CN103023050A

CN103023050A - 一种含有可变电容模块的无功补偿装置及其可变电容模块

Info

Publication number: CN103023050A
Application number: CN2012105789240A
Authority: CN
Inventors: 李瑜; 张目
Original assignee: ANHUI TIPWORLD ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUI TIPWORLD ELECTRICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种含有可变电容模块的无功补偿装置及其可变电容模块。本装置包括控制单元、滤波单元和可变电容模块；可变电容模块包括两个彼此并联的电容单元，两个电容单元均由彼此串联的电容和调控开关构成，两个电容单元中的电容均为一端接地，电容的另一端与调控开关的一端相连，调控开关的另一端与滤波单元电联接，调控开关中还设置有调控端；控制单元的输入端与母线电联接，控制单元的输出端与调控开关的调控端相连；滤波单元与三相母线中的其中一相电联接。本发明通过可变电容模块可以实现连续补偿的目的，补偿效率高且造价低，并有效地提高电网的供电效率和用电效益，且大大降低了电网的损耗。

Description

一种含有可变电容模块的无功补偿装置及其可变电容模块

技术领域

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种含有可变电容模块的无功补偿装置及其可变电容模块。

背景技术

目前无功补偿市场上主要应用的是TSC（Thyristor Swich Capacitor）晶闸管投切补偿装置，TSC晶闸管投切补偿装置是将总的无功量分成许多电容器组成，然后根据无功补偿量的大小进行投切，这种装置的缺点是不能连续补偿，补偿电容器个数多，容易出现过补或欠补的情况，补偿效果不佳且补偿效率低。此外市场上出现了一种SVG（Static Var Generator）静态无功补偿装置，SVG无功补偿装置是利用电力电子技术而将无功补偿量调制到电网上，SVG无功补偿装置的缺点是算法复杂，结构复杂且价格高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种含有可变电容模块的无功补偿装置，本无功补偿控制装置不但结构简单，而且可以实现连续补偿，补偿效果好且补偿效率高，同时本装置的成本较低。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种含有可变电容模块的无功补偿装置，本装置包括控制单元、滤波单元和可变电容模块；所述可变电容模块包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容和调控开关构成，两个电容单元中的电容均为一端接地，电容的另一端与调控开关的一端相连，调控开关的另一端与滤波单元电联接，所述调控开关中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关启闭状态的调控端；所述控制单元的输入端与母线电联接，控制单元的输出端与调控开关的调控端相连；所述滤波单元与三相母线中的其中一相电联接。

同时，本发明还可以通过以下技术措施得以进一步实现：

优选的，所述控制单元包括电压电流采样模块、AD转换模块、运算处理器、PWM信号输出端、保护反馈驱动模块和接口模块构成；所述电压电流采样模块与母线电联接，且所述电压电流采样模块的信号输出端与AD转换模块的信号输入端相连，AD转换模块的信号输出端与运算处理器的信号输入端相连，运算处理器与所述保护反馈驱动模块和接口模块均为双向通信联接，所述运算处理器的信号输出端与PWM信号输出端的信号输入端相连，所述PWM信号输出端的信号输出端通过光纤与所述调控开关的调控端电联接。

优选的，所述滤波单元包括电感和滤波电容，所述电感的一端与母线中的其中一相电联接，电感的另一端与滤波电容串联，滤波电容的另一端接地；所述电感与滤波电容串联的一端还与可变电容模块的远离电容接地端的一端电联接。

作为本发明的优选方案，所述调控开关为双向可控硅，所述双向可控硅通过第一阳极与可变电容模块中的电容串连，双向可控硅通过第二阳极与所述滤波单元电联接，且双向可控硅的控制极即为其调控端。

作为本发明的另一种优选方案，所述调控开关由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相连后与可变电容模块中的电容串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相连后与所述滤波单元电联接，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关的调控端，且NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均与控制单元的输出端电联接。

进一步的，所述电压电流采样模块由电压互感器和电流互感器构成；所述AD转换模块为14位MAX128AD芯片，所述运算处理器为TMS320F2812DSP芯片。

更进一步的，所述电压互感器和电流互感器均为型号为HOP205的霍尔传感器。

本发明的另一个目的是提供一种可变电容模块，本模块包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容和调控开关构成；两个电容单元中的电容均为一端接地，电容的另一端与调控开关的一端相连，所述调控开关中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关启闭状态的调控端；

优选的，所述调控开关为双向可控硅，所述双向可控硅通过第一阳极与所述电容串联，双向可控硅通过第二阳极呈悬置状，所述双向可控硅的控制极即为其调控端。

作为本发明的另一个优选方案，所述调控开关由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相联后再与所述电容串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相联后呈悬置状，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关的调控端。

本发明的有益效果在于：

1）、本发明通过两个彼此并联的电容单元，弥补了TSC晶闸管投切补偿装置和SVG静态无功补偿装置二者的缺点，可以实现连续补偿的目的，补偿效率高且造价低。

2）、本发明能够有效地提高电网的供电效率和用电效益，并大大降低了电网的损耗。

附图说明

图1是可变电容模块的结构示意图。

图2是可变电容模块工作原理示意图。

图3是图2中的脉冲波形结构示意图。

图4是含有可变电容模块的无功补偿装置的结构示意图。

图中标记的含义如下：

10—控制单元 11—电压电流采样模块 12—AD转换模块

13-运算处理器 14-PWM信号输出端 15—保护反馈驱动模块

16-接口模块 20-滤波单元 30-可变电容模块

31—电容 32—调控开关

具体实施方式

下面结合图1～3先对可变电容模块的工作原理做详细说明。

如图1所示，可变电容模块30包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容31和调控开关32构成；两个电容单元中的电容31均为一端接地，电容31的另一端与调控开关32的一端相连，所述调控开关32中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关32启闭状态的调控端；所述调控开关32由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相联后再与所述电容31串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相联，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关32的调控端。

如图2所示，电感L是串入线路中的电感，P1和P2脉冲是PWM脉宽调制波，P1脉冲用来控制NPN三极管T1和PNP三极管T2的通断以投入和切除电容C1，P2脉冲用来控制NPN三极管T3和PNP三极管T4的通断以投入和切除电容C2。所述三极管T1、三极管T2与三极管T3、三极管T4动作是互补的,即T1、T2导通，T3、T4截止；反过来T1、T2截止，T3、T4导通。设脉冲（脉冲波形如图3所示）P1的宽度为△t1，脉冲P2的宽度为△t2，并且△t1十△t2=△t，控制脉冲的占空比K为：△t1/△t，因此令△t保持恒定，则通过调节控制脉冲的占空比K就可以调节投入电容的容量。根据PWM控制技术的面积等效原理，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在有惯性的环节上，环节的输出响应波形基本相同，则在△tl时间内投入的电容C1与在△t时间内投入的等效电容对整个电路的作用效果相同，所以在一个脉冲周期内，△t1和△t2时间内分别投入电容C1和C2与在△t时间内投入等效电容C对整个电路的作用效果相同，通过调节占空比K的大小即可调节脉冲的宽度。

综合上述，如图1所示，通过控制调控开关32的通断，从而使得本可调电容模块30的电容容量在两个电容CA与Ca之和的数量级范围内连续线性变化，也即做到了可改变电容容量的效果，最终达到连续调节无功功率的目的。

如图4所示，一种含有可变电容模块的无功补偿装置，本装置包括控制单元10、滤波单元20和可变电容模块30；所述可变电容模块30包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容31和调控开关32构成，两个电容单元中的电容31均为一端接地，电容31的另一端与调控开关32的一端相连，调控开关32的另一端与滤波单元20电联接，所述调控开关32中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关32启闭状态的调控端；所述控制单元10的输入端与母线40电联接，控制单元10的输出端与调控开关32的调控端相连；所述滤波单元20与三相母线40中的其中一相电联接。

优选的，如图4所示，所述控制单元10包括电压电流采样模块11、AD转换模块12、运算处理器13、PWM信号输出端14、保护反馈驱动模块15和接口模块16构成；所述电压电流采样模块11与母线50电联接，且所述电压电流采样模块11的信号输出端与AD转换模块12的信号输入端相连，AD转换模块12的信号输出端与运算处理器13的信号输入端相连，运算处理器13与所述保护反馈驱动模块15和接口模块16均为双向通信联接，所述运算处理器13的信号输出端与PWM信号输出端14的信号输入端相连，所述PWM信号输出端14的信号输出端通过光纤与所述调控开关32的调控端电联接。

优选的，如图4所示，所述滤波单元20包括电感L1和滤波电容C1，所述电感L1的一端与母线40中的其中一相电联接，电感L1的另一端与滤波电容C1串联，滤波电容C1的另一端接地；所述电感L1与滤波电容C1串联的一端还与可变电容模块30的远离电容接地端的一端电联接。

作为本发明的优选方案，所述调控开关32为双向可控硅，所述双向可控硅通过第一阳极与可变电容模块30中的电容31串连，双向可控硅通过第二阳极与所述滤波单元20电联接，且双向可控硅的控制极即为其调控端。

作为本发明的另一种优选方案，所述调控开关32由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相连后与可变电容模块30中的电容31串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相连后与所述滤波单元20电联接，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关的调控端，且NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均与控制单元10的输出端电联接。

图4中的电感L1、L2、L3系高频续流电感，且与电容C1、C2、C3构成高通滤波，所述电感L1与电容C1串联构成滤波单元20用于滤除系统高次谐波，电感L2与电容C2的结构以及电感L3与电容C3的结构也均相同。所述可变电容模块中的晶体三极管采用西门康的IGBT550,补偿电容Ca、Cb、Cc采用容量1100uf/550v,CA、CB、CC采用容量440uf/450v。

电压电流采样模块11主要由电流互感器和电压互感器组成采样电路，电压互感器和电流互感器均采用北京霍远科技有限公司的霍尔传感器，霍尔传感器的型号为HOP205，作用是将电网上的电压电流采集到AD转换模块12。AD转换模块12使用MAXim公司的14位MAX128AD芯片，该芯片把采集到的电压电流量转化为数据量再传送给运算处理器13也即DSP处理。所述DSP采用的是TI公司的TMS320F2812DSP，该DSP具有浮点运算，150MHZ的时钟，把数据运算处理后，通过PI控制输出PWM信号输出端14的脉宽，并通过光纤耦合到主电源部分的晶体三极管上，根据前述的原理说明可知改变PWM的脉宽就可改变补偿电容的容量，并达到调节补偿无功地目的，从而完成整个系统的控制。保护反馈驱动模块13监测主电源部分的电路状态，主要包含过流保护，过压保护，超温保护，控制器保留这三种保护的输入输出节点，一旦出现保护，控制器的输入节点出现信号，对应的输出节点输出保护信号。接口模块16也即HMI模块主要是菜单显示和键盘输入，起到人机交互的作用。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种含有可变电容模块的无功补偿装置，其特征在于：本装置包括控制单元（10）、滤波单元（20）和可变电容模块（30）；所述可变电容模块（30）包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容（31）和调控开关（32）构成，两个电容单元中的电容（31）均为一端接地，电容（31）的另一端与调控开关（32）的一端相连，调控开关（32）的另一端与滤波单元（20）电联接，所述调控开关（32）中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关（32）启闭状态的调控端；所述控制单元（10）的输入端与母线（40）电联接，控制单元（10）的输出端与调控开关（32）的调控端相连；所述滤波单元（20）与三相母线（40）中的其中一相电联接。

2.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于：所述控制单元（10）包括电压电流采样模块（11）、AD转换模块（12）、运算处理器（13）、PWM信号输出端（14）、保护反馈驱动模块（15）和接口模块（16）构成；所述电压电流采样模块（11）与母线（50）电联接，且所述电压电流采样模块（11）的信号输出端与AD转换模块（12）的信号输入端相连，AD转换模块（12）的信号输出端与运算处理器（13）的信号输入端相连，运算处理器（13）与所述保护反馈驱动模块（15）和接口模块（16）均为双向通信联接，所述运算处理器（13）的信号输出端与PWM信号输出端（14）的信号输入端相连，所述PWM信号输出端（14）的信号输出端通过光纤与所述调控开关（32）的调控端电联接。

3.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于：所述滤波单元（20）包括电感和滤波电容，所述电感的一端与母线（40）中的其中一相电联接，电感的另一端与滤波电容串联，滤波电容的另一端接地；所述电感与滤波电容串联的一端还与可变电容模块（30）的远离电容接地端的一端电联接。

4.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于：所述调控开关（32）为双向可控硅，所述双向可控硅通过第一阳极与可变电容模块（30）中的电容（31）串连，双向可控硅通过第二阳极与所述滤波单元（20）电联接，且双向可控硅的控制极即为其调控端。

5.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征在于：所述调控开关（32）由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相连后与可变电容模块（30）中的电容（31）串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相连后与所述滤波单元（20）电联接，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关的调控端，且NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均与控制单元（10）的输出端电联接。

6.根据权利要求2所述的无功补偿装置，其特征在于：所述电压电流采样模块（11）由电压互感器和电流互感器构成；所述AD转换模块（12）为14位MAX128AD芯片，所述运算处理器（13）为TMS320F2812DSP芯片。

7.根据权利要求6所述的无功补偿装置，其特征在于：所述电压互感器和电流互感器均为型号为HOP205的霍尔传感器。

8.一种可变电容模块，其特征在于：本模块包括两个彼此并联的电容单元，且两个电容单元均由彼此串联的电容（31）和调控开关（32）构成；两个电容单元中的电容（31）均为一端接地，电容（31）的另一端与调控开关（32）的一端相连，所述调控开关（32）中还设置有用于接收调控信号以确定调控开关（32）启闭状态的调控端。

9.根据权利要求8所述的可变电容模块，其特征在于：所述调控开关（32）为双向可控硅，所述双向可控硅通过第一阳极与所述电容（31）串联，双向可控硅通过第二阳极呈悬置状，所述双向可控硅的控制极即为其调控端。

10.根据权利要求8所述的可变电容模块，其特征在于：所述调控开关（32）由一个NPN三极管和一个PNP三极管构成，所述NPN三极管的发射极和PNP三极管的发射极彼此相联后再与所述电容（31）串联，所述NPN三极管的集电极和PNP三极管的集电极彼此相联后呈悬置状，NPN三极管的基极和PNP三极管的基极均为调控开关（32）的调控端。