CN103928927A - 一种可控串联补偿装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可控串联补偿装置及其控制方法，主要用于高电压、长距离输电中补偿线路的分布电感，提高系统的静、动态稳定性，改善线路的电能质量、加长送电距离和增大输送能力。所述装置实现了电网无功功率补偿，能够改善电能质量，增大电网输送能力。该可控串联补偿装置包括串联在a、b、c各相输电线中的3个完全相同的装置，每个装置都包括一个主电路，主电路完全相同。整个可控串联补偿装置还包括1个控制器。从各相电流传感器和电压传感器获得的电流、电压采样信号接入控制器，控制器输出的各相驱动信号分别接到各相主电路中开关管的门级。控制器通过控制开关管的动作，补偿线路中的分布电感，从而达到实现电网的无功补偿，改善电能质量的目的。

Description

一种可控串联补偿装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及串联补偿技术，具体涉及可控串联补偿装置及其控制方法。
背景技术
目前研究应用较多的可控串联补偿技术主要有晶闸管控制串联电容器TCSC、GTO控制串联电容器GCSC、静止同步串联补偿器SSSC等。它们都是通过在传输线路中串连接入一定的设备，改变线路的静态和动态特性，达到改善电网运行的目的。串联补偿在固定电容和电感基础上发展来的，补偿设备不改变线路电压等级和基本拓扑结构，只改变线路阻抗和压降。引入串联电容，相当于增加了串联阻抗两端的总电压幅值，因而线路电流随之增加，从而使输送功率得到增加。这三种补偿技术中，TCSC和GCSC的损耗相对较小，但是它们的谐波畸变都很大而且补偿范围受到限制，SSSC的补偿范围很大、谐波畸变较小，但SSSC的峰值损耗和稳态损耗都较大而且补偿装置的重量体积都很大。这些因素使得这三种串联补偿技术应用场合受到各自技术特点的限制。
由现有TCSC、GCSC、SSSC补偿特性和损耗曲线比较可知，零补偿时，所有补偿器的损耗正比于管阀损耗＋电抗损耗（变压器损耗），额定线路电流时，TCSC约为0.5%，GCSC、SSSC约为0.7～0.9%；
补偿电压可控时，损耗是线路电流的函数，TCSC约为0.4%，GCSC约为0.6%，SSSC约为0.9%。
发明内容
鉴于以上背景，为了克服现有的不足，提供了一种可控串联补偿装置及其控制方法，相比TCSC、GCSC有较大的补偿范围减低谐波畸变，而相比SSSC则大大简化了补偿装置的结构，降低其损耗，在保证补偿效果前提下补偿装置有更小的重量和体积。实现了这三种补偿装置各自优点的优化整合。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种可控串联补偿装置包括串联在三相输电线即a、b、c各相输电线中的共3个完全相同的补偿装置，每个补偿装置都包括一个主电路，即每一相输电线中都串联有一个主电路，这三个主电路完全相同；可控串联补偿装置还包括一个控制器；各相输电线的主电路中的电流传感器和电压传感器获得的电流、电压采样信号接入控制器，控制器输出的各相驱动信号分别接到输电线的主电路中开关管的门级；控制器通过控制开关管的动作，等效改变串联接入输电线中的电容的大小，从而补偿线路中的分布电感，实现电网的无功补偿，改善电能质量。
上述的串联补偿装置中，a相输电线之间串联接入补偿装置的主电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容、电压传感器和电流传感器；第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第三开关管与第三二极管反并联，第四开关管与第四二极管反并联，第二开关管源极与第三开关管的漏极串联形成桥臂一，第一开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成桥臂二。第一电容、桥臂一和桥臂二这三者并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极；电压传感器的输入和第一电容并联，电压传感器的输出端Va接控制器相应的采样信号输入端；电流传感器的输入一端接a相输电线的入端，另一端接第二开关管的源极和第四开关管的漏极，电流传感器a的输出端ia接微控制器的采样信号输入端；第一开关管的源极和第四开关管的漏极接a相输电线的出端。
上述的串联补偿装置中，控制器输入端包括有采样信号输入端。依次有a相、c相电流采样信号，a相、b相和c相电压采样信号。控制器的输出端包括a相、b相和c相驱动信号输出端。
上述的串联补偿装置控制方法：控制器接收主电路采样得到的各相的电流和电压值，然后分别计算a相、b相、c相输入电压和输入电流的过零点时刻，将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻，若两者差值为正，则提前控制器控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，且提前的时刻与差值的大小等比例；若两者差值为负，则延后控制器输出的驱动信号的上升沿时刻，延后的时刻同样与差值等比例。由此来保证各相的输出电压和输出电流的过零点时刻相同，这时各相的功率因素即为1，从而实现无功功率补偿。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：控制器接收主电路各路传感器的采样信号，经过处理产生驱动信号，分别驱动三相输电线之间串联的补偿装置中开关管的动作，通过改变补偿电容接入各相的时间的长短来控制产生的无功的大小，从而实现要求的补偿效果。这种串联补偿技术相比TCSC、GCSC有较大的补偿范围提高并降低谐波畸变，而相比SSSC则大大简化了补偿装置的结构、降低了电能损耗，补偿装置的重量和体积更小。本发明主要用于高电压、长距离输电中补偿线路的分布电感的无功补偿，提高系统的静、动态稳定性，改善线路的电能质量、加长送电距离和增大输送能力。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是可控串联补偿装置的a相主电路；
图3是控制器的示意图；
图4是控制器的控制逻辑图。
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，但本发明的实施和保护范围不限于此。
图1给出了本发明的串联补偿装置的总体结构图，该装置是由分别串联在a相、b相、c相输电线路中完全相同的三个补偿装置以及一个控制器组成。从图中可以看出它的总体结构，而控制器是集成在装置里面。
图2给出了本发明示例的可控串联补偿装置a相的主电路图。b相和c相输电线中间串联的补偿装置的主电路同a相完全相同。这里就以a相为例介绍，b相和c相也是相同的主电路结构，就不一一赘述。
a相输电线之间串联接入的主电路包括：第一开关管Ga1、第二开关管Ga2、第三开关管Ga3、第四开关管Ga4、第一二极管Da1、第二二极管Da2、第三二极管Da3、第四二极管Da4、第一电容Ca、电压传感器和电流传感器；第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第三开关管与第三二极管反并联，第四开关管与第四二极管反并联，第二开关管源极与第三开关管的漏极串联形成桥臂一，第一开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成桥臂二。第一电容、桥臂一和桥臂二这三者并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极；电压传感器的输入和第一电容Ca并联，电压传感器的输出端Va接控制器相应的采样信号输入端；电流传感器的输入一端接a相输电线的入端，另一端接第二开关管的源极和第四开关管的漏极，电流传感器a的输出端ia接微控制器的采样信号输入端；第一开关管的源极和第四开关管的漏极接a相输电线的出端。
图3给出了控制器的示意图，控制器输入端包括有采样信号输入端:依次有a相、c相电流采样信号，a相、b相和c相电压采样信号。控制器的输出端包括a相、b相和c相驱动信号输出端。控制器接收主电路各路传感器的采样信号，经过处理产生驱动信号，分别驱动三相输电线之间串联的补偿装置中开关管的动作，通过改变补偿电容接入各相的时间的长短来控制产生的无功的大小，从而实现要求的补偿效果。
控制器接收主电路采样得到的各相的电流和电压值，然后分别计算a相、b相、c相输入电压和输入电流的过零点时刻，将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻，若两者差值为正，则提前控制器控制模块输出的驱动信号的上升沿时刻，且提前的时刻与差值的大小等比例；若两者差值为负，则延后控制器输出的驱动信号的上升沿时刻，延后的时刻同样与差值等比例。由此来保证各相的输出电压和输出电流的过零点时刻相同，这时各相的功率因素即为1，从而实现无功功率补偿。
图4给出了控制器的控制逻辑图，在具体实施中，本发明装置使用的控制芯片为TI公司生产的TMS320F2812芯片。采样获得的电压信号Va、Vb、Vc经过设定的查询表查询比较之后，得到在电容最低电压Vcmin的时候的电压相位r，r作为相位滞后调节的输入。通常，还对相位角r设置一个反馈控制，得到的参考电压Uref作为查询表的输入。采样获得的电流信号ia、ic经过锁相环，得到电流的相位角r2，作为门控逻辑的输入。同时，锁相环中包含有坐标转换把ia、ic转换为id和iq，以便于后面的相位滞后调节。相位滞后调节的输出r1作为门控逻辑的输入。在门控逻辑中，实现如前所述的电压、电流的相位调控并输出门控信号，控制开关管的动作。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：控制器接收主电路各路传感器的采样信号，经过处理产生驱动信号，分别驱动三相输电线之间串联的补偿装置中开关管的动作，通过改变补偿电容接入各相的时间的长短来控制产生的无功的大小，从而实现要求的补偿效果。这种串联补偿技术相比TCSC、GCSC有较大的补偿范围提高并降低谐波畸变，而相比SSSC则大大简化了补偿装置的结构、降低了电能损耗，补偿装置的重量和体积更小。
表1给出了TCSC、GCSC、SSSC和本发明提出的串联补偿装置的各项指标的对比：
表1
从表格的各项指标的对比中可以得出如下结论：与目前应用较为广泛的SSSC相比，本专利提出的串联补偿装置在运行范围和谐波都很接近，而峰值
损耗和稳态损耗甚至有一定的优势，重量体积小也是其最大的一个特点。但是我们也必须清楚，本专利提出的补偿装置在控制策略上相比SSSC复杂了很多，因此在工程应用中受到一定的限制，但随着控制策略的改进，该装置在体积重量、运行范围以及谐波上的优势，在某些特定要求的场合会有其用武之地。

Claims (4)

1.一种可控串联补偿装置，其特征在于包括串联在三相输电线即a、b、c各相输电线中的共3个完全相同的补偿装置，每个补偿装置都包括一个主电路，即每一相输电线中都串联有一个主电路，这三个主电路完全相同；可控串联补偿装置还包括一个控制器；各相输电线的主电路中的电流传感器和电压传感器获得的电流、电压采样信号接入控制器，控制器输出的各相驱动信号分别接到输电线的主电路中开关管的门级；控制器通过控制开关管的动作，等效改变串联接入输电线中的电容的大小，从而补偿线路中的分布电感，实现电网的无功补偿，改善电能质量。
2.根据权利要求1所述的可控串联补偿装置，其特征在于a相输电线中串联接入的补偿装置的主电路包括：第一开关管（Ga1）、第二开关管（Ga2）、第三开关管（Ga3）、第四开关管（Ga4）、第一二极管（Da1）、第二二极管（Da2）、第三二极管（Da3）、第四二极管（Da4）、第一电容（Ca）、电压传感器和电流传感器；第一开关管与第一二极管反并联，第二开关管与第二二极管反并联，第三开关管与第三二极管反并联，第四开关管与第四二极管反并联，第二开关管源极与第三开关管的漏极串联形成第一桥臂，第一开关管的源极与第四开关管的漏极串联形成第二桥臂；第一电容、第一桥臂和第二桥臂三者并联，其中第一电容的正极接第一开关管的漏极和第三开关管的漏极，第一电容的负极接第三开关管的源极和第四开关管的源极；电压传感器的输入和第一电容并联，电压传感器的输出端Va接控制器相应的采样信号输入端；电流传感器的输入一端接a相输电线的入端，另一端接第二开关管的源极和第四开关管的漏极，电流传感器a的输出端ia接微控制器的采样信号输入端；第一开关管的源极和第四开关管的漏极接a相输电线的出端。
3.根据权利要求1所述的可控串联补偿装置，其特征在于控制器输入端包括有采样信号输入端，采样信号输入端包括a相、c相电流采样信号输入端，和a相、b相和c相电压采样信号输入端；控制器的输出端包括a相、b相和c相驱动信号输出端。
4.权利要求1所述可控串联补偿技术控制器的控制方法，其特征在于：控制器接收主电路采样得到的各相输电线的电流和电压值，然后分别计算a相、b相、c相输入电压和输入电流的过零点时刻，将输入电压的过零点时刻减去输入电流的过零点时刻，若两者差值为正，则控制器提前输出驱动信号的上升沿时刻，且提前的时刻与差值的大小等比例；若两者差值为负，则延后控制器输出的驱动信号的上升沿时刻，延后的时刻同样与差值等比例；使各相的输出电压和输出电流的过零点时刻相同，这时各相的功率因素即为1，从而实现无功功率补偿。
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