專利名稱：電力系統(tǒng)變電站用電能質(zhì)量綜合控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電能質(zhì)量綜合控制器，特別涉及一種電力系統(tǒng)變電站用電能質(zhì)量綜合控制器。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷產(chǎn)生的無功沖擊及諧波公害嚴(yán)重危及到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)供電。
無功功率的危害(1)無功功率增加，導(dǎo)致電流增大和供電設(shè)備視在功率增大，而且將導(dǎo)致起動(dòng)及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格增大。
(2)設(shè)備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，從而使設(shè)備及線路損耗增加。
(3)變壓器及線路壓降增大，使電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)。
(4)電壓波動(dòng)主要是由無功波動(dòng)引起的，如果是沖擊性無功負(fù)載，將導(dǎo)致電壓的劇烈波動(dòng)。
諧波的危害(1)諧波使設(shè)備產(chǎn)生附加諧波損耗，降低供配電設(shè)備及用電設(shè)備的效率。
(2)諧波會(huì)影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波引起過電壓、過電流使變壓器嚴(yán)重過熱；使電容器、電纜過熱，絕緣老化，壽命縮短。
(3)諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)局部諧波放大，甚至并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，對這一現(xiàn)象，因?yàn)橐滓鹪O(shè)備損壞和安全事故，應(yīng)特別關(guān)注。
(4)諧波導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作與拒動(dòng)作。
另外，對于三相四線制系統(tǒng)還有大量3n次諧波流過中線，使線路過熱、易燒毀元器件；諧波將影響電氣設(shè)備的正常工作，如引起電氣設(shè)備機(jī)械振動(dòng)、噪聲、縮短使用壽命甚至損壞；使常規(guī)測量儀表的精度大大降低；諧波還對鄰近通訊系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)以及包含微電子或計(jì)算機(jī)設(shè)備的系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，輕者產(chǎn)生噪聲、降低運(yùn)行質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，無法正常工作。可見，高次諧波的不利影響是諸多方面的，必須采取有效措施加以抑制。
在電力系統(tǒng)中，補(bǔ)償無功功率的方法很多，但由于使用晶閘管器件的靜止無功補(bǔ)償裝置具有優(yōu)良的性能，所以，近十多年來，在世界范圍內(nèi)其市場一直在迅速而穩(wěn)定地增長，已占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。因此靜止無功補(bǔ)償裝置(或SVC)這個(gè)詞往往是專指使用晶閘管器件的靜補(bǔ)裝置，包括晶閘管控制電抗器(Thyristor Controlled Reactor，縮寫為TCR)和晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor，縮寫為TSC)，以及這兩者的混合裝置(TCR+TSC)，或者晶閘管控制電抗器與固定電容器(FixedCapacitor，縮寫為FC)或機(jī)械投切電容器(Mechanically SwitchedCapacitor，縮寫為MSC)混合使用的裝置(如TCR+FC、TCR+MSC等)。其中TCR型具有反應(yīng)快(5～20ms)、運(yùn)行可靠、無級(jí)補(bǔ)償、分相調(diào)節(jié)、能平衡有功、使用范圍廣、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。因此工業(yè)發(fā)達(dá)國家的主要電氣設(shè)備制造公司都生產(chǎn)和積極推廣這種裝置，應(yīng)用最廣，是發(fā)展的主流，全世界已有超過220套、總?cè)萘繛?5000Mvar的SVC在輸配電系統(tǒng)運(yùn)行，超過380套、總?cè)萘繛?8000Mvar的SVC在工業(yè)部門應(yīng)用。預(yù)計(jì)SVC在輸電和配電領(lǐng)域以及工業(yè)用戶方面都將有更大發(fā)展。
消除供電系統(tǒng)諧波的方法主要有兩種一種是采用無源LC濾波器或有源電力濾波器濾波；第二種是改造諧波源，如提高變流器的相數(shù)，采用高功率因數(shù)整流器等。無源濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無功，改善功率因數(shù)；同時(shí)無源濾波器又具有維護(hù)方便，以及有較成熟的技術(shù)、設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，因此無源濾波方案是目前采用得最為廣泛的諧波抑制和補(bǔ)償無功的主要手段。但無源電力濾波器PPF存在以下缺點(diǎn)(1)濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與運(yùn)行工況影響比較大，設(shè)計(jì)起來較困難，諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進(jìn)行濾波，LC參數(shù)的漂移將導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定；(2)電網(wǎng)的參數(shù)與LC可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降；(3)濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。
諧波抑制的一個(gè)重要趨勢是采用有源電力濾波器。由于有源電力濾波器能動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償諧波、無功及負(fù)序電流，而又不會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生諧振，所以可以取得比無源電力濾波器好的多的濾波效果。但由于單獨(dú)使用的有源電力濾波器容量大、成本高，目前國內(nèi)還沒有應(yīng)用。
無功補(bǔ)償和諧波抑制始終有著密切的關(guān)系，兩者的技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步是相互協(xié)調(diào)的，有源濾波器可以克服無源濾波器在實(shí)際運(yùn)行中補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗變化和運(yùn)行狀態(tài)影響，與系統(tǒng)發(fā)生諧波放大甚至并聯(lián)諧振的缺陷，若將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成混合濾波器，相互取長補(bǔ)短，兼有兩種濾波器優(yōu)點(diǎn)，這種方案是諧波抑制方案研究的熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置中，無功功率的補(bǔ)償、負(fù)序電流的抑制、諧波電流的抑制是分別地、孤立地進(jìn)行的，沒有按統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型全方位地進(jìn)行治理。理論上欠完備，實(shí)踐中常出現(xiàn)顧此失彼的情況，甚至相互之間帶來不利的影響。由于分別用不同裝置獨(dú)立地進(jìn)行補(bǔ)償，難以達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)哪康?。安裝維護(hù)工作量大，性能價(jià)格比低。
從上述對現(xiàn)有技術(shù)的介紹和分析中可見，目前在國內(nèi)外還沒有見到通過將無源濾波器中LC濾波支路分為純調(diào)諧和附加電感再將有源電力濾波器并聯(lián)于串聯(lián)電感來使用的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的是提供一種電力系統(tǒng)變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，可以改善電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，降低污染治理的成本。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括可與電網(wǎng)并聯(lián)的晶閘管控制電抗器TCR以及純調(diào)諧無源電力濾波器Zf，純調(diào)諧無源電力濾波器Zf與附加電感La的一端串連，附加電感La另一端接地，附加電感La通過耦合變壓器T與有源電力濾波器APF并聯(lián)。
所述的純調(diào)諧無源電力濾波器Zf串連附加電感La，以及與附加電感La并聯(lián)的有源電力濾波器APF控制成電流源。
所述的純調(diào)諧無源電力濾波器Zf可由調(diào)諧于三次、五次、七次的串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成。
本發(fā)明將晶閘管控制電抗器TCR電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)，吸收的諧波電流和無功功率隨著控制角α的增大而減小，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功功率的目的。負(fù)載的變化正是由TCR所產(chǎn)生的變化無功功率加以平衡使得兩者之和總是維持為常數(shù)，此常數(shù)感性無功功率被FC的容性無功功率相抵消，最終使得電網(wǎng)的功率因數(shù)保持在設(shè)定值如0.95以上。
本發(fā)明的變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，由晶閘管控制電抗器TCR提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率、穩(wěn)定負(fù)載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)。本發(fā)明將原有固定頻偏的無源濾波器改造為純調(diào)諧LC濾波電路和附加電感La串聯(lián)，然后將有源電力濾波器(APF)控制成電流源，與附加電感La并聯(lián)，共同組成混合濾波系統(tǒng)，該混合濾波系統(tǒng)提供所需要的容性無功功率、濾除負(fù)載及TCR系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的諧波。在這種變電站用電能質(zhì)量綜合控制器中，由于有源電力濾波器APF容量很小，小于諧波源容量的1％(基波無功電流全部流入附加電感La，不流經(jīng)有源濾波器)，因而不會(huì)增加很多的成本，但卻可以極大地改善濾波效果。并可抑制變電站的“背景諧波”對無源濾波器的影響，并防止無源濾波器和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，大大增強(qiáng)了濾波系統(tǒng)的整體安全性和可靠性。即使有源部分發(fā)生故障，可通過熔斷器自動(dòng)從系統(tǒng)脫離，晶閘管控制電抗器TCR和無源濾波器仍可實(shí)現(xiàn)原有的無功及諧波補(bǔ)償功能。有源濾波器的控制方式簡單可靠。


圖1為本發(fā)明的變電站用電能質(zhì)量綜合控制系統(tǒng)的原理圖；圖2為本發(fā)明晶閘管控制電抗器TCR的數(shù)字控制系統(tǒng)原理圖；圖3(a)為本發(fā)明混合濾波系統(tǒng)無源濾波器等效電路圖；圖3(b)為本發(fā)明混合濾波系統(tǒng)等效電路圖；圖4(a)為電網(wǎng)電壓波形圖；圖4(b)為負(fù)載電流波形圖；圖4(c)為晶閘管控制電抗器的補(bǔ)償電流波形圖；圖4(d)為晶閘管控制電抗器的補(bǔ)償電流和負(fù)載電流波形圖；圖4(e)補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形圖；圖4(f)補(bǔ)償前后負(fù)載和網(wǎng)側(cè)電流波形傅立葉分析結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
附圖是本發(fā)明的具體實(shí)施例；下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容及其工作原理作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
參照圖1所示，最右側(cè)負(fù)載LOAD產(chǎn)生諧波電流并且消耗無功，連接于電網(wǎng)母線與地之間。晶閘管控制電抗器TCR并聯(lián)于電網(wǎng)；一組純調(diào)諧LC無源濾波器Zf(由分別調(diào)諧于3次、5次的LC串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成，具體包括幾條支路可根據(jù)濾波和無功性能指標(biāo)確定)并聯(lián)于電網(wǎng)母線，有源電力濾波器APF通過耦合變壓器T與附加電感La并聯(lián)接入純調(diào)諧無源濾波器與地之間。APF的主電路采用單相橋式結(jié)構(gòu)，其中的開關(guān)器件采用IGBT，其控制信號(hào)來自驅(qū)動(dòng)電路。
圖1中其他符號(hào)說明如下iS——電網(wǎng)側(cè)電流iF——濾波系統(tǒng)電流iTCR——晶閘管控制電抗器補(bǔ)償電流
iL——負(fù)載電流參照圖2所示，該數(shù)字控制系統(tǒng)根據(jù)基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法，檢測得到負(fù)載產(chǎn)生的無功功率QL、無源濾波器提供Zf的容性無功功率QC，以及電網(wǎng)的有功功率PL，根據(jù)補(bǔ)償后電網(wǎng)的功率因數(shù)角設(shè)定計(jì)算得到晶閘管控制電抗器TCR需要補(bǔ)償?shù)臒o功功率QTCR，經(jīng)平均值環(huán)節(jié)后，輸出分為兩路，一路經(jīng)前饋，另一路則送入PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸入為給定量與反饋量之差，其中反饋量由檢測晶閘管控制電抗器TCR的補(bǔ)償電流經(jīng)無功檢測再經(jīng)過濾波器濾波得到；PI調(diào)節(jié)器的輸出與前饋量一起參與導(dǎo)通角的計(jì)算。這兩種控制方式結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)是前饋部分可以做到立即響應(yīng)，提高系統(tǒng)的快速性；而采用比例積分調(diào)節(jié)器，既兼顧了比例調(diào)節(jié)器快速響應(yīng)和積分調(diào)節(jié)器消除靜差兩方面的優(yōu)點(diǎn)，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后通過線性化插值方法計(jì)算晶閘管的觸發(fā)角α，對應(yīng)不同的觸發(fā)角α，便可計(jì)算出相應(yīng)的TCR各相電流值1TCR。
參照圖3(a)(b)所示，將APF控制為一個(gè)受控電流源iAPFiAPF＝kl·iLh&TCRh+ks·ish，iLh&TCRh，ish分別為負(fù)載和晶閘管控制電抗器TCR側(cè)電流和電網(wǎng)側(cè)電流的諧波分量，kl、ks分別為前饋和反饋的增益系數(shù)，諧波源可看作一個(gè)電流源iLh&TCRh，iLh&TCRh＝iLh+iTCRh。
不接有源濾波器時(shí)，負(fù)載及晶閘管控制電抗器TCR產(chǎn)生的諧波電流ilh由無源濾波器補(bǔ)償。由附圖3(a)有 如果電網(wǎng)阻抗很小(|Zs|≈0)，通常為了避免純調(diào)諧無源濾波器與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振導(dǎo)致出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，在純調(diào)諧無源濾波器支路串入電感La，這樣整個(gè)無源支路阻抗(zfh+zah)通常較大，導(dǎo)致無源濾波器濾波效果不理想。
接入有源濾波器，并按以下規(guī)律將其控制為一個(gè)電流源iAPF＝kl·iLh&TCRh+ks·ish(2)當(dāng)有源濾波器按上面規(guī)律控制時(shí)，由圖3b可知 由于Zfh≈0，前饋控制中將前饋控制增益系數(shù)kl設(shè)為1，并在系統(tǒng)不振蕩的情況下盡量將反饋控制中的反饋增益系數(shù)ks取較大的值，由式(3)可知電網(wǎng)電流諧波中由負(fù)載諧波電流源產(chǎn)生的部分將主要流入濾波支路，由電源諧波電壓產(chǎn)生的部分通過反饋控制也將得到一定的抑制。
以下是變電站用電能質(zhì)量綜合控制器仿真實(shí)例。
基于Matlab/Simulink仿真軟件，對該變電站用電能質(zhì)量綜合控制器進(jìn)行仿真。無源濾波器參數(shù)為5次濾波器L5＝3.03mH，C5＝133.70μF；7次濾波器L7＝3.54mH，C7＝58.45μF；附加電感La＝0.516mH。
參照圖4所示，給出了仿真結(jié)果波形圖，其中圖4(a)橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電壓幅值，仿真中電網(wǎng)線電壓幅值為6000V；圖4(b、c、d、e)橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電流幅值，其中，圖4(b)給出了負(fù)載電流的波形，其基波電流相位之后電網(wǎng)電壓，且含有5次、7次諧波電流；圖4(c)為晶閘管控制電抗器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，可以看出其本身也含有5次、7次諧波電流；圖4(d)為負(fù)載電流和晶閘管控制電抗器補(bǔ)償電流之和的波形，它為混合電力濾波系統(tǒng)檢測的電流；圖4(e)為補(bǔ)償后網(wǎng)惻的電流波形，可以看出其波形與電網(wǎng)電壓同相位，且其波形基本上為一正弦基波；圖4(f)橫坐標(biāo)表示諧波次數(shù)，縱坐標(biāo)表示幅值，從中可以看出補(bǔ)償后負(fù)載的5次、7次諧波成分明顯減少。對以上仿真結(jié)果進(jìn)行整理，得下表
電源電流中5次、7次諧波電流含有率及系統(tǒng)功率因數(shù)表 從仿真結(jié)果看出，投入電能質(zhì)量綜合控制器后，不但功率因數(shù)得到明顯提高，由0.736補(bǔ)償?shù)浇咏?，而且能夠補(bǔ)償負(fù)載中的典型諧波電流，如5次、7次諧波電流分別由100A、50A減少到4.09A、0.5852A，而且，APF的容量小于諧波源負(fù)載容量的1％，因此，這種變電站用電能質(zhì)量綜合控制器具有很高的實(shí)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，它包括可與電網(wǎng)并聯(lián)的晶閘管控制電抗器(TCR)以及純調(diào)諧無源電力濾波器(Zf)，其特征在于，純調(diào)諧無源電力濾波器(Zf)與附加電感(La)的一端串連，附加電感(La)另一端接地，附加電感(La)通過耦合變壓器(T)與有源電力濾波器(APF)并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，其特征在于，所述的純調(diào)諧無源電力濾波器(Zf)串連附加電感(La)，以及與附加電感(La)并聯(lián)的有源電力濾波器(APF)控制成電流源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，其特征在于，所述的純調(diào)諧無源電力濾波器(Zf)可由調(diào)諧于三次、五次、七次的串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力系統(tǒng)變電站用電能質(zhì)量綜合控制器，包括晶閘管控制電抗器，純調(diào)諧無源濾波器Z
文檔編號(hào)H02J3/18GK1734879SQ20051004294
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月18日
發(fā)明者王兆安, 王躍, 楊君, 張曉 , 雷萬鈞, 司渭濱, 唐曉華, 董強(qiáng) 申請人:西安交通大學(xué)