CN105720588A - 单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，包括硬件电路模块、测量和滤波模块以及控制系统模块，其中硬件电路模块包括一组反向并联的晶闸管、一组电抗器、电容器和电阻器，彼此以串联形式连接，能够向电网系统注入可连续调节的无功功率，以改善系统的运行电压水平和提高系统的稳定性。测量和滤波模块用于对系统的电压和电流进行采样并且滤波，将结果输出到控制系统模块用以调节。控制系统模块则能够根据测量和滤波模块得出的反馈值对硬件电路模块进行控制，使硬件电路能够输出所期望的无功功率。本发明能够实现容性无功功率的连续调节，不需要无功对消，减少无功浪费；使用的电感较小，电容较大，能够有效减少体积，减少投资成本。

Description

单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器

技术领域

本发明涉及低压电网无功补偿的技术领域，特别涉及一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器。

背景技术

无功功率对供电系统和负荷的运行是十分重要的，电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，即为了输送有功功率，就要要求送电端和受电端的电压有相位差，为了输送无功功率，就要要求两端电压有幅值差，大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载需要消耗无功功率，无功补偿的主要作用是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量。

传统无功补偿装置有两种：a)并联电容器，又称移相电容器。主要用于补偿电力系统感性负荷的无功功率，以提高功率因数，改善电压质量，降低线路损耗，但缺点是补偿容量的大小不可调，并且随着并联电压的下降，补偿效果会变差。b)同步调相机，是特殊运行状态下的同步电机，可视为不带有功负荷的同步发电机或是一种不带机械负载的同步发电机。它可以过励磁运行，也可以欠励磁运行，运行状态根据系统的需要来调节。当它过励磁运行时，将向电网发出无功功率；欠励磁运行时，将从电网吸收无功功率。同步调相机一般装设自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出无功以维持电压，在有强励装置时，在电网故障情况下也能调整系统电压保证继电保护装置的正确动作，有利于系统稳定运行，但缺点是响应速度慢，噪音大，损耗大，技术陈旧，现属于淘汰技术。

由于传统的电容无功补偿装置其阻抗是固定的，不能跟踪负载无功需求的变化，也就是无法实现对无功功率的动态补偿，而随着电力系统的发展，对无功功率进行快速动态补偿的需求越来越大。如今，随着电力电子技术在电力系统的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台，新型的无功补偿装置得到广泛的应用。SVC—静止无功补偿器，是目前世界上电力系统中应用最多、最为成熟的一类并联补偿设备,它也是一类应用较早的FACTS设备。IEEE将静止无功补偿器(StaticVarCompensator，SVC)定义为一种并联型的静止无功发生器或吸收器，其输出可以调节，以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统中的某些特定参数(一般为母线电压)。常用的SVC有以下几种形式：饱和电抗器型(SR)、晶闸管投切电容器型(TSC)、固定电容&晶闸管控制电抗器型(FC&TCR)、机械投切电容器&晶闸管控制电抗器型(MSC&TCR)以及晶闸管投切电容器&晶闸管控制电抗器型(TSC&TCR)，由于其具有优良的性能，所以近20多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定的增长，已占据了精致武功补偿装置的主导地位。

虽然通过TCR、TSC、MSC以及FC的不同组合，能够实现从容性无功到感性无功的全范围内连续调节，但其容性无功可连续调节的本质，是通过可连续调节的感性无功，再叠加上一定容量、大小固定的容性无功，其对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。因此，当要求补偿器的补偿范围能延伸到容性和感性无功功率两个领域时，电抗器的容量必须大于电容器的容量。此外，当补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功功率的状态是，其电抗器和电容器中实际上都已经吸收了很大的无功功率，都有很大的电流流过，只是相互对消而已。因此，无论是TCR+FC或者TCR+TSC等方式都会造成巨大的浪费，大大增加了投资成本。

发明内容

针对上述现有无功补偿装置存在的问题，本发明的目的在于提出一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，该种装置通过调节不同的触发延迟角，来连续地调节电容器的输出无功功率，达到连续调节无功补偿功率的目的。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，所述晶闸管控制电容器包括硬件电路模块、测量和滤波模块以及控制系统模块，其中，

所述硬件电路模块包括一组反向并联的晶闸管、电抗器、电容器和电阻器，彼此以串联形式连接，然后一端并联到电网系统上，另一端接地，能够向电网系统注入可连续调节的无功功率，改善电网系统的运行电压水平和提高电网系统的稳定性；

所述测量和滤波模块用于对电网系统的电压和电流进行采样并且滤波，将结果输出到所述控制系统模块用以调节；

所述控制系统模块用于根据所述测量和滤波模块得出的反馈值以及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，对所述硬件电路模块进行控制以调节所述晶闸管控制电容器吸收的无功功率，使所述硬件电路能够输出所期望的无功功率。

进一步地，所述测量和滤波模块包括电压采集通道和电流采集通道，其中，

所述电压采集通道包括电压互感器、带阻滤波器、低通滤波器，其中，所述电压传感器采集电网系统的高电压并按比例关系变换成标准二次电压，然后依次输出到带阻滤波器和低通滤波器完成信号滤波；

所述电流采集通道包括电流互感器、带阻滤波器、低通滤波器，其中，所述电流传感器采集电网系统的大电流并按比例关系变换成标准二次电流，然后依次输出到带阻滤波器和低通滤波器完成信号滤波。

进一步地，所述测量和滤波模块的输出为反映电网系统电压有效值大小的直流信号。

进一步地，所述控制系统模块包括控制部分和触发部分，其中，

所述控制部分包括DSP单元，采用电压闭环的负反馈控制方法，通过检测到的电网系统电压U与电网系统电压参考值U_ref的比较，由其偏差来控制晶闸管控制电容器的运行，通过比例积分调节器改变偏差放大倍数以改变电压--电流特性的斜率，并输出至触发部分；

所述触发部分包括线性化环节和触发电路，其中，

所述线性化环节，位于所述触发部分输入端以及所述触发电路之间，用于补偿导通角与实际输出无功功率之间的非线性；

所述触发电路用于产生触发延迟角的晶闸管触发脉冲。

进一步地，所述控制部分引入补偿电流反馈I_svc，稳态时电压偏差为零，实现对电压的精确控制。

进一步地，所述晶闸管控制电容器的动态特性和稳定性则由闭环系统的开环放大倍数和时间常数共同决定。

进一步地，所述晶闸管控制电容器吸收的无功功率Q与触发延迟角α的关系式为:

其中，为RLC阻抗的阻抗角,c_i1为基波分量的傅里叶系数，E_m为电源电压幅值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、能够实现容性无功功率的连续调节，不需要无功对消，减少无功浪费；

2、使用的电感较小，电容较大，能够有效减少体积，减少投资成本；

3、流过电感和电容的电流较小，且大都为容性电流。

附图说明

图1是本发明中单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器的结构示意图；

图2是本发明中晶闸管控制电容器的单相电路结构简图；

图3是本发明中测量与滤波模块的结构示意图；

图4是本发明中控制系统模块的结构示意图

图5是控制部分中具有附加电流反馈的电压反馈控制示意图；

图6是触发延迟角和晶闸管控制电容器输出无功功率之间的非线性关系；

图7为触发部分以及其前端的线性化环节；

图8为晶闸管控制电容器控制系统原理框图例；

图9为晶闸管控制电容器的使用流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

本实施例中公开了一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，包括硬件电路模块、测量和滤波模块以及控制系统模块，其中硬件电路模块包括一组反向并联的晶闸管、一组电抗器、电容器和电阻器，彼此以串联形式连接，能够向电网系统注入可连续调节的无功功率，以改善系统的运行电压水平和提高系统的稳定性。测量和滤波模块用于对系统的电压和电流进行采样并且滤波，将结果输出到控制系统模块用以调节。控制系统模块则能够根据测量和滤波模块得出的反馈值对硬件电路模块进行控制，使硬件电路能够输出所期望的无功功率。

如附图1中单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器的结构示意图所示，在本实施例中，该单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器主要包括硬件电路模块、测量和滤波模块以及控制系统模块三部分：

1、硬件电路模块

(1)电阻器(Resistor)在日常生活中一般直接称为电阻。是一个限流元件，将电阻接在电路中后，电阻器的阻值是固定的一般是两个引脚，它可限制通过它所连支路的电流大小。

(2)电抗器，也叫电感器(Inductor)，一个导体通电时就会在其所占据的一定空间范围产生磁场，所以所有能载流的电导体都有一般意义上的感性。电抗分为感抗和容抗，一般电抗器专指电感器。

(3)电容器，通常简称其容纳电荷的本领为电容，用字母C表示。定义1：电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。英文名称：capacitor。

(4)晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极。

另外，晶闸管导通条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。

在本发明的硬件模块中，使用到上述四种电子器件，其单相的基本结构是两个反并联的晶闸管与一个电阻器、一个电抗器和一个电容器相串联。再将这样的电路一端并联到电网上，另一端接地，就构成了本发明中所描述的硬件电路。其拓扑结构参见附图1.

2、测量和滤波模块、

该模块主要用于对电压信号和电流信号的采集，以及信号的滤波，并将结果输出给控制系统模块。附图3示出了50Hz单相系统电压检测的示意图。

该模块主要包括：

(1)电压互感器(PT)。能够把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用，用于采集电压。

(2)电流互感器(CT)。与电压互感器类似，能把大电流按比例转化为小电流，主要用于采集电流。

(3)带阻滤波器。能够阻碍特定频率段的信号，使其衰减，而让其他频率段的信号通过。

(4)低通滤波器。允许低频段信号通过，而让高频信号衰减。

本模块主要用于信号检测，检测器件采用电压传感器(PT)和电流传感器(CT),根据对补偿器所期望的功能，一般检测系统电压，而实际需要的却是能反映系统电压有效值大小的直流信号。所以，本发明对从电压互感器检测出来的单相电压信号采用的进一步处理方法是滤波。

3、控制系统模块

本发明的控制系统应能根据检测量的大小以及给定(参考)输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，以调节晶闸管控制电容器吸收的无功功率。因此，其控制系统一般应包括以下两部分：

(1)控制部分：为获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定(参考)输入量进行处理，采用DSP(数字信号处理器)完成。

(2)触发部分：根据控制部分的输出产生相应触发延迟角的晶闸管触发脉冲。

控制系统模块详见附图4所示。

现根据上述两部分电路，对每一部分电路作详细的工作说明：

(1)控制部分的控制方法

控制部分基于DSP单元，采用电压闭环的负反馈控制方法。如附图5所示。

它通过检测到的系统电压U与系统电压参考值U_ref的比较，由其偏差来控制系统的运行。调节器为比例积分(PI)调节器，通过改变放大倍数可以改变电压--电流特性的斜率，而晶闸管控制电容器的动态特性和稳定性则由闭环系统的开环放大倍数和时间常数共同决定。另外，为了改善控制性能，在原来的基础上引入补偿电流反馈I_svc，稳态时电压偏差为零，可实现对电压的精确控制。

(2)触发部分的触发脉冲产生

本发明采用一般的数字控制部分产生触发延迟角，触发电路的控制信号与触发延迟角α以及晶闸管导通角δ都是线性关系，但是，触发延迟角(或晶闸管导通角)与补偿器实际的输出无功功率之间却并不是线性关系。现将其绘制成曲线，如附图6所示。因此，本发明在触发电路的输入端与触发脉冲形成环节之间插入一个非线性环节，称为线性化环节，以补偿导通角与实际输出无功功率之间的非线性，其实现方法可以根据附图7所示采用查表的方法实现。

附图8给出了整个装置的运行原理图。

最后，说明本发明中晶闸管控制电容器的原理：

如附图2所示，假设电网为无穷大电网，电压大小和频率不随外在的变化而变化，为标准的正弦波，晶闸管为理想开关器件，不考虑其内部损耗，设电源电压如下式所示：

$e=E_{m}sin\mathrm{\ω}t=\sqrt{2}Esin\mathrm{\ω}t---\left(1\right)$

ω为电源的角频率；

E_m为电源电压幅值；

E为电源电压有效值；

根据电路原理，可写出电路的微分方程：

$LC\frac{d^2{u}_c}{{\mathrm{dt}}^2}+RC\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}+u_c=E_{m}sin\mathrm{\ω}t---\left(2\right)$

特征方程为：

LCr²+RCr+1＝0(3)

解(3)式，得特征根：

$p_1=-\frac{R}{2L}+\sqrt{{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2-\frac{1}{LC}},p_2=-\frac{R}{2L}-\sqrt{{\left(\frac{R}{2L}\right)}^2-\frac{1}{LC}}---\left(4\right)$

由(4)式，得到微分方程的通解为：

$u_c\left(t\right)=A_1{e}^{p_{1}t}+A_2{e}^{p_{2}t}+Acos\mathrm{\ω}t+Bsin\mathrm{\ω}t---\left(5\right)$

其中：

由边界条件，假设t₀时刻触发延迟角为α，初始电压为U₀，初始电流为0，得：

$\begin{array}{c}{u}_c\left(\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}\right)=A_1{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}+A_2{e}^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}+A\cos \mathrm{\α}+B\sin \mathrm{\α}=U_0\\ \frac{{\mathrm{du}}_c\left(t\right)}{dt}{|}_{{\mathrm{\ωt}}_0=\mathrm{\α}}=A_1{p}_1{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}+A_2{p}_2{e}^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}-A\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\α}+B\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\α}=0\end{array}---\left(6\right)$

矩阵表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}& e^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}\\ p_1{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}& p_2{e}^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_0-Acos\mathrm{\α}-Bsin\mathrm{\α}\\ A\mathrm{\ω}sin\mathrm{\α}-B\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(7\right)$

本发明系统运行于过阻尼状态下，左边行列式非奇异，可求逆，由(7)式得：

$\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}& e^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}\\ p_1{e}^{p_1\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}& p_2{e}^{p_2\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\ω}}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{U}_0-Acos\mathrm{\α}-Bsin\mathrm{\α}\\ A\mathrm{\ω}sin\mathrm{\α}-B\mathrm{\ω}\cos \mathrm{\α}\end{array}\right]---\left(8\right)$

由(5)式对时间求导,得：

$i_c\left(t\right)=C\frac{{\mathrm{du}}_c\left(t\right)}{dt}=A_1{p}_1{e}^{p_{1}t}+A_2{p}_2{e}^{p_{2}t}-A\mathrm{\ω}sin\mathrm{\ω}t+B\mathrm{\ω}cos\mathrm{\ω}t---\left(9\right)$

对i_c(t)作快速傅里叶变换(FFT)，得

$i_c\left(t\right)=\frac{c_{i0}}{2}+c_{i1}{i}_{c1}\left(t\right)+\Σc_{in}{i}_{cn}\left(t\right)---\left(10\right)$

其中，i_c1(t)为流过该装置的电流的基波分量，i_cn(t)为流过该装置的电流的高次谐波波分量。

c_i0为直流分量的傅里叶系数，c_i1为基波分量的傅里叶系数，c_in为高次谐波分量的傅里叶系数。

取基波分量i_c1(t)，假设为其中为RLC阻抗的阻抗角。则由(1)式和i_c1(t)，可以计算出无功装置吸收的无功功率为：

其中，c_i1是一个与触发延迟角α有关的系数，因此可以根据(11)式绘制出图4。可见，通过改变触发延迟角α，即可改变晶闸管控制电容器吸收的基波无功功率的大小，从而达到连续调节容性无功功率的目的。

以下阐述晶闸管控制电容器的具体工作过程：

在使用的时候，一般来说，首先将电容器预先充电至电源电压峰值，再按照触发延迟角所对应的时刻，给予反向的晶闸管VT₁一个脉冲触发信号，这时候，由于电容电压高于电源电压，因此电路中会流过反向的电流并且从零开始不断增大，电感电压同电容电压反向且不断减少，阻碍电流的增大，而电容由于放电会使得电容电压不断地减少。当电感电压减至零时，而电容电压也刚好过零，此时电路中流过的电容电流将达到最大。此后电感电压反向，并且续流以阻碍电容电流的减小，而此时电容电压开始反向增大。当电容电流减至零时，此时电容电压达到了反向的最大值，晶闸管VT₁关断，电容电压保持不变，电容电流为零，等待下次正向晶闸管VT₂的开通，再进行与上述相反的过程。通过控制晶闸管VT₁和VT₂的交替开通与关断，周而复始地进行电容的充放电过程，并且稳定的进行下去。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个装置和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各装置和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，所述晶闸管控制电容器包括硬件电路模块、测量和滤波模块以及控制系统模块，其中，

所述硬件电路模块包括一组反向并联的晶闸管、电抗器、电容器和电阻器，彼此以串联形式连接，然后一端并联到电网系统上，另一端接地，能够向电网系统注入可连续调节的无功功率，改善电网系统的运行电压水平和提高电网系统的稳定性；

所述测量和滤波模块用于对电网系统的电压和电流进行采样并且滤波，将结果输出到所述控制系统模块用以调节；

所述控制系统模块用于根据所述测量和滤波模块得出的反馈值以及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发延迟角，对所述硬件电路模块进行控制以调节所述晶闸管控制电容器吸收的无功功率，使所述硬件电路能够输出所期望的无功功率。

2.根据权利要求1所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述测量和滤波模块包括电压采集通道和电流采集通道，其中，

所述电压采集通道包括电压互感器、带阻滤波器、低通滤波器，其中，所述电压传感器采集电网系统的高电压并按比例关系变换成标准二次电压，然后依次输出到带阻滤波器和低通滤波器完成信号滤波；

所述电流采集通道包括电流互感器、带阻滤波器、低通滤波器，其中，所述电流传感器采集电网系统的大电流并按比例关系变换成标准二次电流，然后依次输出到带阻滤波器和低通滤波器完成信号滤波。

3.根据权利要求1所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述测量和滤波模块的输出为反映电网系统电压有效值大小的直流信号。

4.根据权利要求1所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述控制系统模块包括控制部分和触发部分，其中，

所述控制部分包括DSP单元，采用电压闭环的负反馈控制方法，通过检测到的电网系统电压U与电网系统电压参考值U_ref的比较，由其偏差来控制晶闸管控制电容器的运行，通过比例积分调节器改变偏差放大倍数以改变电压--电流特性的斜率，并输出至触发部分；

所述触发部分包括线性化环节和触发电路，其中，

所述线性化环节，位于所述触发部分输入端以及所述触发电路之间，用于补偿导通角与实际输出无功功率之间的非线性；

所述触发电路用于产生晶闸管触发脉冲。

5.根据权利要求4所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述控制部分引入补偿电流反馈I_svc，稳态时电压偏差为零，实现对电压的精确控制。

6.根据权利要求1所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述晶闸管控制电容器的动态特性和稳定性则由闭环系统的开环放大倍数和时间常数共同决定。

7.根据权利要求1所述的单相无功可连续调节的晶闸管控制电容器，其特征在于，

所述晶闸管控制电容器吸收的无功功率Q与触发延迟角α的关系式为:

其中，为RLC阻抗的阻抗角,c_i1为基波分量的傅里叶系数，E_m为电源电压幅值。