CN102709917B - 一种基于igbt控制高压的动态无功补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，包括与输电电网并联的无功补偿支路，还包括一电抗变压器，电抗变压器的一次绕组侧并联在所述无功补偿支路的两端，二次绕组侧经一IGBT逆变器与直流电源连接，IGBT逆变器的控制端连接有一用于触发IGBT逆变器的控制脉冲的控制电路。在电抗变压器二次绕组侧注入交流电流，主控制器根据目标功率因数与采集电压电流数据计算得到的当前功率因数的比较，通过闭环控制调整用于触发IGBT逆变器的控制脉冲PWM波形，改变了电抗变压器二次绕组侧注入的电流幅值，实现了电控变压器主磁通的连续可调，从而实现了电抗变压器一次绕组侧阻抗连续可调，实现输电电网的容性和感性的无级连续可调。
Description
技术领域
本发明涉及一种动态无功补偿装置，尤其是一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置。
背景技术
无功补偿，是指在供电系统中提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的的损耗，提高供电效率，改善供电环境。目前我国常用的无功调节设备为机械式并联电抗器、投切电容器，属于静止型补偿，存在调节不连续、响应速度慢的问题。而动态无功补偿装置通常由晶闸管控制电抗器、晶闸管投切的电容器及滤波器组构成，晶闸管控制电抗器通过改变与电抗器串联的晶闸管的导通角，能快速连续改变装置的感性电流，从而获得平滑调节的无功功率。但回路呈恒阻抗特性，在电压低时，无法提供所需的无功支持，因此应付突发事件的能力较弱，并且为了抑制谐波，必须装设滤波器，占地面积较大。通常将电抗器的容量设计成与电容器一样。由于电抗器是用晶闸管控制的，其感性无功电流可以变化。当晶闸管关断时，电抗器没有电流，而电容器固定连接，因此整套装置的补偿量最大。当调节晶闸管的导通角时，电抗器的感性电流就会抵消一部分电容器电流，因此补偿量减少，导通角越大，电抗器的电流越大，补偿量就越小。
当晶闸管全通时，电抗器电流就会将电容器电流全部抵消，此时补偿量为0。当晶闸管的导通角小于90°时，电抗器的电流非正弦含有谐波成分，因此必须将固定电容器组设计成滤波器形式或者配备另外的滤波器，结构复杂，损耗大。在高压系统中，为降低晶闸管电压限制，多采用电抗器增加二次绕组，并通过晶闸管调整短路阻抗值来实现电抗器的感抗调整，但因变压器工作在磁饱和区，短路损耗大，加大了电抗器的生产技术要求及成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于TGBT控制的动态无功补偿装置，利用TGBT逆变器输出的工频电流可动态进行无功补偿，实现电网上容性和感性的无级连续可调。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，包括与输电电网并联的无功补偿支路，所述无功补偿支路包括依次串联的滤波电抗器和电容器组，还包括一电抗变压器，所述电抗变压器的一次绕组侧并联在所述无功补偿支路的两端，二次绕组侧经一IGBT逆变器与直流电源连接，所述IGBT逆变器的控制端连接有一对目标功率因数和检测的输电电网当前的功率因数进行闭环控制并产生用于触发IGBT逆变器的控制脉冲的控制电路。
进一步作为优选的实施方式，所述控制电路包括主控制器，所述主控制器经A/D转换接口连接有信号调理电路，所述信号调理电路连接有用于采集输电电网中电流及电压信号的的传感器电路。
优选地，所述主控制器采用TMS320F2812 DSP芯片。
优选地，所述滤波电抗器包括原边绕组和副边绕组，所述副边绕组通过三相接触器短接。
进一步作为优选的实施方式，所述电抗变压器为三相铁芯带气隙的变压器。
进一步作为优选的实施方式，所述IGBT逆变器与直流电源之间还并联有用于储能的直流储能电容。
进一步作为优选的实施方式，所述主控制器通过通讯接口连接有上位机。
进一步作为优选的实施方式，所述直流电源为可控直流电压源。
进一步作为优选的实施方式，所述无功补偿支路通过真空接触器与输电电网并联。
本发明的有益效果是：本发明基于IGBT控制高压动态无功补偿装置，在电抗变压器二次绕组侧注入交流电流，主控制器根据目标功率因数与采集电压电流数据计算得到的当前功率因数的比较，通过闭环控制调整用于触发IGBT逆变器的控制脉冲PWM波形，改变了电抗变压器二次绕组侧注入的电流幅值，实现了电控变压器主磁通的连续可调，从而实现了电抗变压器一次绕组侧阻抗连续可调，进而保证输电电网的容性和感性的无级连续可调，实现了高压系统下动态无功补偿的目的。进一步，本装置中电抗变压器的铁芯带有气隙，工作在线性区，功耗低，IGBT具有很高的开关频率，整个无功补偿几乎不产生谐波，不需要额外的滤波装置，节省了成本。
附图说明
图1是本发明动态无功补偿控制装置应用于三相输电电网的结构示意图；
图2是本发明动态无功补偿控制装置的结构方框图；
图3是本发明电抗变压器无功补偿的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明动态无功补偿装置，通过IGBT逆变器输出工频电流注入电抗变压器二次绕组侧，通过对功率因数的闭环控制改变注入电流的幅值，实现电控变压器的主磁通连续可调，达到调节电抗变压器一次绕组侧电抗，实现无功补偿的目的。
参照图1,本发明基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，包括与输电电网并联的无功补偿支路，所述无功补偿支路包括依次串联的滤波电抗器和电容器组，无功补偿支路通过真空接触器并联到三相输电电网上。本补偿装置还包括一电抗变压器，所述电抗变压器的一次绕组侧并联在所述无功补偿支路的两端，二次绕组侧经一IGBT逆变器与直流电源连接，所述IGBT逆变器的控制端连接有一通过目标功率因数和检测的输电电网当前的功率因数进行闭环控制产生用于触发IGBT逆变器的控制脉冲的控制电路。
参照图2,在本实施例中，所述控制电路包括主控制器，所述主控制器经A/D转换接口连接有信号调理电路，所述信号调理电路连接有用于采集输电电网中电流及电压信号的的传感器电路。下面对控制电路的设计进行简述：
1、电源模块：控制器芯片由模拟部分和数字部分组成，模拟部分和接口供电电压为+3.3V，数字部分供电电压为+1.8V，对稳定性要求很高。采用电源芯片TPS7301和TPS7333，将+5V转换为+1.8V和+3.3V，其它辅助电源选用成品电源模块。
2．采样电路设计
本实施例中12路信号调理电路主要针对三相电压、电流及直流电压采样。信号调理电路的输入侧接收来自传感器电路检测的模拟电压、电流信号，所述传感器电路可为霍尔电流互感器或者霍尔电压互感器，信号调理电路首先对输入的模拟量进行滤波、限幅送到AD转换接口。
3．主控制器
主控制器采用TMS320F2812 DSP芯片，TMS320F2812是TI公司推出的面向交流电机和电力电子设备控制的DSP控制器，其内核150MIPS的高速处理能力和集成的两个事件管理器（EVA和EVB）及其他外部设备，保证其强大的运算能力和简单的外围设计。每个事件管理器有三个比较单元和可编程的死区控制单元，配合事件管理器的定时器可以实现带死区保护的PWM输出。DSP主控制器以功率因数为目标进行闭环控制，完成当前功率因数的检测，并生成驱动IGBT逆变器的控制脉冲PWM波形。其外围电路包括电源、传感器、信号调理电路、AD转换电路和CPLD脉冲封锁电路等，完成电流、电压、指令信号的输入和控制脉冲的输出保护。
CPLD芯片，主要用于监视DSP发出的PWM脉冲信号，当检测到有可能导致逆变器直通故障时，立即封锁脉冲，并向DSP发出故障请求。此外，还完成对IGBT保护、直流过压、及电源监测的保护。
A/D芯片是ADl公司推出的通用6通道16位精度串行模拟输入前端处理器AD73360，是应用于工业电表或多路输入系统的三相电量测试IC器件。AD73360特别适合于要求同时采样的工业控制应用，它不仅适合于大信号应用，也适合于小信号应用。具有六个可同时采样的模拟量输入信道，这六个信道可同时采样，并且无须CPU干预．从而可有效地减少由于采样时间不同而产生的相位误差。各个信道的采样速率可以方便地利用控制字在8 kHz、16 kHz、32 kHz和64kHz中进行设定．适合于三相制电力运行参数测控类应用系统。
优选的，主控制器利用通讯口RS232/RS485可与上位机连接，实现远程操作、监控、测量，主控制器还可增加显示界面，并可选配微型打印机，自动化程度高。
参照图1,所述滤波电抗器包括原边绕组和副边绕组，所述副边绕组通过三相接触器短接。三相接触器的主要作用是在补偿柜上电后立即吸合，将滤波电抗器副边绕组短接，当主控制器检测到真空接触器后吸合后，IGBT逆变器完成直流预充电，输出最大感性无功后立即断开三相接触器，随后IGBT逆变器根据补偿系数输出，调整功率因数。因此，可以保证每次投入补偿装置时都轻载投入，保证补偿装置的安全，并且不会对输电系统造成冲击。通过三相接触器的短时短接，滤波电抗器副边绕组只是工作在极短时间内，可以过载，需要的容量很小。
进一步作为优选的实施方式，所述电抗变压器为三相铁芯带气隙的变压器，额定电压为10/0.5KV，电容器组用来提供系统无功补偿，IGBT逆变器选用的是英飞凌FF450R12ME4，额定电压1200V，额定电流450A。
进一步作为优选的实施方式，所述IGBT逆变器与直流电源之间还并联有用于储能的直流储能电容，所述直流储能电容为黑金刚电解电容，采用串并联方式提高整体电容值及耐压值。
图3是电抗变压器无功补偿的原理示意图，该原理的实质是：将电抗变压器视为二端口网络，当输电电网接入的负载改变时，输入阻抗也随之改变。二次侧负载为一可控电流源，且满足条件I2=-αI1，其中为α一实常数，表示可控电流源的电流系数，二次侧可控电流源可由一电压型逆变器实现，该逆变桥及其直流侧的直流储能电容实质上即为电抗变压器二次侧的负载。采用以功率因数为目标的闭环调节电流跟踪控制方案，主控制器接收传感器电路采集到输电电网的当前功率E、电抗变压器一侧绕组侧电流I1及二次绕组侧电流I2，将目标功率因数与计算得出的当前功率因数进行比较得出功率补偿系数，进而调整PWM波形的占空比改变逆变桥输出的二次绕组侧电流I2，改变电抗变压器的主磁通，可以改变电抗变压器一次侧的等效输入阻抗，从而达到调节电抗的目的，从而实现无功补偿的目的。本发明补偿装置中，IGBT逆变器输出电流，改变电抗变压器的主磁通，调整其电感量，可对电抗变压器进行双向调节，输出感性或容性无功电流，根据功率因数反馈，达到电感连续无级可调，实现无功补偿的目的。
进一步作为优选的实施方式，所述IGBT逆变器输入侧注入的直流电流为三相整流器直接整流获得，亦可为可控直流电压源。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，包括与输电电网并联的无功补偿支路，所述无功补偿支路包括依次串联的滤波电抗器和电容器组，其特征在于，还包括一电抗变压器，所述电抗变压器的一次绕组侧并联在所述无功补偿支路的两端，二次绕组侧经一IGBT逆变器与直流电源连接，所述IGBT逆变器的控制端连接有一对目标功率因数和检测的输电电网当前的功率因数进行闭环控制并产生用于触发IGBT逆变器的控制脉冲的控制电路，所述IGBT逆变器与直流电源之间还并联有用于储能的直流储能电容，所述控制电路包括主控制器，所述无功补偿支路通过真空接触器与输电电网并联，所述滤波电抗器包括原边绕组和副边绕组，所述副边绕组通过三相接触器短接，所述三相接触器在补偿柜上电后立即吸合，将滤波电抗器副边绕组短接，当主控制器检测到真空接触器后吸合后，IGBT逆变器完成直流预充电，输出最大感性无功后立即断开三相接触器，随后IGBT逆变器根据补偿系数输出，调整功率因数。
2.根据权利要求1所述的一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，其特征在于：所述控制电路包括主控制器，所述主控制器经A/D转换接口连接有信号调理电路，所述信号调理电路连接有用于采集输电电网中电流及电压信号的传感器电路。
3.根据权利要求2所述的一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，其特征在于：所述主控制器采用TMS320F2812 DSP芯片。
4.根据权利要求1所述的一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，其特征在于：所述电抗变压器为三相铁芯带气隙的变压器。
5.根据权利要求2所述的一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，其特征在于：所述主控制器通过通讯接口连接有上位机。
6.根据权利要求1所述的一种基于IGBT控制高压的动态无功补偿装置，其特征在于：所述直流电源为可控直流电压源。
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