CN109728588A - 一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，包括与380V交流母线相连接的无功补偿机构，与所述无功补偿机构相连接的地线，以及与所述无功补偿机构信号互联的控制机构；该发明具有损耗较低、性能稳定等特点，改善晶闸管的导通状态，提高TSC的动态性能，减低运行损耗，提高电网经济性。

Description

一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置

技术领域

本发明涉及晶闸管辅助控制设备技术领域，具体涉及一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置。

背景技术

随着电力行业的发展，电力用户对供电需求的提高，保持电网的无功平衡，提高电能质量显得越发重要。目前，电网无功补偿方式大多数所采取的是SVC，其中晶闸管投切电容器(TSC)由于其良好的工作特性应用更为广泛。但是其动态性能较差，难以实现精度跟踪；其次，TSC无功补偿装置的晶闸管存在不正常导通情况。

授权公告号为CN202749818U中公开了一种晶闸管控制电抗器型静止无功补偿器装置控制器，用以控制电网中晶闸管控制电抗器型静止无功补装置，包括依次串行连接的采样单元、控制单元、晶闸管触发驱动单元；与控制单元并行连接开关量输入输出单元以及电源；控制单元根据采样单元的输出信号，通过控制算法输出脉冲触发信号，输给晶闸管触发驱动单元，实现对晶闸管控制电抗器型静止无功补偿装置的相位功率控制，根据晶闸管控制电抗器型静止无功补偿装置的启动和停止操作，输出开关信号，由开关输入输出单元实现对晶闸管控制电抗器型静止无功补偿装置开合闸控制；但依然存在动态性能差，难以实现精准定位以及晶闸管存在不正常导通补偿性能差的问题。

另外，授权公告号为CN103199540B中公开了一种低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置及其补偿方法。该补偿装置包括：采样模块，其用于采样低压母线上的电流、电压，获得第K次和第K+1次采样电压、电流，其中，K和K+1指电压和电流前后两次的采样点；计算模块，其用于根据第K次和第K+1次采样电压、电流计算出需要补偿的无功量；查找模块，其用于根据该无功量循环查找最佳的补偿电容组合投切；控制模块，其用于根据最佳的补偿电容组合，输出至少一个投切电平控制信号控制相应的晶闸管开关的导通，将相应的补偿电容与低压母线连通，实现最佳的补偿电容组合与低压母线连通，达到补偿低压母线无功量的目的，但该发明依然存在动态性能差，难以实现精准定位以及晶闸管存在不正常导通补偿性能差的问题。

因此为了改善晶闸管的导通状况，实现各组晶闸管的同时导通，提高TSC的补偿性能，本专利提出一种新型的晶闸管辅助控制装置，该装置能够检测晶闸管的导通状态，在晶闸管导通状态存在问题时发出闭锁信号，待晶闸管关断后再次触发晶闸管导通，实现不同组晶闸管的同时导通。其次，该装置能够实现电流补偿，保证晶闸管导通的可靠性。该装置具有损耗较低、性能稳定等特点，对改善晶闸管的导通状态，提高TSC的动态性能，减低运行损耗，提高电网经济性等各个方面都具有十分重要的实际意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，具有损耗较低、性能稳定等特点，改善晶闸管的导通状态，提高TSC的动态性能，减低运行损耗，提高电网经济性。

本发明提供一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，包括与380V交流母线相连接的无功补偿机构，与所述无功补偿机构相连接的地线，以及与所述无功补偿机构信号互联的控制机构；

所述无功补偿机构包括N组并联的TSC单元，和设置在相邻两组之间的电流补偿模块；

所述TSC单元包括输入端设置电感L且输出端设置电容C的反并联晶闸管模块，所述电容C的输出端与地线相连接。

所述控制机构包括用于对反并联晶闸管模块的电压电流进行检测并对信号进行预处理的晶闸管检测模块，用于对晶闸管检测模块发出的信号进行处理并产生控制信号的控制单元，与所述控制单元信号互联用于实现对各组反并联晶闸管模块通断控制的驱动模块，以及与反并联晶闸管模块电流进行补偿且保证晶闸管能够可靠导通的所述电流补偿模块。

所述电流补偿模块的工作状态为六种，包括正向充电、反向放电、反向旁路、反向充电、正向放电和正向旁路；

当U_AB>0，二极管D₁、D₄电流的流径为A→D₁→C_dc→D₄→B，电容处于正向充电状态，A支路电流对B支路电流进行补偿，如图3(A)所示；

当U_AB<0，开关T₁、T₄导通，其电流的流径为B→T₄→C_dc→T₁→A，电容处于反向放电状态，B支路电流对A支路电流进行补偿，如图3(B)所示；

当电容完全放电后，此时二极管D₂、D₃，开关T₁、T₄导通，其电流的流径为B→D₃→T₁→A或B→T₄→D₂→A，电路处于反向旁路，B对A进行电流补偿,如图3(C)所示；

当U_AB<0，其电容的反向充电状态的电流流径为B→D₃→C_dc→D₂→A，B对A进行电流补偿,如图3(D)所示；

其正向放电状态的电流流径为A→T₂→C_dc→T₃→B，A对B进行电流补偿,如图3(E)所示；

其正向旁路状态的电流流径为A→D₁→T₃→B或A→T₂→D₄→B，A对B进行电流补偿,如图3(F)所示。

所述反并联晶闸管模块为由两晶闸管反向并联的双向可控硅。

所述控制单元为89S52单片机或常规微控制器所述全控型半导体开关T为MOSFET或IGBT。

所述驱动模块为IR2110或UBA2030T或UBA3032。

所述晶闸管检测模块包括与所述反并联晶闸管模块并联且用于降低电压等级的分压器单元，所述分压器单元与所述电压互感器的输入端相连接，所述电压互感器的输出端与整流单元的输入端相连接，所述整流单元的输出端与滤波电路输入端相连通，所述滤波电路输出端与模数转换器输入端相连通，所述模数转换器的输出端输出电压信号判断单元。

所述分压器单元由分压电阻与采样电阻串联而成，且所述采样电阻的两极与电压互感器相对应的两输入极相连通。

本发明针对现有技术中电网无功补偿方式大多数所采取的是SVC，其中晶闸管投切电容器(TSC)由于其良好的工作特性应用更为广泛，但动态性能较差，难以实现精度跟踪；其次，TSC无功补偿装置的晶闸管存在不正常导通情况；提供一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，具有损耗较低、性能稳定等特点，对改善晶闸管的导通状态，提高TSC的动态性能，减低运行损耗，提高电网经济性。

另外，本发明针对当前不同组的TSC装置会出现导通不同时或者由于支路电流过低无法正常导通的问题，本装置通过电流补偿模块控制电容器的充放电过程，对电流较低的晶闸管支路进行电流补偿，保证流过晶闸管的高于擎住电流，保证双向可控硅的持续正常导通，待触发信号移除后依旧能够维持导通状态；本发明能够检测晶闸管的通断情况以及是否同时导通，当晶闸管出现未导通或是不同时导通的情况时，通过控制单元和晶闸管控制模块实现各组晶闸管同时导通；本发明结构简单，成本较低，且损耗较小，能够改善TSC的控制性能，提高控制精度，降低线路损耗，提高电能质量，装置具有一定的实际应用和推广价值。

另外，采用的晶闸管检测模块通过采集、变化、分析晶闸管阴阳极电压的电压信号实现晶闸管导通状态检测。晶闸管检测模块主要由分压器单元、电压互感器、整流单元、滤波电路、模数转换单元和电压信号判断单元等六部分组成。由于无功补偿装置主要应用的电压等级较高，首先通过分压器单元减少采样电压，采样电阻取5MΩ、分压电阻20MΩ，降低采样电压的电压等级。然后通过电压互感器将电压调节到直流电路能够接受的电压范围内，并依据直流电压的承受电压确定电压互感器变比K(K＝N:1)；经过电压互感器后采样电压仍为交流电压，需通过整流、滤波和数模转换后输入电压判断单元，电压判断单元(EPC3C16型FPGA)实时接收电压信息，若在一个判定区间中电压处于无电压状态，则判定该晶闸管未正常导通。

另外，本发明通过简单的控制策略实现，首先对电压电流信号进行检测，判断晶闸管的导通状态，当晶闸管出现不正常导通状态时，控制单元产生相应的调制信号，控制晶闸管关断，待晶闸管全部关断后，控制单元立刻控制晶闸管导通，实现各组晶闸管同时导通，进而实现各组TSC装置的同时投切，提高TSC的无功补偿性能，提高电网电能质量。特别是如图2的电路连接关系是重要的结构可以在权利要求和有益效果进行补充完善

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的电流补偿模块结构图；

图3为本发明的六种电流补偿工作原理示意图；

图4为本发明的控制流程示意图；

图5为本发明电流高于擎住电流时的示意图；

图6为本发明电流低于擎住电流时的示意图；

图7为本发明晶闸管检测模块的结构示意图；

图8为本发明双向可控硅的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-8，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为装置基本组成结构，该装置主要应用于TSC无功补偿，对晶闸管的导通情况进行改善，提高TSC的动态性能。该无功补偿装置是由n组TSC单元组成，不同组TSC单元之间用电流补偿模块进行连接；无功补偿机构两端分别与380V交流母线1和地线5相接。其TSC单元分别由反并联晶闸管模块3分别与电容C4和电感L2串联而组成。

图2为电流补偿模块结构图，模块采用H桥连接，全桥的四个桥臂分别由4组全控型半导体开关T(如IRFBC40型MOSFET或CT 60AM-20型IGBT)与电力二极管D反向并联单元组成，对角线支路由蓄能电容C_dc组成，利用电容充放电的特性，实现对TSC电流的补偿。

图3为全桥电流补偿工作原理，电路有6种工作状态，正向充电、反向放电、反向旁路、反向充电、正向放电和正向旁路。

当U_AB>0，二极管D₁、D₄，电流流径如图3A所示：A→D₁→C_dc→D₄→B，电容处于充电状态；当U_AB<0，开关T₁、T₄导通，电流的流径如图3B状态：B→T₄→C_dc→T₁→A，电容处于反向充电状态；当电容完全放电后，此时二极管D₂、D₃，开关T₁、T₄导通，电流的流径为如图3C所示：B→D₃→T₁→A或B→T₄→D₂→A电路处于正向旁路；

同理，当U_AB<0，其电容的反向充电状态如图3D所示，其电流流径为B→D₃→C_dc→D₂→A；当U_AB<0，其正向放电状态为如图3E所示，其电流流径为A→T₂→C_dc→T₃→B；其正向旁路状态如图3F所示，其电流流径为A→D₁→T₃→B或A→T₂→D₄→B。

图4为控制流程图，通过晶闸管检测模块7对晶闸管的电压电流进行检测并对信号的进行预处理。通过控制单元8(89S52单片机)对检测信号进行处理，产生控制信号，通过晶闸管的驱动模块9(型号:IR2110)，实现对各组晶闸管的通断控制。同时电流补偿模块6对晶闸管10电流进行补偿，保证晶闸管能够可靠的导通。通过对晶闸管的通断控制和电流补偿，实现各组晶闸管同时导通。其中的文字尽量换成数字和字母标示

图5电流高于擎住电流，晶闸管正常导通不会因触发信号移除而关断；图6电流低于擎住电流，晶闸管导通后又关断。本装置通过首先电流补偿模块对小电流的TSC支路进行补偿，让各个组的TSC支路电流保持在晶闸管擎住电流以上，其次装置对晶闸管的导通情况进行检测，当出现晶闸管未导通或延时导通时，控制单元发出信号使所有晶闸管全部关断，待晶闸管全部关断后控制单元立刻向驱动模块发出触发信号，驱动模块接受到信号后触发各组晶闸管导通，实现各组晶闸管的同时导通。

进一步地，本发明从传统的TSC装置出发，对TSC晶闸管导通情况进行改进，其工作原理如下所述；

一、图1为本装置的结构图，电能在向负荷传输过程中，由于线路自身的特性，传输过程中会产生功率损耗和电压偏移，为保证用户端电压的稳定，通过采用新型的晶闸管辅助控制装置改进了TSC工作性能，实现对无功实时补偿。

二、图2为电流补偿模块结构图，电路采用H桥连接，通过对电容的充放电控制，从而实现电容的连续可调，其范围为X_dc→∞，通过调节电容大小，控制流过的电流大小，实现对低电流TSC支路的电流补偿，使晶闸管在接收到触发信号后立即导通，触发信号移除后晶闸管依旧导通，即电流高于擎住电流。

三、图3为全桥电流补偿工作原理，当U_AB>0，二极管D₁、D₄，电流流径如图3A所示：A→D₁→C_dc→D₄→B，电容处于充电状态，A支路电流对B支路电流进行补偿；当U_AB<0，开关T₁、T₄导通，，电流的流径如图3B状态：B→T₄→C_dc→T₁→A，电容处于反向充电状态，B支路电流对A支路电流进行补偿；当电容完全放电后，此时二极管D₂、D₃，开关T₁、T₄导通，电流的流径为如图3C所示：B→D₃→T₁→A或B→T₄→D₂→A，电路处于正向旁路，B对A进行电流补偿；同理，当U_AB<0，其电容的反向充电状态如图3D所示，其电流流径为B→D₃→C_dc→D₂→A，B对A进行电流补偿；其正向放电状态为如图3E所示，其电流流径为A→T₂→C_dc→T₃→B，A对B进行电流补偿；其正向旁路状态如图3F所示，其电流流径为A→D₁→T₃→B或A→T₂→D₄→B，A对B进行电流补偿。

四、图4为控制策略图，首先通过晶闸管检测模块对双向可控硅的电压和电流进行采样检测，然后通过控制单元对检测的信号进行处理，判断晶闸管的导通状态，由晶闸管的具体情况对晶闸管控制模块发出相应的控制信号，控制模块控制晶闸管开通或关断。当晶闸管导通出现不正常导通时，控制晶闸管关断，待晶闸管全部关断后，控制单元立刻控制晶闸管导通，实现各组晶闸管同时导通。此外，电流补偿模块对小电流支路进行补偿，保证晶闸管在接收到触发信号后能够导通、晶闸管在导通之后不会因为电流过小而关断。

图7采用的晶闸管检测模块通过采集、变化、分析晶闸管阴阳极电压的电压信号实现晶闸管导通状态检测。晶闸管检测模块主要由分压器单元、电压互感器、整流单元、滤波电路、模数转换单元和电压信号判断单元等六部分组成。由于无功补偿装置主要应用的电压等级较高，首先通过分压器单元减少采样电压，采样电阻取5MΩ、分压电阻20MΩ，降低采样电压的电压等级。然后通过电压互感器将电压调节到直流电路能够接受的电压范围内，并依据直流电压的承受电压确定电压互感器变比K(K＝N:1)；经过电压互感器后采样电压仍为交流电压，需通过整流、滤波和数模转换后输入电压判断单元，电压判断单元(EPC3C16型FPGA)实时接收电压信息，若在一个判定区间中电压处于无电压状态，则判定该晶闸管未正常导通。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：包括与380V交流母线相连接的无功补偿机构，与所述无功补偿机构相连接的地线，以及与所述无功补偿机构信号互联的控制机构；

所述无功补偿机构包括N组并联的TSC单元，设置在相邻两组之间的电流补偿模块；

所述TSC单元包括输入端设置电感L且输出端设置电容C的反并联晶闸管模块，所述电容C的输出端与地线相连接。

2.如权利要求1所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述控制机构包括用于对反并联晶闸管模块的电压电流进行检测并对信号进行预处理的晶闸管检测模块，用于对晶闸管检测模块发出的信号进行处理并产生控制信号的控制单元，与所述控制单元信号互联用于实现对各组反并联晶闸管模块通断控制的驱动模块，与反并联晶闸管模块电流进行补偿且保证反并联晶闸管模块能够可靠导通的所述电流补偿模块。

3.如权利要求2所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述电流补偿模块的工作状态为六种，包括正向充电、反向放电、反向旁路、反向充电、正向放电和正向旁路；

当U_AB>0，二极管D₁、D₄电流的流径为A→D₁→C_dc→D₄→B，电容处于充电状态，A支路电流对B支路电流进行补偿；

当U_AB<0，开关T₁、T₄导通，其电流的流径为B→T₄→C_dc→T₁→A，电容处于反向放电状态，B支路电流对A支路电流进行补偿；

当电容完全放电后，此时二极管D₂、D₃，开关T₁、T₄导通，其电流的流径为B→D₃→T₁→A或B→T₄→D₂→A，电路处于反向旁路，B对A进行电流补偿；

当U_AB<0，其电容的反向充电电流流径为B→D₃→C_dc→D₂→A，B对A进行电流补偿；

其正向放电状态的电流流径为A→T₂→C_dc→T₃→B，A对B进行电流补偿；

其正向旁路状态的电流流径为A→D₁→T₃→B或A→T₂→D₄→B，A对B进行电流补偿。

4.如权利要求3所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述控制单元为89S52单片机或常规微控制器。

5.如权利要求4所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述驱动模块为IR2110或UBA2030T或UBA3032。

6.如权利要求5所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述晶闸管检测模块包括与所述反并联晶闸管模块并联且用于降低电压等级的分压器单元，所述分压器单元与所述电压互感器的输入端相连接，所述电压互感器的输出端与整流单元的输入端相连接，所述整流单元的输出端与滤波电路输入端相连通，所述滤波电路输出端与模数转换器输入端相连通，所述模数转换器的输出端连接输出电压信号判断单元。

7.如权利要求6所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述分压器单元由分压电阻与采样电阻串联而成，且所述采样电阻的两极与电压互感器相对应的两输入极相连通。

8.如权利要求7所述的基于电流补偿的晶闸管辅助控制装置，其特征在于：所述反并联晶闸管模块为由两晶闸管反向并联的双向可控硅。