CN107069764A - 一种混合型无功补偿控制器及使用方法 - Google Patents

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李耐心
杨宝崑
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姚玉永
穆勇
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武永兴
高帆
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程大印
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Abstract

本发明涉及一种混合型无功补偿控制器及使用方法，属于电力电子设备技术领域。技术方案是：包含电能检测电路板（1）、有源补偿模块（2）、采样模块和晶闸管投切电容器，所述电能检测路板的输入端与采样模块互相连接，输出端分别与有源补偿模块（2）、晶闸管投切电容器互相连接，采样模块包含网侧电流采样单元（3）、网侧电压采样单元（4）和系统电流采样单元（5）。本发明的有益效果是：能够有效结合低压有源滤波设备和无源补偿、具备智能分析控制、保护及较高运行可靠性，可以独立进行电能质量分析，具有动态调节功能，具有快速响应、经济性好的优点，能够保证输电系统安全、高效、稳定运行。

Description

一种混合型无功补偿控制器及使用方法
技术领域
本发明涉及一种混合型无功补偿控制器及使用方法，属于电力电子设备技术领域。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，工作在非线性条件下的各种功率器件与日俱增。大量的谐波和无功注入电网，严重恶化了电能质量，造成系统效率变低且功率因数变差。并对其它设备和装置产生扰动，严重影响了电网的安全运行和广大工农业生产的正常用电。因此采用无功补偿装置进行补偿。但是，现有的无功补偿控制器普遍存在稳定性差、响应时间长、可靠性低以及成本较高等缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种混合型无功补偿控制器及使用方法，通过采用无源和有源两种形式进行无功补偿，具有快速响应、经济性好的优点，能够保证输电系统安全、高效且稳定地运行，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种混合型无功补偿控制器，包含电能检测电路板、有源补偿模块、采样模块和晶闸管投切电容器，所述电能检测路板的输入端与采样模块互相连接，输出端分别与有源补偿模块、晶闸管投切电容器互相连接，采样模块包含网侧电流采样单元、网侧电压采样单元和系统电流采样单元。
所述电能检测电路板包含ARM处理器和ADE7880芯片。
还包含触控显示屏，所述触控显示屏与电能检测电路板互相连接。
还包含综合控制板，所述电能检测电路板设置在综合控制板上，综合控制板上还设有晶闸管控制信号模块和采样调理电路，电能检测电路板通过晶闸管控制信号模块输出电容控制输出信号与晶闸管投切电容器互相连接，通过采样调理电路与采样模块互相连接。
所述综合控制板设有第一通讯接口，有源补偿模块为APF（有源电力滤波器）模块，通过第一通讯接口与电能检测电路板互相连接，第一通讯接口包含第一RS485B接口、CAN（控制器局域网总线）通信接口和以太网接口。
所述综合控制板设有电容故障反馈信号处理模块，电容故障反馈信号处理模块与电能检测电路板互相连接。
所述综合控制板还设有故障存储模块，故障存储模块与电能检测电路板互相连接。
一种混合型无功补偿控制器的使用方法，包含如下步骤：
采样模块包含网侧电流采样单元、网侧电压采样单元和系统电流采样单元，采样模块与电能检测电路板连接，采集网侧电流、网侧电压和系统电流，并将采集到的信号输送至电能检测电路板；其中，网侧电流指的是配电网的内侧电流，网侧电压指的是配电网的内侧电压，系统电流指的是配电系统的输出电流；
电能检测电路板1基于采样模块采集的信号，有三种控制方式：A、控制晶闸管投切电容器的投入和退出，同时控制有源补偿模块的工作参数，从而控制晶闸管投切电容器的快速投切能力和有源补偿模块的无功功率补偿能力；B、电能检测电路板只控制晶闸管投切电容器的投入和退出，不直接控制有源补偿模块的工作参数；C、电能检测电路板1只控制有源补偿模块的工作参数，不直接控制晶闸管投切电容器的快速投切能力；所述有源补偿模块的工作参数，包括电压、电流、频率、有功/无功/视在功率、功率因数以及谐波；
晶闸管投切电容器与电能检测电路板1连接，具有快速投切能力，用来支持配电系统的电压并改善负荷的功率因数；晶闸管投切电容器对变化很大的负荷进行迅速的功率因数补偿。
本发明的有益效果是：能够有效结合低压有源滤波设备和无源补偿、具备智能分析控制、保护及较高运行可靠性，可以独立进行电能质量分析（参数包括电压、电流、频率、有功/无功/视在功率、功率因数以及谐波），具有动态调节功能，即随着滤波装置和补偿设备的投入引起的谐波含量及功率因数变化，实时调整投入及退出滤波装置和补，具有快速响应、经济性好的优点，能够保证输电系统安全、高效、稳定运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：电能检测电路板1、有源补偿模块2、网侧电流采样单元3、网侧电压采样单元4、系统电流采样单元5、综合控制板6、晶闸管控制信号模块7、采样调理电路8、第一RS485B接口9、CAN通信接口10、以太网接口11、电容故障反馈信号处理模块12、触控显示屏13、第二RS485B接口14、电容控制输出信号15、电容故障反馈16。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
一种混合型无功补偿控制器，包含电能检测电路板1、有源补偿模块2、采样模块和晶闸管投切电容器，所述电能检测路板1的输入端与采样模块互相连接，输出端分别与有源补偿模块2、晶闸管投切电容器互相连接，采样模块包含网侧电流采样单元3、网侧电压采样单元4和系统电流采样单元5。
所述电能检测电路板1包含ARM处理器和ADE7880芯片。
还包含触控显示屏13，所述触控显示屏13与电能检测电路板1互相连接。
还包含综合控制板6，所述电能检测电路板1设置在综合控制板6上，综合控制板6上还设有晶闸管控制信号模块7和采样调理电路8，电能检测电路板1通过晶闸管控制信号模块7输出电容控制输出信号15与晶闸管投切电容器互相连接，通过采样调理电路8与采样模块互相连接。
所述综合控制板6设有第一通讯接口，有源补偿模块2为APF（有源电力滤波器）模块，通过第一通讯接口与电能检测电路板1互相连接，第一通讯接口包含第一RS485B接口9、CAN通信接口10和以太网接口11。
所述综合控制板6设有电容故障反馈信号处理模块12，电容故障反馈信号处理模块12与电能检测电路板1互相连接。
所述综合控制板6还设有故障存储模块，故障存储模块与电能检测电路板1互相连接。
在实施例中，电能检测电路板1包括ARM处理器和ADE7880芯片（即计量芯片ADE7880谐波电能）。ARM处理器是一款RISC微处理器，ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。ARM处理器的耗电少功能强，且能保留32位系统的所有优势。
一种混合型无功补偿控制器的使用方法，包含如下步骤：
采样模块包含网侧电流采样单元3、网侧电压采样单元4和系统电流采样单元5，采样模块与电能检测电路板1连接，采集网侧电流、网侧电压和系统电流，并将采集到的信号输送至电能检测电路板1；其中，网侧电流指的是配电网的内侧电流，网侧电压指的是配电网的内侧电压，系统电流指的是配电系统的输出电流；
电能检测电路板1基于采样模块采集的信号，有三种控制方式：A、控制晶闸管投切电容器的投入和退出，同时控制有源补偿模块2的工作参数，从而控制晶闸管投切电容器的快速投切能力和有源补偿模块2的无功功率补偿能力；B、电能检测电路板1只控制晶闸管投切电容器的投入和退出，不直接控制有源补偿模块2的工作参数；C、电能检测电路板1只控制有源补偿模块2的工作参数，不直接控制晶闸管投切电容器的快速投切能力；所述有源补偿模块2的工作参数，包括电压、电流、频率、有功/无功/视在功率、功率因数以及谐波；
晶闸管投切电容器与电能检测电路板1连接，具有快速投切能力，用来支持配电系统的电压并改善负荷的功率因数；晶闸管投切电容器对变化很大的负荷进行迅速的功率因数补偿。
晶闸管投切电容器的选择取决于所需要的控制方式,并依据需要补偿的无功功率总量和负荷种类而定；为了使负载的功率因数补偿达到最佳可能的结果，控制信号直接从电能检测电路板送到晶闸管投切电容器，晶闸管投切电容器的功率因数补偿是根据无功功率的需求预选的。
配电网电压降的影响取决于电压降的幅值和电压降产生的频繁度，晶闸管投切电容器可以最大限度的抑制这些影响，并确保配电网电压符合标准。由于支持和稳定电网电源电压，晶闸管投切电容器可以减少生产设备的能量消耗，因此可以提高其生产能力。
在本发明另一个实施例中，有源补偿模块2为APF模块，APF模块是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。APF模块能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，能够克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法只能进行固定补偿的缺点。从而实现动态跟踪补偿，且可以既补谐波又补无功。AFP控制器通过第一通讯接口与电能检测电路板1连接，并控制APF模块的工作参数。
参见图1，第一通讯接口设置在综合控制板6上，且第一通讯接口包括第一RS485接口9、CAN通信接口10和以太网接口11。也就是说，所述第一通讯接口同时包括三种制式的接口，可以适用于不同接口形式的有源补偿单元（例如，APF模块或静止无功发生器SVG等）。具体地，在图示实施例中，第一RS485接口9的一端与电能检测电路板1连接，第一RS485接口9的另一端与有源补偿模块2（即带有APF控制器的APF模块）以RS485制式通信连接。可以理解的是，可以同时在其他接口连接其他的有源补偿模块。例如，在以太网接口11连接静止无功发生器SVG。进一步地，还可以采用CAN通信接口10与其他的相关设备或装置通信，例如，与系统的另一个混合型无功补偿控制器进行通信，或者与上位机进行通信。
参见图1，电能检测电路板1设置在综合控制板6上，且综合控制板6上进一步设置有晶闸管控制信号模块7和采样调理电路8。晶闸管控制信号模块7与电能检测电路板1连接，晶闸管控制信号模块7用于控制晶闸管投切电容器。采样调理电路8与电能检测电路板1连接，用于对采样模块采集的信号进行处理后输送至电能检测电路板1。
晶闸管控制信号模块7通过光耦转换将电能检测电路板1的输出信号转换为以模拟量的形式进行输出至电容控制输出信号15，以直接驱动晶闸管投切电容器的投入和退出。从而，不再需要设置其他的驱动器件，晶闸管控制信号模块可以直接控制晶闸管投切电容器的投入和退出。换句话说，混合型无功补偿控制器可以直接与晶闸管投切电容器连接，而控制晶闸管投切电容器的投入与退出。成本大大降低，现场安装大大简化，效率提高，且维护更加方便。
具体地，晶闸管控制信号模块7具有多路输出，例如多达12路的输出。每路输出的输出能力为10mA或20mA。有利的是，每路输出的输出能力为24V 10mA或24V 20mA，从而可以驱动与控制多达12路的电容支路。
在综合控制板6上集成有电容故障反馈信号处理模块12，电容故障反馈信号处理模块12将各电容支路反馈的故障信号进行处理后输送至电能检测电路板1。所述故障信号例如包括短路、断路、过热、过电压等等。有利的是，所述故障信号采用设置在电容处的检测器件来进行检测。有利的是，所述电能检测电路板在接收到故障信号后，一方面对相应电容支路进行保护处理（例如切断电容支路与主电路的连接），同时放出报警信号。所述报警信号包括声光报警信号，和传送至上位机的报警信号。
需要指出的是，混合型无功补偿控制器进一步包括故障存储模块，故障存储模块与电能检测电路板1连接，以存储电容故障反馈信号处理模块12输送至电能检测电路板1的故障信号。
触控显示屏13与电能检测电路板1通过RS485A接口14通信连接，触控显示屏13用于提供人机交互界面。
本发明的混合型无功补偿控制器的运行原理如下所述。
通过综合控制板6将采样电网电压、输出电流以及系统电流作为原始信号，对其进行滤波和比例转换，送入ARM处理器和ADE7880芯片中；
将ARM处理器计算出来的投切控制信号通过光耦转换为输出能力为24V10mA（AK2.354.196输出10 mA，AK2.354.196-1输出20 mA）的信号；
将电容支路故障反馈的24V信号通过光耦转换为能够送入ARM处理器的3.3V I/O信号。
通过与有源补偿单元（例如，静止无功发生器或APF单元）的RS485信号通信，最终柔性、动态地调节控制有源滤波设备（静止无功发生器或APF单元）投入，有效的降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境，提高电能质量。
根据本发明一实施例的混合型无功补偿控制器的技术参数如下所述。
◆适用环境
空气温度：不高于+55℃，不低于-30℃
大气条件：空气温度在20℃时，湿度不超过90%
海拔高度：≤2000m
环境条件：周围介质无爆炸危险，无足以损坏绝缘及腐蚀金属的气体，无导电尘埃。
◆主要技术参数
1.基本参数
工作电源：DC 24V输入，12V、±5V、1.6V输出
取样电压：AC 220V±15%（取A、B、C三相）
取样电流：0-5A（取A、B、C三相，包含网侧电流和系统电流）
输出接点：12路，DC 10mA, DC 20mA
12路故障输输入，开关量，RS485
本机功耗：≤15W
2.显示数据
三相电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率、频率、三相电流、电压谐波总畸变率、电流畸变率（18E/18F型）、各路电容状态、故障记录、APF状态。
3.保护功能
1）电网电压过压、欠压、缺相、谐波畸变率超限报警；
2）温度保护，直流母线过欠压、过载自动限流保护、频率越限保护、防雷保护、平衡电压保护；
3）具有上电自检测功能，自检异常时闭锁全部操作，并发出告警信息；
4）自检复归功能，保证每次通电后输出回路处于断开状态；
5）断电数据保护，断电后所有数据永久保留。
◆功能：
可以采样电网电压、输出电流、系统电流，通过分析电能质量，以太网通信接口，干节点信号，模拟量输出的形式控制谐波治理装置和无功补偿设备。具体具有如下功能：
a.无功补偿电容与APF集中控制。
b.补偿三相不平衡电流。
c.补偿谐波电流。
d.改善功率因数。
e.调节稳态电压。
本发明中的混合型无功补偿控制器中的采样模块采集网侧电流、网侧电压和系统电流，并将采集到的信号输送至电能检测电路板，电能检测电路板基于采集的信号控制晶闸管投切电容器的投入和退出和/或有源补偿模块的工作参数。通过采样模块进行实时电压、电流的采集和处理，且通过电能检测电路板控制晶闸管投切电容器的投入和退出和/或有源补偿模块的工作参数，以控制晶闸管投切电容器的快速投切能力和有源补偿模块的无功功率补偿能力。从而使本发明的混合型无功补偿控制器具有快速响应、经济性好的优点，能够保证输电系统安全、高效且稳定地运行。
本发明将晶闸管投切电容器和静止无功发生器SVG/APF相结合,设计了一种混合型无功补偿系统。该系统由晶闸管投切电容器、SVG/APF和混合型无功补偿控制器组成, 由晶闸管投切电容器用于无功功率的大范围粗略补偿,SVG/APF则用于无功功率的精确补偿,混合型无功补偿控制器用于实时电压、电流的采集和处理,控制产生由晶闸管投切电容器和SVG中开关器件的信号。本发明的混合型无功补偿控具有快速响应、经济性好的优点，能够保证输电系统安全、高效、稳定运行。

Claims (9)

1.一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：包含电能检测电路板（1）、有源补偿模块（2）、采样模块和晶闸管投切电容器，所述电能检测路板的输入端与采样模块互相连接，输出端分别与有源补偿模块（2）、晶闸管投切电容器互相连接，采样模块包含网侧电流采样单元（3）、网侧电压采样单元（4）和系统电流采样单元（5）。
2.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：所述电能检测电路板（1）包含ARM处理器和ADE7880芯片。
3.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：还包含触控显示屏（13），所述触控显示屏（13）与电能检测电路板（1）互相连接。
4.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：还包含综合控制板（6），所述电能检测电路板（1）设置在综合控制板（6）上，综合控制板（6）上还设有晶闸管控制信号模块（7）和采样调理电路（8），电能检测电路板（1）通过晶闸管控制信号模块（7）输出电容控制输出信号（15）与晶闸管投切电容器互相连接，通过采样调理电路（8）与采样模块互相连接。
5.根据权利要求4所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：所述综合控制板（6）设有第一通讯接口，有源补偿模块（2）为APF模块，通过第一通讯接口与电能检测电路板（1）互相连接，第一通讯接口包含RS485B接口（9）、CAN通信接口（10）和以太网接口（11）。
6.根据权利要求4所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：所述综合控制板（6）设有电容故障反馈信号处理模块（12），电容故障反馈信号处理模块（12）与电能检测电路板（1）互相连接。
7.根据权利要求6所述的一种混合型无功补偿控制器，其特征在于：所述综合控制板（6）还设有故障存储模块，故障存储模块与电能检测电路板（1）互相连接。
8.一种混合型无功补偿控制器的使用方法，其特征在于包含如下步骤：
采样模块包含网侧电流采样单元（3）、网侧电压采样单元（4）和系统电流采样单元（5），采样模块与电能检测电路板（1）连接，采集网侧电流、网侧电压和系统电流，并将采集到的信号输送至电能检测电路板；其中，网侧电流指的是配电网的内侧电流，网侧电压指的是配电网的内侧电压，系统电流指的是配电系统的输出电流；
电能检测电路板基于采样模块采集的信号，有三种控制方式：A、控制晶闸管投切电容器的投入和退出，同时控制有源补偿模块（2）的工作参数，从而控制晶闸管投切电容器的快速投切能力和有源补偿模块（2）的无功功率补偿能力；B、电能检测电路板只控制晶闸管投切电容器的投入和退出，不直接控制有源补偿模块（2）的工作参数；C、电能检测电路板只控制有源补偿模块（2）的工作参数，不直接控制晶闸管投切电容器的快速投切能力。
9.根据权利要求8所述的一种混合型无功补偿控制器的使用方法，其特征在于：晶闸管投切电容器的选择取决于所需要的控制方式,并依据需要补偿的无功功率总量和负荷种类而定；控制信号直接从电能检测电路板送到晶闸管投切电容器，晶闸管投切电容器的功率因数补偿是根据无功功率的需求预选的。
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