CN101917009A - 无涌流高速跟踪无功功率补偿器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器及其控制方法。它主要由电流互感器组Ⅰ、检测与控制单元、相位检测单元、N个补偿单元构成；其中，电流互感器组Ⅰ有三个电流互感器，它们的一次侧分别串联于三相被补偿电力线路中，各电流互感器的二次侧分别接检测与控制单元的三个电流检测输入端；检测与控制单元的三个电压检测输入端分别接三相被补偿电力线路；检测与控制单元的各控制信号输出端分别与相应的各补偿单元的控制信号输入端一一连接；相位检测单元的三个输入端分别接三相被补偿电力线路，它们的相位信号输出端则与各补偿单元的相应相位信号输入端连接；各补偿单元的主输入端彼此并联后分别接三相被补偿电力线路。

Description

无涌流高速跟踪无功功率补偿器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于对电力系统中的无功功率进行高速跟踪补偿的无涌流高速跟踪无功功率补偿器及其控制方法。

背景技术

各种电气设备运行时都需要一定的无功功率来建立设备正常运行所需的电磁场等工作环境。无功功率使线路总电流增加，增大了输配电线路的有功损耗，并导致受端电压下降、电力设备利用率降低等问题。对电力用户所需无功功率就近跟踪补偿，可有效降低线路损耗、改善电压质量、充分发挥供电设备的潜力，并可为用户节约电费支出，具有非常显著的经济效益和社会效益。基于电力电容器的无功补偿设备具有结构简单、损耗小、成本低等突出优点，在电力系统中得到广泛应用。

随着电力电子装置的应用日益广泛，当今许多工业设备具有谐波含量高、无功需求快速波动的特点，致使配电系统中谐波含量增加、无功功率波动加剧。传统的电容器无功补偿设备因响应速度低、暂态冲击大且无谐波抑制能力等缺陷，不能快速跟随负荷无功变化进行动态补偿，还会导致高次谐波放大、共振，补偿设备过载烧坏等问题。采用公知的零压差TSC（晶闸管投切电容器）技术，在交流电源电压瞬时值与电容器残压相等（压差为零）时投入电容器，可以实现对无功补偿电容器的无涌流高速投切，若配以高性能的控制器，可构成高速动态无功功率补偿器。但这种TSC无功功率补偿器不能适用高谐波环境的无功功率补偿。当电力系统中谐波含量较高时，为避免补偿电容器引起的谐波放大、共振等问题，需要在补偿电容器支路中串联适当比例的电感器，此时，公知的零压差TSC技术便会发生以下问题：

1．电容器串联电感器后，采用公知的零压差TSC技术只能减小电容器投入时的涌流，而不能避免投入涌流；实际测量证明，采用公知的零压差TSC技术投入串联电感器的电容器，其投入涌流仍可能达到正常工作电流的二倍以上，会对电力系统造成不良冲击，并影响电容器的使用寿命。特别是对于需要高速跟踪补偿的设备，电容器需要频繁投切，这种不良影响更加显著；

2．电容器串联电感器后，晶闸管在电流过零自然关断切除电容器后，电容器的起始残压高于电力线路中的峰值电压，在电容器通过放电电阻放电至残压等于或低于电力线路中的峰值电压之前，零压差条件不能得到满足。因此，采用公知的零压差TSC技术投切串联电感器的电容器，在电容器被切除后，需要等待较长时间的放电后才能被再次投入，这将显著影响无功功率补偿装置的跟踪补偿速度，影响补偿效果。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种能够解决上述问题的无涌流高速跟踪无功功率补偿器及其控制方法，它能在需要投入三相电容器电感器组合单元时，以最小的延迟实现电容器电感器组合单元的无涌流投入，在需要切除电容器电感器组合单元时，以电流过零自然关断方式快速切除电容器电感器组合单元，并且电容器电感器组合单元被切除后，不需要等待放电即可再次无涌流投入。采用本发明提供的装置和控制方法，可以制成比公知零压差TSC技术抑制涌流效果更好、跟踪速度更快的且适应高谐波环境的无功功率补偿器。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器，它主要由电流互感器组Ⅰ、检测与控制单元、相位检测单元、N个补偿单元构成；其中，电流互感器组Ⅰ有三个电流互感器，它们的一次侧分别串联于三相被补偿电力线路中，各电流互感器的二次侧分别接检测与控制单元的三个电流检测输入端；检测与控制单元的三个电压检测输入端分别接三相被补偿电力线路；检测与控制单元的各控制信号输出端分别与相应的各补偿单元的控制信号输入端一一连接；相位检测单元的三个输入端分别接三相被补偿电力线路，它的相位信号输出端则与各补偿单元的相应相位信号输入端连接；各补偿单元的主输入端彼此并联后分别接三相被补偿电力线路。

所述相位检测单元由电压互感器Ⅰ、电压互感器Ⅱ、电压互感器Ⅲ、加法单元、比较器Ⅰ、比较器Ⅱ构成，它有U、V、W三个输入端和α、β两个输出端；其中，电压互感器Ⅰ的一次侧“＋”输入端接U输入端，“－”输入端接V输入端；电压互感器Ⅱ的一次侧“＋”输入端接V输入端，“－”输入端接W输入端；电压互感器Ⅲ的一次侧“＋”输入端接W输入端，“－”输入端接U输入端；电压互感器Ⅰ的二次侧“＋”输出端接比较器Ⅰ的“＋”输入端，“－”输出端接电位参考点；电压互感器Ⅱ的二次侧“＋”输出端接电位参考点，“－”输出端接加法单元的一个输入端；电压互感器Ⅲ的二次侧“＋”输出端接加法单元的另一个输入端，“－”输出端接电位参考点；比较器Ⅰ的“－”输入端接电位参考点，其输出端接α输出端；加法单元的输出端接比较器Ⅱ的“＋”输入端；比较器Ⅱ的“－”输入端接电位参考点，其输出端接β输出端。

所述N个补偿单元具有相同的内部结构，它由逻辑运算单元、触发电路、投切开关单元、电感电容单元构成，补偿单元设有控制信号输入端C、相位信号输入端α和β，以及主输入端U、V和W；其中，逻辑运算单元的输入端分别接补偿单元的控制信号输入端C和相位信号输入端α、β；逻辑运算单元的输出端接相应的触发电路的控制信号输入端；触发电路的触发信号输出端分别接投切开关单元的触发信号输入端；投切开关单元的主输入端分别接所述补偿单元的主输入端U、V和W；投切开关单元的输出端分别接电感电容单元的三个输入端。

所述逻辑运算单元由逻辑运算器Ⅰ、逻辑运算器Ⅱ、逻辑运算器Ⅲ、逻辑运算器Ⅳ、D触发器Ⅰ、D触发器Ⅱ构成，逻辑运算单元有输入端C和输入端α、β；其中，逻辑运算器Ⅰ的两个输入端分别接所述逻辑运算单元的输入端C和D触发器Ⅱ的输出端Q2，其输出端A1接D触发器Ⅰ的输入端D1；逻辑运算器Ⅱ的三个输入端分别接输入端α、β和D触发器Ⅰ的输出端Q1，其输出端A2接D触发器Ⅰ的时钟输入端CP1；逻辑运算器Ⅲ的两个输入端分别接输入端C和D触发器Ⅰ的输出端Q1，其输出端A3接D触发器Ⅱ的输入端D2；逻辑运算器Ⅳ的三个输入端分别接输入端α、β和D触发器Ⅱ的输出端Q2，其输出端A4接D触发器Ⅱ的时钟输入端CP2；D触发器Ⅰ的输出端Q1接所述逻辑运算单元的输出端J；D触发器Ⅱ的输出端Q2接所述逻辑运算单元的输出端K；所述逻辑运算器Ⅰ的运算关系为：                                               

；所述逻辑运算器Ⅱ的运算关系为：；所述逻辑运算器Ⅲ的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅳ（20）的运算关系为： 

。

所述投切开关单元由晶闸管Ⅰ、二极管Ⅰ、晶闸管Ⅱ、晶闸管Ⅲ、二极管Ⅱ、电阻器Ⅰ、电阻器Ⅱ构成，投切开关单元设有触发信号输入端X、Y、Z、主输入端U、V、W和主输出端R、S、T；其中，晶闸管Ⅰ的阴极接主输入端U，阳极接主输出端R，触发极接触发信号输入端X；二极管Ⅰ的阳极接主输入端U，其阴极接主输出端R；晶闸管Ⅱ的阴极接主输入端W，阳极接主输出端T，触发极接触发信号输入端Y；晶闸管Ⅲ的阳极接主输入端W，阴极接主输出端T，触发极接触发信号输入端Z；二极管Ⅱ的阴极接主输入端W，阳极接电阻器Ⅰ的一端；电阻器Ⅰ的另一端接主输出端T；电阻器Ⅱ的一端接主输出端S，另一端接主输出端T；所述主输入端V与主输出端S连接在一起。

所述电容电感单元由三相电感器Ⅰ和三相电容器构成；其中，三相电感器Ⅰ的三个输入端分别接所述电容电感单元的三个输入端，三相电感器Ⅰ的三个输出端分别接三相电容器的三个引出端。

所述电容电感单元由单相电容器组和三相电感器Ⅱ构成；其中，单相电容器组中的三个单相电容器的各一个引出端分别接所述电容电感单元的三个输入端，三个单相电容器的各另一个引出端分别接三相电感器Ⅱ的三个输入端；三相电感器Ⅱ的三个输出端相互连接在一起。

一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器的控制方法，它的过程为：当装置接入被补偿电力线路后，其中的电容器预充电，使其具备并保持适合无涌流投入的静态直流电压；各补偿单元中的逻辑运算单元通过相位信号“α”和“β”实时监视被补偿电力线路中的三相电压相位；检测与控制单元实时检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经高速运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑迅速确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到高电平信号时，立即选择其后第一个无涌流相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元投入被补偿电力线路，满足补偿需求；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到低电平信号时，立即选择其后第一个预定相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元从被补偿电力线路切除，从而保证电容器在被切除时的瞬时电压符合下一次无涌流投入的需求。

它的具体步骤为：

⑴ 由相位检测单元对被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压相位进行检测，取得与“L1”、“L2”之间线电压同频同相的方波相位信号“α”，和与“L3”中的相电压同频同相的方波相位信号“β”；

⑵ 将“α”、“β”信号分别同时送入各补偿单元的相位信号输入端“α”和“β”；

⑶ 由检测与控制单元通过检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；

⑷ 各补偿单元中的逻辑运算单元根据输入端“α”、“β”和“C”的状态，按照以下逻辑控制其输出端“J”和“K”的输出电平：

当控制信号“C”为低电平时，保持输出端“J”和“K”均为低电平；

当控制信号“C”由低电平转为高电平后，逻辑运算单元等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为高电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为高电平，在“C”保持高电平期间，维持“J”和“K”为高电平不变；

当控制信号“C”由高电平转为低电平后，逻辑运算单元等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为低电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为低电平，在“C”保持低电平期间，维持“J”和“K”为低电平不变；

⑸ 触发电路根据其控制输入端“J”和“K”的输入电平，按照以下规律输出触发信号：

       当输入端“J”为低电平时，触发信号输出端“X”不输出触发信号；

       当输入端“J”为高电平时，触发信号输出端“X”持续输出触发信号；

       当输入端“K”为低电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”不输出触发信号；

       当输入端“K”为高电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”持续输出触发信号；

⑹ 投切开关单元根据其触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有无触发信号，控制其中的晶闸管Ⅰ、晶闸管Ⅱ和晶闸管Ⅲ，完成对电容电感单元的投入或切除：

       当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ、晶闸管Ⅱ和晶闸管Ⅲ开通，电容电感单元接入被补偿电力线路；

       当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”无触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ、晶闸管Ⅱ和晶闸管Ⅲ在电流过零后自然关断，电容电感单元从被补偿电力线路中切除。

其中步骤 ⑷ 的具体控制方法为：

1）逻辑运算单元对其输入端“α”、“β”和“C”的逻辑电平以及D触发器Ⅰ的输出端“Q1”和D触发器Ⅱ的输出端“Q2”的逻辑电平进行以下逻辑运算：

2）以A1作为D输入信号，以A2作为时钟信号，控制D触发器Ⅰ；以A3作为D输入信号，以A4作为时钟信号，控制D触发器Ⅱ；

3）将D触发器Ⅰ的输出逻辑电平“Q1”送至逻辑运算单元的输出端“J”，将D触发器Ⅱ的输出逻辑电平“Q2”送至逻辑运算单元的输出端“K”。本发明采用以上方案，当装置接入被补偿电力线路后，各补偿单元均通过其中的二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、电阻器Ⅰ、电阻器Ⅱ为其中的电容器预充电，使其具备并保持适合无涌流投入的静态直流电压；各补偿单元中的逻辑运算单元通过相位信号“α”和“β”实时监视被补偿电力线路中的三相电压相位；检测与控制单元实时检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经高速运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑迅速确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到高电平信号时，立即选择其后第一个无涌流相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元投入被补偿电力线路，满足补偿需求；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到低电平信号时，立即选择其后第一个预定相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元从被补偿电力线路切除，从而保证电容器在被切除时的瞬时电压符合下一次无涌流投入的需求。因此，本发明提供的装置和控制方法可以对被补偿电力线路中快速变化的无功功率需求实现无涌流高速跟踪补偿。

本发明的有益效果是：

（1）解决了公知的零压差TSC技术用于投切具有谐波抑制能力的电容器电感器组合单元时，投入涌流较大，和电容器电感器组合单元在被切除后再次投入前需要等待电容器放电的问题。提供了一种效果更好的TSC技术，可无涌流高速跟踪投切电容器电感器组合单元，适用于在电力谐波含量较高的电力线路中进行高速跟踪无功功率补偿。

（2）投切电容器电感器组合单元的晶闸管开关采用“Δ”外连接，投切三相电容器电感器组合补偿单元仅需要两组晶闸管开关，且可以采用成本较低、体积较小的三相电容器，有利于降低设备成本，同时主回路线路连接简单。

（3）装置结构简单，控制方法易于实施，可制成全数字化控制器，进一步提高性能、简化硬件结构、降低成本。

附图说明

图1为本发明第一实施例结构示意图。

图2为本发明中的相位检测单元第一实施例结构示意图。

图3为本发明中的补偿单元第一实施例结构示意图。

图4为本发明中的逻辑运算单元第一实施例结构示意图。

图5为本发明投切开关单元第一实施例结构示意图。

图6为本发明中的电容电感单元第一实施例结构示意图。

图7为本发明中的电容电感单元第二实施例结构示意图。

图8为本发明第二实施例结构示意图。其中：1电流互感器组Ⅰ、2检测与控制单元、3相位检测单元、4补偿单元Ⅰ、5补偿单元Ⅱ、6补偿单元N、7电压互感器Ⅰ、8电压互感器Ⅱ、9电压互感器Ⅲ、10加法单元、11比较器Ⅰ、12比较器Ⅱ、13逻辑运算单元、14触发电路、15投切开关单元、16电感电容单元、17逻辑运算器Ⅰ、18逻辑运算器Ⅱ、19逻辑运算器Ⅲ、20逻辑运算器Ⅳ、21D触发器Ⅰ、22D触发器Ⅱ、23晶闸管Ⅰ、24二极管Ⅰ、25晶闸管Ⅱ、26晶闸管Ⅲ、27二极管Ⅱ、28电阻器Ⅰ、29电阻器Ⅱ、30三相电感器Ⅰ、31三相电容器、32单相电容器组、33三相电感器Ⅱ、34电流互感器组Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器的实施例一。

如图1所示，一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器，它主要由电流互感器组Ⅰ1、检测与控制单元2、相位检测单元3、至少含有的一个补偿单元4、扩充的第二个补偿单元5至第N个补偿单元6构成；其中，电流互感器组Ⅰ1中的三个电流互感器的一次侧分别串联于三相被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中，各电流互感器的二次侧分别接检测与控制单元2的三个电流检测输入端；检测与控制单元2的三个电压检测输入端分别接三相被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”；检测与控制单元2的N个控制信号输出端分别与每个补偿单元的控制信号输入端“C”一对一连接；相位检测单元3的三个输入端“U”、“V”和“W”分别接三相被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”，其相位信号输出端“α”与每一个补偿单元的相位信号输入端“α”连接在一起，其另一个相位信号输出端“β”与每一个补偿单元的另一相位信号输入端“β”连接在一起；各补偿单元4－6的各主输入端“U”、“V”和“W”彼此并联后分别接三相被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”。

所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器，如图2所示，所述相位检测单元3由电压互感器Ⅰ7、电压互感器Ⅱ8、电压互感器Ⅲ9、加法单元10、比较器Ⅰ11、比较器Ⅱ12构成；其中，电压互感器Ⅰ7的一次侧“＋”输入端接所述相位检测单元3的“U”输入端，“－”输入端接所述相位检测单元3的“V”输入端；电压互感器Ⅱ8的一次侧“＋”输入端接所述相位检测单元3的“V”输入端，“－”输入端接所述相位检测单元3的“W”输入端；电压互感器Ⅲ9的一次侧“＋”输入端接所述相位检测单元3的“W”输入端，“－”输入端接所述相位检测单元3的“U”输入端；电压互感器Ⅰ7的二次侧“＋”输出端接比较器Ⅰ11的“＋”输入端，“－”输出端接电位参考点；电压互感器Ⅱ8的二次侧“＋”输出端接电位参考点，“－”输出端接加法单元10的一个输入端；电压互感器Ⅲ9的二次侧“＋”输出端接加法单元10的另一个输入端，“－”输出端接电位参考点；比较器Ⅰ11的“－”输入端接电位参考点，其输出端接所述相位检测单元3的“α”输出端；加法单元10的输出端接比较器Ⅱ12的“＋”输入端；比较器Ⅱ12的“－”输入端接电位参考点，其输出端接所述相位检测单元3的“β”输出端。在本实施例中，三个电压互感器的一次侧采用了三角型接法。如果三个电压互感器的一次侧采用星型接法，则只要对其后的信号处理过程作相应的变更，同样也可以正确检出所需相位信号。

所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器，所述N个补偿单元4－6具有相同的内部结构，如图3所示，它由逻辑运算单元13、触发电路14、投切开关单元15、电感电容单元16构成；其中，逻辑运算单元13的输入端“C”、“α”和“β”分别接所述补偿单元的控制信号输入端“C”和相位信号输入端“α”、“β”；逻辑运算单元13的输出端“J”和“K”分别接触发电路14的控制信号输入端“J”和“K”；触发电路14的触发信号输出端“X”、“Y”和“Z”分别接投切开关单元15的触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”；投切开关单元15的主输入端“U”、“V”和“W”分别接所述补偿单元的主输入端“U”、“V”和“W”；投切开关单元15的输出端“R”、“S”和“T”分别接电感电容单元16的三个输入端。

所述补偿单元4－6，如图4所示，所述逻辑运算单元13由逻辑运算器Ⅰ17、逻辑运算器Ⅱ18、逻辑运算器Ⅲ19、逻辑运算器Ⅳ20、D触发器Ⅰ21、D触发器Ⅱ22构成；其中，逻辑运算器Ⅰ17的两个输入端分别接所述逻辑运算单元13的输入端“C”和D触发器Ⅱ22的输出端“Q2”，其输出端“A1”接D触发器Ⅰ21的输入端“D1”；逻辑运算器Ⅱ18的三个输入端分别接所述逻辑运算单元13的输入端“α”、“β”和D触发器Ⅰ21的输出端“Q1”，其输出端“A2”接D触发器Ⅰ21的时钟输入端“CP1”；逻辑运算器Ⅲ19的两个输入端分别接所述逻辑运算单元13的输入端“C”和D触发器Ⅰ21的输出端“Q1”，其输出端“A3”接D触发器Ⅱ22的输入端“D2”；逻辑运算器Ⅳ20的三个输入端分别接所述逻辑运算单元13的输入端“α”、“β”和D触发器Ⅱ22的输出端“Q2”，其输出端“A4”接D触发器Ⅱ22的时钟输入端“CP2”；D触发器Ⅰ21的输出端“Q1”接所述逻辑运算单元13的输出端“J”；D触发器Ⅱ22的输出端“Q2”接所述逻辑运算单元13的输出端“K”。

所述逻辑运算单元13，所述逻辑运算器Ⅰ17的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅱ18的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅲ19的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅳ20的运算关系为： 

。

所述补偿单元4－6，如图5所示，所述投切开关单元15由晶闸管Ⅰ23、二极管Ⅰ24、晶闸管Ⅱ25、晶闸管Ⅲ26、二极管Ⅱ27、电阻器Ⅰ28、电阻器Ⅱ29构成；其中，晶闸管Ⅰ23的阴极接所述投切开关单元15的主输入端“U”，其阳极接所述投切开关单元15的主输出端“R”，其触发极接所述投切开关单元15的触发信号输入端“X”；二极管Ⅰ24的阳极接所述投切开关单元15的主输入端“U”，其阴极接所述投切开关单元15的主输出端“R”；晶闸管Ⅱ25的阴极接所述投切开关单元15的主输入端“W”，其阳极接所述投切开关单元15的主输出端“T”，其触发极接所述投切开关单元15的触发信号输入端“Y”；晶闸管Ⅲ26的阳极接所述投切开关单元15的主输入端“W”，其阴极接所述投切开关单元15的主输出端“T”，其触发极接所述投切开关单元15的触发信号输入端“Z”；二极管Ⅱ27的阴极接所述投切开关单元15的主输入端“W”，其阳极接电阻器Ⅰ28的一端；电阻器Ⅰ28的另一端接所述投切开关单元15的主输出端“T”；电阻器Ⅱ29的一端接所述投切开关单元15的主输出端“S”，另一端接所述投切开关单元15的主输出端“T”；所述投切开关单元15的主输入端“V”与其主输出端“S”连接在一起。

所述补偿单元4－6，如图6所示，所述电容电感单元16由三相电感器Ⅰ30和三相电容器31构成；其中，三相电感器Ⅰ30的三个输入端分别接所述电容电感单元16的三个输入端，三相电感器Ⅰ30的三个输出端分别接三相电容器31的三个引出端。

所述补偿单元4－6，其特征是，如图7所示，所述电容电感单元16由单相电容器组32和三相电感器Ⅱ33构成；其中，单相电容器组32中的三个单相电容器的各一个引出端分别接所述电容电感单元16的三个输入端，三个单相电容器的各另一个引出端分别接三相电感器Ⅱ33的三个输入端；三相电感器Ⅱ33的三个输出端相互连接在一起。

一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器控制方法，它的步骤为：

⑴ 由相位检测单元3对被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压相位进行检测，取得与“L1”、“L2”之间线电压同频同相的方波相位信号“α”，和与“L3”中的相电压同频同相的方波相位信号“β”；

⑵ 将“α”、“β”信号分别同时送入各补偿单元的相位信号输入端“α”和“β”；

⑶ 由检测与控制单元2通过检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；

⑷ 各补偿单元中的逻辑运算单元13根据输入端“α”、“β”和“C”的状态，按照以下逻辑控制其输出端“J”和“K”的输出电平：

当控制信号“C”为低电平时，保持输出端“J”和“K”均为低电平；

当控制信号“C”由低电平转为高电平后，逻辑运算单元13等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为高电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为高电平，在“C”保持高电平期间，维持“J”和“K”为高电平不变；

当控制信号“C”由高电平转为低电平后，逻辑运算单元13等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为低电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为低电平，在“C”保持低电平期间，维持“J”和“K”为低电平不变；

⑸ 触发电路14根据其控制输入端“J”和“K”的输入电平，按照以下规律输出触发信号：

当输入端“J”为低电平时，触发信号输出端“X”不输出触发信号；

当输入端“J”为高电平时，触发信号输出端“X”持续输出触发信号；

当输入端“K”为低电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”不输出触发信号；

当输入端“K”为高电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”持续输出触发信号；

⑹ 投切开关单元15根据其触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有无触发信号，控制其中的晶闸管Ⅰ23、晶闸管Ⅱ25和晶闸管Ⅲ26，完成对电容电感单元16的投入或切除：

       当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ23、晶闸管Ⅱ25和晶闸管Ⅲ26开通，电容电感单元16接入被补偿电力线路；

       当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”无触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ23、晶闸管Ⅱ25和晶闸管Ⅲ26在电流过零后自然关断，电容电感单元16从被补偿电力线路中切除。

所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器控制方法，其中步骤 ⑷ 的一种具体控制方法为：

⑴ 逻辑运算单元13对其输入端“α”、“β”和“C”的逻辑电平以及D触发器Ⅰ21的输出端“Q1”和D触发器Ⅱ22的输出端“Q2”的逻辑电平进行以下逻辑运算：

⑵ 以A1作为D输入信号，以A2作为时钟信号，控制D触发器Ⅰ21；以A3作为D输入信号，以A4作为时钟信号，控制D触发器Ⅱ22；

⑶ 将D触发器Ⅰ21的输出逻辑电平“Q1”送至逻辑运算单元13的输出端“J”，将D触发器Ⅱ22的输出逻辑电平“Q2”送至逻辑运算单元13的输出端“K”。

当装置接入被补偿电力线路后，各补偿单元内的二极管Ⅰ、二极管Ⅱ、电阻器Ⅰ、电阻器Ⅱ与电容电感单元够成预充电回路，为其中的三相电容器或单相电容器组预充电。通过适当选择电阻器Ⅰ和电阻器Ⅱ的阻值，可保证预充电后，电容器的静态直流电压适合无涌流投入；

相位检测单元通过其中的三个电压互感器监测到三相被补偿电力线路中的三个线电压正弦波信号，并通过加法单元计算得到与被补偿电力线路L3中的相电压同相的正弦波信号，比较器Ⅰ将L1与L2之间线的电压正弦波信号与零电压参考点进行比较，正弦波正半周时比较器Ⅰ输出高电平，正弦波负半周时比较器Ⅰ输出低电平，从而得到与L1与L2之间线的电压正弦波同频通相的方波相位信号α；同理，比较器Ⅱ将与L3中的相电压同相的正弦波信号与零电压参考点进行比较，得到与L3中的相电压正弦波信号同频通相的方波相位信号β。

各补偿单元中的逻辑运算单元以α和β信号为时间基准，通过预定运算逻辑，可保证在接到投入或切除的控制信号后，在预定相位对应的时刻控制触发电路和投切开关单元投入或切除该补偿单元中电容电感单元，并取得无涌流投切效果。

检测与控制单元实时检测三相被补偿电力线路中的电压和电流，经高速运算得出被补偿电力线路中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑迅速确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端。

各补偿单元在控制信号输入端接收到高电平控制信号时，立即以相位信号α和β为基准，选择其后第一个无涌流相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元投入被补偿电力线路，满足补偿需求；各补偿单元在控制信号输入端接收到低电平控制信号时，立即以相位信号α和β为基准，选择其后第一个预定相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元从被补偿电力线路切除，从而保证电容器在被切除时的残压符合下一次无涌流投入的需求。

各补偿单元中的电容电感单元，可选择等容量或不等容量，由检测与控制单元按需要进行编码组合，并通过控制信号控制各补偿单元的投切，取得所需的补偿容量。捡测与控制单元根据被补偿电力线路中的无功功率补偿需求，控制各补偿单元跟踪投切，即可达到无涌流高速跟踪补偿的目的。

所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器中的检测与控制单元、电压互感器Ⅰ－Ⅲ、加法单元、比较器Ⅰ、比较器Ⅱ、D触发器、触发电路、逻辑运算器Ⅰ－Ⅳ、均可采用公知技术实现。例如：电压互感器可采用采样变压器或电流型电压互感器；检测与控制单元可采用TMS320F2812等数字信号处理器构成数字化控制器，以快速傅里叶变换等公知技术方法完成对无功功率分析运算，并按照预先编制好的控制程序完成控制；加法单元可以用TL072等运算放大器构成加法电路实现；比较器可采用LM339等电压比较器实现；D触发器可采用CD4013等集成逻辑芯片实现；触发电路可采用TLP250等光耦合驱动器构成；逻辑运算器可采用CD4000系列集成逻辑芯片实现。

本发明所述控制方法，可以用硬件电路实现，也可以采用TMS320F2812等数字控制芯片，按所述方法进行编程，用数字运算方法完成相同功能。

图8是所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器的实施例二。与实施例一相比，实施例二在补偿支路中增加了电流互感器组Ⅱ。如图8所示，电流互感器组Ⅱ中有三个电流互感器，三个电流互感器的一次侧分别串联于所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器与被补偿电力线路L1、L2和L3的连接线路中，三个电流互感器的二次侧接检测与控制单元的另一组电流检测输入端。检测与控制单元可以通过电流互感器组Ⅱ检测补偿电流是否符合要求，以及各补偿单元是否工作正常。其他均与实施例一相同。

Claims (10)

1.一种无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，它主要由电流互感器组Ⅰ（1）、检测与控制单元（2）、相位检测单元（3）、N个补偿单元（4）构成；其中，电流互感器组Ⅰ（1）有三个电流互感器，它们的一次侧分别串联于三相被补偿电力线路中，各电流互感器的二次侧分别接检测与控制单元（2）的三个电流检测输入端；检测与控制单元（2）的三个电压检测输入端分别接三相被补偿电力线路；检测与控制单元（2）的各控制信号输出端分别与相应的各补偿单元（4）的控制信号输入端一一连接；相位检测单元（3）的三个输入端分别接三相被补偿电力线路，它的相位信号输出端则与各补偿单元（4）的相应相位信号输入端连接；各补偿单元（4）的主输入端彼此并联后分别接三相被补偿电力线路。

2.如权利要求1所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述相位检测单元（3）由电压互感器Ⅰ（7）、电压互感器Ⅱ（8）、电压互感器Ⅲ（9）、加法单元（10）、比较器Ⅰ（11）、比较器Ⅱ（12）构成，它有U、V、W三个输入端和α、β两个输出端；其中，电压互感器Ⅰ（7）的一次侧“＋”输入端接U输入端，“－”输入端接V输入端；电压互感器Ⅱ（8）的一次侧“＋”输入端接V输入端，“－”输入端接W输入端；电压互感器Ⅲ（9）的一次侧“＋”输入端接W输入端，“－”输入端接U输入端；电压互感器Ⅰ（7）的二次侧“＋”输出端接比较器Ⅰ（11）的“＋”输入端，“－”输出端接电位参考点；电压互感器Ⅱ（8）的二次侧“＋”输出端接电位参考点，“－”输出端接加法单元（10）的一个输入端；电压互感器Ⅲ（9）的二次侧“＋”输出端接加法单元（10）的另一个输入端，“－”输出端接电位参考点；比较器Ⅰ（11）的“－”输入端接电位参考点，其输出端接α输出端；加法单元（10）的输出端接比较器Ⅱ（12）的“＋”输入端；比较器Ⅱ（12）的“－”输入端接电位参考点，其输出端接β输出端。

3.如权利要求1所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述N个补偿单元（4）具有相同的内部结构，它由逻辑运算单元（13）、触发电路（14）、投切开关单元（15）、电感电容单元（16）构成，补偿单元（4）设有控制信号输入端C、相位信号输入端α和β，以及主输入端U、V和W；其中，逻辑运算单元（13）的输入端分别接补偿单元（4）的控制信号输入端C和相位信号输入端α、β；逻辑运算单元（13）的输出端接相应的触发电路（14）的控制信号输入端；触发电路（14）的触发信号输出端分别接投切开关单元（15）的触发信号输入端；投切开关单元（15）的主输入端分别接所述补偿单元（4）的主输入端U、V和W；投切开关单元（15）的输出端分别接电感电容单元（16）的三个输入端。

4.如权利要求3所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述逻辑运算单元（13）由逻辑运算器Ⅰ（17）、逻辑运算器Ⅱ（18）、逻辑运算器Ⅲ（19）、逻辑运算器Ⅳ（20）、D触发器Ⅰ（21）、D触发器Ⅱ（22）构成，逻辑运算单元（13）有输入端C和输入端α、β；其中，逻辑运算器Ⅰ（17）的两个输入端分别接所述逻辑运算单元（13）的输入端C和D触发器Ⅱ（22）的输出端Q2，其输出端A1接D触发器Ⅰ（21）的输入端D1；逻辑运算器Ⅱ（18）的三个输入端分别接输入端α、β和D触发器Ⅰ（21）的输出端Q1，其输出端A2接D触发器Ⅰ（21）的时钟输入端CP1；逻辑运算器Ⅲ（19）的两个输入端分别接输入端C和D触发器Ⅰ（21）的输出端Q1，其输出端A3接D触发器Ⅱ（22）的输入端D2；逻辑运算器Ⅳ（20）的三个输入端分别接输入端α、β和D触发器Ⅱ（22）的输出端Q2，其输出端A4接D触发器Ⅱ（22）的时钟输入端CP2；D触发器Ⅰ（21）的输出端Q1接所述逻辑运算单元（13）的输出端J；D触发器Ⅱ（22）的输出端Q2接所述逻辑运算单元（13）的输出端K；所述逻辑运算器Ⅰ（17）的运算关系为：                                               

；所述逻辑运算器Ⅱ（18）的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅲ（19）的运算关系为：

；所述逻辑运算器Ⅳ（20）的运算关系为： 

。

5.如权利要求3无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述投切开关单元（15）由晶闸管Ⅰ（23）、二极管Ⅰ（24）、晶闸管Ⅱ（25）、晶闸管Ⅲ（26）、二极管Ⅱ（27）、电阻器Ⅰ（28）、电阻器Ⅱ（29）构成，投切开关单元（15）设有触发信号输入端X、Y、Z、主输入端U、V、W和主输出端R、S、T；其中，晶闸管Ⅰ（23）的阴极接主输入端U，阳极接主输出端R，触发极接触发信号输入端X；二极管Ⅰ（24）的阳极接主输入端U，其阴极接主输出端R；晶闸管Ⅱ（25）的阴极接主输入端W，阳极接主输出端T，触发极接触发信号输入端Y；晶闸管Ⅲ（26）的阳极接主输入端W，阴极接主输出端T，触发极接触发信号输入端Z；二极管Ⅱ（27）的阴极接主输入端W，阳极接电阻器Ⅰ（28）的一端；电阻器Ⅰ（28）的另一端接主输出端T；电阻器Ⅱ（29）的一端接主输出端S，另一端接主输出端T；所述主输入端V与主输出端S连接在一起。

6.如权利要求3无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述电容电感单元（16）由三相电感器Ⅰ（30）和三相电容器（31）构成；其中，三相电感器Ⅰ（30）的三个输入端分别接所述电容电感单元（16）的三个输入端，三相电感器Ⅰ（30）的三个输出端分别接三相电容器（31）的三个引出端。

7.如权利要求3无涌流高速跟踪无功功率补偿器，其特征是，所述电容电感单元（16）由单相电容器组（32）和三相电感器Ⅱ（33）构成；其中，单相电容器组（32）中的三个单相电容器的各一个引出端分别接所述电容电感单元（16）的三个输入端，三个单相电容器的各另一个引出端分别接三相电感器Ⅱ（33）的三个输入端；三相电感器Ⅱ（33）的三个输出端相互连接在一起。

8.一种权利要求1所述的无涌流高速跟踪无功功率补偿器的控制方法，其特征是，它的过程为：当装置接入被补偿电力线路后，其中的电容器预充电，使其具备并保持适合无涌流投入的静态直流电压；各补偿单元中的逻辑运算单元通过相位信号“α”和“β”实时监视被补偿电力线路中的三相电压相位；检测与控制单元实时检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经高速运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑迅速确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到高电平信号时，立即选择其后第一个无涌流相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元投入被补偿电力线路，满足补偿需求；各补偿单元在控制信号输入端“C”接收到低电平信号时，立即选择其后第一个预定相位时刻将该补偿单元内的电容电感单元从被补偿电力线路切除，从而保证电容器在被切除时的瞬时电压符合下一次无涌流投入的需求。

9.如权利要求8所述的无涌流高速跟踪无功功率补偿器的控制方法，其特征是，它的具体步骤为：

⑴ 由相位检测单元（3）对被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压相位进行检测，取得与“L1”、“L2”之间线电压同频同相的方波相位信号“α”，和与“L3”中的相电压同频同相的方波相位信号“β”；

⑵ 将“α”、“β”信号分别同时送入各补偿单元的相位信号输入端“α”和“β”；

⑶ 由检测与控制单元（2）通过检测被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的电压和电流，经运算得出被补偿电力线路“L1”、“L2”和“L3”中的无功功率补偿需求，并按照预设逻辑确定需要投入的补偿单元，将对应需投入补偿单元的控制信号“C”置为高电平送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”，将对应其他暂不投入补偿单元的控制信号“C”置为低电平并送入相应补偿单元的控制信号输入端“C”；

⑷ 各补偿单元中的逻辑运算单元（13）根据输入端“α”、“β”和“C”的状态，按照以下逻辑控制其输出端“J”和“K”的输出电平：

当控制信号“C”为低电平时，保持输出端“J”和“K”均为低电平；

当控制信号“C”由低电平转为高电平后，逻辑运算单元（13）等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为高电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为高电平，在“C”保持高电平期间，维持“J”和“K”为高电平不变；

当控制信号“C”由高电平转为低电平后，逻辑运算单元（13）等待至“β”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“K”置为低电平，然后等待至“α”信号由高电平转为低电平的下降沿时刻将其输出信号“J”置为低电平，在“C”保持低电平期间，维持“J”和“K”为低电平不变；

⑸ 触发电路（14）根据其控制输入端“J”和“K”的输入电平，按照以下规律输出触发信号：

    当输入端“J”为低电平时，触发信号输出端“X”不输出触发信号；

    当输入端“J”为高电平时，触发信号输出端“X”持续输出触发信号；

    当输入端“K”为低电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”不输出触发信号；

    当输入端“K”为高电平时，触发信号输出端“Y”和“Z”持续输出触发信号；

⑹ 投切开关单元（15）根据其触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有无触发信号，控制其中的晶闸管Ⅰ（23）、晶闸管Ⅱ（25）和晶闸管Ⅲ（26），完成对电容电感单元（16）的投入或切除：

    当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”有触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ（23）、晶闸管Ⅱ（25）和晶闸管Ⅲ（26）开通，电容电感单元（16）接入被补偿电力线路；

    当触发信号输入端“X”、“Y”和“Z”无触发信号输入时，对应的晶闸管Ⅰ（23）、晶闸管Ⅱ（25）和晶闸管Ⅲ（26）在电流过零后自然关断，电容电感单元（16）从被补偿电力线路中切除。

10.如权利要求9所述无涌流高速跟踪无功功率补偿器控制方法，其特征是，其中步骤 ⑷ 的具体控制方法为：

1）逻辑运算单元（13）对其输入端“α”、“β”和“C”的逻辑电平以及D触发器Ⅰ（21）的输出端“Q1”和D触发器Ⅱ（22）的输出端“Q2”的逻辑电平进行以下逻辑运算：

2）以A1作为D输入信号，以A2作为时钟信号，控制D触发器Ⅰ（21）；以A3作为D输入信号，以A4作为时钟信号，控制D触发器Ⅱ（22）；

3）将D触发器Ⅰ（21）的输出逻辑电平“Q1”送至逻辑运算单元（13）的输出端“J”，将D触发器Ⅱ（22）的输出逻辑电平“Q2”送至逻辑运算单元（13）的输出端“K”。

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