一种配电系统的滤波补偿方法与流程

文档序号:11108573
一种配电系统的滤波补偿方法与制造工艺

本发明涉及一种配电系统的滤波补偿方法。



背景技术:

电能质量即电力系统中电能的质量。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦,由此便产生了电能质量问题。电能质量是多个指标的有机综合,虽然世界各国对各个电能质量指标制定了一系列的标准,但这些用来确定单个指标合格与不合格的标准,不能全面、真实、唯一地反映总的电能质量的性质。

随着各行各业投入的电力设备逐渐增多,电网中的谐波含量逐渐增加,如化工烧碱行业电解用低压大容量整流装置,这些大容量谐波电流对电网、其他用电设备、特别是用电可靠性都会带来严重影响,因此对大容量、高精度和高可靠性的模块化多机并联有源滤波需求日益增加,并且逐渐成为研究热点。

有源滤波装置能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,是目前谐波治理的一项关键技术。源滤波装置是一种动态补偿装置,能够对电网中的谐波、无功进行快速响应,并越来越受到关注。而目前,某些应用场合需要投入大量的单相负载,这种情况通常在个别用户使用大容量、不平衡单相负载时发生。作为有源滤波装置,设备必然存在容量限制,那么如何快速得到不平衡负荷中不平衡分量的有效值成为计算限幅系数的关键。

有源滤波装置由于可以动态抑制电网电流谐波,补偿无功功率,避免因谐波导致的一系列电能质量问题。但是随着连接在有源滤波装置所在电网上的非线性、冲击性负荷大的用电设备或负载越来越多并且越来越杂乱,有源滤波装置所在电网中的电能质量问题波动较大,需要实时检测,及时更新有源滤波装置的参数。



技术实现要素:

本发明提供一种配电系统的滤波补偿方法,能够准确、全面的进行有源滤波装置配电系统稳定性判定,能够将有源滤波装置的控制结构由传统的控制电流和电压的双环结构变成了只需控制电流的内环结构,因而具有控制参数设定简单、系统动态响应速度快和鲁棒性强的技术特性。

为了实现上述目的,本发明提供一种配电系统的滤波补偿方法,该方法包括如下步骤:

S1.监测模块实时监测配电系统参数、有源滤波装置参数;

S2.对配电系统的稳定性进行判断;

S3.利用单环控制算法控制有源滤波装置实时补偿滤除谐波;

其中,在所述步骤S3中,通过以下步骤确定有源滤波装置的实际工作下得补偿电流指令:

对单相系统构造与单相电路中实际电流和电压相位差为-π/2的虚拟电流和电压分量,形成两相正交αβ坐标系,得:

其中,us和is分别为单相电网电压和补偿后的单相电网电流,u和u分别为us在αβ坐标系中的α和β分量;Vm和ω分别为us的幅值和角频率,i和i分别为iL在αβ坐标系中的α和β分量;i和i分别为is在αβ坐标系中的α和β分量;iLm为iL中的基波幅值;iSm为iS的幅值;和分别为iL的基波分量和is与us的相位差;in为iL中的n次谐波幅值;为iL中的n次谐波与us的相位差,其中,角频率ω是通过单相PLL(Phase locked loop)环节的作用获得的;

利用PQ变换求取单相电网侧和负载侧的瞬时有功无功:

其中,pS和qS分别为电网侧瞬时有功和瞬时无功功率;pL和qL分别为负载侧的瞬时有功和瞬时无功功率;

考虑到在实际应用中,有源滤波装置总会存在一些损耗(诸如主回路元器件热损耗和功率开关管的损耗),使得有源滤波装置必须从电网中吸收适当的有功功率,用于稳定直流侧电压。因此在实际工作状态下,有源滤波装置需要补偿的功率如下:

其中,Δpdc为维持有源滤波装置直流侧电压所必须从单相电网中吸收的有功功率,为负载有功功率的震荡功率;

对电网侧电流进行PQ反变换求取i和i

其中,PL(ωt)经过LPF(Low-pass filter)环节作用后得到为负载瞬时有功功率的平均功率;

最终实际工作状态下补偿电流补偿指令为:

优选的,在步骤S1中,所述配电系统参数包括配电系统导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、配电系统频率、配电系统电压、电流,所述有源滤波装置参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益。

优选的,在所述步骤S2中,包括如下子步骤:

S21.根据所述配电系统参数、有源滤波装置参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型;

S22.根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型,得到配电系统全导纳形式等效电路,包括待机运行模式和补偿运行模式;

S23.根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下配电系统并网运行处电压的表达式,其中Ytotal为并网系统全局导纳:

式中,E为配电系统电压,E'为配电系统并网运行处电压,Yg为配电系统导纳,Yp为并网端无源器件等效导纳,Yi为电流环导纳,Yhi为谐波控制环导纳,YL为谐波负载等效无源导纳,I′i为待机运行时有源滤波装置等效电流源(i=1,2,...n),n为配电系统有源滤波装置数量,I′hi为谐波补偿运行时源滤波装置等效电流源,ILh为谐波电流源;

S24.稳定性判定单元根据配电系统全局导纳判断配电系统的稳定性;所述配电系统的稳定性为配电系统在当前稳定激励下的所有响应稳定,所述激励包括配电电压、有源滤波装置输出电流源和负载谐波电流源,所述响应包括配电系统并网运行处电压、有源滤波装置输出电流和并联无源器件电流。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据得到的配电系统全局导纳Ytotal绘制Nyquist曲线,得到s平面负实轴的正、负穿越次数;若全局导纳Ytotal对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据配电系统全局导纳频域增益为零时,确定配电系统谐振点,若谐振点对应的增益实部Rd全部大于零,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

本发明具有如下优点:(1)可智能识别并跟踪系统运行拓扑和状态的变化,获取节点电压、负载、可用支线无功补偿的出力等信息,并以此为信息源动态智能调节无功补偿,协调各分布式有源滤波装置的无功功率注入;(2)能够使得配电系统中馈电线路各节点电压满足标准的要求,协调分布式有源滤波装置向配电系统提供无功功率支撑,进一步提高了分布式有源滤波装置的利用率和经济效益。

附图说明

图1示出了本发明的一种可智能滤波补偿的配电系统的框图;

图2示出了一种配电系统的滤波补偿方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了本发明的一种可智能滤波补偿的配电系统,该配电系统包括:

馈电线路14,该馈电线路为多个,用于为多个负载15提供电能;

有源滤波装置12,用于为馈电线路14提供无功功率,以维持馈电线路14电压的稳定,该有源滤波装置为多个,并与所述馈电线路一一对应;

并网装置13,用于实现有源滤波装置12和馈电线路14并网运行,该并网装置13与所述馈电线路14一一对应;

和监控装置11;

该监控装置11包括:

监测模块113、控制模块112和用于所述各模块通信的通信总线111;

所述监测模块113,用于实时监测配电系统参数、有源滤波装置参数,所述配电系统参数包括配电系统导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、配电系统频率、配电系统电压、电流,所述有源滤波装置参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益;

所述控制模块112包括稳定性判定单元和有源滤波控制单元,其中:

所述稳定性判定单元,基于配电系统的全局导纳判断系统的稳定性;

所述有源滤波控制单元,利用单闭环控制实现谐波滤除和补偿。

优选的,所述稳定性判定单元,所述配电系统参数、有源滤波装置参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型,根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型,得到配电系统全导纳形式等效电路,包括待机运行模式和补偿运行模式。

优选的,稳定性判定单元根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下配电系统并网运行处电压的表达式,其中Ytotal为配电系统全局导纳:

式中,E为配电系统电压,E'为配电系统并网运行处电压,Yg为配电系统导纳,Yp为并网端无源器件等效导纳,Yi为电流环导纳,Yhi为谐波控制环导纳,YL为谐波负载等效无源导纳,I′i为待机运行时有源滤波装置等效电流源(i=1,2,...n),n为配电系统有源滤波装置数量,I′hi为谐波补偿运行时源滤波装置等效电流源,ILh为谐波电流源。

优选的,稳定性判定单元根据配电系统全局导纳判断配电系统的稳定性;所述配电系统的稳定性为配电系统在当前稳定激励下的所有响应稳定,所述激励包括配电电压、有源滤波装置输出电流源和负载谐波电流源,所述响应包括配电系统并网运行处电压、有源滤波装置输出电流和并联无源器件电流。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据得到的配电系统全局导纳Ytotal绘制Nyquist曲线,得到s平面负实轴的正、负穿越次数;若全局导纳Ytotal对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据配电系统全局导纳频域增益为零时,确定配电系统谐振点,若谐振点对应的增益实部Rd全部大于零,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

优选的,有源滤波控制单元,根据监测模块采集的相邻三个控制时刻(k-1)、k和(k+1)时的有源滤波装置直流侧电容C上的电压值Udc(k-1)、Udc(k)和Udc(k+1),由表达式和求取相邻两个控制周期内直流侧的电容能量变化量ΔW(k+1)和ΔW(k)后,利用相邻控制周期Tk内电容有功功率波动ΔPdc为一恒定值及这些约束关系,代入等式求取第k个控制周期内有源滤波装置吸收的有功功率pdc(k);通过数据采集获得的k时刻的负载电流i(k)和单相电网电压u(k),利用数字锁相环形成滞后i(k)和u(k)π/2的虚拟量i(k)和u(k);利用pL(k)=u(k)iLa(k)+u(k)i(k)计算k时刻负载侧的瞬时有功功率pL(k);采用低通滤波算法获得pL(k)的直流分量利用等式获得电流环的给定指令与经过低通滤波器采集获得的k时刻有源滤波装置的电流输出值iC(k)相减后,进入数字化PI控制器;PI控制器输出值与u(k)相减后,形成单相全桥逆变单元的调制信号,由调制信号生成单相全桥逆变单元的驱动脉冲。

参见附图2,本发明的一种配电系统的滤波补偿方法的流程图,该方法包括如下步骤:

S1.监测模块实时监测配电系统参数、有源滤波装置参数;

S2.对配电系统的稳定性进行判断;

S3.利用单环控制算法控制有源滤波装置实时补偿滤除谐波。

优选的,在步骤S1中,所述配电系统参数包括配电系统导纳、并网端无源器件等效导纳、谐波负载等效无源导纳、配电系统频率、配电系统电压、电流,所述有源滤波装置参数包括电流环扰动增益、电流环开环支路增益。

优选的,在所述步骤S2中,包括如下子步骤:

S21.根据所述配电系统参数、有源滤波装置参数建立电流环导纳模型、谐波控制环导纳模型;

S22.根据所述电流环导纳模型以及谐波控制环导纳模型,得到配电系统全导纳形式等效电路,包括待机运行模式和补偿运行模式;

S23.根据所述全导纳形式等效电路得到两种运行模式下配电系统并网运行处电压的表达式,其中Ytotal为并网系统全局导纳:

式中,E为配电系统电压,E'为配电系统并网运行处电压,Yg为配电系统导纳,Yp为并网端无源器件等效导纳,Yi为电流环导纳,Yhi为谐波控制环导纳,YL为谐波负载等效无源导纳,I′i为待机运行时有源滤波装置等效电流源(i=1,2,...n),n为配电系统有源滤波装置数量,I′hi为谐波补偿运行时源滤波装置等效电流源,ILh为谐波电流源;

S24.稳定性判定单元根据配电系统全局导纳判断配电系统的稳定性;所述配电系统的稳定性为配电系统在当前稳定激励下的所有响应稳定,所述激励包括配电电压、有源滤波装置输出电流源和负载谐波电流源,所述响应包括配电系统并网运行处电压、有源滤波装置输出电流和并联无源器件电流。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据得到的配电系统全局导纳Ytotal绘制Nyquist曲线,得到s平面负实轴的正、负穿越次数;若全局导纳Ytotal对应的Nyquist曲线在s平面负实轴的正、负穿越次数相等,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

优选的,稳定性判定单元判断配电系统的稳定性的方法为:根据配电系统全局导纳频域增益为零时,确定配电系统谐振点,若谐振点对应的增益实部Rd全部大于零,则该配电系统稳定;反之,配电系统失稳。

优选的,在所述步骤S3中,通过以下步骤确定有源滤波装置的实际工作下得补偿电流指令:

对单相系统构造与单相电路中实际电流和电压相位差为-π/2的虚拟电流和电压分量,形成两相正交αβ坐标系,得:

其中,us和is分别为单相电网电压和补偿后的单相电网电流,u和u分别为us在αβ坐标系中的α和β分量;Vm和ω分别为us的幅值和角频率,i和i分别为iL在αβ坐标系中的α和β分量;i和i分别为is在αβ坐标系中的α和β分量;iLm为iL中的基波幅值;iSm为iS的幅值;和分别为iL的基波分量和is与us的相位差;in为iL中的n次谐波幅值;为iL中的n次谐波与us的相位差,其中,角频率ω是通过单相PLL(Phase locked loop)环节的作用获得的;

利用PQ变换求取单相电网侧和负载侧的瞬时有功无功:

其中,pS和qS分别为电网侧瞬时有功和瞬时无功功率;pL和qL分别为负载侧的瞬时有功和瞬时无功功率;

考虑到在实际应用中,有源滤波装置总会存在一些损耗(诸如主回路元器件热损耗和功率开关管的损耗),使得有源滤波装置必须从电网中吸收适当的有功功率,用于稳定直流侧电压。因此在实际工作状态下,有源滤波装置需要补偿的功率如下:

其中,Δpdc为维持有源滤波装置直流侧电压所必须从单相电网中吸收的有功功率,为负载有功功率的震荡功率;

对电网侧电流进行PQ反变换求取i和i

其中,PL(ωt)经过LPF(Low-pass filter)环节作用后得到为负载瞬时有功功率的平均功率;

最终实际工作状态下补偿电流补偿指令为:

优选的,在所述步骤S3中,包括如下子步骤:

S31.有源滤波控制单元,根据监测模块采集的相邻三个控制时刻(k-1)、k和(k+1)时的有源滤波装置直流侧电容C上的电压值Udc(k-1)、Udc(k)和Udc(k+1);

S32.由表达式和求取相邻两个控制周期内直流侧的电容能量变化量ΔW(k+1)和ΔW(k)后,利用相邻控制周期Tk内电容有功功率波动ΔPdc为一恒定值及这些约束关系,代入等式求取第k个控制周期内有源滤波装置吸收的有功功率pdc(k);

S33.通过数据采集获得的k时刻的负载电流i(k)和单相电网电压u(k),利用数字锁相环形成滞后i(k)和u(k)π/2的虚拟量i(k)和u(k);利用pL(k)=u(k)iLa(k)+u(k)i(k)计算k时刻负载侧的瞬时有功功率pL(k);采用低通滤波算法获得pL(k)的直流分量

S34.利用等式获得电流环的给定指令与经过低通滤波器采集获得的k时刻有源滤波装置的电流输出值iC(k)相减后,进入数字化PI控制器;

S35.PI控制器输出值与u(k)相减后,形成单相全桥逆变单元的调制信号,由调制信号生成单相全桥逆变单元的驱动脉冲。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,做出若干等同替代或明显变型,而且性能或用途相同,都应当视为属于本发明的保护范围。

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