CN201197078Y

CN201197078Y - 一种混合型静止无功发生器

Info

Publication number: CN201197078Y
Application number: CNU2007200163432U
Authority: CN
Inventors: 孙辉; 张明; 邹积岩; 李�赫
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2017-11-29

Abstract

本实用新型公开了一种混合型静止无功发生器(HSVG)，它属于电力系统及其自动化领域。其特征在于：HSVG由主电路和控制系统组成。主电路由n(n为正整数)组晶闸管投切电容器(TSC)和1组静止无功发生器(SVG)并联组成。n组TSC实现对无功功率的分级补偿，分级之间的无功功率通过SVG进行动态连续平滑的调节。控制系统实现主电路各单元的既定功能以及各单元之间的统一协调和相互配合。控制系统包括检测单元、数字信号处理单元、指令信号发生单元、通信和监控单元。本实用新型充分继承了SVG的优点，同时显著降低了整个装置的成本，具有响应速度快、运行范围宽、输出谐波小、不存在谐振问题、体积小、性价比高等优点。

Description

一种混合型静止无功发生器

技术领域

本实用新型属于电力系统及其自动化领域，涉及到电网动态无功补偿技术。

背景技术

静止无功补偿装置的发展大致经历了从同步调相机、并联电容器、SVC到SVG的过程。同步调相机的技术陈旧，运行中的损耗和噪声都比较大，维护复杂，响应速度慢，难以满足快速动态无功补偿的要求。并联电容器的连续可控能力差，无法快速、有效的跟踪负荷无功需求的变化，也不能实现对无功功率的动态、连续补偿，而且当系统存在谐波时还可能导致谐波放大，甚至发生谐振。

SVC是一种并联型静止无功发生器或吸收器，其输出可变，以保持或控制电力系统中的特定参数。虽然SVC具有控制相应快速、维护要求较低、可以按相控制、损耗较小、可靠性较高等优点，但是当SVC运行在线性可控范围之外时，其发出的无功功率随着端电压的平方而变化，从而大大削弱其在低电压时的动态无功支撑作用。SVC中的TCR在运行时会产生大量的谐波，自身需要装设滤波器，且存在与系统谐振的可能。SVC需要大量的电容器组和电抗器，占地面积较大。

SVG是一种静止的电气设备、装置或系统，它能够从电力系统中吸收可控的容性或感性电流，从而发出或吸收无功功率。SVG除了具有SVC所有的良好性能之外，它比SVC的响应速度更快、运行范围更宽、构成设计紧凑、占地面积小、噪声低、电磁干扰小，而且输出电流不受系统电压的影响，即使在电压降低时也能发出所需的无功功率，比SVC具有更好的电压支撑作用。SVG在运行时产生的谐波小，自身无需装设滤波器，不存在与系统谐振的可能。不过，为了满足系统补偿容量的要求，目前SVG的成本仍然是绝大多数系统和用户难以承受的，因而大大限制了SVG在国内的工程化和实用化的进程。

发明内容

本实用新型的目的是：克服上述无功补偿装置的缺陷，综合考虑目前我国电网的实际情况，提供一种具有较高实用价值的无功发生器，解决电力系统中对无功功率的控制和补偿问题。

为达到上述目的，本实用新型设计了一种混合型静止无功发生器，它由主电路和控制系统组成。其主电路由n组TSC和1组SVG并联组成。TSC通过控制一对反向并联的晶闸管阀的导通或关断来投入或切除与其串联的电容器。每个电容器都串联一个小型电抗器以限制该支路电流的暂态分量，同时也避免与系统发生谐振。SVG的主体部分是一个VSC，其输入端接一个直流电容器，用以提供一条电流循环的路径，并作为一个恒压源用。其输出端产生三相交流电压，分别与相应的交流系统的电压同相位。SVG通过相对较小的连接电抗与交流系统相连接。SVG与交流系统之间的无功功率交换可以通过改变VSC的三相输出电压的幅值来实现。SVG的容量设计为混合型静止无功发生器总容量的1/n。

控制系统实现主电路各单元的既定功能以及各单元之间的统一协调和相互配合，利用电压和无功两个判别量对补偿对象的电压和无功进行综合控制，以保证电压在合格范围内，同时实现无功功率的基本平衡。当系统正常运行时，充分利用TSC的补偿作用，SVG的补偿容量用来动态连续平滑的调节无功功率。n组TSC实现对无功功率的分级补偿，在每个分级之间的无功功率通过SVG进行快速、动态、无级差的调节。另外，控制系统根据监控单元所采集的信号，使得晶闸管阀等执行单元具有完备的闭锁控制功能，以保证一次设备的安全。实时控制系统包括检测单元、数字信号处理单元、指令信号发生单元、监控单元和通信单元。控制系统下位机的核心为两片数字信号处理器(DSP)构成的主从式系统，上位机的核心是工控机。软件部分采用C语言和汇编语言混合编程的方式。

本实用新型中SVG在其额定的最大容性和感性输出范围之内，能够不依赖于交流系统电压而独立的控制其输出电流，表现为恒流源特性，即使在电压降低时也能发出所需的无功功率。SVG的这种功能对于阻止交流系统因受到大的扰动而可能出现的电压崩溃是非常有效的。SVG采用空间矢量脉宽调制(PWM)控制技术，使其自身产生的谐波减小到可以接受的程度，本身无需配置滤波器，也不存在谐振问题。SVG的容量只占混合型静止无功发生器总容量的1/n，不仅使其VSC的结构相对简单，容易实现，也使其成本得到显著降低。此外，该部分采用模块化结构，有利于扩展装置的容量。这样，补偿对象所需的大部分无功功率由成本相对较低的TSC提供，而动态平滑无功功率和快速提供动态无功支撑则由SVG实现。

本实用新型的效果和益处是：能够快速、有效的实现电力系统中对无功功率的控制和补偿。充分继承了SVG技术上的优越性能，克服了SVG成本过高的缺点，响应速度快、运行范围宽、占地面积小、噪声低、电磁干扰小，具有较高的性价比和实用价值，是一种拥有良好社会经济效益的动态无功补偿技术。

附图说明

图1是一种混合型静止无功发生器的单线结构示意图。

图2是一种混合型静止无功发生器的主电路的原理图。

图3是SVG的变流器中IPM的缓冲和保护电路。

图4是SVG的变流器中IPM和DSP的接口电路。

图5是一种混合型静止无功发生器的下位机控制电路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型由主电路和控制电路组成。主电路由n组TSC和1组SVG并联组成。TSC通过控制一对反向并联晶闸管阀的导通或关断来投入或切除与其串联的电容器。TSC的晶闸管阀采用同步投切技术，晶闸管阀在检测到其上电压为最小的瞬间导通，在流经它的电流过零时关断，以使投切过程的暂态量最小。另外，每个电容器都串联一个小型电抗器以限制该支路电流的暂态分量，同时也避免与系统发生谐振。TSC的电压—电流运行特性是离散的，它决定于TSC单元的数目、它们各自的额定容量，以及用来避免电容器频繁投切的滞环电压等条件。

SVG的主体部分是一个VSC，如图2所示。其输入端接一个直流电容器，用以提供一条电流循环的路径并作为一个恒压源用。其输出端产生三相交流电压，分别与相应的交流系统的电压同相位。SVG通过相对较小的连接电抗与交流系统相连接。SVG与交流系统之间的无功功率交换可以通过改变VSC的三相输出电压的幅值来实现。SVG的容量设计为混合型静止无功发生器总容量的1/n。n组TSC实现对无功功率的分级补偿，在每个分级之间的无功功率通过SVG进行动态连续调节。电网通过整流、滤波之后对VSC输入端的直流电容器进行充电，用以提供一条电流循环的路径并作为一个恒压源用。电容器大小应使其两端的直流电压保持基本恒定。SVG通过连接电抗与交流母线相连接。

图3是IPM的缓冲和保护电路。

图4是IPM与控制系统的主DSP的接口电路。主要包括光耦和控制电源，以及电阻、电容等外围电路。

本实用新型的下位机控制电路的结构示意图如图5所示。下位机控制电路主要包括检测单元、数字信号处理单元、指令信号发生单元和通信单元，其主控部分为两片DSP构成的主从式系统。交流系统的电压和电流信号分别经过电压互感器和电流互感器变换成—5V～+5V之间的交流电压信号，然后再经隔离、滤波之后送到14位同步高速模数转换器(ADC)MAX125的输入端，由DSP(TMS320LF2407A)控制其进行交流同步采样，以保证三相电压和电流信号之间正确的相位关系。利用过零触发电路将变化范围为—5V～+5V之间的A相电压转换成同周期的方波信号，再经过滤波和整形后送入DSP的一个捕获单元输入端(CAP1)和不可屏蔽中断端(NMI)，利用DSP的通用定时器T2作为CAP1的时基，确定采样间隔为一个周期采样128个点。MAX125的14位输出依次接于DSP的高14位数据线上。MAX125转换结束产生中断，向DSP申请中断，DSP在中断程序中读取转换结果，并将转换后的数据送到双口RAM中供控制系统中的另一片主DSP(TMS320LF2407A)读取，进而对这些数据进行实时分析和计算，得到交流系统电压和电流的有效值、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和频率等参数，并根据设定的目标，利用既定的控制策略给出如下主要的指令信号：(1)各TSC单元中晶闸管阀的导通和关断的状态，即TSC单元投入的数目；(2)SVG从交流系统中所要吸收的无功电流的幅值和相位信息，然后利用空间矢量PWM算法计算出VSC中各个IGBT的动作状态和导通时间；(3)晶闸管阀等执行单元所需的闭锁信号。SVG与交流系统之间的无功功率交换可以通过改变VSC的三相输出电压的幅值来实现。将被补偿对象的三相电流，经过矢量变换和数字滤波后得到作为被补偿的无功电流分量，控制电路实时跟踪补偿电流的指令值，对系统三相电压信号进行处理后取出一相基波正序电压作为同步信号，并计算出同步信号的频率，当该同步信号过零时作为脉冲发生器脉冲的同步点，采用空间矢量PWM算法，通过DSP内部的PWM发生器开始发出相应的PWM信号，来控制IPM中相应IGBT的导通和关断，从而在SVG的输出端独立的发出或者吸收所需的无功功率。当被补偿线路的电压低于变流器的设定值时，变流器从交流电网中吸收可控的容性电流，向交流系统发出无功功率。反之，当被补偿线路的电压高于变流器的设定值时，变流器从交流电网中吸收可控的感性电流，从交流系统吸收无功功率，由此达到动态连续平滑的调节电网无功功率和电压的目的。另外键盘和显示等人机接口，以及与上位机之间的通信功能也由控制系统完成。控制系统中所有的逻辑控制由一片现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现。

Claims

1.一种混合型静止无功发生器，其特征在于：其主电路由n组TSC和1组SVG并联组成，TSC通过控制一对反向并联的晶闸管阀的导通或关断来投入或切除与其串联的电容器，每个电容器都串联一个小型电抗器，SVG的主体部分是一个电压源变流器，其输入端接一个直流电容器，其输出端产生三相交流电压，分别与相应的交流系统电压同相位，SVG通过相对较小的连接电抗与交流系统连接，SVG的容量设计为混合型静止无功发生器总容量的1/n，控制系统包括检测单元、数字信号处理单元、指令信号发生单元、监控单元和通信单元，控制系统下位机的核心为两片数字信号处理器构成的主从式系统，上位机的核心是工控机，控制系统实现主电路TSC单元和SVG单元各自的既定功能以及它们之间的统一协调和相互配合，利用电压和无功两个判别量对补偿对象的电压和无功进行综合控制，当系统正常运行时，充分利用TSC的补偿作用，SVG的补偿容量用来动态连续平滑的调节无功功率，n组TSC实现对无功功率的分级补偿，在每个分级之间的无功功率通过SVG进行动态连续平滑的调节，控制系统还根据监控单元所采集的信号，使晶闸管阀等执行单元具有完备的闭锁控制功能。

2.根据权利要求1所述的一种混合型静止无功发生器，其特征在于：电压源变流器所采用的固态开关为IGBT智能功率模块。