电力系统中的无功功率补偿系统

摘要

提供一种用于补偿电功率系统（100）中无功功率要求的无功功率补偿系统（108）。无功功率补偿系统（108）包括静态同步补偿单元（202）、电流谐波消除单元（204）和补偿控制单元（206）。静态同步补偿单元（202）包括用于补偿电功率系统（100）中无功功率的多个静态同步补偿模块（302）。电流谐波消除单元（204）包括用于消除在电功率系统（100）中产生的电流谐波的多个有源滤波器模块（502）。补偿控制单元（206）实现用于调节静态同步补偿模块（302）和有源滤波器模块（502）的操作的顺序控制机构。

说明书

技术领域

本发明一般涉及电功率系统领域，并且尤其涉及电功率系统中的无功功 率补偿系统。更具体来说，本发明涉及包括风力发电单元的电功率系统中的 无功功率补偿系统。

背景技术

由于席卷全球的能源危机，能量产生的替代方法变得日益重要。风能已 经呈现为有前景的可再生能源。在发达经济体和发展中经济体中，产生能量 的风力电厂的使用变得日益普及。由于材料、设计及加工技术的进步，商用 风能的产量稳步增加。因此，风能已经成为可行的并且经济的可再生能源。 然而，由于基于风能的发电单元的输出的不确定性，与电力传输网的集成成 为有挑战性的任务。与风力电厂相关的主要问题之一是由风的间歇性本质导 致的电力供应的变动。不均衡的电力生产导致电力系统的电压和频率的稳定 性成问题。因此，实现在保持电力质量以及电力系统稳定性的同时促进分布 式的基于风能的电力产生单元与电力传输网的集成的解决方案是一项重要 挑战。

提高电功率系统的功率质量的一个重要方面是无功功率补偿。电功率包 括有功功率和无功功率。无功功率（reactive power）也被称为watt-less功 率，因为它不向负荷输送任何净能量。有功功率与无功功率的比被定义为电 功率系统的功率因子。因此，电功率传输中的重要挑战是控制无功功率并尽 可能使功率因子保持不变。有效的功率因子调节确保可在宽范围的负荷条件 获得接近恒定的电压。由功率传输线接地阻抗导致的长距离功率传输线中的 能量损失增加了对无功功率补偿的需要。一般来说，有效的无功功率补偿增 加电功率系统的功率传输能力。

传统的无功功率补偿技术之一是静态VAR补偿(Static VAR Compensation,SVC)。然而，该技术具有在低电压情况下电流特征波动的缺 点。

近年来，柔性交流输电系统（Flexible Alternating Current Transmission  System,FACTS）已经呈现为用于调节电功率系统中的功率传输参数的一类 新的解决方案。FACTS是包括促进对AC电功率系统中的一个或多个系统参 数的控制的基于功率电子器件的部件和其它静态设备的系统。

静态补偿器（STATCOM），作为FACTS类的解决方案的一员，被用于 AC传输网络中的无功功率补偿。STATCOM可以作为电功率系统中无功AC 功率的源或吸收器。因此，STATCOM被用于调节电功率系统中的功率因子。 过去已经提出多种控制方法。然而，这些控制方法不能令人满意地实现有效 的无功功率补偿和谐波消除解决方案。此外，当前已知的STATCOM实践具 有因单片设计而导致的缺陷。

无功功率补偿的另一个重要方面是对电功率系统中产生的电流谐波的 控制。功率产生单元应该理想地经受具有最小谐波畸变的正弦负荷。然而， 在某些条件下，在电功率系统中产生相当大幅度的低阶谐波电流，并且因此 功率产生单元经受影响电功率系统稳定性的非正弦负荷。在电功率系统中， 各种参数能够导致电流谐波的产生。导致电流谐波产生的重要因素包括电功 率系统中的非线性负荷（如电弧炉和静态功率转换器）、操作条件和电网阻 抗。电流谐波的存在影响功率质量和功率系统稳定性。传统上，无源滤波器 （LC滤波器）被用于消除在电功率系统中产生的电流谐波。无源滤波器被 设计为消除在负荷端产生的特定谐波。然而，如果电流谐波谱改变，那么无 源滤波器就不能有效地削弱电流谐波。在现有技术中，已经提出一些基于 FACTS的电流谐波消除系统。然而，在风力电厂中使用的基于敏感的功率 电子器件的装置的操作受到在风力电厂附近操作的FACTS系统的不利影 响。这可能潜在地导致高电流畸变，其导致风车出错和生产损失。因此，在 风力电厂附近使用基于FACTS的电流谐波消除系统是有挑战性的任务。

由于上述与电功率系统中的无功功率补偿相关的问题，需要一种可以有 效管理无功功率补偿要求并且消除在电功率系统中产生的电流谐波的系统。

发明内容

本发明的一个目的是在电功率系统中实现有效的无功功率补偿。

本发明的另一个目的是有效地消除电功率系统中的电流谐波。

本发明的另一个目的是实现一种对无功功率补偿系统的改进的控制策 略以消除电功率系统中的电流谐波。

本发明的另一个目的是在无功功率补偿系统中实现容错和冗余。

根据本发明一实施例，提供一种无功功率补偿系统。该无功功率补偿系 统包括静态同步补偿（STATCOM）单元、电流谐波消除单元以及补偿控制 单元。该静态同步补偿单元包括用于补偿电功率系统中的无功功率的多个静 态同步补偿模块。该电流谐波消除单元包括用于消除在电功率系统中产生的 电流谐波的多个有源滤波器模块。该补偿控制单元实现用于调节该静态同步 补偿单元和该电流谐波消除单元的操作的顺序控制机构。

本发明的各种实施例提供若干优点。本发明实现了无功功率补偿系统的 模块化设计。根据顺序控制机构操作无功功率补偿系统。本发明不仅有效管 理电功率系统中的无功功率补偿要求，而且还在变化的负荷条件下有效消除 达到第19阶谐波的电流谐波。此外，作为模块化设计的结果，本发明在无 功功率补偿系统中提供改进的容错和冗余。

附图说明

附图与以下详细描述一起并入说明书并形成说明书的一部分，用于进一 步描述根据本发明的各实施例并解释本发明的各种原则和优点，其中各视图 中相同的参考标号表示相同或功能类似的元件。

图1是示出可以在其中实现本发明各实施例的电功率系统100的示意 图；

图2是示出根据本发明一实施例的无功功率补偿系统108的框图；

图3是示出根据本发明一实施例的静态同步补偿单元202的框图；

图4是示出根据本发明一实施例的静态同步补偿模块302的框图；

图5是示出根据本发明一实施例的电流谐波消除单元204的框图；

图6是示出根据本发明一实施例的有源滤波器模块502的框图；

图7是示出根据本发明一实施例的电功率系统100中相对于总电流的总 谐波畸变的图；以及

图8是示出根据本发明一实施例的无功功率补偿系统108的电流滞后控 制的图。

应该理解，附图中的各元件被简单且清楚地示出并且不一定按比例绘 出。例如，附图中一些元件的尺寸相对于另一些元件被夸大，以帮助改善对 本发明实施例的理解。

具体实施方式

在详细描述根据本发明各实施例的电功率系统中的无功功率补偿系统 之前，应该指出，本发明主要在于与电功率系统中的无功功率补偿有关的系 统元件的组合。因此，在附图中适当地用传统符号代表设备部件，仅示出与 理解本发明有关的那些特定细节，从而使本公开不会由于本领域技术人员显 而易见的细节而不分明。

在本文中，术语“包括”或它的其它变体意图涵盖非排他的包括，使得 包括一系列要素的处理、方法、产品或设备不仅包括那些要素，而且还可以 包括没有明确列出的或者该处理、方法、产品或设备中固有的其它要素。在 没有进一步限定的情况下，“包括…”的要素不排除在包括该要素的处理、 方法、产品或设备中存在另外的同样要素。当在本文中使用时，术语“另一 个”被定义为至少第二个或更多个。术语“包括”和/或“具有”在本文中使 用时被定义为包括。

提供一种用于管理电功率系统中无功功率补偿要求的无功功率补偿系 统。该无功功率补偿系统包括静态同步补偿（STATCOM）单元、电流谐波 消除单元和补偿控制单元。该静态同步补偿单元包括用于补偿该电功率系统 中无功功率的多个静态同步补偿模块。该电流谐波消除单元包括用于消除该 电功率系统中产生的电流谐波的多个有源滤波器模块。该补偿控制单元实现 用于管理该静态同步补偿单元和该电流谐波消除单元的操作的顺序控制机 构。

图1是示出可以实现本发明各实施例的电功率系统100的示意图。电功 率系统100包括功率产生单元102、功率传输线104、电负荷106、一个或多 个无功功率补偿系统108a和108b（在下文中被单独称为无功功率补偿系统 108并且被统称为无功功率补偿系统108）以及多个耦合变压器110a和110b （在下文中被单独称为耦合变压器110并且被统称为耦合变压器110）。

功率产生单元102可以是任何公知的功率产生设施，如水力发电厂或热 力发电厂。在本发明的一个实施例中，功率产生单元102可以基于可再生能 源；更具体来说，功率产生单元102可以是基于风能产生功率的风力电厂。

来自功率产生单元102的电功率通过功率传输线104传送到电负荷106。 电负荷106的例子包括家庭用电设备、工厂等。

功率传输线104具有固有的电感阻抗，该电感阻抗在功率传输期间导致 无功功率损耗。此外，电负荷106的大多数例子是电感性的，并且因此需要 无功功率用于它们操作。无功功率补偿系统108在本地提供功率传输线104 和电负荷106所需的无功功率。因此，不从功率产生单元102提取无功功率， 并且因此减小电功率系统100中的损耗。

所述一个或多个无功功率补偿系统108可以连接在功率传输线上。如图 1中所示，所述一个或多个无功功率补偿系统108通过耦合变压器110连接 到功率传输线104。可以通过控制耦合变压器110的操作使无功功率补偿系 统108与功率传输线104连接或断开。由监视控制和数据采集（Supervisory  Control and Data Acquisition,SCADA）系统（图1中未示出）控制耦合变 压器110的操作。

在长距离功率传输线的情况下，可以将多个无功功率补偿系统108以预 定的间隔连接到功率传输线104。由于有效的无功功率补偿，无功功率补偿 系统108有助于功率传输线104上的电压调节。

图2是示出根据本发明一实施例的无功功率补偿系统108的框图。无功 功率补偿系统108包括静态同步补偿（STATCOM）单元202、电流谐波消 除单元204和补偿控制单元206。静态同步补偿单元202包括用于补偿电功 率系统中无功功率的多个静态同步补偿模块（结合图3和图4解释）。电流 谐波消除单元204包括用于消除电功率系统中电流谐波的多个有源滤波器模 块（结合图5和图6解释）。补偿控制单元206实现用于调节静态同步补偿 单元202和谐波消除单元204的操作的顺序控制结构。

补偿控制单元206基于绝缘栅双极晶体管（IGBT）技术并且采用具有 专用I/O端口的微控制器板，以控制包括在无功功率补偿单元108中的各种 静态同步补偿单元202和电流谐波消除单元204的操作。补偿控制单元206 与监视控制和数据采集（SCADA）系统（图2中未示出）接口，SCADA系 统监视电功率系统100中的各种操作参数。

图3是示出根据本发明一实施例的静态同步补偿单元202的框图。静态 同步补偿单元202包括多个静态同步补偿模块302a、302b、…、302n（在下 文中被单独称为静态同步补偿模块302并且被统称为静态同步补偿模块 302）。每个静态同步补偿模块302通过耦合变压器110连接到功率传输线 104。

如图3中所示，静态同步补偿单元202具有模块化设计。可以基于电功 率系统100中的当前要求启动一个或多个静态同步补偿模块302。由补偿控 制单元206控制每个静态补偿模块302的操作。补偿控制单元206从SCADA 系统接收与功率传输线104上的当前负荷条件和功率因子有关的信息。补偿 控制单元206基于从SCADA系统接收到的信息启动一个或多个静态同步补 偿模块302。补偿控制单元206基于变化的负荷条件以预定的顺序启动静态 同步补偿模块302。

静态同步补偿单元202的模块化设计在无功功率补偿系统108中提供容 错和冗余。因此，无功功率补偿系统108通过在一个或多个静态同步补偿模 块302无效的情况下确保至少部分补偿无功功率而表现出改进的故障穿越性 能。

图4是示出根据本发明一实施例的静态同步补偿模块302的框图。静态 同步补偿模块302包括电容器组402、电容器组控制单元404、受控开关406、 逆变器408、逆变器电流控制单元410、变压器单元412和一个或多个无源 滤波器414。

例如，补偿控制单元206可以通过触发电容器组控制单元404启动静态 同步补偿模块302。电容器组控制单元404依次闭合受控开关406。当连接 到功率传输线104时，电容器组402产生被输送到功率传输线104的无功功 率。

逆变器408根据从补偿控制单元206接收到的控制信号将电容器组402 处的DC电压转换为期望水平的电压。因此，逆变器408作为幅度和相位可 调的电压源。逆变器电流控制单元410动态调节逆变器电压和功率传输线电 压之间的相位角，使得静态同步补偿模块302在与功率传输线104的连接点 处产生（或吸收）希望水平的无功功率。变压器单元412是降压变压器，以 根据无功功率补偿系统108的工作电压降低电压。

根据本发明一实施例，逆变器408的输出电压是Vi。在与静态同步补偿 模块302的连接点处电功率系统100的电压是Vs。静态同步补偿模块302 的输出电流是I，I随Vi变化。静态同步补偿模块302能够以三种模式操作。 当Vi=Vs时，无功功率传输为零，并且静态同步补偿模块302既不产生无功 功率也不吸收无功功率。当Vi小于Vs时，静态同步补偿模块302作为连接 到功率传输线104的感抗。在该模式中，电流I从功率传输线104流到静态 同步补偿模块302，因此其吸收无功功率。在第三模式中，如果Vs大于Vi， 则静态同步补偿模块302作为连接到功率传输线104的容抗。在该模式中， 电流I从静态同步补偿模块302流到功率传输线104，因此其产生无功功率。 无源滤波器414减小静态同步补偿模块302的输出处的电流谐波。

图5是示出根据本发明一实施例的电流谐波消除单元204的框图。电流 谐波消除单元204包括多个有源滤波器模块502a、502b、…、502n（在下文 中被单独称为有源滤波器模块502并且被统称为有源滤波器模块502）。每个 有源滤波器模块502通过耦合变压器110连接到功能功率传输线104。

与静态同步补偿单元202类似，电流谐波消除单元204具有模块化设计。 可以基于电功率系统100中的当前要求启动一个或多个有源滤波器模块 502。由补偿控制单元206控制每个有源滤波器模块502的操作。补偿控制 单元206从SCADA系统接收与功率传输线104上的电流谐波有关的信息。 补偿控制单元206基于从SCADA系统接收到的信息启动一个或多个有源滤 波器模块502。补偿控制单元206基于变化的负荷条件以预定的顺序启动有 源滤波器模块502。结果，对于在预定的操作条件范围内变化的负荷条件， 电流畸变水平基本保持恒定。

电流谐波消除单元204的模块化设计在无功功率补偿系统108中提供容 错和冗余。因此，无功功率补偿系统108通过在一个或多个有源滤波器模块 502失效的情况下确保至少部分消除电流谐波而表现出改进的故障穿越性 能。

图6是示出根据本发明一实施例的有源滤波器模块502的框图。有源滤 波器模块502包括一个或多个无源滤波器602、逆变器604、逆变器电流控 制单元606和变压器单元608。

无源滤波器602能够与有源滤波器502的其它部件一起产生与在电功率 系统100中产生的电流谐波相反的电流谐波。逆变器604、逆变器电流控制 单元606和变压器单元608的操作分别与逆变器408、逆变器电流控制单元 410和变压器单元412类似。如本文中所描述的，有源滤波器模块502能够 从电功率系统100消除达到第19阶的谐波。补偿控制单元206控制耦合变 压器110以将有源滤波器模块连接到功率传输线104。

图7是示出电功率系统100中相对应总电流的总谐波畸变的图。该图示 出根据现有技术的总谐波畸变曲线702和根据本发明的总谐波畸变曲线 704。

对于宽范围的负荷条件，电功率系统100中谐波电流百分比被限制到低 水平。对于在预定操作范围内变化的负荷条件，电流畸变水平基本恒定。在 第n个因素的额定功率供应时实现的电流畸变水平与在该额定功率时实现的 电流畸变水平相同，n代表在电流谐波消除单元204中启动的有源滤波器模 块502的数目。

如图7中所示，对于在额定功率和四分之三额定功率之间变化的负荷条 件，电流畸变水平被限制到低于7.5%。类似地，对于在额定功率和二分之 一额定功率之间变化的负荷条件，电流畸变水平被限制到低于7.5%。此外， 对于在额定功率和四分之一额定功率之间变化的负荷条件，电流畸变水平低 于10%。

图8是示出根据本发明一实施例的无功功率补偿系统108的电流滞后控 制的图。该图示出IGBT控制信号802、得到的电流806、滞后带上限804a 和滞后带下限804b。

无功功率补偿单元108实现由滞后带上限804a和滞后带下限804b限定 的滞后带。该滞后带控制确保得到的电流806接近正弦。

尽管已经例示和描述了本发明的各种实施例，但是本发明显然不只局限 于这些实施例。在不偏离由所付权利要求限定的本发明的精神和范围的情况 下，很多修改、变化、变体、替换和等同物对本领域的技术人员来说是显而 易见的。