CN103036241B - 一种无功补偿控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无功补偿控制器，设有多个补偿模块，包括静止无功补偿器、静止同步补偿器；所述的控制器还设有DSP控制模块，所述的止无功补偿器和静止同步补偿器通过Profibus总线模块与DSP控制模块相连。另外，本发明还公开了上述无功补偿控制器的控制方法。上述技术方案提高了补偿系统的工作效率，降低了损耗；确保系统应对突变的能力强，动态响应速度更快、可靠性更高、使用寿命更长，系统构建简单，便于产品的模块化和标准化生产；有助于推动动态无功补偿技术水平，促进智能电网建设。

Description

一种无功补偿控制器及其控制方法

技术领域

本发明属于电能质量管理的技术领域，涉及其无功补偿技术，更具体地说，本发明涉及一种无功补偿控制器。另外，本发明还涉及该控制器的无功补偿方法。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的用户采用了性能好、效率高、但对电源特性变化敏感的高科技设备，使得电力负荷不断增大；日益增大的用电负荷对电网造成巨大冲击，使电网电能质量变差，给电能质量治理带来巨大压力。在此背景下，电网中迫切需要增加相应的无功补偿装置来补偿负荷消耗的无功功率，提高功率因数，增强电力系统输电能力。

静止无功补偿器（SVC）是通过控制晶闸管的导通时刻来控制流过电抗器的电流，从而快速的跟踪负载无功的变化，并通过分相控制来补偿三相不对称，与其匹配的交流滤波装置来吸收谐波，具有技术成熟、控制灵活、损耗小、可靠性高、维护工作量小、运行费用低等优点，是目前国内外应用最广泛的静止型无源、快速动态无功补偿装置。

但是，SVC采用半控器件晶闸管，控制依赖上半个周期的测量数据，存在响应时间较慢，对闪变的改善率低，甚至有时造成闪变加剧，不能进行连续无功调节的缺点，已经很难满足电网无功补偿的需求。

静止同步补偿器（STATCOM）是采用全控器件IGBT或IGCT，具有响应快，抑制闪变效果好等优点，它能实现连续无功调节，防止非线性负荷的快速无功电流变化所引起的电压闪变及电压骤降等电能质量问题。但STATCOM受到开关器件频率、容量、电压等级的限制，使得价格昂贵、控制复杂、可靠性降低，从而使其推广受到制约，目前在我国还停留在示范工程阶段。

发明内容

本发明提供一种无功补偿控制器，其目的是提高无功补偿的工作效率。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的无功补偿控制器，所述的控制器设有多个补偿模块，包括静止无功补偿器、静止同步补偿器；所述的控制器还设有DSP控制模块，所述的止无功补偿器和静止同步补偿器通过Profibus总线模块与DSP控制模块相连。

所述的控制器设有电压互感器、电流互感器、信号调理模块、FPGA检测模块，所述的电压互感器、电流互感器分别与信号调理模块连接；所述的信号调理模块通过FPGA检测模块与所述的DSP控制模块连接。

所述的控制器设有缺相保护装置、过流保护装置、过压保护装置、温度保护装置、键盘模块、上位机模块、RS485通信模块、液晶显示模块，所述的缺相保护装置、过流保护装置、过压保护装置、温度保护装置、键盘模块、上位机模块、RS485通信模块、液晶显示模块分别与所述的DSP控制模块连接。

所述的静止无功补偿器、静止同步补偿器均采用即插即用的连接结构。

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了所述的无功补偿控制器的控制方法，其技术方案是：

所述的DSP控制模块根据FPGA检测模块检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值。

所述的DSP控制模块根据程序设定，对所述补偿模块进行定时切换运行。

所述的DSP控制模块计算并存储各个所述补偿模块的运行时间，并根据运行时间选择需投入的补偿模块。

各个所述的补偿模块均内置电流和温度传感器，通过Profibus总线向DSP控制模块发送实时电流和温度信号。

外置的液晶显示模块读取包括功率因数、有功和无功功率、电压、电流、投入模块在内的多项实时数据，以及通过触摸按键，手动操作各补偿模块的投入与切除。

本发明采用上述技术方案，将所需补偿的无功补偿容量分散到4个SVC模块和4个STATCOM模块，可降低各个子模块的补偿容量，减少器件损耗；控制器采用DSP+FPGA方案设计，电网运行的实际数据由FPGA完成对各相电压和电流的采集作用，并完成谐波检测和无功计算，并将结果传送给DSP，使DSP主要进行集中均衡管理、补偿控制和通信，可以提高整个系统的效率和响应速度，增强无功补偿的实时性。DSP控制模块可通过实时监控各个子模块的电压、电流、无功功率等参数以及所需补偿容量随时控制SVC、STATCOM各个子模块的投入、切除等动作；利用DSP控制器控制SVC、STATCOM各个子模块在电网用电高峰时投入运行、低谷时切除运行，并平衡各运行中的子模块的负荷容量，提高工作效率；通过控制器计算各子模块的投入运行时间，对达到规定投入时间的子模块进行定时切换，能够分流各个SVC、STATCOM子模块运行时间，减少SVC、STATCOM子模块更换频率，防止子模块投入时间过长，造成损坏；SVC、STATCOM子模块的即插即用的设置，可在不停止无功补偿器运行的情况下，方便快捷的更换损坏子模块，极大减轻子模块损坏对电网造成的影响。主要通过监测各单体模块的工作状态，包括工作时间、负荷、温度等，管理中将工作时间长、温度高的模块优先切除，休息时间长的模块优先切入，同时应尽可能保证各模块工作在额定状态，以充分发挥系统效率，降低器件承受的应力。当监测到有模块过热或故障时，应控制并联冗余模块和该模块进行切换，将该模块及时切除，以保证系统的可靠性。

附图说明

下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的补偿装置的整体框图；

图2为无功功率补偿器显示界面；

图3为FPGA和DSP的接口电路。

图1中标记为：

1～4、静止无功补偿器（SVC），5～8、静止同步补偿器（STATCOM），9、Profibus总线模块，10、DSP控制模块，11、缺相保护装置，12、过流保护装置，13、过压保护装置，14、温度保护装置，15、键盘模块，16、上位机模块，17、RS485通信模块，18、液晶显示模块，19、FPGA检测模块，20、信号调理模块，21、电压互感器，22、电流互感器。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1、图2所表达的本发明的结构，为一种无功补偿控制器。为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高无功补偿的工作效率的发明目的，本发明采取的技术方案为：

如图1所示，本发明所提供的无功补偿控制器，所述的控制器设有多个补偿模块，包括静止无功补偿器1～静止无功补偿器4（SVC）、静止同步补偿器5～静止同步补偿器8（STATCOM）；所述的控制器还设有DSP控制模块10，所述的止无功补偿器1～静止无功补偿器4和静止同步补偿器5～静止同步补偿器8通过Profibus总线模块9与DSP控制模块10相连。

本发明针对单一无功补偿装置在大容量无功补偿工作时存在的各种问题，以及现有技术中并联模块模式的无功补偿产品的各种不足，提供了上述的由SVC和STATCOM冗余并联组成的混合式无功补偿方法及其控制器。该补偿方法及其控制器能有效提高无功补偿的工作效率，降低元器件损耗，延长设备使用寿命。模块支持即插即用的设置可在不停止无功补偿器运行的条件下对损坏的模块实施随时替换。

所述的静止无功补偿器1～静止无功补偿器4设置补偿容量分别为80Kvar、40Kvar、20Kvar、10Kvar；所述的静止同步补偿器5～静止同步补偿器8设置补偿容量分别为8Kvar、4Kvar、2Kvar、1Kvar。

通过控制SVC模块与STATCOM模块的投入与切除，可以使整体补偿容量范围控制在1~165Kvar之间的各个值，SVC模块与STATCOM模块5～8支持即插即用设置，通过Profibus总线模块9与所述的DSP控制模块10相连。

所述的DSP控制模块10即DSP控制器，可计算并存储各个SVC和STATCOM子模块的运行时间，并根据运行时间选择需投入或切除的子模块。

所述的DSP控制模块10可存储预设程序并计算系统参数，经由所述的Profibus总线模块9控制各个无功补偿模块SVC、STATCOM的投入或者切除动作。DSP控制器可根据程序设定，对SVC和STATCOM子模块进行定时切换运行。

DSP控制器可根据FPGA检测数据，控制SVC模块与STATCOM模块的投入与切除，可以使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值。

所述的控制器设有电压互感器21、电流互感器22、信号调理模块20、FPGA检测模块19，所述的电压互感器21、电流互感器22分别与信号调理模块20连接；信号调理模块20与FPGA检测模块19相连，FPGA检测模块19与DSP控制模块10相连，所述的信号调理模块20通过FPGA检测模块19与所述的DSP控制模块10连接。

所述的FPGA检测模块19主要作用是通过瞬时无功功率理论算法完成谐波检测和无功计算，并将结果传送给所述的DSP控制模块10，使DSP主要进行集中均衡管理、补偿控制和通信，以提高整个系统的效率和响应速度。

所述的电压互感器21、电流互感器22主要作用是采集电网电压电流信息。

所述的信号调理模块20主要作用是对所述的电压互感器21、电流互感器22采集的电网电压电流信息进行调理。

所述的控制器设有缺相保护装置11、过流保护装置12、过压保护装置13、温度保护装置14、键盘模块15、上位机模块16、RS485通信模块17、液晶显示模块18，所述的缺相保护装置11、过流保护装置12、过压保护装置13、温度保护装置14、键盘模块15、上位机模块16、RS485通信模块17、液晶显示模块18分别与所述的DSP控制模块10连接。

所述的缺相保护装置11、过流保护装置12、过压保护装置13及温度保护装置14能够较好的保护所述的DSP控制模块10的安全运行。

所述的键盘模块15、液晶显示模块18可实时监控整个系统的运行情况，提示对保护装置进行操作。

所述的上位机模块16可以将运行信息汇总储存显示以及进行反馈控制。

所述的静止无功补偿器1～静止无功补偿器4、静止同步补偿器5～静止同步补偿器8均采用即插即用的连接结构。

所述的DSP控制模块10根据FPGA检测模块19检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值。

所述的DSP控制模块10根据程序设定，对所述补偿模块进行定时切换运行。

所述的DSP控制模块10计算并存储各个所述补偿模块的运行时间，并根据运行时间选择需投入的补偿模块。

各个所述的补偿模块（即各个SVC和STATCOM补偿子模块）均内置电流和温度传感器，通过Profibus总线向DSP控制模块10发送实时电流和温度信号。

外置的液晶显示模块18（液晶显示屏）即读取包括功率因数、有功和无功功率、电压、电流、投入模块在内的多项实时数据，以及通过触摸按键，手动操作各补偿模块的投入与切除。

为了实现与上述技术方案相同的发明目的，本发明还提供了所述的无功补偿控制器的控制方法，其技术方案是：

所述的DSP控制模块10根据FPGA检测模块19检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值；所述的DSP控制模块10根据程序设定，对所述补偿模块进行定时切换运行；所述的DSP控制模块10计算并存储各个所述补偿模块的运行时间，并根据运行时间选择需投入的补偿模块；各个所述的补偿模块均内置电流和温度传感器，通过Profibus总线向DSP控制模块10发送实时电流和温度信号；所述的DSP控制模块10根据FPGA检测模块19检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值；外置的液晶显示模块18读取包括功率因数、有功和无功功率、电压、电流、投入模块在内的多项实时数据，以及通过触摸按键，手动操作各补偿模块的投入与切除。

本发明的有益效果是：

1、将所需补偿的无功补偿容量分散到4个SVC模块和4个STATCOM模块，可降低各个子模块的补偿容量，减少器件损耗；

2、控制器采用DSP+FPGA方案设计，电网运行的实际数据由FPGA完成对各相电压和电流的采集作用，并完成谐波检测和无功计算，并将结果传送给DSP，使DSP主要进行集中均衡管理、补偿控制和通信，可以提高整个系统的效率和响应速度，增强无功补偿的实时性；

3、DSP控制模块可通过实时监控各个子模块的电压、电流、无功功率等参数以及所需补偿容量随时控制SVC、STATCOM各个子模块的投入、切除等动作；

4、利用DSP控制器控制SVC、STATCOM各个子模块在电网用电高峰时投入运行、低谷时切除运行，并平衡各运行中的子模块的负荷容量，提高工作效率；

5、通过控制器计算各子模块的投入运行时间，对达到规定投入时间的子模块进行定时切换，能够分流各个SVC、STATCOM子模块运行时间，减少SVC、STATCOM子模块更换频率，防止子模块投入时间过长，造成损坏；

6、SVC、STATCOM子模块的即插即用的设置，可在不停止无功补偿器运行的情况下，方便快捷的更换损坏子模块，极大减轻子模块损坏对电网造成的影响。

本发明的基本要求是：

主要通过监测各单体模块的工作状态，包括工作时间、负荷、温度等，管理中将工作时间长、温度高的模块优先切除，休息时间长的模块优先切入，同时应尽可能保证各模块工作在额定状态，以充分发挥系统效率，降低器件承受的应力。当监测到有模块过热或故障时，应控制并联冗余模块和该模块进行切换，将该模块及时切除，以保证系统的可靠性。

本发明的工作原理和工作过程是：

本发明的无功补偿控制器在运行时，所述的电压互感器21、电流互感器22采集电网的实时电压电流信息，由所述的信号调理模块20进行数据的初步调理，并经所述的FPGA检测模块19进行信息处理后送入DSP控制模块10，得出电网的无功补偿容量。根据需要进行的无功补偿容量，DSP控制模块10确定需要投入或者切除的SVC和STATCOM子模块，通过所述的Profibus总线模块9向静止无功补偿器1～静止无功补偿器4（SVC）和静止同步补偿器5～静止同步补偿器8（STATCOM）发出控制信号，静止无功补偿器1～静止无功补偿器4（SVC）和静止同步补偿器5～静止同步补偿器8（STATCOM）则根据获得控制信号作出具体投入或者切除动作，完成无功补偿，实现补偿容量从1Kvar至165Kvar的变化。

上述无功补偿控制器主要通过监测各单体模块的工作状态，包括工作时间、负荷、温度等，管理中将工作时间长、温度高的模块优先切除，休息时间长的模块优先切入；同时应尽可能保证各模块工作在额定状态，以充分发挥系统效率，降低器件承受的应力。当监测到有模块过热或故障时，应控制并联冗余模块和该模块进行切换，将该模块及时切除，以保证系统的可靠性。

电网波峰时，DSP控制模块10发出指令，增加投入子模块数目，保证电网无功补偿的容量，提高功率因数；电网波谷时，DSP控制器控制补偿模块切除部分投入模块，减少补偿容量，保证功率因数的平稳。此外，DSP控制模块10能够实时监控各运行子模块的温度、电压、电流等运行数据。当子模块发生故障或损坏时，控制器能根据异常数据快速判断具体的损坏子模块，及时将此子模块负担的容量转移至其他子模块，之后发出指令将此子模块退出运行，以便对其进行更换。各子模块的运行时间作为一项重要的运行参数在DSP控制模块10中计算并被保留。根据程序设定，当子模块安全运行至一定时间后，会由空闲子模块替换运行子模块，并尽量保持各子模块运行时间的平衡，使子模块自然损耗程度相当，以便延长设备的使用寿命。

如图2所示为无功补偿器的显示界面，工作人员可对系统运行情况进行实时监控，随时了解系统整体的运行情况，包括线路无功容量、投入子模块数目等，还可通过运行路数的选择，查看各个子模块的运行情况，包括有功功率、无功功率、电压、电流、模块温度等。当子模块发生故障而又未能自动切除时，也可通过键盘控制对故障子模块手动切除。

图3为FPGA和DSP的接口电路。

综上所述，本发明是从目前电网无功补偿所面临的问题出发，结合SVC和STATCOM两种无功补偿技术，提出一种由SVC和STATCOM冗余并联组成的混合式无功补偿方法，并通过网络将各并联补偿模块进行连接，实现集中协调控制。利用SVC来补偿电力系统中的稳态无功，STATCOM则被用于补偿电力系统中动态无功，使得SVC和STATCOM相互取长补短，以满足电网中不同的无功补偿需求，与此同时可省去SVC中的电抗器。合理配置SVC和STATCOM装机容量，冗余并联结构可实现模块单体的热拔插功能。通过对SVC和STATCOM补偿容量分配的寻优求解，实现提高装置的补偿范围、对三相平衡度进行协调控制。通过智能模糊投切策略可实现对各模块进行均衡管理，实现减小电力电子功率器件的应力，从而将装置的损耗、成本以及占地面积等维持在一个比较理想的水平，确保系统应对突变的能力强，动态响应速度更快、可靠性更高、使用寿命更长，同时便于产品的模块化和标准化生产，系统构建简单，易于裁剪。本发明将有助于推动动态无功补偿技术水平，促进智能电网建设。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无功补偿控制器，其特征在于：

所述的控制器设有多个补偿模块，包括静止无功补偿器(1～4)、静止同步补偿器(5～8)；所述的控制器还设有DSP控制模块(10)，所述的止无功补偿器(1～4)和静止同步补偿器(5～8)通过Profibus总线模块(9)与DSP控制模块(10)相连；

所述的控制器设有电压互感器(21)、电流互感器(22)、信号调理模块(20)、FPGA检测模块(19)，所述的电压互感器(21)、电流互感器(22)分别与信号调理模块(20)连接；所述的信号调理模块(20)通过FPGA检测模块(19)与所述的DSP控制模块(10)连接；

所述的控制器设有缺相保护装置(11)、过流保护装置(12)、过压保护装置(13)、温度保护装置(14)、键盘模块(15)、上位机模块(16)、RS485通信模块(17)、液晶显示模块(18)，所述的缺相保护装置(11)、过流保护装置(12)、过压保护装置(13)、温度保护装置(14)、键盘模块(15)、上位机模块(16)、RS485通信模块(17)、液晶显示模块(18)分别与所述的DSP控制模块(10)连接。

2.按照权利要求1所述的无功补偿控制器，其特征在于：所述的静止无功补偿器(1～4)、静止同步补偿器(5～8)均采用即插即用的连接结构。

3.按照权利要求1所述的无功补偿控制器的控制方法，其特征在于：所述的DSP控制模块(10)根据FPGA检测模块(19)检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值。

4.按照权利要求3所述的无功补偿控制器的控制方法，其特征在于：所述的DSP控制模块(10)根据程序设定，对所述补偿模块进行定时切换运行。

5.按照权利要求3所述的无功补偿控制器的控制方法，其特征在于：所述的DSP控制模块(10)计算并存储各个所述补偿模块的运行时间，并根据运行时间选择需投入的补偿模块。

6.按照权利要求3所述的无功补偿控制器的控制方法，其特征在于：各个所述的补偿模块均内置电流和温度传感器，通过Profibus总线向DSP控制模块(10)发送实时电流和温度信号。

7.按照权利要求3所述的无功补偿控制器的控制方法，其特征在于：所述的DSP控制模块(10)根据FPGA检测模块(19)检测数据，控制所述补偿模块的投入与切除，使整体补偿容量范围控制在1～165Kvar之间的各个值；外置的液晶显示模块(18)读取包括功率因数、有功和无功功率、电压、电流、投入模块在内的多项实时数据，以及通过触摸按键，手动操作各补偿模块的投入与切除。