[發(fā)明專利]一種三相三橋臂配電網靜止同步補償器裝置及控制方法

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• 申請日: 2017-04-11
• 公開（公告）號: CN106849126A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設計）人: 楊達亮;徐勝光;吳寧;盧子廣;吳瑋欽;王慧
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18
• 代理公司: 廣西南寧公平知識產權代理有限公司45104
• 代理人: 王素娥

1.一種三相三橋臂配電網靜止同步補償器裝置，其特征在于：該裝置(1)由預充電路(2)、控制模塊(3)、功率模塊(4)、保護模塊(5)及人機交互界面(6)構成；

所述預充電路(2)由不可控整流橋(2-1)、KM1接觸器(2-2)、限流電阻(2-3)和KM2接接觸器(2-4)構成；其中，不可控整流橋(2-1)設有交流側和直流側，其交流側通過KM1接觸器(2-2)與配電網(9)相連，其直流側通過KM2接觸器(2-4)、串聯限流電阻(2-3)與功率模塊(4)的直流側電容(11)兩端相連；預充電路(2)用于裝置掛網啟動，抑制沖擊電流的產生；

所述控制模塊(3)由信號采集單元(3-1)和數據處理單元(3-2)構成；信號采集單元(3-1)用于采集配電網電壓u_ab,bc、補償電流i_a,b、功率模塊(4)的直流側電壓U_dc、負載電流i_la,lb，并將采集信號傳送至數據處理單元(3-2)；數據處理單元(3-2)用于計算軟啟動門閥電壓U_{dc_start}、功率模塊(4)的直流側電壓目標指令及處理人機交互信息，還用于對功率模塊(4)的直流側電壓指令和電壓信號U_dc的差值經過電壓控制器得到有功電流指令而對采集的負載電流信號i_la,lb進行坐標等量變換，計算出無功電流，再經濾波得到無功電流指令還用于根據有功電流指令無功電流指令電網電壓相位余弦和正弦計算出三相補償電流指令三相補償電流指令與實際的三相補償電流信號i_a,b,c的差值經過電流控制器獲得開關驅動信號并傳送至功率模塊(4)，實現對功率模塊(4)交流側補償電流的控制；

所述功率模塊(4)設有交流側和直流側，其交流側通過連KM3接觸器(7)、電抗器(8)并入配電網(9)與負載(10)之間，其直流側依次與電容(11)和不可控整流橋(2-1)的直流側負極及限流電阻(2-3)的一端相連；所述功率模塊(4)用于根據開關驅動信號調節(jié)其三相補償電流，實現對負載電流無功的補償；

所述保護模塊(5)用于裝置(1)根據軟件和硬件判斷出非正常運行情況，而迅速斷開與配電網(9)的連接，對裝置(1)起保護作用；

所述人機交互界面(6)用于對裝置(1)進行控制和信息顯示，包括一鍵啟動、一鍵關機、無功補償方式選擇、運行狀態(tài)顯示、裝置(1)相關信息顯示。

2.根據權利要求1所述的一種三相三橋臂配電網靜止同步補償器裝置的控制方法，其特征在于：

1)所述預充電路(2)在裝置(1)掛網啟動過程中可分四個步驟：

步驟一：將功率模塊(4)的直流側電容(11)進行預充電；裝置(1)采用由不可控整流橋(2-1)、KM1接觸器(2-2)、限流電阻(2-3)、KM2接觸器(2-4)構成的預充電路(2)，通過軟件控制實現對功率模塊(4)的直流側電容(11)充電；

步驟二：將預充電路(2)進行旁路；通過電壓互感器采集功率模塊(4)直流側電容(11)預充電壓的瞬時值，當瞬時值達到軟啟動門閥電壓U_{dc_start}時，快速斷開預充電路(2)；

步驟三：將功率模塊(4)的交流側與配電網(9)接通，裝置(1)處于空載運行狀態(tài)；待預充電路(2)完全斷開瞬間，通過軟件控制快速將功率模塊(4)交流側的KM3接觸器(7)合閘，實現與配電網(9)接通，此時裝置(1)處于軟啟動門閥電壓U_{dc_start}和無功電流指令為零的狀態(tài)下運行；待穩(wěn)定后功率模塊(4)的直流側電壓按反比例函數正向特性進行升壓；

步驟四：裝置(1)進行帶載運行，實現負載電流的無功補償；當完成步驟三后，執(zhí)行無功電流實時檢測，計算出負載電流中的無功電流，并利用濾波手段得到無功電流指令裝置處于自動運行模式；

2)所述裝置(1)對無功電流實時檢測，自動補償，其過程可分三個階段：

第一階段：計算出負載電流中的無功電流；通過電流互感器采集負載電流i_la,lb，利用坐標等量變換計算出無功電流，但此時的無功電流，除了直流分量外，還含有交流分量；

第二階段：對無功電流進行濾波，得到無功電流指令若不經過濾波則有可能造成過補現象，甚至會給電網注入大量的諧波，補償效果差，因此考慮經濾波后進行補償；

第三階段：根據上述1)的步驟四裝置進行帶載運行；計算得到的無功電流指令待裝置啟動穩(wěn)定后再執(zhí)行；

3)所述裝置(1)的軟啟動門閥電壓U_{dc_start}和功率模塊(4)的直流側電壓目標指令均是通過采集配電網(9)的電壓信號并經數據處理單元(3-2)計算得出，具有隨配電網(9)的電壓改變而改變的特性；

軟啟動門閥電壓的計算公式為：

U_{dc_start}＝K₁×V_s(peak) (1)

式中，U_{dc_start}代表裝置軟啟動門閥電壓，即裝置(1)啟動時功率模塊(4)的直流側電壓值；K₁代表用戶自定義的系數，但K₁一般根據不可控整流橋的倍數取值；V_s(peak)代表配電網相電壓峰值；

所述功率模塊(4)的直流側電壓目標指令的計算公式為：

式中，代表功率模塊(4)的直流側電壓目標指令，即裝置(1)完全啟動后功率模塊(4)的直流側電壓值；V_s(peak)代表配電網相電壓峰值；K₂代表用戶自定義的系數，但K₂一般根據不可控整流橋(2-1)的倍數和補償能力取值；

可見，軟啟動門閥電壓和功率模塊(4)的直流側電壓目標指令均與配電網(9)電壓有關，即可隨電網電壓的改變，自動調整指令，可減少諧波輸出；

4)所述控制模塊(3)的數據處理單元(3-2)中根據系統需要采用了兩種濾波方法：

第一種濾波：移動指針平均濾波法，應用于得到無功電流指令i^*_q；其基本原理是：先定義N個數據的緩沖區(qū)，利用新采樣值減去指針所指單元的舊采樣值除以緩沖長度，再加前一次計算的平均值，即為最新的平均值，然后指針加一，當緩沖區(qū)單元計算結束后，指針重新歸零，返回第一單元；

第二種濾波：逼近平波法，應用于得到軟啟動門閥電壓及功率模塊(4)的直流側電壓指令；其原理為：定義一個舊值和允許的偏差值，當新采樣值與舊值的差值絕對值大于允許的偏差值，則利用K₃倍舊值加上K₄倍新采樣值來更新舊值，再定義一個更小的偏差值，當新采樣值與更新后的舊值之差的絕對值大于新定義的偏差值時，將新的歷史值作為當前值，只要允許的偏差值和K₃、K₄設置合理，便能實現當前值與新采樣值逼近；

5)所述裝置(1)可在啟動時自動升壓、運行中修改指令控制功率模塊(4)的直流側電壓升降，且無沖擊電流產生；

啟動軟升壓原理是：經數據處理單元(3-2)計算出功率模塊(4)的直流側電壓目標指令大于功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令利用反比例函數正向特性逐步平穩(wěn)升壓，直至功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令等于其目標指令時，啟動軟升壓結束，其函數式為：

運行中修改指令控制功率模塊(4)的直流側電壓升原理是：當屏輸入指令大于功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令時，利用反比例函數正向特性逐步平穩(wěn)升壓，直至功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令等于屏輸入指令時，升壓結束，其函數式同樣用上述式(3)表示；

運行中修改指令控制功率模塊(4)的直流側電壓降的原理是：當屏輸入指令小于功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令時，利用反比例函數正向特性逐步平穩(wěn)降壓，直至功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令等于屏輸入指令時，降壓結束，其函數式為：

上述式(3)和式(4)中，為功率模塊(4)的直流側電壓當前控制指令，U_{dc_Var_Coefficient_1}為自定義的反比例函數系數，可修改該系數控制功率模塊(4)的直流側電壓升降速度。