基于双旋转移相器相量合成原理的无功补偿器双闭环控制制造技术

本发明专利技术公开了基于双旋转移相器相量合成原理的无功补偿器双闭环控制，通过测量无功补偿器接入点电压，负载、电感电流以及两旋转移相变压器一次侧总电流，将其转换至dq0坐标系下，利用瞬时功率理论计算线路的瞬时功率；将负荷的无功作为反馈值，结合电网功率因数预设值确定功率闭环控制的期望值，二者进行比较形成无功电流的给定值；将瞬时电流的d、q轴分量作为反馈值，与给定值比较，形成闭环控制量；利用旋转矢量合成原理，求取到各旋转移相变压器的转子机械角指令，通过伺服控制器进行调节，进而改变无功补偿器吸收或发出的无功功率；本发明专利技术提供了一种成本低、抗冲击能力强、可靠性高、维护方便的全向补偿且连续调节的无功补偿控制新方案。控制新方案。

【技术实现步骤摘要】
基于双旋转移相器相量合成原理的无功补偿器双闭环控制


[0001]本专利技术属于输配电电网及分布式电源并网
，特别涉及高渗透率分布式电源的有源配电网柔性无功调节、高电缆率城市电网以及超高压线路充电功率过大等的无功调控问题。

技术介绍

[0002]随着新能源渗透率不断增加，其随即出力的特性会造成含高渗透率分布式电源的有源配电网电压、无功分布复杂化的问题，进而对有源配电网的无功、电压的调控策略及其装备性能提出了更高的要求。
[0003]同时，随着我国城市电缆化率进程的加速和超高压大电网的快速发展，在500kV超高压电网中100km长电缆线路的充电功率约为961～1611MVar，是同等长度220kV电缆线路的3～4倍、同等长度和电压等级架空线路的11～16倍，特别地当负荷轻载或是某些地区电网建设超前网架规模过大而负荷较轻时，容升效应更加明显，电网无功严重过剩，给电网的安全稳定运行带来极大影响，电网无功和动态电压稳定问题日益凸显。快速而高效的进行动态无功补偿对于提高电网侧功率因数和传输效率、降低电能损耗和保证电网安全稳定运行有着越来越重要的意义。
[0004]晶闸管可投切并联电容器是传统的无功补偿方式之一，具有运行灵活、投资少的优点，但其在补偿过程中只能单极性补偿，不能对补偿的无功功率进行连续调节，投切电容器会引起电网波动，甚至会给电网带来不必要的冲击，调节效果较差、可靠性差。晶闸管控制电容器尽管可以连续调节无功，但也同样有着只能单极性补偿无功的缺点。
[0005]静止无功补偿器、静止同步补偿器和统一潮流控制器等柔性交流输电系统设备可以对补偿无功连续调节，控制响应速度快，但由于它们均为电力电子器件，普遍存在着热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱和成本高等缺点，难以适应配电或超高压网络及线路所面临的类暴风雪灾害与酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的负荷性质等条件，可靠性差；控制策略复杂，且无法避免会给系统引入谐波的问题，在电网中的应用受到很大的限制。
[0006]基于采用传统机械分接头移相变压器的无功补偿器无法满足补偿无功的连续调节，机械开关频繁切换也会增大装置损耗，容易损坏，一定程度上增加了维修和维护成本，降低了装置可靠性，且调节速度慢。
[0007]基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器不需要机械分接开关，响应速度较传统移相变压器更快，此外还能连续对无功功率进行调节，稳定性好，可靠性高；较电力电子型无功补偿器而言，采用伺服电机进行控制，其响应速度由ms级降至百ms级，对于电力系统的大多数应用，百ms级响应速度可满足要求，且其具备造价低、可靠性高、皮实耐用、损耗小、控制方法相对简单、不引入谐波问题、无任何电磁干扰问题等优点。因此基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器的应用前景非常可观，但目前对其控制策略的研究和应用还很匮乏。
[0008]因此目前迫切需要专利技术一种基于高可靠性、低成本的基于双旋转移相器合成相量
原理的无功补偿器控制策略，来实现对其补偿无功功率的精准调控，同时保证内部在调控过程中不出现过流现象，从而有效提高电网功率因数至设定值、降低电能损耗、提高供电质量。

技术实现思路

[0009]本专利技术公开了基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，通过测量无功补偿器接入点电压，负载、电感电流以及两旋转移相变压器一次侧总电流，将其转换至 dq0坐标系下，利用瞬时功率理论计算线路的瞬时功率；将电感吸收的无功作为反馈值，结合电网功率因数预设值确定功率闭环控制的期望值，二者进行比较形成无功电流的给定值；将瞬时电流的d、q轴分量作为反馈值，与给定值比较，形成闭环控制量；利用旋转矢量合成原理，求取到各旋转移相变压器的转子机械角指令，通过伺服控制器进行调节，进而改变无功补偿器吸收或发出的无功功率；本专利技术提供了一种成本低、抗冲击能力强、可靠性高、维护方便的全向补偿且连续调节的无功补偿控制新方案。
[0010]本专利技术通过以下技术方案得以实现：
[0011]本专利技术提出的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制中所述双旋转移相变压器的一次绕组并联，同时与三相电容共同并联连接；所述双旋转移相变压器的二次绕组对应相首尾串联，构成三相星型或角型接线，并与三相接线的三相储能电感并联连接；两个旋转移相变压器均由闭合铁心磁路、一次绕组、二次绕组、控制器、伺服电机、蜗轮、蜗杆以及外壳、配件等组成。基于双旋转移相器的无功补偿器的无功补偿机理是：首先通过并联的方式为无功补偿器(双旋转移相变压器的一次侧)取能；接着利用旋转移相变压器的感应调压原理改变初、次级(定、转子)绕组轴线相对角位移，即定转子位置角，在经过磁场感应完成初、次级之间电能传递的同时，实现次级绕组电压相位的调节(相对于初级电压相位)，当两旋转移相变压器初、次级有效匝数比相等时，二者的次级电压幅值相等，相位由各自转子位置角决定；双旋转移相变压器的次级绕组对应相首尾串联后构成三相接线与三相储能电感并联连接，此时加在三相储能电感两端的电压实质上是由两个幅值相等、相位360
°
可调电压相量的合成电压，根据旋转矢量合成方法，此合成电压相量可以实现幅值从0到最大电压(两倍次级电压幅值)、相角从0
°
到360
°
的任意调节，从而无级连续改变三相储能电感吸收的无功功率，进而实现对基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器向电网补偿无功功率双向和连续的调节。
[0012]本专利技术提出的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，它主要包括双旋转移相变压器无功补偿主电路、检测模块、信号处理模块、功率外环控制模块、直接电流内环控制模块、相角控制模块六个部分。所述检测模块输入端与测量双旋转移相变压器的无功补偿器接入点三相电压的电压互感器二次电压输出端以及测量流经负载、电感的三相电流和两旋转移相变压器一次侧总电流的电流互感器二次电流输出端连接，所述检测模块处理结果传递给信号处理模块；所述信号处理模块转换和计算的数据结果传递给功率外环控制模块、直接电流内环控制模块以及相角控制模块；所述功率外环控制模块的计算结果数据传递给直接电流内环控制模块，直接电流内环控制模块的计算结果数据传递给相角控制模块，相角控制模块的结果数据分别传递给两个旋转移相变压器的伺服控制器。
[0013]所述的双旋转移相变压器主电路实质上可以等效为一个受控功率源，大小仅与二
次侧串联合成电压相量的幅值有关，与相角无关，因此在本专利技术提出的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制中将两旋转移相变压器的转子位置角设置成相反数，仅需通过控制一个变量，即可实现合成电压幅值从0到最大值的任意调节；该控制策略同时也适用于两同轴旋转的移相变压器无功补偿器。
[0014]所述的检测模块利用电压互感器和电流互感器，采集建立基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制模型所需的电气物理量，包括：无功补偿器接入处的三相电压、流经负载和电感的三相电流以及两旋转移相变压器一次侧总电流；并将采集到的各电气物理量传递本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，它主要包括双旋转移相变压器无功补偿主电路、检测模块、信号处理模块、功率外环控制模块、直接电流内环控制模块、相角控制模块六个部分；所述检测模块输入端与测量无功补偿器接入点三相电压的电压互感器二次电压输出端以及测量流经负载、电感的三相电流和两旋转移相变压器一次侧总电流的电流互感器二次电流输出端连接，所述检测模块处理结果传递给信号处理模块；所述信号处理模块转换和计算的数据结果传递给功率外环控制模块、直接电流内环控制模块以及相角控制模块；所述功率外环控制模块的计算结果数据传递给直接电流内环控制模块，直接电流内环控制模块的计算结果数据传递给相角控制模块，相角控制模块的结果数据分别传递给两个旋转移相变压器的伺服控制器。2.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的双旋转移相变压器主电路实质上可以等效为一个受控功率源，大小和方向仅与二次侧串联合成电压相量的幅值有关，与相角无关，由伺服控制器对转子位置角的调节决定，因此在本发明提出的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制中将两旋转移相变压器的转子位置角设置成相反数，仅需通过控制一个变量，即可对合成电压幅值从0到最大值任意调节，进而实现无功补偿器补偿无功的精准控制；电感无功电流与无功功率有直接关系，由此可以实现对无功电流实时追踪，保证装置不出现过流现象。3.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的检测模块利用电压互感器和电流互感器，采集建立基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制模型所需的电气物理量，包括：该无功补偿器接入处的三相电压、流经负载和电感的三相电流以及两旋转移相变压器一次侧总电流；并将采集到的各电气物理量传递给信号处理模块。4.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的信号处理模块将对检测模块传入的三相电压和电流这些电气物理量进行坐标变化，采用锁相环(PLL)获取接入点的电压的相位，使其作为参考相量固定在d轴上，其他电气物理量在此基础上根据同步旋转坐标变换理论从abc坐标系转换至dq0坐标系下，并将接入点电压的相位传递给直接电流内环控制模块和相角控制模块；同时，将计算得到的各物理量的d，q轴分量传递给直接电流内环控制模块和相角控制模块，将利用瞬时功率理论计算得到的流经负载、电容和电感的三相瞬时无功功率以及负载三相瞬时有功功率传递给功率外环控制模块。5.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的功率外环控制模块结合电网侧预设的功率因数，根据电容的三相无功和负载三相瞬时有功、无功来确定功率闭环控制的给定值，再将电感消耗的三相瞬时无功作为反馈值，通过PI控制器形成功率外环闭环控制的补偿量，根据其与储能电感电流的直接关系，求到直接电流的无功分量，并将其传递给直接电流内环控制模块。6.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的直接电流内环控制模块将功率外环控制模块传入的电感电流的无功分量经过限幅后，作为无功电流的给定值；将信号处理模块传入的电感电流的d，q轴分量作为反馈量，分别与有功、无功电流给定值进行偏差比较，经过PI控制器，分别形成d，q轴电
流闭环控制的补偿量，结合信号处理模块传入的接入点电压相位，将其转换至abc坐标系下，将得到的电感电流相量传递给相角控制模块。7.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于，所述的相角控制模块通过直接电流内环控制模块传入的电感电流相量计算得到旋转移相变压器二次侧合成电压相量，结合信号处理模块传入的接入点电压相位，将该相量从abc坐标系转换至dq0坐标系下，利用旋转矢量合成原理，结合检测模块传入的接入点电压，计算得到两个旋转移相变压器的转子电角度指令；再结合两旋转移相变压器的极对数，计算得到两旋转移相变压器的转子机械角控制指令，将计算结果分别传递给无功补偿器中两个旋转移相变压器的伺服控制器；两个旋转移相变压器的伺服控制器根据相角控制模块传递的转子机械角控制指令去调节转子位置角，从而使得二次侧合成电压相量的幅值发生变化，进而实现对无功补偿器发出或吸收的功率以及二次侧电流的精准调控，形成电流和功率的双闭环控制。8.根据权利要求书1所述的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制，其特征在于该控制方法包括下列具体步骤：A.所述的检测模块采集建立形成基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器双闭环控制模型所需的电气物理量，包括：无功补偿器接入处的三相电压u
SA
,u
SB
,u
SC
、流经负载的三相电流i
loadA
,i
loadB
,i
loadC
和电感的三相电流i
A
,i
B
,i
C
以及两旋转移相变压器一次侧总电流i
LA
,i
LB
,i
LC
；将检测得到的各电气物理量均传递给信号处理模块；通过信号处理模块可以间接测量得到负载吸收无功Q
load
和有功P
load
、电容发出无功Q
C
和电感吸收无功Q
L
，并将其均传递给功率外环控制模块；B.所述的信号处理模块将对检测模块传入的三相电压和电流这些电气物理量进行坐标变化，采用锁相环(PLL)获取接入点的电压的相位ωt，使其作为参考相量固定在d轴上，其他电气物理量在此基础上根据同步旋转坐标变换理论从abc坐标系转换至dq0坐标系下，变换前后分别如下：u
SA
,u
SB
,u
SC
变为U
Sd
,U
Sq
；i
loadA
,i
loadB
,i
loadC
变为I
loadd
,I
loadq
；i
A
,i
B
,i
C
变为I
d
,I
q
；i
LA
,i
LB
,i
LC
变为I
Ld
,I
Lq
；将变换后的直接电流I
d
,I
q
传递给直接电流内环控制模块；将变换后的接入点电压U
Sd
传递给相角处理模块；将在dq0坐标系下利用瞬时无功理论计算得到的各瞬时无功功率Q
load
,Q
C
,Q
L
及负载有功功率P
l...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜湘武，邓婉君，贾焦心，张波，曲伟，谷建成，
申请(专利权)人：保定友源电力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：