CN100446377C - 一种晶闸管控制电抗器的控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶闸管控制电抗器电路的控制器，包括：电源模块、CPU模块、D/A电路、运放及同步比较电路、6路脉冲电路、A/D采样电路和显示模块，CPU模块包括Profibus通讯模块、232通讯单元、DSP数字处理单元、FPGA逻辑控制单元，D/A电路、运放及同步比较电路与DSP数字处理单元连接；运放及同步比较电路还与A/D采样电路连接，将A/D采样电路采集的信号运放后传送给DSP数字处理单元；FPGA逻辑控制单元与6路脉冲电路连接，以触发脉冲信号，进行调相；显示模块与D/A电路连接，显示监控数据；电源模块为其它模块提供电源。本发明控制过程准确、迅速；抗干扰能力强，稳定可靠；结构简单，生产成本低。

Description

一种晶闸管控制电抗器的控制器
技术领域
本发明涉及一种晶闸管控制电抗器电路的控制器，特别地涉及一种中压电网治理中所用的晶闸管控制电抗器的控制器。
背景技术
静止型无功补偿装置——简称SVC(Static Var Compensator)已被广泛地应用于负载的无功补偿及谐波滤波，其典型代表是固定电容器组+晶闸管控制电抗器——FC+晶闸管控制电抗器(FixedCapacitor+Thyristor Controlled Reactor)型。晶闸管控制电抗器的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，这种连续调节是依靠调节晶闸管控制电抗器晶闸管的触发角α得以实现的，由于该调节为具有连续调节且响应迅速，因而SVC可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。如将FC做成多回路滤波器，就可以补偿无功功率又可以实现谐波滤波。在冶金行业的电弧炉和轧钢供电的中压系统中，应用FC+晶闸管控制电抗器装置可以有效的抑制了负载对电网的冲击影响，大大改善了电网质量，降低能耗，是目前首选的补偿方法之一。
参考图1，FC+晶闸管控制电抗器装置由三部分构成，FC滤波器103、晶闸管控制电抗器相控电抗器102和控制保护系统101。FC滤波器103用于无功补偿及谐波滤波，它提供系统所需要的容性无功功率，并且滤除负载及晶闸管控制电抗器系统本身所产生的谐波。在平衡系统中，晶闸管控制电抗器相控电抗器102提供系统所需要的感性无功功率，稳定负载冲击所产生的电压波动。控制保护系统101一方面为相控电抗器102进行调相控制，另一方面实现晶闸管控制电抗器的保护控制。
在上述的FC+晶闸管控制电抗器装置中，对于晶闸管控制电抗器控制器存在较高的技术要求：其要求准确、快速的采集电压、电流等参数；准确、快速的计算负载无功功率，根据无功变化，连续调节晶闸管的触发角，从而实现无功功率的连续可调。为了保证系统的安全可靠运行，晶闸管触发角不能超出允许的范围，以防止系统崩溃；而当系统出现故障时，又能够快速地封锁晶闸管触发脉冲。
但是目前状况下，国内的晶闸管控制电抗器+FC工程选用晶闸管控制电抗器控制器时多为进口设备，例如：西门子公司的SIMADYND控制系统虽然可靠性较高，但是由于设计复杂，使得售价高达100多万人民币，非国内各工程使用者能够接收，而国内对该项技术的研发又均处于起步阶段，还没有成型技术出现，因而研制一种高可靠性的晶闸管控制电抗器控制器是有必要的。
发明内容
本发明的目的即是针对上述现有技术中存在的问题而提出的一种高性能、高可靠性的工业场合适用的晶闸管控制电抗器控制电路。
为实现上述目的，本发明提供一种晶闸管控制电抗器控制器，该控制器包括：电源模块、CPU模块、D/A电路、运放及同步比较电路、6路脉冲电路、A/D采样电路和显示模块，所述的CPU模块包括Profibus通讯模块、232通讯单元、DSP数字处理单元、FPGA逻辑控制单元，所述的D/A电路、运放及同步比较电路与DSP数字处理单元连接；所述的运放及同步比较电路还与A/D采样电路连接，将A/D采样电路采集的电网电压信号、负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号运算放大后传送给DSP数字处理单元；所述的FPGA逻辑控制单元与6路脉冲电路连接，用于触发脉冲信号，进行调相控制；所述的显示模块与D/A电路连接，用于监控数据的显示，所述的电源模块为其它模块供电。
在所述的A/D采样电路采集电网电压信号的输入端加装压敏吸收装置；所述的A/D采样电路采集负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号前端(即输入端)设置限幅电压装置；所述的电源模块的输入端加装带进线电抗器的3、5、7次谐波滤波装置，所述的谐波滤波装置的输出端安装了电源滤波器。
为实现上述目的，晶闸管控制电抗器的控制器中CPU模块1采用快速傅立叶算法计算出晶闸管控制电抗器输出的无功功率QTCR为：
QTCR＝[(QFC+ΔQL)-QL]-K2*{QTCRn-1-[(QFC+ΔQLn-1)-QLn-1]}；
本发明具有如下显著优点：
(1)控制过程准确、迅速；
(2)抗干扰能力强，稳定可靠；
(3)结构简单，生产成本低。
附图说明
图1为FC+晶闸管控制电抗器的补偿原理图。
图2为本发明一种晶闸管控制电抗器控制器的电路框图。
图3为本发明中晶闸管控制电抗器电流采样的原理图；
图4为本发明中限幅电压装置的电路原理图；
图5为传统的限幅电压装置的电路原理图；
图6为本发明一实施例的控制响应波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的介绍，但不作为对本发明的限定。
参见图2，一种晶闸管控制电抗器控制器包括：电源模块7、CPU模块1、D/A电路2、运放及同步比较电路3、6路脉冲电路4、A/D采样电路5和显示模块6，其中CPU模块1又包括Profibus通讯模块11和232通讯单元12，Profibus通讯模块11用来实现设备与工业现场总线的连接，而232通讯单元12用于操作显示模块6的数据通讯；CPU模块11还包括DSP数字处理单元13、FPGA逻辑控制单元14，所述的D/A电路2、运放及同步比较电路3与DSP数字处理单元13连接，其中D/A电路2与显示模块6相连，用于监控数据的显示；所述的电源模块7为其它模块供电，运放及同步比较电路3将A/D电路采集的电网电压信号、负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号运放后送给DSP数字处理单元13，DSP数字处理单元13根据采集信号的结果，计算比较后利用FPGA逻辑控制单元14产生触发脉冲信号，传送给6路脉冲电路，以进行调相控制，从而实现晶闸管控制电抗器控制器的闭环控制。
在A/D采样电路5中，对于电网电压信号的输入，可以加装压敏吸收装置，对于负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号的输入加装限幅电压装置，如图4所示，该电路采用电阻与限幅二极管并联连接，这样能够有效地阻止强脉冲干扰信号对于控制器的干扰破坏，不同于常规的限幅方法，即图5所示的电阻与稳压管串联连接的方式。
所述的电源模块的输入端加装带进线电抗器的3、5、7次谐波滤波装置，所述的谐波滤波装置的输出端安装了电源滤波器。这样，谐波电流既不能流出控制器又不能流入控制器，常规方法仅仅安装电源滤波器。只能滤出高次谐波。不能滤除3、5、7次谐波。
利用采集的电压和电流信号，计算有效值和有功、无功功率，可以依据对称原理，取半个周波，半个周波中，采样点为时间间隔相等的8点，算法为快速傅立叶变换FFT，这种算法的好处为半个周波采样，余下的半个周波进行计算，快速FFT算出三相电参数，三相参数取平均值，有积分和滤波的作用。
参见图3，该控制器对晶闸管控制电抗器电流信号的采样，取自三角形外a1-b，1c1-d1，e1-f1的相电流，即三角形连接的电抗器外部的相电流。相电流不含3次谐波，畸变小。同步电压、负载电流和晶闸管控制电抗器电流经过了滤波处理，谐波滤除，电流波形接近正弦波，便于采样处理。
本晶闸管控制电抗器控制器通过计算无功功率与有功功率的比值来判断晶闸管控制电抗器电路的平衡状态，晶闸管控制电抗器电路的负载是电感，平衡态工作，晶闸管调节电抗器电流为滞后的感性电流为主，少量的同相的电阻性电流，测量的功率值以无功功率为主，有很少的有功功率；不平衡态工作，电流不仅仅有幅值的不平衡差异，还出现了幅角偏差量加大，三相中性点偏移。理想电流幅角滞后电压90度。有功功率明显增加，无功功率减少，其无功功率与有功功率的比值明显增大，用无功功率与有功功率的比值，判断不平衡状态，这种方法，不仅仅考虑了电流的幅值大小，还考虑了电流的幅角，是复数的概念，明显强于传统方法的三相电流幅值判断的方法。
晶闸管控制电抗器控制器中CPU模块1采用如下方式完成无功功率的计算以及保护过程：
(1)通过A/D采样采集三相电网电压、三相负载电流以及三相晶闸管控制电抗器电流；
(2)采用快速傅立叶算法计算负载、晶闸管控制电抗器、FC的三相无功功率，计算晶闸管控制电抗器应输出的无功功率：
QTCR＝[(QFC+ΔQL)-QL]-K2*{QTCRn-1-[(QFC+ΔQLn-1)-QLn-1]}
其中：ΔQL＝K1QL，K1，K2为系数。系数取值范围为0.1-0.30，本实施例取0.2。
(3)计算出晶闸管控制电抗器应输出的无功功率，经查表得出对应的晶闸管触发角α，传输给FPGA；
(4)FPGA根据结果输出TCR脉冲；
(5)经D/A转换输出晶闸管控制电抗器无功功率、负载的无功功率，用以显示；
(6)对晶闸管控制电抗器三相电流和三相平衡度进行保护；
(7)对电网三相电压的相序和过电压进行保护；
(8)对于电网的频率进行保护。
实施例曲线：
参考图6，其中A相为负载电流，B相为晶闸管控制电抗器电流，图中清楚的显示了当负载电流逐渐加大时，晶闸管控制电抗器电流逐渐减少的控制器控制响应时间的记录波形，可见晶闸管控制电抗器的控制系统响应时间满足现场负载动作的要求。
本发明的特定实施例已对本发明的内容作出了详尽的说明，对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (7)

1.晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：包括：电源模块、CPU模块、D/A电路、运放及同步比较电路、6路脉冲电路、A/D采样电路和显示模块，所述的CPU模块包括Profibus通讯模块、232通讯单元、DSP数字处理单元、FPGA逻辑控制单元，所述的D/A电路、运放及同步比较电路与DSP数字处理单元连接；所述的运放及同步比较电路还与A/D采样电路连接，将A/D采样电路采集的电网电压信号、负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号运算放大后传送给DSP数字处理单元；所述的FPGA逻辑控制单元与6路脉冲电路连接，用于触发脉冲信号，进行调相控制；所述的显示模块与D/A电路连接，用于监控数据的显示，所述的电源模块为控制器供电。
2.如权利要求1所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：在所述的A/D采样电路采集电网电压信号的输入端加装压敏吸收装置。
3.如权利要求1所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：所述的A/D采样电路采集负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号的输入端设置限幅电压装置。
4.如权利要求3所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：所述的限幅电压装置为电阻与限幅二极管并联连接。
5.如权利要求1所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：所述的电源模块的输入端加装带进线电抗器的3、5、7次谐波滤波装置，所述的谐波滤波装置的输出端安装了电源滤波器。
6.如权利要求1所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：所述的晶闸管控制电抗器电路的电流信号取自三角形连接的电抗器外部的相电流。
7.如权利要求1所述的晶闸管控制电抗器电路的控制器，其特征在于：所述的电网电压信号、负载电流信号以及晶闸管控制电抗器电流信号对50Hz的信号的采集取半个周波，采样点为时间间隔相等的8个点。
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