电网上，由固定补偿器和晶闸管控制电抗器组成静止无功补偿器；Sll :晶闸管控制电抗器以静止无功发生器与固定补偿器之间的电网无功和负序电流为补偿对象；S12:静止无功发生器以电网电源与静止无功发生器之间的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足；S13:静止无功发生器以固定补偿器与晶闸管控制电抗器之间的电网谐波为控制对象，滤除负载和晶闸管控制电抗器产生的谐波，以及补偿固定补偿器吸收后的其他谐波。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，前述步骤SlO还进一步包括以下步骤SlOl :将一个或两个以上的H桥单元相互串联组成静止无功发生器的一相，将直流支撑电容并联在H桥单元的两端；S102 :将电容和电抗相互串联组成固定补偿器的一相；S103:将由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体和相控电抗器相互串联组成晶闸管控制电抗器3的一相。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，电网采用三相电网，静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器均采用三相结构，将三相的静止无功发生器采用星型连接方式与三相电网相连。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，当电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负载不平衡的补偿时，电能质量一体化治理装置工作在基波域；而当电能质量一体化治理装置进行非线性负载谐波以及晶闸管控制电抗器3调节时引起的谐波动态治理时，电能质量一体化治理装置工作在谐波域。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，当电能质量一体化治理装置工作在谐波域时，通过固定补偿器支路谐波吸收通道和静止无功发生器发出的补偿谐波通道吸收谐波。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，静止无功发生器和固定补偿器采用分频补偿的方法对不同频率的谐波进行补偿，静止无功发生器通过检测负载和晶闸管控制电抗器调节引起的谐波电流，控制静止无功发生器输出相应的谐波电压；该谐波电压通过作用于连接电抗，产生一个与负载谐波电流和晶闸管控制电抗器谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的谐波电流为零流。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，选取需要补偿负载的无功功率平均值的1ΑΓ1/3作为静止无功发生器的基波容量，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。作为本发明一种电能质量一体化治理方法技术方案的进一步改进，通过以下公式计算静止无功发生器能够输出的相电压Uinv '
权利要求
1.一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，包括以下步骤 510:将静止无功发生器(I)、固定补偿器(2)和晶闸管控制电抗器(3)相互并联地连接在电网电源(5)与负载(6)之间的电网上，由固定补偿器(2)和晶闸管控制电抗器(3)组成静止无功补偿器； 511:所述晶闸管控制电抗器(3)以静止无功发生器(I)与固定补偿器(2)之间的电网无功和负序电流为补偿对象； 512:所述静止无功发生器(I)以电网电源(5)与静止无功发生器(I)之间的电网无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足； 513:所述静止无功发生器(I)以固定补偿器(2)与晶闸管控制电抗器(3)之间的电网谐波为控制对象，滤除负载(6)和晶闸管控制电抗器(3)产生的谐波，以及补偿固定补偿器(2)吸收后的其他谐波。
2.根据权利要求I所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，所述步骤SlO还进一步包括以下步骤 5101:将一个或两个以上的H桥单元(4)相互串联组成静止无功发生器(I)的一相，将直流支撑电容并联在H桥单元(4)的两端； 5102:将电容和电抗相互串联组成固定补偿器(2)的一相； 5103:将由一个或两个以上反并联晶闸管串联组成的可控阀体和相控电抗器相互串联组成晶闸管控制电抗器(3)的一相。
3.根据权利要求2所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，所述电网采用三相电网，所述静止无功发生器(I)、固定补偿器(2)和晶闸管控制电抗器(3)均采用三相结构，将三相的静止无功发生器(I)采用星型连接方式与三相电网相连。
4.根据权利要求I至3中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于当所述电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿、电网电压的支撑以及负载不平衡的补偿时，电能质量一体化治理装置工作在基波域；而当电能质量一体化治理装置进行非线性负载谐波以及晶闸管控制电抗器(3)调节时引起的谐波动态治理时，电能质量一体化治理装置工作在谐波域。
5.根据权利要求4所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于当电能质量一体化治理装置工作在谐波域时，通过固定补偿器(2)支路谐波吸收通道和静止无功发生器(O发出的补偿谐波通道吸收谐波。
6.根据权利要求1_3、5中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于所述静止无功发生器(I)和固定补偿器(2)采用分频补偿的方法对不同频率的谐波进行补偿，静止无功发生器(I)通过检测负载(6)和晶闸管控制电抗器(3)调节引起的谐波电流，控制静止无功发生器(I)输出相应的谐波电压；该谐波电压通过作用于连接电抗，产生一个与负载(6 )谐波电流和晶闸管控制电抗器(3 )谐波电流汇总后总的谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网后使得电网总的的谐波电流为零。
7.根据权利要求6所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于选取需要补偿负载(6)的无功功率平均值的1ΑΓ1/3作为静止无功发生器(I)的基波容量，剩下的容量则为静止无功补偿器所需补偿的容量。
8.根据权利要求1_3、5、7中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器(I)能够输出的相电压 :
9.根据权利要求8所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算电网电压的最低值巧^
10.根据权利要求8所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器(I)的等效连接电抗i的最大值I
11.根据权利要求10所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算静止无功发生器(I)的等效连接电抗I的最小值U
12.根据权利要求1-3、5、7、9-11中任一权利要求所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，通过以下公式计算所述静止无功发生器(I)中H桥单元(4)中开关器件的额定电流: ^CfCRS ■ SOO Sflfifji)其中，\为裕量系数，Isi为需要补偿的基波无功电流m力角频率，a、b、C、d……为需要补偿的谐波电流次数，为第η次需要补偿的谐波电流的有效值。
13.根据权利要求12所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于将所述静止无功发生器(I)中H桥单元(4)中开关器件的额定电流的裕量系数\控制在范围内。
14.根据权利要求1-3、5、7、9-11、13所述的一种电能质量一体化治理方法，其特征在于，当所述电能质量一体化治理装置进行无功功率的动态补偿时，所述静止无功发生器(I)采用分类协调解耦方法，所述分类协调解耦方法包括以下过程 (A):如果电fJ/*=0； (B):如果趣/冶,同时 则/,Cfc+i) = *0-/*)+/,(t) ’ /*-/* ； (c):如果4 /**,同时Zff(*}-/,(*+5<0，_ φ· 则=/9, Jff =/s, 其中，1 /**为负载(6)的无功变化率，^aeZiit为静止无功发生器(I)的无功调节 变换率，Tsc为其静止无功发生器(I)的阶跃响应时间，为给定无功电流，/￥(Jt+1)为fc+Ι时刻的基波无功电流，&(*)为fc时刻静止无功发生器(I)发出的无功电流, <为静止无功发生器(I)的额定容量，Jti为无功电流的变化率 为4 + 1时刻的无功电流门槛限制值。
全文摘要
本发明公开了一种电能质量一体化治理方法，将静止无功发生器、固定补偿器和晶闸管控制电抗器相互并联地连接在电网电源与负载之间的电网上，由固定补偿器和晶闸管控制电抗器组成静止无功补偿器。晶闸管控制电抗器以静止无功发生器与固定补偿器之间的无功和负序电流为补偿对象。静止无功发生器以电网电源与静止无功发生器之间的无功功率为补偿对象，补偿静止无功补偿器补偿后的不足。静止无功发生器以固定补偿器与晶闸管控制电抗器之间的谐波为控制对象，滤除负载和晶闸管控制电抗器产生的谐波，以及补偿固定补偿器吸收后的其他谐波。本发明能够实现无功、谐波和负序的补偿，补偿速度快、效果好，同时降低了装置的容量，节约了成本。
文档编号H02J3/18GK102832631SQ20121033066
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者冯江华, 张志学, 倪大成, 尚敬, 罗仁俊, 刘华东, 蓝德劭, 王卫安, 黄超, 邱岳烽, 胡晓东, 南永辉, 罗文广, 孙璐 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司