CN101020425A - 一种混合型静止同步无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种混合型静止同步无功补偿装置，它包括直流电源、第一断路器和第二断路器；直流环节、控制电路、信号检测电路，以及由固定补偿电容器组、补偿变压器、软起动电路、滤波器、第一单相逆变器、第二单相逆变器构成的第一补偿回路，与第一补偿回路结构一致的第二补偿回路；逆变器包括第一单相逆变器、第二单相逆变器两个并联的单相逆变器，两个单相逆变器共用一个直流环节；检测信号输出到控制电路，控制电路输出脉冲触发信号控制逆变器开关器件和断路器、充电接触器和工作接触器。它可以对电气化铁道交流供电系统的无功功率进行动态补偿的目的，同时对供电系统两相间的不平衡有功进行动态平衡。

Description

一种混合型静止同步无功补偿装置

技术领域

本发明涉及一种交流供电系统技术领域的设备，即一种混合型静止同步无功补偿装置(FC+STACOM)，可以为电气化铁道变电站的无功和不平衡进行有功补偿。

背景技术

解决电气化铁道交流供电系统网压跌落，提高牵引网供电能力，抑制电网谐波，改善电能质量已成为一个十分重要的方向。静止同步无功补偿装置(STACOM)以其良好的动态性能和补偿精度，在理论和实际应用方面都得到了很大的发展。

目前，动态无功补偿装置大都采用静止无功补偿器(SVC)，即FC+TCR的形式，其工作原理参见图2。传统的静止无功补偿器有较好的性能，但还是有以下难以克服的缺点：

(1)由于SVC的响应速度慢，它对电网电压的波动表现出恒阻抗特性，因而在电网电压波动时不能充分发挥其作用；

(2)SVC产生较多的谐波电流注入电网；

(3)SVC不能调节M相和T相之间的有功实现不平衡补偿；

(4)SVC必须通过庞大的储能设备实现无功补偿，并联电容器产生超前(容性)无功，并联电抗器产生滞后(感性)无功。

(5)对于无功的调节，TCR只能产生滞后(感性)无功，调节范围有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电气化铁道的混合型静止同步无功补偿装置(FC+STACOM)，可以实现对电气化铁道交流供电系统的无功功率进行动态补偿的目的，同时对供电系统两相间的不平衡有功进行动态平衡。

一种混合型静止同步无功补偿装置，它包括直流电源10、第一断路器11和第二断路器12；所述直流电源10将交流电转换为直流电源并输出到其它电路的直流供电端，其特征在于它还包括直流环节7、控制电路8、信号检测电路9，以及由固定补偿电容器组1、补偿变压器2、软起动电路3、滤波器4、第一单相逆变器5、第二单相逆变器6构成的第一补偿回路；所述固定补偿电容器组1通过第一断路器11连接在交流电的M相和地之间，所述补偿变压器2是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器12连接在交流电的M相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路3与滤波器4的两个输出端相连；

由固定补偿电容器组1`、补偿变压器2`、软起动电路3`、滤波器4`、第一单相逆变器5`、第二单相逆变器6`构成的与所述第一补偿回路结构一致的第二补偿回路；所述固定补偿电容器组1`通过第一断路器11`连接在交流电的T相和地之间，所述补偿变压器2`是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器12`连接在交流电的T相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路3`与滤波器4`的两个输出端相连；

所述软起动电路3由充电接触器、工作接触器、充电电阻构成；

所述逆变器包括第一单相逆变器5、第二单相逆变器6两个并联的单相逆变器，两个单相逆变器共用一个直流环节7；

所述补偿变压器2的次边二个绕组的另一端分别与第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的一个输出端相连，第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的另一个输出端分别与所述滤波器4的两个输入端相连；

所述信号检测电路9的负载电流、电网电压、直流环节电压、逆变器输出电流检测信号输出端分别与所述控制电路8的对应输入端口相连，该控制电路8的脉冲触发信号输出端与所述第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的开关器件的控制端相连，控制电路8的断路器、充电接触器和工作接触器控制信号输出端分别与对应的断路器、充电接触器和工作接触器的控制端相连。

直流环节7由支撑电容、检测直流环节的电压传感器、放电电阻和接触器的辅助接点组成。

控制电路8采用双DSP+CPLD结构，一个DSP用于电流、电压信号检测；另个DSP用于无功计算和PWM信号形成控制逆变器工作，CPLD协调各部分的工作和开关的逻辑控制，从而实现对逆变器输出无功量和有功量(大小和极性)的调节。

数字电路部分两片DSP(Digtal Signal Process-数字信号处理器)芯片选用了TI公司的TMS320C32和TMS320F240。CPLD(Complex Programmable LogicDevice复杂可编程逻辑器件)芯片负责地址译码及协调系统内部逻辑。

本装置具有起动无冲击、调节连续、响应快速、占地面积小等优点。在改善系统稳定性，提高现有输电线路的输电容量和抑制电压闪变等方面具有很大的优势，已成为各国竞相发展的新一代无功补偿设备，也是今后柔性交流输电系统(FACTS)的重要组成部件之一。

附图说明：

图1为本发明电路原理图；

图2为静止无功补偿器工作原理图；

图3为实施例的电路原理图；

图4为控制电路的示意图；

图5为控制电路一个控制程序的流程示意图；

图6为控制电路另一个控制程序的流程示意图；

图7无功电流检测原理图。

具体实施方式

如图1-图7所示。一种混合型静止同步无功补偿装置，它包括直流电源10、第一断路器11和第二断路器12；所述直流电源10将交流电转换为直流电源并输出到其它电路的直流供电端，其特征在于它还包括直流环节7、控制电路8、信号检测电路9，以及由固定补偿电容器组1、补偿变压器2、软起动电路3、滤波器4、第一单相逆变器5、第二单相逆变器6构成的第一补偿回路；所述固定补偿电容器组1通过第一断路器11连接在交流电的M相和地之间，所述补偿变压器2是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器12连接在交流电的M相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路3与滤波器4的两个输出端相连；

由固定补偿电容器组1`、补偿变压器2`、软起动电路3`、滤波器4`、第一单相逆变器5`、第二单相逆变器6`构成的与所述第一补偿回路结构一致的第二补偿回路；所述固定补偿电容器组1`通过第一断路器11`连接在交流电的T相和地之间，所述补偿变压器2`是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器12`连接在交流电的T相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路3`与滤波器4`的两个输出端相连；

所述软起动电路3由充电接触器、工作接触器、充电电阻构成；

所述逆变器包括第一单相逆变器5、第二单相逆变器6两个并联的单相逆变器，两个单相逆变器共用一个直流环节7；

所述补偿变压器2的次边二个绕组的另一端分别与第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的一个输出端相连，第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的另一个输出端分别与所述滤波器4的两个输入端相连；

所述信号检测电路9的负载电流、电网电压、直流环节电压、逆变器输出电流检测信号输出端分别与所述控制电路8的对应输入端口相连，该控制电路8的脉冲触发信号输出端与所述第一单相逆变器5、第二单相逆变器6的开关器件的控制端相连，控制电路8的断路器、充电接触器和工作接触器控制信号输出端分别与对应的断路器、充电接触器和工作接触器的控制端相连。

直流环节7由支撑电容、检测直流环节的电压传感器、放电电阻和接触器的辅助接点组成。

混合型静止同步无功补偿装置(FC+STACOM)由固定补偿电容器组(FC)和静止同步无功补偿装置(STACOM)组成。固定补偿电容器组(FC)补偿大部分容性无功；静止同步无功补偿装置(STACOM)则可从感性到容性平滑地调节无功功率，同时还可以调节有功功率。因此组成一个完善的功率补偿调节系统。

固定补偿电容器组1(1`)为固定补偿电容器组(FC)，提供大部分静态容性无功，并兼做谐波滤波器，可配置成3、5、7次谐波滤波支路。通过断路器QF2(QF2`)接在M相(T相)电网上。

补偿变压器2(2`)为补偿变压器，为降低逆变器模块(主要是IGBT开关元件和直流电容器)的耐压水平，补偿变压器为降压变压器。原边为单绕组，次边为双绕组。原边通过断路器QF1(QF1`)接在M相(T相)电网上；次边二个绕组分别通过软起动电路3(3`)接在滤波器4(4`)的输出端。

软起动电路3(3`)是为了减少对电网和逆变器模块的冲击。软起动电路由充电接触器K2(K2`)和工作接触器K1(K1`)、充电电阻R1(R1`)构成。

滤波器4(4`)由L1、C1；L2、C2(L1`、C1`；L2`、C2`)构成。与逆变器交流输出端相接，用来滤除频率为逆变器开关频率f_s及其倍数(2f_s、3f_s等)的谐波电流，同时可减少逆变器模块之间的耦合，降低逆变器模块之间的相互干扰。

逆变器采用2个单相逆变器5、6(5`、6`)并联(2相2重)结构。每个单相逆变器由四个高压IGBT元件组成。这样可以提高等效开关频率和扩大容量。减少输出滤波器的体积和改善输出电流波形。逆变器共用一个直流环节7。

直流环节7由支撑电容Cd、电压传感器LEM3(检测直流环节Ud)、放电电阻Rd和接触器K1、K1`、K2、K2`的辅助接点组成。直流环节与电网M相、T相交换能量，为逆变器提供一稳定的直流电压。

如图4，控制电路和保护系统采用以双DSP+CPLD为核心的数模混合电路及信号入出电路组成，包括信号入出电路、控制电路、故障保护电路、脉冲转换电路、电源电路。

信号入出电路由模拟和数字两部分组成。模拟部分为负载电流I_M(I_T)、I_Mf(I_Tf)；电网电压U_M(U_T)；直流环节电压Ud；逆变器输出电流I_S1、I_S2(I_{S1`</sub>、I<sub>S2`})等组成的调理电路(放大、整形、滤波)。

数字入出(I/O)部分主要负责外部开关QF1(QF1`)、QF2(QF2`)、K1(K1`)、K2(K2`)等状态的输入和控制逻辑(开关分/合)的输出(经光/电隔离输入和继电器隔离输出)。

控制电路是以双DSP+CPLD为核心的数模混合电路。数字电路部分主要包括：TMS320F240、TMS320C32、CPLD和双口RAM。

一块DSP(TMS320F240)完成对A/D变换器电路送来的信号进行采样及系统逻辑处理；采样结果存在双口RAM中供TMS320C32读取，为使电流采样与指令电流输出保持与电网电压的同步，对网压同步信号进行锁相；同时对直流电压Ud、补偿电流I_S1、I_S2(I_{S1`</sub>、I<sub>S2`})等进行监测，当某信号超过保护设定值时，保护逻辑及时进行保护。

另一块DSP(TMS320C32)负责对采样数据计算分析，首先由电网电压、电流计算出M(T)相的有功和无功功率：(如需要补偿谐波电流，则还需要从负载电流I_M I_T中分析计算出谐波电流Ih)

P_LM＝U_MI_Mcos  (1)

Q_LM＝U_MI_Msin  (2)

P_LT＝U_TI_Tcos  (3)

Q_LT＝U_TI_Tsin  (4)

式中U_M、I_M；U_T、I_T为电压、电流有效值；为电流与电压之间的角度，即功率因数角。

然后算出M(T)相逆变器需要输出调节的有功和无功功率：P_CM、P_CT、Q_CM、Q_CT

$P_{\mathrm{CM}}=-\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2}---\left(5\right)$

$P_{\mathrm{CT}}=\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2}---\left(6\right)$

Q_CM＝-Q_LM-Q_FCM   (7)

Q_CT＝-Q_LT-Q_FCT   (8)

式中Q_FCM、Q_FCT为M(T)相的固定补偿组FC的无功容量。

然后将P_CM，P_CT，Q_CM，Q_CT变换为相应的有功、无功电流指令，并将它们相叠加(如需要补偿谐波电流，则还需要加上要补偿的谐波电流)。并通过D/A输出无功、有功电流指令波形，作为逆变器的给定电流指令。

DSP(TMS320C32)还要完成直流环节电压Ud和给定直流电压Udref的PI调节，得出的调节信号也叠加在逆变器的给定电流指令中，以使直流环节电压Ud稳定。

两片DSP通过一片16k×16位的双口RAM进行数据交换。CPLD负责地址译码及协调系统内部逻辑。两片DSP的主要任务处理都是基于中断的。

模拟电路部分主要完成无功、有功电流跟踪，将D/A输出的无功、有功电流指令波形与相应的反馈信号--逆变器输出电流I_S1、I_S2(I_{S1`</sub>、I<sub>S2`})进行比效，并将其误差放大，然后与两个相位差180度的三角波进行载波调制，生成两重PWM波。经光/电隔离和门极放大去驱动IGBT。

装置的故障保护为：FC支路保护和STATCOM支路保护。FC支路保护采用专门的微机保护装置，其保护主要为过流保护、差流保护、过压保护、失压保护、电容器故障保护；STATCOM支路保护主要为IGBT模块故障保护、IGBT模块过热保护、过流保护和直流电压过压保护。

IGBT模块故障保护和过热保护的故障信号为24V电平信号，送入故障保护板，产生硬件保护。控制程序检测到故障信号则产生软件保护。

系统过流保护和直流电压过压保护的故障信号为5V电平信号，送入故障保护板。同时控制程序通过采样电流和电压值，与设定的保护值比较，若超过保护值，则发出封锁脉冲信号，产生保护动作。

过流和过压保护值可以现场改变。同时面板上也设置手动紧急停机按钮，发生异常情况时，可以手动停机，以保护设备。

为了防止信号干扰，把控制输出PWM控制脉冲转换光信号，通过光纤送给IGBT模块触发板，然后转换为电平信号触发模块，保证模块正常触发。

直流电源9的输入电源为AC220V，输出为+5V，±15V和+110V直流电源，提供控制和IGBT模块触发电源。

软件部分任务主要由两片DSP的程序相对独立完成。TMS320F240负责AD采样、控制逻辑处理；TMS320C32负责电流指令的运算及DA输出。为提高软件的实时性，两个DSP软件的主要任务处理都是基于中断的。

如图5，F240的程序由主程序、软件锁相、AD采样及故障处理子程序组成。主程序完成系统初始化后，进入循环等待。AD的启动由F240根据电网电压同步，一个周波采512个点，采样周期约为40us。AD结果被保存在双口RAM中供C32读取。为保证采样点数的一致性，对网压同步信号进行了软件锁相。软件实时监测直流电压、补偿电流，当某信号超出设定值时及时进行保护。

如图6，C32的程序由主程序、无功和有功电流计算、直流环节PI调节、DA输出子程序组成。主程序完成系统初始化后，进入循环等待。C32根据电网电压同步中断从口RAM中读取F240上周期的负载电流、直流电压采样数据进行计算，通过负载电流检测，并对直流电压进行PI调节，生成基波波形，生成电流指令通过DA输出至电流跟踪电路。DA输出与电网电压同步，每周期512点。

无功和有功计算采用单相瞬时无功的电流检测算法(参见图7)，实时检测计算系统无功和有功电流，计算需要补偿输出电流，通过PWM调制，控制STATCOM产生相应的补偿电流，实时动态补偿系统无功和不平衡有功。

采样计算瞬时有功和无功：

$p=\stackrel{\&OverBar;}{p}+\tilde{p}---\left(9\right)$

$q=\stackrel{\&OverBar;}{q}+\tilde{q}---\left(10\right)$

p_M＝u_Mαi_Mα+u_Mβi_Mβ (11)

q_M＝u_Mβi_Mα-u_Mαi_Mβ (12)

p_T＝u_Tαi_Tα+u_Tβi_Tβ (13)

q_T＝u_Tβi_Tα-u_Tαi_Tβ (14)

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{CM}}=-({\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{LT}}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{LM}})/2---\left(15\right)$

${\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{CT}}=({\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{LT}}-{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{MT}})/2---\left(16\right)$

式中p、q为有功、无功的瞬时值；

为基波有功、基波无功的瞬时值；

为补偿有功的瞬时值；u_Mα、u_Mβ、i_Mα、i_Mβ、u_Tα、u_Tβ、i_Tα、i_Tβ；为α和β相电压、电流的瞬时值。

然后算出M(T)相逆变器需要输出调节的有功和无功电流：i_Mp、i_Mq、i_Tp、i_Tq：

$i_{\mathrm{Mp}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{u_{\mathrm{M\&alpha;}}}{u_M^2}{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{CM}}---\left(17\right)$

$i_{\mathrm{Mq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{u_{\mathrm{M\&alpha;}}}{u_M^2}{\stackrel{\&OverBar;}{q}}_M---\left(18\right)$

$i_{\mathrm{Tp}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{u_{\mathrm{T\&alpha;}}}{u_T^2}{\stackrel{\&OverBar;}{p}}_{\mathrm{CT}}---\left(19\right)$

$i_{\mathrm{Tq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{u_{\mathrm{T\&alpha;}}}{u_M^2}{\stackrel{\&OverBar;}{q}}_T---\left(20\right)$

式中i_Mp、i_Mq、i_Tp、i_Tq；为补偿有功和无功电流的瞬时值。

C32还要完成直流环节电压Ud和给定直流电压Udref的PI调节，得出的调节信号也叠加在逆变器的给定电流指令中，以使直流环节电压Ud稳定。

当设固定补偿电容器组FC的容量为3Mvar，静止同步补偿器STACOM的容量为(1.5Mvar+1.5Mvar)：

这样，通过控制系统的调节，补偿装置(FC+STATCOM)最大可向电网(M相和T相)发出2×(0-6Mvar)的容性无功。当补偿无功后装置容量有余时，补偿装置可向M相发出 $P_{\mathrm{CM}}=-\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2},$ 向T相发出 $P_{\mathrm{CT}}=\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2}$ 的有功功率，从而实现对电网进行不平衡有功补偿的目的。

本装置是与已有电气化铁道交流供电系统电力变换特性协调，对无功功率和不平衡有功进行动态补偿。(其基本组成所示)；由2组用IGBT组件构成的单相逆变器(单相STATCOM)分别接在M相和T相的供电母线上。2组逆变器共享直流电容。为了降低成本，用固定电容补偿(FC)与STATCOM相结合。为了扩大容量和提高等效开关频率，每组逆变器采用2个单相逆变器并联(2相2重)结构。每组逆变器容量为(1.5Mvar+1.5Mvar)；FC的容量为3Mvar。

控制电路采用双DSP+CPLD结构，一个DSP用于电流、电压信号检测；另个DSP用于无功计算和PWM信号形成控制逆变器工作，CPLD协调各部分的工作和开关的逻辑控制，从而实现对逆变器输出无功量和有功量(大小和极性)的调节。

通过控制系统的调节，补偿装置(FC+STATCOM)最大可向电网(M相和T相)发出2×(0~-6Mvar)的容性无功。当补偿无功后装置容量有余时，补偿装置可向M相发出 $P_{\mathrm{CM}}=-\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2},$ 向T相发出 $P_{\mathrm{CT}}=\frac{P_{\mathrm{LT}}-P_{\mathrm{LM}}}{2}$ 的有功功率，从而实现对电网进行不平衡有功补偿的目的。

采用单相瞬时无功电流检测方法，实时检测计算系统无功和有功电流，计算需要补偿输出电流，通过PWM调制，控制STATCOM产生相应的补偿电流，实时动态补偿系统无功和不平衡有功。

该装置提高实时动态向系统提供或者吸收无功电流，有利于电铁供电系统的稳定运行，提高其供电能力和供电质量，抑制电压波动，提高系统的负荷能力，支撑输电系统关键点的电压，维持受端电压，提高系统稳定极限和输电线路的运行极限，解决其供电瓶颈问题。

本装置的原理适合三相交流电源系统。

Claims (2)

1、一种混合型静止同步无功补偿装置，它包括直流电源(10)、第一断路器(11)和第二断路器(12)；所述直流电源(10)将交流电转换为直流电源并输出到其它电路的直流供电端，其特征在于它还包括直流环节(7)、控制电路(8)、信号检测电路(9)，以及由固定补偿电容器组(1)、补偿变压器(2)、软起动电路(3)、滤波器(4)、第一单相逆变器(5)、第二单相逆变器(6)构成的第一补偿回路；所述固定补偿电容器组(1)通过第一断路器(11)连接在交流电的M相和地之间，所述补偿变压器(2)是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器(12)连接在交流电的M相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路(3)与滤波器(4)的两个输出端相连；

由固定补偿电容器组(1`)、补偿变压器(2`)、软起动电路(3`)、滤波器(4`)、第一单相逆变器(5`)、第二单相逆变器(6`)构成的与所述第一补偿回路结构一致的第二补偿回路；所述固定补偿电容器组(1`)通过第一断路器(11`)连接在交流电的T相和地之间，所述补偿变压器(2`)是原边为单绕组、次边为双绕组的降压变压器，原边通过第二断路器(12`)连接在交流电的T相和地之间，次边二个绕组的一端分别通过软起动电路(3`)与滤波器(4`)的两个输出端相连。

所述逆变器包括第一单相逆变器(5)、第二单相逆变器(6)两个并联的单相逆变器，两个单相逆变器共用一个直流环节(7)；

所述补偿变压器(2)的次边二个绕组的另一端分别与第一单相逆变器(5)、第二单相逆变器(6)的一个输出端相连，第一单相逆变器(5)、第二单相逆变器(6)的另一个输出端分别与所述滤波器(4)的两个输入端相连；

所述信号检测电路(9)的负载电流、电网电压、直流环节电压、逆变器输出电流检测信号输出端分别与所述控制电路(8)的对应输入端口相连，该控制电路(8)的脉冲触发信号输出端与所述第一单相逆变器(5)、第二单相逆变器(6)的开关器件的控制端相连，控制电路(8)的断路器、充电接触器和工作接触器控制信号输出端分别与对应的断路器、充电接触器和工作接触器的控制端相连。

2、如权利要求1的一种混合型静止同步无功补偿装置，其特征在于所述软起动电路(3)由充电接触器、工作接触器、充电电阻构成；直流环节(7)由支撑电容、检测直流环节的电压传感器、放电电阻和接触器的辅助接点组成。

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