CN103580040A - 一种配电变压器自适应补偿装置 - Google Patents

一种配电变压器自适应补偿装置 Download PDF

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Abstract

一种配电变压器自适应补偿装置。提供了一种结构简化，降低成本，提高无功补偿精确性的配电变压器自适应补偿装置。所述配电变压器的高压侧连接高压电网、低压侧连接负载，所述自适应补偿装置连接在所述配电变压器和负载之间；所述自适应补偿装置包括中央控制器、五电平两桥臂逆变器和电流采集器，所述中央控制器通过所述电流采集器采集所述负载的三相电流数据、且通过所述五电平两桥臂逆变器输出与所述配电变压器中的无功电流反相的电流信号，以抵消所述无功电流。本发明将五电平两桥臂逆变器和传统电容器结合，提高了自适应补偿装置的容量，同时可以精确补偿无功，成本相对比较低，适用于中低压大功率场合。

Description

一种配电变压器自适应补偿装置
技术领域
本发明涉及涉及一种中低压无功补偿装置，特别涉及一种五电平两桥臂配电变压器自适应补偿装置。
背景技术
随着现代化进程的不断加快，全社会的用电量不断增加，同时也对电能质量提出了更高的要求。无功电流会增加流过配电变压器和线路的电流，浪费电能，恶化电能质量，增加损耗和发热，对配电变压器和线路的绝缘不利，将大幅度降低配电变压器和线路的寿命，增加成本。因此，提高电能质量对全社会有着重要的意义。
传统的无功补偿装置采用电容器分级投切，补偿电流呈阶梯状，不能连续调节，总是处于过补偿和欠补偿状态，很难精确补偿。在装置运行过程中，需要进行频繁投切，这会影响电容器和功率开关的使用寿命，增加损耗和成本。
现有的无功补偿装置采用现代电力电子技术，对三相三桥臂逆变器进行控制，能够对无功进行自适应动态补偿，但是受到功率开关器件的限制，很难真正应用于大功率场合；同时结构和控制复杂，使得成本大幅度增加。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种结构简化，降低成本，提高无功补偿精确性的配电变压器自适应补偿装置。
    本发明的技术方案是：所述配电变压器的高压侧连接高压电网、低压侧连接负载，所述自适应补偿装置连接在所述配电变压器和负载之间；
所述自适应补偿装置包括中央控制器、五电平两桥臂逆变器和电流采集器，
所述中央控制器包括DSP控制模块和FPGA模块；所述DSP控制模块用于采集、处理数据，动态提取无功和产生控制信号；所述FPGA模块用于产生功率管的驱动信号；所述DSP控制模块和FPGA模块通过地址线通讯；
所述中央控制器通过所述电流采集器采集所述负载的三相电流数据、且通过所述五电平两桥臂逆变器输出与所述配电变压器中的无功电流反相的电流信号，以抵消所述无功电流。
还包括电容器模块，所述电容器模块与所述中央控制器连接，且连接在所述五电平两桥臂逆变器的输出端；
所述电容器模块包括若干无功补偿模块，所述模块由三个电容器、三个电抗器和六个功率开关星形连接构成。
所述五电平两桥臂逆变器包括两个五电平二极管钳位式桥臂和四个等值电容，所述五电平二极管钳位式桥臂包括八个正向串联的功率开关和六个钳位电压的电力二极管；
    所述配电变压器的低压侧的三相分别与第一个五电平二极管钳位式桥臂、第二个五电平二极管钳位式桥臂和四个电容的中点相连。
    还包括人机交互界面，所述人机交互界面包括RS485接口和触摸屏，所述触摸屏通过RS485接口与DSP控制模块通讯。
    还包括语音报警模块，所述语言报警模块包括语音模块和外接电路，所述语音模块通过外接电路与DSP控制模块相连。
    所述中央控制器内还设有数字滑动平均滤波器。
本发明将五电平两桥臂逆变器和传统电容器结合，提高了自适应补偿装置的容量，同时可以精确补偿无功，成本相对比较低，适用于中低压大功率场合。
本发明具有以下有益效果：
1、采用五电平两桥臂逆变器，减少了一个桥臂，大大降低了成本，同时也降低了五电平逆变器的复杂度，提高了系统的稳定性和可靠性；
2、采用五电平两桥臂逆变器和电容器协调工作，能够实现大容量，高精度无功补偿，同时可以减少电容器的频繁投切，有利于提高使用寿命，适用于中低压大功率场合；
3、采用触摸屏作为人机交互界面，合理使用语音模块报警，结构简单，操作方便，更加符合人性化设计要求；
4、采用数字滑动平均滤波器(MA)代替数字低通滤波器(LPF)，能够高精度提取无功电流，且具有良好的动态性能，有利于动态补偿无功，提高装置的自适应性。
附图说明
图1是本发明的结构原理图，
图2是本发明中五电平两桥臂逆变器的结构示意图，
图3是本发明五电平两桥臂逆变器中的功率开关示意图，
图4为本发明中电容器模块结构示意图；
图中1是中央控制器，2是五电平两桥臂逆变器，3是电容器模块，4是人机交互界面，5是语音报警模块，6是配电变压器，7是负载，8是高压电网，9是电流采集器。
具体实施方式
    本发明如图1-4所示，所述配电变压器6的高压侧连接高压电网8、低压侧连接负载7，所述自适应补偿装置连接在所述配电变压器6和负载7之间；
所述自适应补偿装置包括中央控制器1、五电平两桥臂逆变器2和电流采集器9，
所述中央控制器包括DSP控制模块和FPGA模块；所述DSP控制模块用于采集、处理数据，动态提取无功和产生控制信号；所述FPGA模块用于产生功率管的驱动信号；所述DSP控制模块和FPGA模块通过地址线通讯；
所述中央控制器1通过所述电流采集器9采集所述负载7的三相电流数据、且通过所述五电平两桥臂逆变器2输出与所述配电变压器1中的无功电流反相的电流信号，以抵消所述无功电流。
还包括电容器模块3，所述电容器模块3与所述中央控制器1连接，且连接在所述五电平两桥臂逆变器2的输出端；
所述电容器模块3包括若干无功补偿模块，所述模块由三个电容器、三个电抗器和六个功率开关星形连接构成。
所述五电平两桥臂逆变器2包括两个五电平二极管钳位式桥臂和四个等值电容，所述五电平二极管钳位式桥臂包括八个正向串联的功率开关和六个钳位电压的电力二极管；
    所述配电变压器6的低压侧的三相（A相、B相和C相）分别与第一个五电平二极管钳位式桥臂、第二个五电平二极管钳位式桥臂和四个电容的中点相连。
    还包括人机交互界面4，所述人机交互界面4包括RS485接口和触摸屏，所述触摸屏通过RS485接口与DSP控制模块通讯。
    还包括语音报警模块5，所述语言报警模块5包括语音模块和外接电路，所述语音模块通过外接电路与DSP控制模块相连。
    所述中央控制器1内还设有数字滑动平均滤波器。
本发明中配电变压器6低压侧与低压负载7相连接，高压侧与高压电网8相连接。所述中央控制器1控制五电平两桥臂逆变器2和电容器模块3协调工作，负责与人机交互界面4通讯，控制语言报警模块5报警。本发明中的自适应补偿装置A相与配电变压器6低压侧A相连接，B相与配电变压器6低压侧B相连接，C相与配电变压器6低压侧C相连接。
该自适应补偿装置可以视为电流源，输出与配电变压器无功电流反相的电流信号，叠加到配电变压器低压侧，从而实现对无功的自适应补偿。
图2是本发明五电平两桥臂逆变器结构示意图，其包括两个五电平二极管钳位式桥臂和四个等值电容(C1,C2,C3,C4)，所述五电平二极管钳位式桥臂包括八个正向串联的功率开关(V1,V2,V3,V4,V5,V6,V7,V8)和六个钳位电压的电力二极管(D1,D2,D3,D4,D5,D6)。五电平两桥臂逆变器的功率开关如图3所示。
配电变压器6的低压侧的三相：A相与第一个五电平二极管钳位式桥臂的中点M相连，B相与第二个五电平二极管钳位式桥臂的中点N相连，C相与四个电容的中点P相连。
图4是本发明电容器模块结构示意图，其包括多个电容器无功补偿模块，每个模块由三个电容器，三个电抗器和六个功率开关星形连接构成。
本发明的工作过程如下：
（1）动态提取无功。中央控制器1采集配电变压器6低压侧三相电流，将三相电流进行dq0坐标变换，将得到的dq0坐标下的无功分量通过数字滑动平均滤波器，最后再经过dq0坐标反变换，得到需要补偿的无功分量，实现动态快速提取无功分量。
（2）协调五电平两桥臂逆变器2和电容器模块3配合工作。根据五电平两桥臂逆变器和单个电容器模块的容量，合理分配无功补偿量。
针对电容器模块3，中央控制器根据单个电容器模块的容量，直接计算出电容器模块的投切个数，产生功率开关的驱动信号，合理投切电容器，使得无功补偿处于欠补偿状态。
针对五电平两桥臂逆变器2，中央控制器将剩余无功电流作为指令电流，通过电流内环作用，产生电压调制波，与三角波进行比较，得到五电平两桥臂逆变器功率开关的PWM驱动信号，实现对五电平逆变器的控制，产生需要补偿的无功电流，实现剩余无功的补偿。
五电平两桥臂逆变器的第一个桥臂产生A相所需的补偿电流，第二个桥臂产生B相所需的补偿电流，动态调节四个电容的充放电来产生C相所需的补偿电流。
这样将电容器模块3和五电平两桥臂逆变器2产生的电流叠加，得到所需的补偿电流，注入配电变压器的低压侧，实现无功的精确补偿。
本发明通过五电平两桥臂逆变器2和电容器模块3的协调工作，就可以实现无功的精确补偿；通过增加电容器模块的个数可以提高容量。进而可实现高精度、大容量无功补偿。
在实际应用中，若无功电流为780A，电容器模块3中单个无功补偿模块的补偿电流为100A，设置7个无功补偿模块，总计补偿700A，剩余的80A即可通过五电平两桥臂逆变器2实现精确补偿。
（3）触摸屏作为人机交互界面4，通过RS485接口与中央控制器通讯。实现对电网数据、补偿效果的显示，同时也可以实时检测装置的运行情况和控制装置的运行状态。
（4）语音报警模块5作为该装置的一个辅助功能，通过外接电路与中央控制器相连。当发生故障时，中央控制器1驱动语音模块报警，提示工作人员及时处理故障，有利于电网稳定、安全的运行。
本装置人性化设计，操作容易，结构简单，有利于提高电能质量，可以有效的提高配电变压器的利用率，能够实现高精度、大容量无功补偿，适合于中低压大功率场合。
本发明中的五电平两桥臂逆变器2采用线电压的工作模式改进了现有技术中五电平三桥臂逆变器所采用的相电压的工作模式；（如图2）由于AB相之间的电压固定，通过调整AC相或BC相之间的电压，获取AB相与AC相之间的电压差、或AB相与BC相之间的电压差，由于差值可调，使得作用于A相电路上的电感La的电流可调，进而实现五电平两桥臂逆变器的无功电流可调，实现精确控制。

Claims (6)

1.一种配电变压器自适应补偿装置，所述配电变压器（6）的高压侧连接高压电网（8）、低压侧连接负载（7），所述自适应补偿装置连接在所述配电变压器（6）和负载（7）之间；
其特征在于，所述自适应补偿装置包括中央控制器（1）、五电平两桥臂逆变器（2）和电流采集器（9），
所述中央控制器包括DSP控制模块和FPGA模块；所述DSP控制模块用于采集、处理数据，动态提取无功和产生控制信号；所述FPGA模块用于产生功率管的驱动信号；所述DSP控制模块和FPGA模块通过地址线通讯；
所述中央控制器（1）通过所述电流采集器（9）采集所述负载（7）的三相电流数据、且通过所述五电平两桥臂逆变器（2）输出与所述配电变压器（1）中的无功电流反相的电流信号，以抵消所述无功电流。
2.根据权利要求1所述的一种配电变压器自适应补偿装置，其特征在于，还包括电容器模块（3），所述电容器模块（3）与所述中央控制器（1）连接，且连接在所述五电平两桥臂逆变器（2）的输出端；
所述电容器模块（3）包括若干无功补偿模块，所述模块由三个电容器、三个电抗器和六个功率开关星形连接构成。
3.根据权利要求1或2所述的一种配电变压器自适应补偿装置，其特征在于，所述五电平两桥臂逆变器（2）包括两个五电平二极管钳位式桥臂和四个等值电容，所述五电平二极管钳位式桥臂包括八个正向串联的功率开关和六个钳位电压的电力二极管；
    所述配电变压器（6）的低压侧的三相分别与第一个五电平二极管钳位式桥臂、第二个五电平二极管钳位式桥臂和四个电容的中点相连。
4.根据权利要求3所述的一种配电变压器自适应补偿装置，其特征在于，还包括人机交互界面（4），所述人机交互界面（4）包括RS485接口和触摸屏，所述触摸屏通过RS485接口与DSP控制模块通讯。
5.根据权利要求4所述的一种配电变压器自适应补偿装置，其特征在于，还包括语音报警模块（5），所述语言报警模块（5）包括语音模块和外接电路，所述语音模块通过外接电路与DSP控制模块相连。
6.根据权利要求4所述的一种配电变压器自适应补偿装置，其特征在于，所述中央控制器（1）内还设有数字滑动平均滤波器。
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