静态无功补偿和谐波补偿的方法及装置

摘要

本发明涉及电力输送技术领域，提供了一种静态无功补偿和谐波补偿的方法及装置。装置包括电压电流采集单元、控制单元和功率单元。方法：控制单元接收电压电流采集单元采集的电压电流值，获得无功补偿控制量，根据无功补偿控制量控制功率单元对传输系统进行无功补偿；提取电流值I

说明书

技术领域

本发明涉及电力输送技术领域，具体而言，涉及一种静态无功 补偿和谐波补偿的方法及装置。

背景技术

无功功率补偿(Reactive power compensation)，简称无功补偿， 在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器 及输送系统的损耗，提高供电效率，改善供电环境。在无功功率补 偿装置应用环境中可能存在应用大功率换流设备和调压装置、高压 直流输电装置及大量非线性负荷的情况，该情况下会使得系统中的 电压波形畸变严重从而对电力系统造成了很大的危害。因此在进行 无功补偿的同时兼并治理谐波，不仅可以最大限度的减少电网的损 耗，还可以使电网质量提高。在电力的实际传输过程中，其谐波成 分的正负分量可能均较高，但是现有的谐波补偿方法一般是对某次 谐波的某一分量进行补偿，这就使得补偿效果达不到理想状态，供 电效率还有较大的提升空间。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种静态无功补偿和谐波补 偿的方法及装置，该方法及装置能够对指定次的谐波的正负序分量 进行补偿，降低变压器及输电系统的损耗，提高供电效率。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种静态无功补偿和谐波补偿 的方法，应用于静态无功补偿的装置，所述静态无功补偿的装置应 用于三相电力传输系统，所述装置包括电压电流采集单元、控制单 元和功率单元；所述方法包括：

所述控制单元接收所述电压电流采集单元采集的电压电流值， 根据所述电压电流值获得无功补偿控制量，根据所述无功补偿控制 量控制所述功率单元对所述传输系统进行无功补偿，所述电压电流 值包括所述传输系统的电流值I_{abc_grid}；

所述控制单元提取所述电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和 负序分量；

所述控制单元将所述m次谐波的正序分量和负序分量经过派克 变换(Park transformation，Park变换)、比例积分调节(proportional  integral control，PI调节)和派克逆变换(Park inverse  transformation，iPark变换)后，得到m次谐波的控制量；

所述控制单元根据所述m次谐波的控制量驱动所述功率单元对 所述传输系统中的谐波进行谐波补偿；其中，m为谐波的次数且 m≥1。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的 实施方式，其中所述静态无功补偿的装置还包括调节器，所述电压 电流值还包括传输系统的电压值V_{abc_grid}和所述静态无功补偿的装 置输出的电流值I_{abc_svg}，所述根据所述电压电流值获得无功补偿控 制量，包括：

所述控制单元根据所述电流值I_{abc_grid}、所述电压值V_{abc_grid}和所 述电流值I_{abc_svg}计算出待补偿的无功功率，所述待补偿的无功功率 的信号经过低通滤波器后得到无功补偿指令，所述无功补偿指令的 信号值与所述电流值I_{abc_svg}的差值经过所述调节器后，获得所述无 功补偿控制量。

根据V_{abc_grid}、I_{abc_grid}和I_{abc_svg}计算出传输系统中存在的无功功 率和静态无功补偿的装置输出的无功功率，二者之差即为待补偿的 无功功率。待补偿的无功功率通过低通滤波器后提取出其中稳定的 部分作为无功补偿指令，无功补偿指令的信号值与电流值I_{abc_svg}的 差值经过调节器后，获得无功补偿控制量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的 实施方式，其中所述控制单元包括两个用于提取正序分量和负序分 量的滤波器，所述控制单元提取所述电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正 序分量和负序分量，包括：

所述电流值I_{abc_grid}经过克拉克变换(Kramers Kronig  transformation，CLARKE变换)后得到两相静止坐标系下的电流值 I_{αβ_grid}，所述I_{αβ_grid}分别经过一个所述滤波器后，计算得到的m次谐 波的正序分量和负序分量：i_mpα、i_mpβ、i_mnα和i_mnβ，其中i_mpα和i_mpβ 分别为正序分量的α轴分量和β轴分量，i_mnα和i_mnβ分别为负序分量 的α轴分量和β轴分量。

对电流值I_{abc_grid}进行一些变换和处理，得到电流值I_{abc_grid}的m 次谐波的正序分量和负序分量，以便对m次谐波的正负序分量进行 补偿。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了 第一方面的第三种可能的实施方式，其中所述分别经过一个所述滤 波器后，计算得到的m次谐波的正序分量和负序分量，包括：在两 相静止坐标下，输入信号的正序分量、负序分量和m次谐波的关系 为：$\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha }=V_{\alpha \_{\omega }_m}^{+}+V_{\alpha \_{\omega }_m}^{-}+\underset{n\ne m}{\Sigma }{V}_{\alpha \_{\omega }_n}^{\pm }\\ V_{\beta }=V_{\beta \_{\omega }_m}^{+}+V_{\beta \_{\omega }_m}^{-}+\underset{n\ne m}{\Sigma }{V}_{\beta \_{\omega }_n}^{\pm }\end{array}\right),$所述输入信号分别经过一个所述滤波 器后，得到$\left(\begin{array}{c}d{V}_{\alpha }=V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}\\ d{V}_{\beta }=V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}\end{array}\right)$和$\left(\begin{array}{c}q{V}_{\alpha }=V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}-V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}\\ q{V}_{\beta }=-V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}\end{array}\right),$即$\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}=\frac{q{V}_{\alpha }-q{V}_{\beta }}{2}\\ V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}=\frac{d{V}_{\beta }+q{V}_{\alpha }}{2}\end{array}\right)$和 $\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}=\frac{d{V}_{\alpha }+q{V}_{\beta }}{2}\\ V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}=\frac{d{V}_{\beta }-q{V}_{\alpha }}{2}\end{array}\right),$其中，V_α和V_β分别为所述输入信号的α轴分量和 β轴分量，和分别为所述输入信号中ω_m成分正序分量的α 轴分量和β轴分量，和分别为所述输入信号中ω_m成分负序 分量的α轴分量和β轴分量，和为所述输入信号中非ω_m成分的正序分量和负序分量的α轴分量和β轴分量；所述I_{αβ_grid}为 所述输入信号。

对输入信号进行变换和处理，得到输入信号的m次谐波分量， 其中I_{αβ_grid}为输入信号。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了 第一方面的第四种可能的实施方式，其中输入信号分别经过一个所 述滤波器后，输入信号的频率分别延后0°和90°，以便计算出输入 信号的m次谐波的正序分量和负序分量，所述两个滤波器的频率响 应函数为：$\left(\begin{array}{c}{H}_d\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{K{\omega }_m\mathrm{j\omega }}{{\left(\mathrm{j\omega }\right)}^2+K{\omega }_m\left(\mathrm{j\omega }\right)+{{\omega }_m}^2}\\ H_q\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{{{\omega }_m}^2}{{\left(\mathrm{j\omega }\right)}^2+K{\omega }_m\left(\mathrm{j\omega }\right)+{{\omega }_m}^2}\end{array}\right),$其中ω_m为设定频率， ω_m＝2πm×50，K为预设参数，ω为频域变量。

第二方面，本发明实施例提供了一种静态无功补偿的装置，所 述静态无功补偿的装置应用于三相电力传输系统，所述装置包括电 压电流采集单元、控制单元和功率单元，其中，

所述电压电流采集单元采集的电压电流值传输到所述控制单 元，所述控制单元根据所述电压电流值获得无功补偿控制量，根据 所述无功补偿控制量控制所述功率单元对所述传输系统进行无功补 偿，所述电压电流值包括所述传输系统的电流值I_{abc_grid}；

所述控制单元提取所述电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和 负序分量，将所述m次谐波的正序分量和负序分量经过派克变换、 比例积分调节和派克逆变换后，得到m次谐波的控制量，根据所述 m次谐波的控制量驱动所述功率单元对所述传输系统中的谐波进行 谐波补偿；其中，m为谐波的次数且m≥1。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的 实施方式，其中所述控制单元包括低通滤波器和调节器，所述电压 电流值还包括传输系统的电压值V_{abc_grid}和所述静态无功补偿的装 置输出的电流值I_{abc_svg}，所述控制单元根据所述电压电流值获得无 功补偿控制量，包括：

所述控制单元根据所述电流值I_{abc_grid}、所述电压值V_{abc_grid}和所 述电流值I_{abc_svg}计算出待补偿的无功功率，所述待补偿的无功功率 的信号经过低通滤波器后得到无功补偿指令，所述无功补偿指令的 信号值与所述电流值I_{abc_svg}的差值经过所述调节器后，获得所述无 功补偿控制量。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的 实施方式，其中所述控制单元还包括两个用于提取所述电流值 I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和负序分量的滤波器，所述电流值 I_{abc_grid}经过克拉克变换后得到两相静止坐标系下的电流值I_{αβ_grid}，所 述I_{αβ_grid}分别经过一个所述滤波器后，计算得到的m次谐波的正序 分量和负序分量：i_mpα、i_mpβ、i_mnα和i_mnβ，其中i_mpα和i_mpβ分别为正 序分量的α轴分量和β轴分量，i_mnα和i_mnβ分别为负序分量的α轴分 量和β轴分量。

滤波器对电流值I_{abc_grid}进行一些变换和处理，得到电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和负序分量，以便对m次谐波的正负序分量 分别进行补偿。

本发明实施例提供了一种静态无功补偿的方法，该方法首先采 集三相电力传输的电压电流信息，根据电压电流信息对传输系统进 行无功补偿，然后提取出电流的m次谐波的正序分量和负序分量， 根据m次谐波的正序分量和负序分量对m次谐波进行完全补偿，在 无功补偿的同时又进行了谐波补偿，进而提高了供电效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文 特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例 中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了 本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领 域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的静态无功补偿和谐波补偿的方 法的流程；

图2示出了本发明实施例提供的静态无功补偿的装置的结构；

图3示出了本发明实施例提供的m次谐波的控制量生成的方法 的流程。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出 的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此， 以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要 求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于 本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

静态无功补偿是指跟踪时间在5s以上的无功补偿，它相比动态 无功补偿来说造价较低，在电压变化时静止补偿器能快速、平滑地 调节，以满足无功补偿的需要，对于三相不平衡负荷及冲击负荷有 较强的适应性。现有的静态无功补偿的方案一般不补偿谐波或只对 某次谐波的某一分量进行补偿，这就使得补偿不够全面，供电效率 还有一定的提升空间。例如5次谐波在大多数工况下负序分量较高， 现有的静态无功补偿的方案可能将负序分量作为主要补偿对象，但 是实际工况通常较为复杂，正负序分量可能均较高，那么该次谐波 的补偿效果就不如预期。本发明实施例提供一种静态无功补偿和谐 波补偿的方法及装置，该方法及装置将指定次谐波的正负序分量分 离后再进行单独补偿，这样提高了补偿效果，提升了输电系统的供 电效率。

参阅图1，本发明实施例提供的一种静态无功补偿和谐波补偿 的方法，应用于静态无功补偿的装置，静态无功补偿的装置应用于 三相电力传输系统，装置包括电压电流采集单元、控制单元和功率 单元；方法包括：

S101：控制单元接收电压电流采集单元采集的电压电流值，以 便根据电压电流值获得无功补偿控制量。

S102：控制单元根据电压电流值计算得到无功补偿指令，根据 无功补偿指令获得无功补偿控制量；

静态无功补偿的装置还包括调节器，控制单元接收电压电流采 集单元采集的电压电流值，电压电流值包括传输系统的电流值 I_{abc_grid}、传输系统的电压值V_{abc_grid}和静态无功补偿的装置输出的电 流值I_{abc_svg}。控制单元根据电流值I_{abc_grid}、电压值V_{abc_grid}和电流值 I_{abc_svg}计算出待补偿的无功功率，待补偿的无功功率信号经过低通 滤波器后滤除高次谐波，得到稳定的无功补偿指令信号，无功补偿 指令的信号值与电流值I_{abc_svg}的差值经过调节器后，获得无功补偿 控制量。

本发明实施例中采用前馈控制策略稳定输电系统电压和补偿待 补偿的无功功率。

对于根据电流值I_{abc_grid}、电压值V_{abc_grid}和电流值I_{abc_svg}计算出 待补偿的无功功率为现有技术，此处不作详细描述。

S103：控制单元提取电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和负 序分量。

控制单元包括两个用于提取正序分量和负序分量的滤波器。电 流值I_{abc_grid}经过CLARKE变换转换至两相静止坐标系后得到两相 静止坐标系下的电流值I_{αβ_grid}，I_{αβ_grid}分别经过一个滤波器后，计算 得到的m次谐波的正序分量和负序分量：i_mpα、i_mpβ、i_mnα和i_mnβ，其 中i_mpα和i_mpβ分别为正序分量的α轴分量和β轴分量，i_mnα和i_mnβ分 别为负序分量的α轴分量和β轴分量。，p代表正序分量，n代表负 序分量。

在两相静止坐标下，输入信号的正序分量、负序分量和m次谐 波的关系为：$\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha }=V_{\alpha \_{\omega }_m}^{+}+V_{\alpha \_{\omega }_m}^{-}+\underset{n\ne m}{\Sigma }{V}_{\alpha \_{\omega }_n}^{\pm }\\ V_{\beta }=V_{\beta \_{\omega }_m}^{+}+V_{\beta \_{\omega }_m}^{-}+\underset{n\ne m}{\Sigma }{V}_{\beta \_{\omega }_n}^{\pm }\end{array}\right),$输入信号分别经过一个滤波 器后，得到$\left(\begin{array}{c}d{V}_{\alpha }=V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}\\ d{V}_{\beta }=V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}\end{array}\right)$和$\left(\begin{array}{c}q{V}_{\alpha }=V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}-V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}\\ q{V}_{\beta }=-V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}+V_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}\end{array}\right),$即$\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{+}=\frac{q{V}_{\alpha }-q{V}_{\beta }}{2}\\ V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{+}=\frac{d{V}_{\beta }+q{V}_{\alpha }}{2}\end{array}\right)$和 $\left(\begin{array}{c}{V}_{\alpha \_\mathrm{\omega m}}^{-}=\frac{d{V}_{\alpha }+q{V}_{\beta }}{2}\\ V_{\beta \_\mathrm{\omega m}}^{-}=\frac{d{V}_{\beta }-q{V}_{\alpha }}{2}\end{array}\right),$其中，V_α和V_β分别为所述输入信号的α轴分量和 β轴分量，和分别为所述输入信号中ω_m成分正序分量的α 轴分量和β轴分量，和分别为所述输入信号中ω_m成分负 序分量的α轴分量和β轴分量，和为所述输入信号中 非ω_m成分的正序分量和负序分量的α轴分量和β轴分量；所述I_{αβ_grid}为所述输入信号。

输入信号分别经过一个滤波器后，输入信号的频率分别延后0° 和90°，以便计算出输入信号的m次谐波的正序分量和负序分量， 两个滤波器的频率响应函数为：$\left(\begin{array}{c}{H}_d\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{K{\omega }_m\mathrm{j\omega }}{{\left(\mathrm{j\omega }\right)}^2+K{\omega }_m\left(\mathrm{j\omega }\right)+{{\omega }_m}^2}\\ H_q\left(\mathrm{j\omega }\right)=\frac{{{\omega }_m}^2}{{\left(\mathrm{j\omega }\right)}^2+K{\omega }_m\left(\mathrm{j\omega }\right)+{{\omega }_m}^2}\end{array}\right),$其中， ω_m为设定频率，例如，ω_m＝2πm×50，m为谐波的次数且m≥1，K为 预设参数，通常设置为ω为频域变量。以5次谐波为例，ω₅＝500π。

S104：控制单元将m次谐波的正序分量和负序分量经过Park 变换、PI调节和iPark变换后，得到m次谐波的控制量。

控制单元叠加m次谐波的控制量，根据叠加后的控制量驱动功 率单元对传输系统中的谐波进行谐波补偿。

实践中，CLARKE变换的变换公式为：$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ \frac{1}{\sqrt{3}}& \frac{2}{\sqrt{3}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\end{array}\right),$Park 变换的变换公式为：$\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{md}}\\ i_{\mathrm{mq}}\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}\cos \left(m{\omega }_o\right)& \sin \left(m{\omega }_o\right)\\ -\sin \left(m{\omega }_o\right)& \cos \left(m{\omega }_o\right)\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{m\alpha }}\\ i_{\mathrm{m\beta }}\end{array}\right),$PI调节的公 式为：其中k_p为比例增益，k_i为积分增益。 i_a、i_b、i_α和i_β为坐标系的分量，如i_a和i_b分别为abc坐标系的a相 和b相分量，i_α和i_β分别为αβ轴坐标系下的α轴分量和β轴分量。 e(k)为第K个采样周期时，参考值和实际值的差，u(k)为对应的控制 量。

参阅图2，本发明实施例提供一种静态无功补偿的装置，该装 置应用于三相电力传输系统，包括电压电流采集单元、控制单元和 功率单元，其中，

电压电流采集单元采集电压电流值后传输到控制单元。控制单 元包括低通滤波器和调节器，电压电流值包括传输系统的电流值 I_{abc_grid}、电压值V_{abc_grid}和静态无功补偿的装置输出的电流值I_{abc_svg}， 控制单元根据电流值I_{abc_grid}、电压值V_{abc_grid}和电流值I_{abc_svg}计算出 待补偿的无功功率，待补偿的无功功率的信号经过低通滤波器后得 到无功补偿指令，无功补偿指令的信号值与电流值I_{abc_svg}的差值经 过调节器后，获得无功补偿控制量，控制单元根据无功补偿控制量 控制功率单元对传输系统进行无功补偿，电压电流值包括传输系统 的电流值I_{abc_grid}。这是一般的补偿过程，不做赘述。

控制单元提取电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和负序分 量，将m次谐波的正序分量和负序分量经过Park变换、PI调节和 iPark变换后，得到m次谐波的控制量，根据m次谐波的控制量驱 动功率单元对传输系统中的谐波进行谐波补偿；其中，m为谐波的 次数且m≥1。

为了实现对电流值提取m次谐波的正序分量和负序分量，控制 单元包括两个用于提取电流值I_{abc_grid}的m次谐波的正序分量和负序 分量的滤波器。电流值I_{abc_grid}经过CLARKE变换后得到两相静止坐 标系下的电流值I_{αβ_grid}，I_{αβ_grid}分别经过一个滤波器后，计算得到的 m次谐波的正序分量和负序分量：i_mpα、i_mpβ、i_mnα和i_mnβ，其中i_mpα和i_mpβ分别为正序分量的α轴分量和β轴分量，i_mnα和i_mnβ分别为负 序分量的α轴分量和β轴分量。

参阅图3，m次谐波的正序分量和负序分量及α轴分量和β轴 分量(i_mpα、i_mpβ、i_mnα和i_mnβ)经过Park变换、PI调节和iPark变换 后，得到m次谐波的控制量。其中n表示负序分量，p表示正序分 量，V_mα和V_mβ分别为α轴分量和β轴分量的m次谐波的控制量， V_mpα、V_mpβ、V_mnα和V_mnβ分别为m次谐波正序分量α轴、β轴的控 制量和m次谐波负序分量α轴、β轴的控制量。和均为参考指令，本发明实施例中，由于是将采集的电流值 I_{abc_grid}作为被控量，要将传输系统的谐波完全补偿，所以和均为0。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。