一种三相静止无功补偿系统及其控制方法与流程

本发明属于静止无功补偿器技术领域，特别涉及一种三相静止无功补偿系统及其控制方法。

背景技术

电能是现代社会中不可或缺的重要能源，在不同的领域中都得到了非常广泛的应用，这也使现代电网的承载非常严酷。随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加，并且随着我们生活水平的提高和技术的发展，出现了很多电力电子类的负载。特别是电动汽车的出现，大量的充电桩接入了配网，并且随着电池技术的发展，各种快速充电技术和电池出现，导致对配网的需求容量越来越大，严重影响电力系统的稳定性和供电的电能质量。各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器以及各种开关电源等大规模的应用，导致的负面效应也日益明显。非线性电力电子装置的应用给电网带来了严重的谐波污染并由此产生了一系列的电能质量问题。例如：谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电器设备过热、产生震动和噪声，导致绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可以引起电力系统局部并联谐振或者串联谐振，导致谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能的计量出现错误。谐波还会使通信设备和电子设备产生严重的干扰。因此，谐波治理已经成为人类社会不得不面对的严峻问题。输电线路、单相负荷、电机类负载也会产生大量的无功需求，并造成了三相负荷的不平衡，对电力系统设备的投资造成了严重浪费，同时也会降低用户的用电质量。因此对于线路中的无功、三相不平衡和谐波进行治理具有较高的应用价值。

由于在负载端大量的采用电机类负载，线路上存在的大量感性无功，传统采用并联电容的方式进行感性无功的补偿。这种方式通过晶闸管来调节不同电容的组合平衡感性无功，具有结构简单、价格较低，但是设备体积较大，只能补偿固定的感性无功，存在谐波放大的危险。并且电容器比较容易损坏，使用寿命较低的缺点。70年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器件和变流技术的飞速发展，各种电力电子装置在军事、工业、生活及高新技术领域获得了越来越广泛的应用，高速功率开关器件的出现，瞬时无功理论的成熟，以及数字处理技术的发展推动了静止无功补偿器的发展。与电容补偿器相比较，静止无功补偿器能够对变化的无功、低次谐波和负荷不对称等进行快速的动态跟踪补偿，并可消除电压抖动，其补偿特性不受电网阻抗的影响，且不存在“谐波放大”的危险等，因而受到广泛的重视。静止无功补偿器(svg)技术是以功率器件的制造技术、谐波检测技术和电流控制技术为基础，随着这些技术的发展，技术得到了极大的发展。近年来，国内外已经开始在工业和民用设备上使用svg，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的无功向改善整个电力系统供电质量的方向发展。而且，随着补偿容量的提高，svg在补偿无功的同时也可以对谐波进行补偿，各种svg技术已经成为研究热点。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种将电容补偿器和静止无功补偿器优点相结合的三相静止无功补偿系统。

本发明的第二个目的是提供一种既可以克服电容器补偿不能连续调节的缺点，又结合了静止无功补偿器精确补偿优点的三相静止无功补偿系统的控制方法。

为了实现第一个目的，本发明的技术方案是：一种三相静止无功补偿系统，包括三相线和中性线，其特征在于：包括静止无功补偿器和控制系统，三相线和中性线上分别连接一静止无功补偿器；所述静止无功补偿器包括由滤波电抗器、滤波电容组成的高通滤波器，滤波电抗器连接至相对应的相线或中性线，滤波电容一端连接至同一静止无功补偿器上的滤波电抗器，另一端与其他滤波电容互相连通；所述静止无功补偿器还包括一变压器，变压器的原边正端分别连接第一功率开关的负端和第二功率开关的正端，第一功率开关的正端连接至滤波电抗器，第一功率开关正端与第二功率开关的负端并联设置一阻容吸收电路；所述变压器的副边正端与滤波电抗器之间设有并联设置的电容补偿电路和电抗补偿电路，电容补偿电路包括串联的电容功率开关和补偿电容，电抗补偿电路包括串联的电抗功率开关和补偿电抗；所有静止无功补偿器中的变压器的原边负端、副边负端以及第二功率开关的负端均互相连通；所述三相线和中性线上静止无功补偿器内的第一、第二功率开关以及电容功率开关、电抗功率开关均由控制系统来控制通断。

优选地，所述第一功率开关和第二功率开关为互补状态，即第一功率开关导通时，第二功率开关断开，反之，第一功率开关断开时，第二功率开关导通。

优选地，所述电容功率开关和电抗功率开关为互补状态，即电容功率开关导通时，电抗功率开关断开，反之，电容功率开关断开时，电抗功率开关导通。

优选地，所述阻容吸收电路由电容、电阻并联形成。

为了实现第二个目的，本发明的技术方案是：一种三相静止无功补偿系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)控制系统开始后进行自检，读取系统的设置参数；

2)检测系统中的电流电压，并计算出系统所需的无功需求；

3)判断所需的无功是否为零，若为零，则维持现状不变；若有无功需求，则判断所需的无功为感性无功还是容性无功；

4)采用分相判断方式来分别判断三相线和中性线的无功需求；

5)当需求为容性无功时，控制电容功率开关导通，电抗功率开关断开；当需求为感性无功时，控制电抗功率开关导通，电容功率开关断开；

6)控制第一、第二功率开关的开关占空比，调节各相的补偿量，并且通过检测系统的实际输出电流，计算系统的实际输出无功，并与目标值进行比较，并通过闭环进行微调。

优选地，所述步骤2)采用瞬时无功功率计算策略，将系统检测到的电压和电流分别代入事先建立的预测算法中可得到电压的预测数据和电流的预测数据；将电压的预测数据输入锁相环，然后将锁相环得到的数据利用表格形式计算正弦sin和余弦cos值后，与电流的预测数据相乘，经过低通滤波器后，最终得到有功值和无功值。

优选地，所述预测算法需要先建立预测模型gm模型，

假设检测的一个原始的序列为：

x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),…,x⁽⁰⁾(n)]

其中，n为原始序列中数据的个数；

为建立gm(1,1)模型，要求x⁽⁰⁾(k)≥0(k＝1,2,3,…n)；先将原始的数据作指数变化：

其中，y⁽⁰⁾(k)≥0(k＝1,2,3,…n)满足建模要求；

为了从随机的数据中获取规律，采用动态的数的累加生成方法，累加生成方法的数学描述；由原始数列y⁽⁰⁾生成累加数列y⁽¹⁾：

y⁽¹⁾＝[y⁽¹⁾(1),y⁽¹⁾(2),y⁽¹⁾(3),…,y⁽¹⁾(n)]

对于广义能量系统y⁽¹⁾，可以用以下的微分方程近似描述：

这是一个一阶单变量的微分方程，记为gm(1,1)；

利用差分方程与微分方程的关系，当采样间隔为一个单位时，上述方程就可以表示为：

在上式中，将y⁽¹⁾用y⁽¹⁾(k)和y⁽¹⁾(k-1)的均值来代替得：

令z⁽⁰⁾(k)＝0.5z⁽¹⁾(k)+0.5z⁽¹⁾(k-1)，并将k＝2,3,…n代入到上式中，则上式可以写为如下形式：

y⁽⁰⁾(2)＝-az⁽¹⁾(2)+u

y⁽⁰⁾(3)＝-az⁽¹⁾(3)+u

…

y⁽⁰⁾(n)＝-az⁽¹⁾(n)+u

将上式用矩阵表示为：

参数a和参数u可以由原始序列y⁽⁰⁾和累加序列y⁽¹⁾求解；

为获得较为准确的y⁽¹⁾的增长曲线，预测模型采用了4个数据；

参数a和参数u可以按以下最小二乘法求得最优解：

其中：

b^t＝[y⁽⁰⁾(2)y⁽⁰⁾(3)y⁽⁰⁾(4)]

预测输出的白化响应解为：

因为y⁽¹⁾(1)＝y⁽⁰⁾(1)，所以上式可以表示为：

上式可以求解出累加序列的预测值，在用累减生成还原数列：

由于序列y是原始序列的指数运算，做指数的反运算还原原始序列：

所述系统检测到的电压和电流分别代入原始序列x⁽⁰⁾，依次得到的分别为电流与电压的预测数据。

本发明中所述的系统为三相四线制系统，同样可适用于三相三线制系统，三相三线制系统在三相线上各安装一静止无功补偿器，其余工作原理相同。

无功功率补偿的基本原理是把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并联接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量；而感性负荷释放能量时，容性负荷却在吸收能量，能量在两种负荷之间互相交换。这样，感性负荷所吸收的无功功率可由容性负荷输出的无功功率中得到补偿。

由滤波电抗器、滤波电容组成的高通滤波器用于滤出开关频率附近的谐波；变压器，实际应用中可以根据用户的需求灵活配置容量，具有隔离原边和副边的作用。第一、第二功率开关构成一对互补的ac/ac变换器，其中第一功率开关是主开关，第二功率开关是副开关。两组开关周期性的导通和关断，即当主开关导通时，副开关关断；反之，主开关关断时，副开关导通。为了防止两个开关的完全互补，不会发生断路，设置必要的死区时间是必要的。同时为了给死区时间提供续流通路，因此设置了阻容吸收电路。

第一、第二功率开关采用pwm控制方式，为了分析简单，忽略死区时间和电容功率开关、电抗功率开关的状态。当主开关导通时，副开关关断，此时电网的电压直接通过第一功率开关加载了变压器的原边。反之，当主开关关断时，副开关导通，此时变压器原边与电网断开，变压器通过副开关将三相与中线连接在了一起，即此时电压器原边电压为0，并且原边电流通过辅助开关续流。这组功率开关工作与pwm状态，由于具有变压器电抗器漏抗的存在，不会产生谐波放大的现象。

电容功率开关、电抗功率开关用来调节补偿容性无功和感性无功。一般情况下，电容功率开关、电抗功率开关处于互补的工作状态，即当电容功率开关导通时，电抗功率开关关断，这时补偿的容性无功；反之，当电容功率开关关断时，电抗功率开关导通，这个时候系统补偿的是感性无功。因此该系统既可以适合补偿容性无功，也可以补偿感性无功。这两个开关的控制，通过检测到系统中的无功类型决定，当检测到的系统中具有感性无功时，就补偿容性无功，即控制电容功率开关导通，电抗功率开关关断。反之，当控制系统检测到系统电路中存在容性无功时，即控制电容功率开关关断，电抗功率开关导通。由于在电路系统中，感性无功和容性无功的变换不是非常频繁，因此这两个功率开关的切换不会非常频繁，因此也可以工作在一个低频状态。控制策略也非常的简单，系统降低了对控制系统的需求，可以降低系统成本提高了系统的稳定性。该系统可以分开控制各相的补偿类型、补偿容量等参数，因此该系统同样可以用于补偿三相不平衡，可以用于配网的电能质量治理。

本发明通过采用变压器和pwm工作模式的功率开关调节与其连接的补偿电容或者补偿电抗器上的电压，调节系统输出的容性无功或者感性无功。本发明可以用于补偿容性无功、感性无功、三相不平衡电流，可以用于电力系统的配网改造，工商业负荷的就地无功补偿，工商业楼宇的三相不平衡治理等场合，既可以采用三相三线制也可以采用三相四线制。相比于传统的治理方式具有灵活，使用寿命长，系统稳定性高，补偿精度高，控制系统简单成本低的优点。本发明克服了传统的晶闸管控制电抗器、固定补偿电容器或者晶闸管投切电容器的不足；采用pwm工作方式，不会产生低次谐波，具有响应速度快、控制容易、控制器简单等优点。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明三相四线制的拓扑结构示意图；

图2为本发明三相三线制的拓扑结构示意图；

图3为本发明a线静止无功补偿器的拓扑结构示意图；

图4为本发明控制方法的流程图；

图5为本发明无功需求计算的流程图。

具体实施方式

参见附图。本实施例的可以用于三相四线制系统，可以用于如图2所示的三相三线制系统图。为了说明系统工作过程，采用三相四线制系统为例说明。

本实施例包括a、b、c三相线和中性线n，三相线和中性线上分别连接一静止无功补偿器；所述a线上的静止无功补偿器由滤波电抗器lfa、滤波电容cfa，、阻容吸收电路rca、变压器ta、第一功率开关sa1、第二功率开关sa2、电容功率开关sac、电抗功率开关sal、补偿电容ca、补偿电抗la构成。所述b线上的静止无功补偿器由滤波电抗器lfb、滤波电容cfb、阻容吸收电路rcb、变压器tb、第一功率开关sb1、第二功率开关sb2、电容功率开关sbc、电抗功率开关sbl、补偿电容cb、补偿电抗lb构成。所述c线上的静止无功补偿器由滤波电抗器lfc、滤波电容cfc、阻容吸收电路rcc、变压器tc、第一功率开关sc1、第二功率开关sc2、电容功率开关scc、电抗功率开关scl、补偿电容cc、补偿电抗lc构成。所述n线上的静止无功补偿器由滤波电抗器lfn、滤波电容cfn、阻容吸收电路rcn、变压器tn、第一功率开关sn1、第二功率开关sn2、电容功率开关snc、电抗功率开关snl、补偿电容cn、补偿电抗ln构成。

上述的滤波电抗器lfa、lfb、lfc、lfn和滤波电容cfa、cfb、cfc、cfn组成了高通滤波器，用于滤除开关频率附近的谐波，由于该系统的主功率开关采用pwm调节技术，工作在一定频率，在工作过程中会产生固定的高次谐波，因此采用lf和cf的高通滤波器。由于a、b、c和中线n的结构相同，因此我们用a相举例说明。

a相上的静止无功补偿器包括由滤波电抗器lfa、滤波电容cfa组成的高通滤波器，滤波电抗器lfa的一端连接于a线，另一端分为多路，其中一路连接滤波电容cfa，滤波电容cfa的另一端与其他滤波电容cfb、cfc、cfn相连接；滤波电抗器lfa还连接到第一功率开关sa1的正端，第一功率开关sa1的负端同时连接第二功率开关sa2的正端和变压器ta原边的正端，所述第一功率开关sa1的正端与第二功率开关sa2的负端并联一由电阻电容并联而成的阻容吸收电路rca；滤波电抗器lfa连接电容功率开关sac的正端，电容功率开关sac的负端连接补偿电容ca，补偿电容ca另一端连接至变压器ta副边的正端；滤波电抗器lfa连接电抗功率开关sal的正端，电抗功率开关sal的负端连接补偿电抗la，补偿电抗la另一端连接至变压器ta副边的正端；变压器ta的原边负端、副边负端以及第二功率开关sa2的负端与其他变压器tb、tc、tn的原边负端、副边负端，以及其他第二功率开关sa2、sb2、sc2、sn2均互相连通。

滤波电抗器lfa和滤波电容cfa组成了高通滤波器，用于滤出开关频率附近的谐波。sa1、sa2、sac和sal均是功率开关，在实际应用中为了使设计简单，可以采用相同的功率开关和驱动。ca是用于补偿感性无功的电容器，la是用于补偿容性无功的电抗器。ta是变压器，实际应用中可以根据用户的需求灵活配置容量，这里我们为了分析问题方便，变压器采用1:1的变比，具有隔离原边和副边的作用。该补偿器将脉冲宽度调制型ac/ac变换器与变压器形结合，通过调整补偿电容器或者补偿单抗器上的电压，来调节补偿电容或者补偿电抗的电流。

第一功率开关sa1和第二功率开关sa2构成一对互补的ac/ac变换器，其中第一功率开关sa1是主开关，第二功率开关sa2是副开关。两组开关周期性的导通和关断，即当主开关导通时，副开关关断。反之，主开关关断时，副开关导通。为了防止两个开关的完全互补，不会发生断路，设置必要的死区时间是必要的。同时为了给死区时间提供续流通路，因此设置了rca续流电路。这两个功率开关采用pwm控制方式，为了分析简单，忽略死区时间和电容功率开关sac和sal的状态。当主开关sa1导通时，副开关sa2关断，此时电网的电压直接通过功率开关加载了变压器的原边。反之，当主第一功率开关sa1关断时，副开关sa2导通。此时变压器原边与电网断开，变压器通过副开关将三相与中线连接在了一起，即此时电压器原边电压为0，并且原边电流通过辅助开关续流。这组功率开关工作与pwm状态，由于具有变压器电抗器漏抗的存在，不会产生谐波放大的现象。

电容功率开关sac和电抗功率开关sal用来调节补偿容性无功和感性无功。一般情况下，这两个功率开关工作于互补状态，即当sac导通时，sal关断，这时补偿的容性无功；反之，当sac关断时，sal导通，这个时候系统补偿的是感性无功。因此该系统既可以适合补偿容性无功，也可以补偿感性无功。这两个开关的控制，通过检测到系统中的无功类型决定，当检测到的系统中具有感性无功时，就补偿容性无功，即控制sac导通，sal关断。反之，当控制系统检测到系统电路中存在容性无功时，即控制sac关断，sal导通。由于在电路系统中，感性无功和容性无功的变换不是非常频繁，因此这两个功率开关的切换不会非常频繁，因此也可以工作在一个低频状态。

如图4所示，控制方法如下：系统在开始后，就进行自检，读取系统的设置参数，包括系统设置的工作模式选择、电流报警参数、补偿参数、最大限值电流、最小限值电流、ct变比等参数。之后检测系统电流电压，并计算出系统所需的无功需求。该计算过程采用传统的瞬时无功功率计算策略。之后，首先判断所需的无功是否为零，如果为零就维持现在状态不变。如果有无功需求，就判断所需的无功为感性无功还是容性无功，该过程采用分相判断方式。即是，分别判断a、b、c和n相的无功需求，当需求容性无功时，控制功率开关sc(即相对应的sac、sbc、scc、snc)闭合，sl(即相对应的sal、sbl、scl、snl)断开；反之，控制功率开关sl(即相对应的sal、sbl、scl、snl)闭合，sc(即相对应的sac、sbc、scc、snc)断开。这组开关只用于区分系统的容性无功和感性无功需求。然后，通过控制主副开关的开关占空比，调节各相的补偿量，并且通过检测系统的实际输出电流，计算系统的实际输出无功，并与目标值进行比较，并通过闭环进行微调。因此，该系统可以分开控制各相的补偿类型、补偿容量等参数，因此该系统同样可以用于补偿三相不平衡，可以用于配网的电能质量治理。

图5给出了无功检测控制算法。下面先描述预测算法，由于负载的不确定性，导致不可能建立一个具体的模型来准确的描述非线性负荷。预测模型是一种能对某种现象的动态特性进行准确预测的模型。所谓预测功能就是能根据系统的历史信息，预测系统的未来输出。灰色模型是依据灰色系统理论利用系统的离散采集数据建立的动态方程，称之为gm模型。可以通过系统过去的和现在采集的数据对系统未来的发展趋势做出预测，其建模过程如下。

假设检测的一个原始的序列为：

x⁽⁰⁾＝[x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3),…,x⁽⁰⁾(n)]

其中，n为原始序列中数据的个数。为建立gm(1,1)模型，要求x⁽⁰⁾(k)≥0(k＝1,2,3,…n)。先将原始的数据作指数变化

其中，y⁽⁰⁾(k)≥0(k＝1,2,3,…n)满足建模要求。为了从随机的数据中获取规律，灰色系统采用动态的数的累加生成方法，累加生成方法的数学描述。由原始数列y⁽⁰⁾生成累加数列y⁽¹⁾：

y⁽¹⁾＝[y⁽¹⁾(1),y⁽¹⁾(2),y⁽¹⁾(3),…,y⁽¹⁾(n)]

对于广义能量系统y⁽¹⁾，可以用以下的微分方程近似描述：

这是一个一阶单变量的微分方程，记为gm(1,1)。利用差分方程与微分方程的关系，当采样间隔为一个单位时，上述方程就可以表示为：

在上式中，将y⁽¹⁾用y⁽¹⁾(k)和y⁽¹⁾(k-1)的均值来代替得：

令z⁽⁰⁾(k)＝0.5z⁽¹⁾(k)+0.5z⁽¹⁾(k-1)，并将k＝2,3,…n代入到上式中，则上式可以写为如下形式：

y⁽⁰⁾(2)＝-az⁽¹⁾(2)+u

y⁽⁰⁾(3)＝-az⁽¹⁾(3)+u

…

y⁽⁰⁾(n)＝-az⁽¹⁾(n)+u

将上式用矩阵表示为：

参数a和参数u可以由原始序列y⁽⁰⁾和累加序列y⁽¹⁾求解。为获得较为准确的y⁽¹⁾的增长曲线，至少要4个数据。本专利的预测模型采用了4个数据。参数a和参数u可以按以下最小二乘法求得最优解。

其中：

b^t＝[y⁽⁰⁾(2)y⁽⁰⁾(3)y⁽⁰⁾(4)]

预测输出的白化响应解为：

因为y⁽¹⁾(1)＝y⁽⁰⁾(1)，所以上式可以表示为：

上式可以求解出累加序列的预测值，在用累减生成还原数列。

由于序列y是原始序列的指数运算，做指数的反运算还原原始序列。

将系统检测到的电压、电流依次代入上述预测的原始序列x⁽⁰⁾，最终得到的就是电流与电压的预测数据。

具体的无功和有功检测算法如图5所示，将系统检测电压经过预测算法得到的预测数据输入给锁相环pll，同时将的得到的数据利用表格形式计算正弦sin和余弦cos值后，与电流的预测值相乘，经过低通滤波器(lpf)后，就可以得到有功值p和无功值q。