CN110011325B - 无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法。包括多个补偿模块组成的补偿系统和控制系统，控制系统包括AD采样模块和开关控制模块，控制系统包括还包括通信模块，无功补偿及三相平衡装置快速响应算法。本发明可以用较低的成本完成无功功率的快速跟踪补偿，以提高功率因数，同时可以完成系统三相电流的平衡，适用于工业设备的电能质量治理，尤其是无功需求波动频繁且三相电流不平衡的现场。

Description

无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法，更具体地说是一种基于嵌入组合式无功补偿及三相平衡装置uSVG以及快速响应算法。

背景技术

近些年，全球生产制造业重新布局，中国工业制造业势头强劲，传统制造过程中的冲压、焊装、喷涂等工艺流程以及新型制造业中的机器人的使用，都会引起无功功率需求的较大波动，若无快速跟踪的无功功率支撑，则会引起系统电压的大幅度闪变，从而影响生产产品质量。比如当诸多焊机安装于三相系统相间，因为各个相间安装的电焊机功率等级不同且工作在不同时段，所以工作过程中三相电流大小与相位均有很大不同，造成三相不平衡问题；同时电焊机工作为断续冲击型负载，工作过程连续时间多在0.1-1秒，在此过程中电流很大，无功需求有也很大，若此时段中系统容性无功支持不足，会引起系统电压严重跌落，从而影响电焊机的焊机温度，导致焊接质量下降，出现残次品。再如由于自动化装配设备中大量机器人的应用，导致生产过程中均存在大量变频器驱动操作机构，这些变频器大多为6脉波或12脉波整流桥，功率因数低且需求变化较大。总之，现代化的生产设备对无功功率的需求巨大且波动频繁，如果没有合适的设备就地快速提供无功功率，势必对电网电压带来冲击，而电压不正常的电能质量问题，会影响设备尤其是精密设备的正常运行。考虑到上述问题，为满足现场需求，已经研发出了多种无功补偿及三相不平衡治理装置，从技术先进程度与解决现场问题的实用性方面讲，晶闸管投切的电容器电抗以及有源的动态无功补偿设备凸现出了其优越性，但也存在其固有的缺点：其中晶闸管投切电容器电抗器成本较低但传统的操作方式下其投切速度特别是投入时的速度很慢，均大于0.02秒，尤其是在波动型无功需求时无法跟踪；而有源的动态无功补偿装置由于采用了快速的IGBT电力电子开关，对波动型负载的跟踪很快且可以输出不平衡电流，但是电力电子开关成本太高，大容量应用不现实，而且电力电子开关的通断过程会给电网带来高次谐波，因此虽然技术上存在优势但应用仍受诸多限制。为了解决大容量的无功波动以及三相不平衡问题，市场上最前沿的设备为混合补偿设备。整个装置由多个传统的电容器单元与一个有源SVG模块的组合。无源的电容器部分由无源控制器与多个电容器单元组成，由于电容器单元为“角外接”(电容器先组成角接，然后再与外部晶闸管及电感组合，晶闸管开关与电容器支路没法一一对应)，所以三个电容器只能同时投切，没法实现三相不平衡治理功能；由于无源控制器与电容器单元间采用IO口传输投切信号，所以机柜内需要很多二次控制线，生产、调试、维护均不方便，且整柜的EMC性能不好，驱动信号容易被干扰导致误投切。有源模组部分也包括有源模组及有源PWM控制器，控制器对有源模组的高频率PWM信号通过IO口或光纤传输。这种结构的混合补偿设备因为成本原因，有源部分容量通常很小，通常占整柜容量不足10％，所以运行过程所需绝大部分容量由无源部分承担，有源部分只承担电容器投切时的级差部分，对三相不平衡的治理功能也相当有限。从某种意义上讲，混合补偿是为了应对现场无功需求大容量波动的权益之计，也是无耐之举，但在快速度性方面并无太大提升且增加了系统复杂程度。

另一方面，在传统的晶闸管投切电容器产品中，均是单纯依赖硬件电路获取晶闸管开关两端电压过零点来选择投入时机，因为硬件电路对过零点的判断比较粗略，所以这种方式仅仅能够保证投入时晶闸管两端的电压尽量小，无法真正避免投入时的冲击电流，更严重的是，因为电容器内部放电电阻的作用，这种方式的电容器投入时机通常会在系统电压瞬时值较低的时刻，因电容器电流固有特性，也就是电容器投入正好处于电容器稳态电流的峰值处，换言之，虽然电压过零点投入的设计初衷是为了减小冲击电流，但却很难实现真正的电流平稳投入，而是要经过一段时间的暂态过程才能过渡到稳定的正弦电流，如果同时投入容量过大，这个过渡过程很容易引发系统振荡，从而背离了补偿的真正作用；而对补偿支路的切除，传统的设备是不做电压判断的，即：只要控制器给出IO指令置低，则晶闸管驱动信号就置低，待下一个电流过零点(此时系统电压峰值)自动关断，而这个点有可能是正的系统电压峰值点也可能是负的系统电压峰值点，所以下一次投入时相位也不能确定。另外由于电容器上没有专用放电电路，只是靠内部的安全放电电阻(阻值很大)来对其放电，所以需要很长时间才能使硬件重新获取过零点。综上所述，传统的电容器投切方式，既不能实现快速投切，也不能实现无冲击平稳电流投入。

发明内容

本发明的目的在于提供无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法，其硬件结构及软件架构适用于工业设备的电能质量治理，尤其是无功需求波动频繁且三相电流不平衡的现场。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为无功补偿及三相平衡装置以及快速响应算法，包括包括多个补偿模块组成的补偿系统和控制系统；

其中所述补偿模块包括“嵌入组合式”的电容器和相应的串联晶闸管，即先将控制电容器投切的晶闸管主开关与电容器串联组成支路，每个电容器均对应一个晶闸管，再组成角接电路的方式分别接于系统三相之间(即系统AB相之间、BC相之间、CA相之间)，且加入辅助开关电路。简单地说，就是将原有的“有源电路”嵌入集成到了晶闸管电路中组合成新的应用，而且每个补偿模块均包含有控制电路，所以称之为“嵌入组合式”，简称“uSVG”。

优选的实现方案是，每一个所述晶闸管主开关与电容器串联，组成支路中的晶闸管主开关和电容器分别并联辅助IGBT和辅助电阻串联支路，其中晶闸管与电容器串联组成补偿主电路，用于提供无功容量，晶闸管主开关并联的辅助IGBT和辅助电阻串联支路组成辅助充电电路，电容器并联的辅助IGBT和辅助电阻串联支路组成辅助放电电路，辅助充/放电电路用于在主晶闸管处于退出状态时来维持电容器上的电压，以保持退出后随时可投的“备用”状态。

优选的实现方案是，补偿模块从内部主电路接线方式上分为I类模块与II类模块，I类模块接法为正序，用于在相间电压的正向电压峰值时投/切，II类模块接法为负序，用于在相间电压的负向电压峰值时投/切，下面以任意两相m、n之间的补偿支路1#模块和2#模块为例说明，C1和S1分别是串接在m、n两相之间的补偿电容器和晶闸管，1#模块中支路器件接法顺序为m相－C1－S1－n相，用于在m、n之间的电压Umn的正向电压峰值时投/切，而2#模块中支路器件接法顺序为n相－S1－C1－m相，用于在Umn的负向电压峰值时投/切，I类模块与II类模块在AB相间、BC相间以及CA相间的接法相同，只要把m、n分别换成A、B，B、C或C、A即可。由于辅助电路的作用，保证了每条补偿支路可以在本支路于峰值电压处切除后的20ms内进入“备用”状态，则I类II类模块配合就能保证10ms的投－切转换时间，达到真正快速投切的目的。

所述控制系统包括AD采样模块和开关控制模块：

其中所述AD采样模块分别与系统三相或者各补偿电容器连接，用于对三相系统电压UAB、UBC、UCA、三个电容器电压UC1、UC2、UC3、三个补偿电流I1、I2、I3进行采样；

所述开关控制模块分别与各主晶闸管或者各辅助IGBT连接，用于产生各主晶闸管以及各辅助IGBT的开通脉冲信号；

优选的实现方案是，整套补偿模块系统中有一个主模块(通常设定为1#模块)，其它模块均为从模块，主模块除采样每个补偿模块的系统电压、电容器电压、补偿电流外，还采样外部负载电流ILA、ILB、ILC电流，用于计算所需要补偿容量；

所述控制系统包括还包括通信模块：

所述通信模块连接主模块与各从模块，以及各主、从模块与HMI人机界面，用于主、从模块间或者模块与HMI人机界面之间通信；

优选的实现方案是，主模块与各从模块间通过两路CAN网进行通信，其中CAN1通道用于主模块向从模块下发投/切指令，CAN2通道用于从模块向主模块以及HMI人机界面回传状态；

优选的实现方案是，考虑到主模块与从模块间是通过CAN网络进行指令下发以及状态回传的，为了保证整个系统的快速实时性，还采用了一种特别的补偿模块编号方案，具体地，整个系统最多可以包括21个补偿模块(容量已经足够大了，一般用不了这么多)，每个补偿模块中包括3个支路,分别连接于三相之间，所述编号方案将所有的补偿模块依次编号为N＝1～21,模块内部接于UAB间的支路编号与补偿模块编号同为N，接于UBC间为N+21，接于UCA间为N+42，支路总数为63个。CAN指令中的有效位数据为8Bytes，64bits，指令中的第0位为总开关，如果为0，则所有模块中的所有支路均切，如果为1则各模块中的去路按对应的指令位来进行投切操作；第1-21位对应UAB间的21条支路指令，第22-42位对应UBC间的21条支路指令，第43-63位对应UCA间的21条支路指令。图中30kVAI类模块简写为30kI，30kVAII类模块简写为30kII(其它容量模块也是如此)，由图中同时可以看出各支路模块编号从大到小分别配置为30kI-30kII-30kI-30kII-20kI-20kII-20kI-20kII-10kI-10kII,配置不限于此种组合，每条支路也不限于30kVA,20kVA或10kVA，但会按先I类模块后II类模块且I类与II类数目相同。

如前所述，CAN1网络负责指令数据的下发，CAN2网络负责模块状态的回传，以便主模块随时掌握各模块的状态，做出正确的投切策略；同时状态也会上传至HMI人机界面。

由于各补偿模块间只有CAN通信线相连，所以较以往用IO驱动方式，柜内接线大大简化，生产、调试、维护均简单方便可靠。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种无功补偿及三相平衡装置的快速响应算法，本算法以系统电压相位区间与电容器直流电压区间综合判断晶闸管投入时机，以系统电压相位作为晶闸管开关退出时机，辅助电路则用于在晶闸管退出后维持电容器上的电压，使其处于最佳投入电压区间，结合附图3和附图4，具体地讲，包括：

当晶闸管开关可投入的电容器直流电压下限<电容器直流电压<晶闸管开关可投入的电容器直流电压上限，

且晶闸管开关投入的最小相位角度<系统电压相位角度<晶闸管开关投入的最大角度时，

上述两个条件共同满足组成晶闸管开关的投入时机，

以1#补偿模块中的UAB间的支路为例。见附图3和附图4，

如图3示，Vpeak为系统电压正向峰值，Vpeak-S1_On_Th_L为晶闸管开关S1可投入的电容器直流电压下限，Vpeak+S1_On_Th_H为S1可投入的电容器直流电压上限；

如图4示，S1_On_Dgr_F为S1投入的最小角度，S1_On_Dgr_B为S1投入的最大角度；

即“Vpeak-S1_On_Th_L<UC1<Vpeak+S1_On_Th_H”且“S1_On_Dgr_F<Phase<S1_On_Dgr_B”两个条件共同组成S1的投入时机，

从两图中可以看出，S1投入时电容器直流电压处于正向系统电压峰值附近且角度在系统电压的相位的90度附近，这样就能保证投入时无冲击电流且补偿电流是从“零”电流开始直接进入稳态正弦波。

还包括

当晶闸管开关退出的最小相位角度<系统电压相位角度<晶闸管开关退出的最大角度时，切除晶闸管开关；

由图4可以看出，“S1_Off_Dgr_F<Phase<S1_Off_Dgr_B”时可以切除S1，即在大于0度且小于90度间的一个角度区间将S1的驱动脉冲置零，这样就能在补偿电流即将到来的过零点(即系统电压的正向峰值)处自行关断，从而可以使退出后电容器电压保持在正向电压峰值附近。

还包括

当电容器直流电压>该电容器并联辅助IGBTK4投入电压，

即UC1>Vpeak+K4_On_Th时，电容器并联辅助IGBTK4投入，

当电容器直流电压<该电容器4分断电压，

即UC1<Vpeak+K4_Off_Th时将该电容器并联辅助IGBTK4退出，

K4、R4组成的辅助电路用来在晶闸管切除后对电容器进行放电，因为补偿支路中感抗(可能是设计加入的实际电抗器或寄生电感，图中未画出)的存在，当电容器切除后电容器电压UC1会比系统电压峰值Vpeak高，由图3可以看出，当UC1>Vpeak+K4_On_Th时K4投入，当UC1<Vpeak+K4_Off_Th时将K4退出，即K4的两个投/退电压阈值构成滞缓，防止频繁投退。

还包括

当电容器电压下限值<电容器直流电压<电容器电压上限值，晶闸管并联辅助IGBTK1投入，

K1、R1组成的辅助电路用来在晶闸管切除后对电容器进行充电，由于电容器内部安全放电电阻的作用晶闸管S1切除后，如果长时间不再投入，电容器电压会持续降低以至于低于正常投入的电容器电压下限值Vpeak-S1_On_Th_L而导致不能无冲击投入，所以在当电容器电压处于Vpeak-K1_On_Th_L<UC1<Vpeak+K1_On_Th_H时将K1投入，分析电路可以看出，只有当系统电压瞬时值Vs>UC1时K1才会导通对C1进行充电，换言之，C1电压最高也就能充到系统电压峰值Vpeak，恰好处于UC1最佳投入电压区间。

还包括

在补偿模块刚开始上电时，

当晶闸管第一次投入电压负值<电容器直流电压<晶闸管第一次投入电压时，即—S1_1st_On_Th<电容器直流电压<+S1_1st_On_Th时，投入晶闸管开关；

见图3，图中还标出了一个UC1电压区间±S1_1st_On_Th，此电压区间是为了在补偿模块刚开始上电后由于电容器上电压尝未建立，所以不会在最佳投入电压区间内，只能比较电容器电压值与系统电压瞬时值，当小于一个阈值时就将其强行投入，整个上电工作过程中只有一次，不会对整个系统带来影响。

本发明的软件主要设计思路是根据支路中多个开关所处的状态，将支路分为：“未就绪”、“就绪”“初投”、“切除”、“备用”、“热投”、“故障”共7个状态，在这7个不同状态中，会对各个开关采取不同的操作，这种设计的优点在于将多个“纠缠”在一起的量先作为不同的组合，然后在不同的组合中采取不同的处理，使功能更稳定，同时软件编写与调试也更简单。具体地讲，补偿模块初上电即进入“未就绪”状态，进行适当延时后对系统电压、电容器电压、相位锁定、补偿电流等进行判断，如果全正常，则进入“就绪”状态，说明具备正常投切条件。在“就绪”态中等待投入指令(对于主模块，此指令由本模块发出，对于从模块，此指令由CAN1口接收)，收到投入指令后，由于是上电后第一次投入，因为电容器电压没有建立，所以转“初投”状态。在“初投”状态中控制器会实时检测系统电压与直流电压，当其差值小于5V时将主开关投入，投入后保持“初投”状态不变，直到接收到退出指令后转后“切除”状态。在“切除”状态中，控制器在最佳切除角度时关掉晶闸管开关的驱动信号，延时5ms后进入“备用”状态，在“备用”状态中，控制器会根据电容器上的直流电压的值实时地投入或退出充/放电辅助电路开关，将电容器上的电压维持在最佳投入电压，如果接收到投入指令，则进入“热投”状态。在“热投”状态中，控制器根据最佳投入相位及最佳投入电压区间将晶闸管投入，并将辅助充/放电电路开关退出，直到接收到退出指令后，进入“切除”状态。可以看出正常运行情况下，就是在“热投”、“切除”、“备用”3个状态中周而复始。为了增强设备的可靠性，本发明中软件加入了健壮性设计，具体地讲，即故障恢复功能，从流程图中可以看出，在主流程中有对于故障的判断，当系统电压、电容器电压、锁相等出现异常时，会进入“故障”状态，在此状态中，首先关闭所有开关，使补偿模块处于安全状态，然后延时10ms后，重新进行各电量的判断，如果符合正常运行条件即再次进入“就绪”状态，准备重新投入运行，这种设计避免了因为电网原因而非装置硬件原因产生的运行异常导致装置退出运行的情况。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种用于电力系统无功补偿及三相不平衡治理的方案，适用于工业设备的电能质量治理，尤其是无功需求波动频繁且三相电流不平衡的现场。可以用较低的成本完成无功功率的快速跟踪补偿，以提高功率因数，同时可以完成系统三相电流的平衡。补偿模块采用了相间三角形接线方式且有源开关(如IGBT)与晶闸管电容器投切电路均集成于一体的“嵌入式组合”、“uSVG”接线方式，补偿部分不再分为“有源部分”与“无源部分”，补偿模块中有一个“主模块”与多个“从模块”，主模块承担自身各个开关的投切，同时还根据负载计算需要的无功容量与不平衡电流情况，给其它从模块发送投切指令；从模块被动接收主模块发来的投切指令；主从模块间通过双CAN网络通信，在投切速度与功能上有很大的提升，具有很强的工程应用意义。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1是本发明的电气原理图；

附图2是现有的混合补偿装置的电气原理图；

附图3是各晶闸管和IGBT投切的电压区间示意图；

附图4是各晶闸管投切的系统相位角度区间示意图；

附图5是软件功能流程图；

附图6是CAN指令结构示意图；

附图7是CAN模块返回状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图2所示的是现有的混合补偿设备。由图中可以看出，整个装置是多个传统的电容器单元与一个有源SVG模块的组合。无源的电容器部分由无源控制器与多个电容器单元组成，由于电容器单元为“角外接”(电容器先组成角接，然后再与外部晶闸管及电感组合，晶闸管开关与电容器支路没法一一对应)，所以三个电容器只能同时投切，没法实现三相不平衡治理功能；由于无源控制器与电容器单元间采用IO口传输投切信号，所以机柜内需要很多二次控制线，生产、调试、维护均不方便，且整柜的EMC性能很差，驱动信号容易被干扰导致误投切。有源模组部分也包括有源模组及有源PWM控制器，控制器对有源模组的高频率PWM信号通过IO口或光纤传输。这种结构的混合补偿设备因为成本原因，有源部分容量通常很小，通常占整柜容量不足10％，所以运行过程所需绝大部分容量由无源部分承担，有源部分只承担电容器投切时的级差部分，对三相不平衡的治理功能也相当有限。

请参阅图1所示，嵌入组合式uSVG改变了混合补偿中将有源与无源分为两部分分别控制的方式，而是将传统晶闸管投切电容器电路改为“角内接”(先将晶闸管主开关与电容器串联组成支路后，再去组成角接电路，每个晶闸管均对应一个电容器)方式接于相间(系统电压AB间、BC间、CA间)，且加入辅助开关电路。

先从总体上看，整个系统分为“补偿模块”与“HMI人机界面”两部分，补偿模块对外接口除了系统主电路三相接线外，只有2个CAN通信口，大大简化了生产接线、调试与维护。HMI部分为人机界面，用来实现开关机控制及重要电量监控。

再看补偿模块内部，以图1中的1#模块为例说明，C1、C2、C3为主电容器，S1、S2、S3为晶闸管开关，K1－K6为辅助IGBT，R1－R6为辅助电阻。再进一步以接在AB相间的支路为例，S1与C1组成补偿主电路，用于提供无功容量，K1与R1组成辅助充电电路，K4与R4组成辅助放电点电，辅助充/放电电路用于在主晶闸管S1处于退出状态时来维持电容器C1上的电压，以保持退出后随时可投的“备用”状态。接在BC相间以及CA相间的电路相同。补偿模块的控制部分由AD采样模块、开关控制模块、通信模块等部分构成；AD采样模块用于对三相系统电压UAB、UBC、UCA、三个电容器电压UC1、UC2、UC3、三个补偿电流I1、I2、I3进行采样。开关控制模块用于产生S1、S2、S3主晶闸管以及K1-K6辅助IGBT的脉冲信号。通信模块用于模块间通信。补偿模块从内部主电路接线方式上分为I类模块与II类模块，具体地，I类模块接法为正序，II类模块接法为负序，以1#模块2#模块UAB间的补偿支路为例说明，1#模块中支路器件接法顺序为UA－C1－S1－UB，用于在UAB的正向电压峰值时投/切，而2#模块中支路器件接法顺序为UB－S1－C1－UA，用于在UAB的负向电压峰值时投/切，辅助电路保证每条补偿支路可以在本支路于峰值电压处切除后的20ms内进入“备用”状态，则I类II类模块配合就能保证10ms的投－切转换时间，达到真正快速投切的目的。I类模块与II类模块BC相间以及CA相间的接法区别相同。从图1中还可看出，系统中奇数序号的补偿模组配置为I类，偶数序号的补偿模组配置为II类。整套系统中1#模块为主模块，其它模块均为从模块，主模块除采样上述的系统电压、电容器电压、补偿电流外，还采样外部负载电流ILA、ILB、ILC电流，用于计算所需要补偿容量。主模块与各从模块间通过两路CAN网进行通信，其中CAN1通道用于主模块向从模块下发投/切指令，CAN2通道用于从模块向主模块以及HMI人机界面回传状态。由于各补偿模块间只有CAN通信线相连，所以较以往用IO驱动方式，柜内接线大大简化，生产、调试、维护均简单方便可靠。

软件上也采用了全新的投切策略：

在传统的晶闸管投切电容器产品中，均是单纯依赖硬件电路获取晶闸管开关两端电压过零点来选择投入时机，因为硬件电路对过零点的判断比较粗略，所以这种方式仅仅能够保证投入时晶闸管两端的电压尽量小，无法真正避免投入时的冲击电流，更严重的是，因为电容器内部放电电阻的作用，这种方式的电容器投入时机通常会在系统电压瞬时值较低的时刻，因电容器电流固有特性，正好处于电容器稳态电流的峰值处，换言之，虽然电压过零点投入的设计初衷是为了减小冲击电流，但却很难实现真正的电流平稳投入，而是要经过一段时间的暂态过程才能过渡到稳定的正弦电流，如果同时投入容量过大，在这个过渡过程中很容易与系统引发振荡，从而背离了补偿的真正作用；而对支路的切除，传统的设备是不做电压判断的，即：只要控制器给出IO指令置低，则晶闸管驱动信号就置低，待下一个电流过零点(系统电压峰值)自动关断，而这个点有可能是正的系统电压峰值点也可能是负的系统电压峰值点，所以下一次投入时相位也不能确定。另外由于电容器上没有专用放电电路，只是靠内部的安全放电电阻(阻值很大)来对其放电，所以需要很长时间才能使硬件重新获取过零点。综上所述，传统的电容器投切方式，既不能实现快速投切，也不能实现无冲击平稳电流投入。本发明彻底改变了应用多年的硬件过零检测方式，以系统电压相位区间与电容器直流电压区间综合判断晶闸管投入时机，以系统电压相位作为晶闸管开关退出时机，辅助电路则用于在晶闸管退出后维持电容器上的电压，使其处于最佳投入电压区间。具体地讲，以1#补偿模块中的UAB间的支路为例，如图3示，Vpeak为系统电压正向峰值，Vpeak-S1_On_Th_L为晶闸管开关S1可投入的电容器直流电压下限，Vpeak+S1_On_Th_H为S1可投入的电容器直流电压上限；图4中的S1_On_Dgr_F为S1投入的最小角度，S1_On_Dgr_B为S1投入的最大角度；即“Vpeak-S1_On_Th_L<UC1<Vpeak+S1_On_Th_H”且“S1_On_Dgr_F<Phase<S1_On_Dgr_B”两个条件共同组成S1的投入时机，从两图中可以看出，S1投入时电容器直流电压处于正向系统电压峰值附近且角度在系统电压的相位的90度附近，这样就能保证投入时无冲击电流且补偿电流是从“零”电流开始直接进入稳态正弦波。由图4可以看出，“S1_Off_Dgr_F<Phase<S1_Off_Dgr_B”时可以切除S1，即在大于0度且小于90度间的一个角度区间将S1的驱动脉冲置零，这样就能在补偿电流即将到来的过零点(即系统电压的正向峰值)处自行关断，从而可以使退出后电容器电压保持在正向电压峰值附近。K4、R4组成的辅助电路用来在晶闸管切除后对电容器进行放电，因为补偿支路中感(可能是设计加入的实际电抗器或寄生电感，图中未画出)的存在，当电容器切除后电容器电压UC1会比系统电压峰值Vpeak高，由图3可以看出，当UC1>Vpeak+K4_On_Th时K4投入，当UC1<Vpeak+K4_Off_Th时将K4退出，即K4的两个投/退电压阈值构成滞缓，防止频繁投退。K1、R1组成的辅助电路用来在晶闸管切除后对电容器进行充电，由于电容器内部安全放电电阻的作用晶闸管S1切除后，如果长时间不再投入，电容器电压会持续降低以至于低于正常投入的正常电容器电压下限值Vpeak-S1_On_Th_L而导致不能无冲击投入，所以在当电容器电压处于Vpeak-K1_On_Th_L<UC1<Vpeak+K1_On_Th_H时将K1投入，分析电路可以看出，只有当系统电压瞬时值Vs>UC1时K1才会导通对C1进行充电，换言之，C1电压最高也就能充到系统电压峰值Vpeak，恰好处于UC1最佳投入电压区间。图3中还标出了一个UC1电压区间±S1_1st_On_Th，此电压区间是为了在补偿模块刚开始上电后由于电容器上电压尝未建立，所以不会在最佳投入电压区间内，只能比较电容器电压值与系统电压瞬时值，当小于一个阈值时就将其强行投入，整个上电工作过程中只有一次，不会对整个系统带来影响。

图5为软件主功能流程图，仍然是以1#补偿模块的UAB间的支路为例说明(其它支路原理相同)，主要设计思路是根据支路中多个开关所处的状态，将支路分为：“未就绪”、“就绪”“初投”、“切除”、“备用”、“热投”、“故障”共7个状态，在这7个不同状态中，会对各个开关采取不同的操作，这种设计的优点在于将多个“纠缠”在一起的量先作为不同的组合，然后在不同的组合中采取不同的处理，使功能更稳定，同时软件编写与调试也更简单。具体地讲，补偿模块初上电即进入“未就绪”状态，进行适当延时后对系统电压、电容器电压、相位锁定、补偿电流等进行判断，如果全正常，则进入“就绪”状态，说明具备正常投切条件。在“就绪”态中等待投入指令(对于主模块，此指令由本模块发出，对于从模块，此指令由CAN1口接收)，收到投入指令后，由于是上电后第一次投入，因为电容器电压没有建立，所以转“初投”状态。在“初投”状态中控制器会实时检测系统电压与直流电压，当其差值小于5V时将主开关投入，投入后保持“初投”状态不变，直到接收到退出指令后转后“切除”状态。在“切除”状态中，控制器在最佳切除角度时关掉晶闸管开关的驱动信号，延时5ms后进入“备用”状态，在“备用”状态中，控制器会根据电容器上的直流电压的值实时地投入或退出充/放电辅助电路开关，将电容器上的电压维持在最佳投入电压，如果接收到投入指令，则进入“热投”状态。在“热投”状态中，控制器根据最佳投入相位及最佳投入电压区间将晶闸管投入，并将辅助充/放电电路开关退出，直到接收到退出指令后，进入“切除”状态。可以看出正常运行情况下，就是在“热投”、“切除”、“备用”3个状态中周而复始。为了增强设备的可靠性，本发明中软件加入了健壮性设计，具体地讲，即故障恢复功能，从流程图中可以看出，在主流程中有对于故障的判断，当系统电压、电容器电压、锁相等出现异常时，会进入“故障”状态，在此状态中，首先关闭所有开关，使补偿模块处于安全状态，然后延时10ms后，重新进行各电量的判断，如果符合正常运行条件即再次进入“就绪”状态，准备重新投入运行，这种设计避免了因为电网原因而非装置硬件原因产生的运行异常导致装置退出运行的情况。

考虑到主模块与从模块间是通过CAN网络进行指令下发以及状态回传的，为了保证整个系统的快速实时性，本发明也采用了一种巧妙的补偿模块编号方案，具体地，如表1与图7所示，整个系统最多可以包括21个补偿模块(容量已经足够大了，一般用不了这么多)，如前所述，每个补偿模块中包括3个支路,分别连接于三相之间，本方案中将所有的补偿模块编号为N＝1～21,模块内部接于UAB间的支路编号与补偿模块编号同为N，接于UBC间为N+21，接于UBC间为N+42，支路总数为63个。CAN指令中的有效位数据为8Bytes，64bits，指令中的第0位为总开关，如果为0，则所有模块中的所有支路均切，如果为1则各模块中的去路按对应的指令位来进行投切操作；第1-21位对应UAB间的21条支路指令，第22-42位对应UBC间的21条支路指令，第43-63位对应UCA间的21条支路指令。图中30kVAI类模块简写为30kI,II类模块简写为30kII(其它容量模块也是如此)，由图中同时可以看出各支路模块编号从大到小分别配置为30kI-30kII-30kI-30kII-20kI-20kII-20kI-20kII-10kI-10kII,配置不限于此种组合，每条支路也不限于30kVA,20kVA或10kVA，但会按先I类模块后II类模块且I类与II类数目相同。

表1SCR编号规则

附图7是CAN模块返回状态示意图，CAN1网络负责指令数据的下发，CAN2网络负责模块状态的回传，以便主模块随时掌握各模块的状态，做出正确的投切策略；同时状态也会上传至HMI人机界面。如图7所示，返回状态帧共有2Bytes,即16bits，其中0-4位为模块编号，5-6为模块类型(I类或II类)，7-9位为各模块中各支路投/切状态，10-11位为AB支路故障代码，12-13为BC支路故障代码，14-15为CA支路故障代码。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个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，各功能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。

另外，本领域普通技术人员可以理解实现上述各实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘或光盘等。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.无功补偿及三相平衡装置，包括多个补偿模块组成的补偿系统和控制系统，其特征在于：

所述补偿模块包括“嵌入组合式”的电容器和相应的串联晶闸管，即先将控制电容器投切的晶闸管主开关与电容器串联组成支路，再组成角接电路的方式分别接于系统三相之间，且加入辅助开关电路；

所述补偿模块从内部主电路接线方式上分为I类模块与II类模块，I类模块接法为正序，用于在相间电压的正向电压峰值时投/切，II类模块接法为负序，用于在相间电压的负向电压峰值时投/切；

所述控制系统包括AD采样模块和开关控制模块：

其中所述AD采样模块分别与系统三相或者各补偿电容器连接，用于对三相系统电压U_AB、U_BC、U_CA、三个电容器电压U_C1、U_C2、U_C3、三个补偿电流I₁、I₂、I₃进行采样；

所述开关控制模块分别与各主晶闸管或者各辅助IGBT连接，用于产生各主晶闸管以及各辅助IGBT的开通脉冲信号；

所述补偿系统中有一个主模块，其它模块均为从模块，主模块除采样每个补偿模块的系统电压、电容器电压、补偿电流外，还采样外部负载电流IL_A、IL_B、IL_C电流，用于计算所需要补偿容量；

所述控制系统还包括通信模块：通信模块连接主模块与各从模块，以及各主、从模块与HMI人机界面，用于主、从模块间或者模块与HMI人机界面之间通信。

2.根据权利要求1所述的无功补偿及三相平衡装置，其特征在于，每一个所述电容器与晶闸管主开关串联，组成支路中的晶闸管主开关和电容器分别并联辅助IGBT和辅助电阻串联支路，其中晶闸管与电容器串联组成补偿主电路，用于提供无功容量，晶闸管主开关并联的辅助IGBT和辅助电阻串联支路组成辅助充电电路，电容器并联的辅助IGBT和辅助电阻串联支路组成辅助放电电路，辅助充/放电电路用于在主晶闸管处于退出状态时来维持电容器上的电压，以保持退出后随时可投的“备用”状态。

3.根据权利要求1所述的无功补偿及三相平衡装置，其特征在于，所述主模块与各从模块间通过两路CAN网进行通信，其中CAN1通道用于主模块向从模块下发投/切指令，CAN2通道用于从模块向主模块以及HMI人机界面回传状态。

4.根据权利要求1所述的无功补偿及三相平衡装置，其特征在于，所述补偿系统包括21个补偿模块，每个补偿模块中包括3个支路,分别连接于三相之间，所有的补偿模块依次编号为N＝1～21,模块内部接于U_AB间的支路编号与补偿模块编号同为N，接于U_BC间为N+21，接于U_CA间为N+42，支路总数为63个；30kVA I类模块简写为30kI，30kVA II类模块简写为30kII，按先I类模块后II类模块且I类与II类数目相同。

5.如1-4任意一所述的无功补偿及三相平衡装置的快速响应算法，其特征在于，包括：

当晶闸管开关可投入的电容器直流电压下限<电容器直流电压<晶闸管开关可投入的电容器直流电压上限，

且晶闸管开关投入的最小相位角度<系统电压相位角度<晶闸管开关投入的最大角度时，

上述两个条件共同满足组成晶闸管开关的投入时机，

还包括

当晶闸管开关退出的最小相位角度<系统电压相位角度<晶闸管开关退出的最大角度时，切除晶闸管开关；

还包括

当电容器直流电压>该电容器并联辅助IGBT投入电压，

电容器并联辅助IGBT投入，

当电容器直流电压<该电容器并联辅助IGBT分断电压，

电容器并联辅助IGBT退出，

还包括

当电容器电压下限值<电容器直流电压<电容器电压上限值，晶闸管并联辅助IGBT投入，

还包括

在补偿模块刚开始上电时，

当晶闸管第一次投入电压负值<电容器直流电压<晶闸管第一次投入电压时，投入晶闸管开关。

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