一种基于SVG的三相不平衡电流补偿方法与流程

本发明涉及一种三相不平衡电流补偿方法，特别是一种采用全控型变流器件的SVG补偿三相不平衡电流的方法。
背景技术：
：三相电流不平衡现象是指三相电流的幅值是不对称的，其产生的原因可归纳为事故性和正常性。前者是指三相电力系统中一相或两相出现故障，导致三相不平衡；后者是指由于大量用户负载是单相负载，且用电具有不同时性，配变系统极易出现三相不平衡，尤其是电气化铁路等负载，其牵引负荷是单相移动且幅值变化频繁的大功率负荷，如果不及时治理，注入电力系统后会产生大量的负序电流，导致三相电流不平衡。近年来，随着交流电弧炉、电力机车等不平衡负荷的日益增多，供电系统的三相不平衡现象越来越严重，给电力系统的安全、稳定运行带来的负面影响也日益增大。传统的补偿措施是配电公司在安装配电设备时根据预测结果，尽量使各相负载对称，从而保证三相电流平衡。但由于用户用电具有不同时性，投入使用的电器难以预测，因此配变系统仍然极易出现三相不平衡。而对于电气化铁路系统，传统方法是合理安排机车及系统机组运行方式来尽量减少负序电流，但是三相不平衡现象仍然较为严重。为此，一些研发人员提出在电网中增加SVC设备来补偿三相不平衡电流。但是SVC补偿设备有很多缺点，主要是：1)补偿不平衡的能力只是其总容量的20～25％，导致其安装容量大，占地空间大，自身损耗大，通风散热困难；2)主控器件是晶闸管，响应速度慢，对于快速变化的负荷达不到理想的效果。而SVG则可以克服以上缺点。SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC的要小，因此可以大幅度减小装置的体积和成本，且SVG采用全控型开关器件IGBT，调节速度更快，运行范围更宽，而且在采用多电平和PWM技术后可大大减少补偿电流中的谐波含量。但是目前绝大多数厂家的SVG在补偿三相不平衡电流方面，采用的检测方法是同步旋转参考坐标法或者傅里叶变换法。同步旋转坐标法需要利用低通滤波器对旋转后的电流进行滤波处理，会增加计算负担和收敛时间；而傅里叶变换方法需要一个工频周期才能计算出所需补偿的参考电流，不利于实时控制。近年来，一些学者提出二阶广义积分器方法，该方法相对于传统的不平衡电流检测具有检测精度高和计算负担小等优势，但该方法在实际应用开发中仍有积分器形式、离散化方式等问题需要解决。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于SVG的三相不平衡电流补偿方法，该方法以三相三线制负载电流信号为控制输入量，基于全控型变流器件的SVG设备，通过三相不平衡状态判断环节、自适应锁频和锁相环节、基波负序电流提取环节和电压电流控制环节等来使得SVG生成与负载电流中的负序分量大小相等、方向相反的补偿电流，经过LCL滤波处理后并入电网，可使得三相不平衡电流最终趋于平衡状态。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：1)通过电流互感器CT检测负载电流信号，判断负载电流是否处于三相不平衡状态-若处于平衡状态，则SVG不动作，若处于不平衡状态，则SVG启动三相不平衡补偿模式；2)通过电压互感器PT检测电网电压信号，利用过零锁频、开环锁相和自适应锁频锁相环节，得到电网电压的频率和相位，并将其输入基波负序电流检测环节和电压电流控制环节，且在此环节中，利用调节监测模块监测和分析现场的电网运行情况，针对不同的应用场合可选择不同的锁频和锁相方式：对于电网电压中谐波含量较少的场合，采用过零锁频和开环锁相方式来获得电网频率和电网电压相位；对于电网电压中谐波含量较多的场合，采用离散化二阶广义积分器来获得电网频率和电网电压相位；3)利用离散化二阶广义积分器来滤除负载电流中的谐波分量，并结合对称分量法提取出负载电流中的基波负序分量，将其方向取反，作为电流参考信号输入控制模块，且在此环节中可根据负载电流中的谐波含量和SVG使用场合的精度要求，选择不同的二阶广义积分器结构和离散化方式：对于负载电流中谐波含量较少的场合，采用基波频率的离散双二阶广义积分器；对于负载电流中谐波含量较多的场合，可根据负载中的谐波种类增加相应次谐波频率的离散双二阶广义积分器来消除谐波的影响；对于负载电流中的谐波分量，检测时不需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用整体离散方式，提高检测精度；对于负载电流中的基波分量，检测时需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用分块离散方式，提高检测速度；4)检测直流母线电压信号，将其与期望的直流母线电压值做差，并将差值输入控制模块，与基波电流负序分量一同作为电压电流控制环节的参考值，并利用自适应锁频锁相环节所得到的相位进行Park变换，然后对电压外环和电流内环采用比例积分控制，生成PWM信号驱动IGBT发出与负载电流中的基波负序分量大小相等、方向相反的电流，在此环节中，可对典型谐波电流采用谐振控制进行抑制，且针对不同的应用场合，可选择不同的比例常数：对于负载电流变化剧烈的场合，可选择较大的比例常数，提高系统的响应速度；对于负载电流变化较缓慢的场合，可选择较小的比例常数，保证三相不平衡补偿精度；5)将SVG发出的补偿电流进行LCL滤波，滤掉高频谐波成分，然后并入电网，抵消掉负载电流中的基波负序分量，从而使得三相不平衡电流最终达到平衡状态；6)与三相不平衡电流补偿功能类似，可利用二阶广义积分器和多同步坐标变换法对负载电流中的谐波和无功成分进行提取，使得本发明可兼顾谐波和无功补偿功能。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)检测和控制算法计算负担小，收敛时间快。其主要原因是：离散二阶广义积分器本身具有滤波特性，使得检测过程中不需要使用低通滤波器，且不需要计算三角函数，因此大大减少检测算法的计算负担；而对于控制过程，由于PR控制可以对交流信号实现无静差跟踪，不需要区分频率旋转的方向，因此在谐波电流控制环节可以减少一半的计算量，使得收敛时间加快。2)设备自身产生的谐波电流小。本方法在控制环节加入谐波抑制功能，可以大大减少低频谐波，同时LCL模块可以滤掉大部分高频谐波，因此使得设备自身产生的谐波电流很小。3)模式切换灵活，在锁频和锁相方式、二阶广义积分器结构和离散化方式等方面可根据不同的应用场合和用户要求进行多样化选择，充分满足实际应用需求。附图说明图1是发明实施例中SVG的装置接线图；图2是发明实施例中的开环KP锁相原理图；图3是发明实施例中基于二阶低通滤波器的KP锁相原理图；图4是发明实施例中基于二阶广义积分器的锁频锁相原理图；图5是发明实施例中二阶广义积分器原理图；图6是发明实施例中基于二阶广义积分器的负序电流提取原理图；图7是发明实施例中三相不平衡电流补偿控制原理图。具体实施方式下面结合附图，以具体实施例的方式对本发明作详细阐述，但是需要说明的是以下实施例仅是本发明的优选实施方式，而非唯一实施方式，因此本领域技术人员对以下实施例做出的等同的修改或变换均应包含在本发明的保护范围之内。如图1所示，为本发明所采用的一种SVG设备的主接线图，该SVG设备安装在主变压器和负荷之间设备组成主要包括电流互感器CT、电压互感器PT、控制模块、IGBT逆变器、DC母线、储能电容、电抗、滤波支路、接触器、充电电阻、熔断器和断路器等。电流互感器CT用来采集负载电流信号；电压互感器PT用来采集电网电压信号；控制模块用来对整个设备进行调节监测，进行基波负序电流提取和控制信号计算；DC母线和储能电容用来维持逆变电压和补充SVG的有功功率损耗；IGBT逆变器用来产生补偿电流；两个电抗和电容支路共同组成LCL滤波单元，用来滤除SVG设备产生的高频谐波；接触器和充电电阻用来对DC母线充电，使其达到逆变电压要求；熔断器用来实现过流保护；断路器用来控制SVG的投切。当断路器闭合后，SVG投入电网，此时通过电流互感器CT检测负载电流信号，判断负载电流是否处于三相不平衡状态-若处于平衡状态，则SVG不启动补偿模式，若处于不平衡状态，则SVG启动补偿模式，并通过辅接触器和充电电阻支路对SVG设备中的DC母线充电，当充电到期望电压值的80％时，将主接触器旁路闭合，直接对DC母线继续充电，直到其达到期望电压值，此时SVG开始进行三相不平衡电流补偿。在锁频锁相环节，通过电压互感器PT检测电网电压信号，并利用调节监测模块监测和分析现场的电网运行情况，针对不同的应用场合可选择不同的锁频和锁相方式：对于电网电压中谐波含量较少的场合，利用硬件过零锁频获得电网频率，并采用查表方式进行相关参数计算，然后利用开环KP锁相方式来获得电网电压相位；对于电网电压中谐波含量较多的场合，可采用基于二阶低通滤波器的KP锁相方法，或者采用离散化二阶广义积分器来获得电网频率和电网电压相位。开环KP锁相的原理如图2所示，其实现步骤是：1)将三相电网电压ua，b，c通过Clark变换得到静止坐标系下的两相电压uα，β；2)利用三角函数关系求出电压矢量与坐标轴之间的夹角，即：sinθ=uβuα2+uβ2cosθ=uαuα2+uβ2---(1)]]>基于二阶低通滤波器的KP锁相原理如图3所示，其实现步骤是：1)将二阶低通滤波器的截止频率设为基波电压频率，然后利用其对三相电网电压进行两次滤波处理，从而分别得到相位为90°滞后和180°滞后的基波电压；2)利用对称分量法得到基波正序电压分量；3)利用式(1)所示的KP锁相得到基波正序电压矢量的相位。此方法适合对计算负担和收敛时间要求低的场合，若对计算负担和收敛时间要求高时，此方法可用基于离散化二阶广义积分器的锁频锁相方法代替。基于离散化二阶广义积分器的锁频锁相原理如图4所示，其实现步骤是：1)将三相电网电压ua，b，c通过Clark变换得到静止坐标系下的两相电压uα，β；2)利用多个离散化二阶广义积分器来滤除电网电压中的谐波分量，并结合对称分量法提取出电网电压中的基波正序分量，进而利用锁频环得到角频率ω；3)得到角频率后，对其作时间的积分和周期性归一化处理，可得到电压矢量相位θ。在第2)步中，可根据电网电压中的谐波含量和SVG使用场合的精度要求，选择不同的二阶广义积分器结构和离散化方式：对于电网电压中谐波含量较少的场合，采用基波频率的离散双二阶广义积分器；对于电网电压中谐波含量较多的场合，可根据负载中的谐波种类增加相应次谐波频率的离散双二阶广义积分器来消除谐波的影响；对于电网电压中的谐波分量，检测时不需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用整体离散方式，提高检测精度；对于电网电压中的基波分量，检测时需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用分块离散方式，提高检测速度。二阶广义积分器的原理如图5所示，其中εi为输入偏差，k为二阶广义积分器增益，ω′＝nω，n为谐波次数，ω为电网电流基波角频率，inα，β为二阶广义积分器的输出信号，二阶广义积分器的传递函数为：SOGI(s)=inα,βkϵi(s)=ω′ss2+ω′2---(2)]]>由二阶广义积分器的性质可知，当对基波信号进行跟踪时，ω′取为电网电流基波角频率，此时二阶广义积分器可使得输入偏差εi渐近收敛为零，从而使得二阶广义积分器的输出inα，β跟踪到需要提取的基波信号，而对n次谐波进行提取时，可令ω′＝nω，即取为谐波信号的角频率，此时inα，β可跟踪到需要提取的n次谐波信号。基于离散化二阶广义积分器的负载电流基波负序分量提取原理如图6所示，其实现步骤是：1)将三相负载电流ia，b，c通过Clark变换得到静止坐标系下的两相电流iα，β；2)将iα，β依次与二阶广义积分器SOGI输出的跟踪信号相减，得到偏差信号εi，完成解耦处理；3)将偏差信号εi输入各个离散二阶广义积分器模块，滤除负载电流中的谐波分量，并利用对称分量法和下面的公式提取出负载电流中的基波负序分量：iαβ-=iα-iβ-=121q-q1iαβ---(3)]]>式中iα，β为静止坐标系中α相和β相的基波负载电流，q可通过离散化二阶广义积分器的正交信号发生器得到。同样，在进行基波负序分量提取时，可根据负载电流中的谐波含量和SVG使用场合的精度要求，选择不同的二阶广义积分器结构和离散化方式：对于负载电流中谐波含量较少的场合，采用基波频率的离散双二阶广义积分器；对于负载电流中谐波含量较多的场合，根据负载中的谐波种类增加相应次谐波频率的离散双二阶广义积分器来消除谐波电流的影响-在本实施例中，鉴于典型电流频谱中最主要的谐波是5、7、11、13次谐波，因此只取5、7、11、13次的二阶广义积分器；在检测谐波时不需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用整体离散方式，提高检测精度；对于负载电流中的基波分量，检测时需要区分其正序和负序成分，可对二阶广义积分器采用分块离散方式，提高检测速度。三相不平衡电流的补偿控制原理如图7所示，其中il_a、il_b和il_c为在负载电流中提取出的需要补偿的电流，ic_a、ic_b和ic_c为SVG生成的补偿电流，Udc_ref为计算出的直流母线电压期望值，Udc为直流母线的真实电压信号，可利用硬件电路检测得到，ed和eq为经过Park变换后的电网电压。整个补偿控制的步骤为：1)将il_a、il_b、il_c和ic_a、ic_b、ic_c作Clark变换和Park变换，得到有功轴电流il_d、ic_d和无功轴电流il_q、ic_q；2)将il_d、il_q和ic_d、ic_q分别做差，输入有功轴和无功轴的负序电流控制环，经过SPWM模块生成驱动信号，使得SVG发出与负载电流中的基波负序分量大小相等、方向相反的电流；3)将Udc与Udc_ref做差，并将差值输入控制模块，经过PI控制，生成期望的有功电流，并与SVG实际生成的有功电流做差，输入PI控制器，经过SPWM模块生成驱动信号，使得SVG发出期望的有功电流，用于维持直流母线电压；4)为消除SVG装置本身产生的谐波电流(在典型电流频谱中主要是5、7、11、13次谐波)，增加谐波抑制环节，将PR控制的谐振频率分别设为6ω和12ω，得到PR控制器的传递函数表达式如下所示：GPR6=kIss2+36ω2---(4)]]>GPR12=kIss2+144ω2---(5)]]>式中，kP为比例控制增益，kI为积分控制增益，ω为电流基波频率。由于检测模块中的5、7、11、13次谐波并未输入到控制模块，因此谐波电流的参考值等于零，则经过合适的控制器，SVG生成电流中的5、7、11、13次谐波会渐近收敛为零，从而达到谐波抑制效果；5)为滤除补偿电流中的高频谐波成分，将SVG发出的补偿电流进行LCL滤波处理，并利用电网电压有效值与电容参数计算出电容电流的有效值，或者实时检测出电容支路的电流ilcl_d、ilcl_q，将其取反，输入电流内环控制来对LCL中电容支路的电流进行补偿，从而提高三相不平衡电流的补偿精度。当前第1页1 2 3