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

技术领域

本发明属于输配电电网及分布式电源并网技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

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。

因此目前迫切需要发明一种基于高可靠性、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。

发明内容

本发明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；本发明提供了一种成本低、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。

本发明通过以下技术方案得以实现：

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。

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，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。

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。

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给信号处理模块。

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、电感的三相瞬时无功功率以及负载的三相瞬时有功功率传递给功率外环控制模块。

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。

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。

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。

本发明的有益效果在于：

1.本发明为基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器提供了一种功率和电流双闭环的控制方法，一方面，能够对无功功率进行精准调控，实现对负载所需无功功率的双极向和动态补偿，且不引入谐波问题；另一方面，该无功补偿器在调节吸收或发出的无功功率的同时，装置内的电流也同时按照预期值进行控制，不会出现内部过电流而破坏绝缘的现象。从而，提高了该无功补偿器工作的可靠性和适应性，有效提升电网侧功率因数，提高供电效率和电能质量，降低电能损耗。因此，使用范围更广，应用前景更好。

2.本发明通过坐标变换和瞬时无功理论计算得到控制中需要引入的各处瞬时无功功率，并通过控制无功达到控制无功电流的目的；根据无功功率和无功电流的给定值，得到两旋转移相变压器二次侧合成电压；利用旋转矢量合成原理，求取两个相同幅值的分相量的相位角，以确定两个旋转移相变压器的转子位置角，并通过伺服控制器进行调节，进而实现功率和电流的双闭环控制，这一方法解决了基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器推广应用的技术难题。

3.本发明在提供一种基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器功率电流双闭环控制的同时，也提供了一种成本低、抗冲击能力强、可靠性高、维护方便的全向补偿且连续调接的无功补偿控制新方案。

附图说明

图1是本发明提供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较佳实施例的主电路接线示意图。

图2是本发明提供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较佳实施例的单相等效电路示意图。

图3是本发明提供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较佳实施例的控制结构设计图。

图4是本发明提供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较佳实施例的控制原理图。

图5是本发明提供的基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器补偿无功以及电容、电感发出和吸收无功随着旋转移相变压器转子角变化的仿真变化波形图。

图6是本发明提供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在负载发生突变进行动态无功补偿的过程中，两旋转移相变压器转子电角度变化的曲线图。

图7是本发明提供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在进行动态无功补偿时，功率外环控制中功率实时值与给定值的跟踪曲线图以及装置对负载所需无功的补偿曲线图。

图8是本发明提供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在进行动态无功补偿时，直接电流内环控制中电流有功和无功分量实时值与给定值的跟踪曲线图。

图9是本发明提供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在进行动态无功补偿时，电网侧功率因数变化曲线图。

图10是本发明提供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在实现无功补偿后电网侧A相电压、电流波形图。

附图中各部件的符号如下：

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，图1是本发明提供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较佳实施例的主电路示意图，控制目标是提高电网侧功率因数为设定值，即需要控制旋转式无功补偿器发出的无功接近负载所需无功。

参阅图2，图2是本发明提供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较佳实施例的单相等效电路示意图，无功补偿器中三相电容发出的无功Q

参阅图3，图3是本发明提供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较佳实施例的控制结构设计图，它主要包括基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器主电路、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，通过伺服电机调节转子角实现无功和电流的调节与控制。

参阅图4，图4是本发明提供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较佳实施例的控制原理图，包括了基于旋转移相原理的无功补偿主电路、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，一种基于旋转移相原理的无功补偿器功率电流双闭环控制包括下列具体步骤：

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

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θ

C.所述的功率外环控制模块根据电网侧功率因数设定值，结合信号处理模块传入的瞬时功率确定功率闭环控制的给定值Q

D.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直接电流无功分量作为无功电流给定值I

E.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流相量

F.所述检测模块、信号处理模块、功率外环控制模块、直接电流内环控制模块、相角控制模块与基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器主电路的电压互感器和电流互感器二次侧以及两个旋转移相变压器的伺服控制器构成一个基于外环三相瞬时无功功率、内环有功无功电流解耦控制的双闭环控制回路，具体分以下几步进行计算：

1)信号处理模块通过派克变换，以装置接入点电压作为参考相量，将检测模块输入的各物理量均转换至dq0坐标系中，其中，U

其中流经负载、并联电容、电感的无功功率Q

负载消耗的有功功率P

2)为了确保电网侧功率因数为设定值λ，需要调节电感消耗的无功功率，故电感消耗无功给定值应为：

功率外环控制模块接受信号处理模块输入的各瞬时有功和无功功率，结合电网侧预设功率因数来确定功率闭环控制的给定值Q

3)电感消耗的无功功率与二次侧电流的关系如下：

其中L

由式(9)可以看出此时电感消耗的无功仅与电感电流的无功分量有关，故通过调节无功电流可以实现对无功功率的独立调节。功率外环控制模块通过读取储能电感和旋转移相变压器内电感等效在二次侧的总电抗X

4)直接电流内环控制模块读取内部存储的有功电流给定值I

直接电流内环控制模块结合信号处理模块输入的接入点电压相位θ

5)二次侧合成电压

相角控制模块读取电路参数储能电感和旋转移相变压器内阻抗折算至二次侧的总阻抗Z

相角控制模块接收从信号处理模块传入的接入点电压U

请参阅图5至图10，为验证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的动态补偿性能和有效性，参考图1在MATLAB/SIMULINK仿真平台中搭建690V下的电路模型，控制策略的设计参考图4，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仿真设计及验证包括下列具体步骤：

A.基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器主电路参数设置如下：两旋转移相变压器的容量均为1.5MW，三相电容C＝0.0132F，三相储能电感L＝2.2mH。

B.在仿真中，从小到大连续改变两旋转移相变压器的转子角，观察得到基于双旋转移相器合成相量原理的无功补偿器吸收或发出的无功功率随之变化的仿真波形图，参阅图5。从图5我们看出当

C.结合装置无功补偿的调节范围，对主电路中的负载施加无功扰动：负载无功最初设置为容性无功0.8Mvar，在3s时突减为0.3Mvar；在6s时负载性质突变为感性，无功为0.3Mvar；在9s时突增为感性0.8Mvar。负载有功设置为0.6MW，并保持不变；设定经过控制电网侧功率因数可以提升至0.97。

D.参阅图6，图6是对负载施加无功扰动后，本发明提供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在进行动态无功补偿仿真时，两旋转移相变压器转子电角度变化的曲线图。从仿真结果图可以看出旋转移相变压器对于扰动信号的响应速度很快，并且可以进行平滑连续的调节。

E.参阅图7和图8，图7是施加负载无功扰动后，在本发明提供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下，功率外环控制中功率实时值与给定值的跟踪曲线图以及装置对负载所需无功的补偿曲线图；图8是直接电流内环控制中电流有功和无功分量实时值与给定值的跟踪曲线图。由此可以验证本发明提供的功率电流双闭环控制策略能够实现电感等效功率源吸收的瞬时无功对给定值的有效跟踪和无差调节，从而实现整个装置对负载所需无功的动态调节和补偿，从而达到预设的功率因数；同时证明了本发明提供的功率电流双闭环控制策略可以实现电感电流对其给定值的有效跟踪，从而确保装置内部不会出现过流而对装置绝缘造成损害的情况出现，提高无功补偿器工作运行的可靠性。

F.施加负载无功扰动后，在本发明提供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下的电网侧功率因数变化图参阅图9。仿真结果验证了提出的控制策略能够实现快速且连续地单向和双向调节补偿的无功功率，保证整个装置补偿的无功与负载所需的无功一致，从而提升电网侧功率因数至预设值0.97，调节精度高，从而达到减少电能传输损耗，提高电网供电效率的目的。

G.参阅图10，图10是本发明提供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在实现无功补偿后电网侧A相电压、电流波形图。从结果中可以看出在进行补偿后，电网侧电压、电流同相位，且电压和电流的谐波含量几乎为0，验证了在本发明提供的一种基于旋转移相原理的无功补偿器功率电流双闭环的控制策略下不会给电网引入谐波，可以提高电能质量。