CN201877839U - 一种无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种无功补偿装置，该无功补偿装置包括：晶闸管投切电容器、晶闸管驱动电路、变流器、晶体管驱动电路和数字信号处理器；晶闸管投切电容器通过晶闸管驱动电路与数字信号处理器相连接；变流器通过晶体管驱动电路与数字信号处理器相连接；数字信号处理器生成电容器投切控制信号和功率注入控制信号；晶闸管驱动电路根据电容器投切控制信号驱动晶闸管投切电容器投入或断开外部电网；晶体管驱动电路根据功率注入控制信号驱动变流器投入外部电网。用以解决低压配电网的无功功率快速调节和动态补偿的问题，同时实现补偿容量大、无功连续可调的功能。

Description

一种无功补偿装置

技术领域

本实用新型关于配电自动控制技术领域，特别是关于低压配电网的无功功率监测与补偿技术，具体地讲是一种无功补偿装置。

背景技术

在电力系统中，无功功率是电能传输过程中必不可少的，并且直接影响系统的电压稳定性，是电能质量的重要指标。无功功率的传输使得电网总电流增大，功率因数降低、设备的容量和有功损耗增大。因此，为了减少无功功率在网络中的传输，应尽可能地实现无功功率就地补偿。

在现有技术中，配电网中的无功补偿装置通常包括：同步调相机(SC)、固定电容器(FC)、机械开关投切电容器(MSC)、晶闸管投切电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)等。然而，上述的无功补偿装置存在以下弊端：(一)无功功率调节速度慢，控制目标单一。(二)只能阶梯式的实现无功功率补偿或者补偿容量小，而不具备无功连续补偿和较大补偿容量的功能。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种无功补偿装置，用以解决低压配电网的无功功率快速调节和动态补偿的问题，同时实现补偿容量大、无功连续可调的功能。

本实用新型的目的是，提供一种无功补偿装置，该无功补偿装置包括：晶闸管投切电容器、晶闸管驱动电路、变流器、晶体管驱动电路和数字信号处理器；晶闸管投切电容器通过晶闸管驱动电路与数字信号处理器相连接；变流器通过晶体管驱动电路与数字信号处理器相连接；数字信号处理器生成电容器投切控制信号和功率注入控制信号；晶闸管驱动电路根据电容器投切控制信号驱动晶闸管投切电容器投入或断开外部电网；晶体管驱动电路根据功率注入控制信号驱动变流器投入外部电网。

该无功补偿装置还包括：数据测量电路，与数字信号处理器相连接，用于采集电压信号和电流信号，并将采集的电压信号和电流信号输入到数字信号处理器。

该无功补偿装置还包括：电源电路，分别与数字信号处理器、晶闸管投切电容器、晶闸管驱动电路、变流器、晶体管驱动电路和数据测量电路相连接，用于输出工作电能。

晶闸管投切电容器包括：电容和与电容相连接的两个反并联的晶闸管。

变流器包括：基于绝缘栅双极晶体管IGBT的三相电压型脉宽调制PWM变流器；晶体管驱动电路包括：IGBT驱动电路。

数字信号处理器包括：时间控制单元，用于根据时间生成电容器投切控制信号。无功电流控制单元，用于根据外部电网中的无功电流分量生成电容器投切控制信号。电压控制单元，用于根据外部电网中的电压信号生成电容器投切控制信号。功率因数控制单元，用于根据外部电网中负荷的功率因数或功率因数角生成电容器投切控制信号。无功功率控制单元，用于根据外部电网的电压、电流和功率因数生成电容器投切控制信号。

本实用新型的有益效果在于：通过数字信号处理器(DSP)采样电网电压、电流数据，计算系统无功功率，分组投入合适的电容器组，同时以系统所需无功与电容器补偿无功之差为目标，输出脉宽调制(PWM)信号驱动变流器向电网注入连续可调的无功功率，实现系统无功为零的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的无功补偿装置的结构框图；

图2是本实用新型实施例的具有数据测量电路的无功补偿装置结构框图；

图3是本实用新型实施例的数字信号处理器的结构框图；

图4是本实用新型实施例的晶闸管投切电容器的电路原理图；

图5是本实用新型实施例的变流器的电路原理图；

图6是本实用新型实施例的变流器中dq0变换的电流直接控制原理图；

图7是本实用新型实施例的晶闸管驱动电路原理图；

图8是本实用新型实施例的IGBT驱动模块2SD315A结构图；

图9是本实用新型实施例的电压采样原理图；

图10是本实用新型实施例的电流采样原理图；

图11是本实用新型实施例的无功补偿装置原理框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实施例的无功补偿装置包括：晶闸管投切电容器101、晶闸管驱动电路102、变流器103、晶体管驱动电路104和数字信号处理器105；晶闸管投切电容器101通过晶闸管驱动电路102与数字信号处理器105相连接；变流器103通过晶体管驱动电路104与数字信号处理器105相连接；数字信号处理器105生成电容器投切控制信号和功率注入控制信号；晶闸管驱动电路102根据电容器投切控制信号驱动晶闸管投切电容器101投入或断开外部电网；晶体管驱动电路104根据功率注入控制信号驱动变流器103投入外部电网。

如图2所示，在本实施例的无功补偿装置200中：晶闸管投切电容器201与电网300相连接，并通过晶闸管驱动电路202与数字信号处理器205相连接；变流器203与电网300相连接，并通过晶体管驱动电路204与数字信号处理器205相连接；数字信号处理器205生成电容器投切控制信号和功率注入控制信号；晶闸管驱动电路202根据电容器投切控制信号驱动晶闸管投切电容器201投入或断开外部电网；晶体管驱动电路204根据功率注入控制信号驱动变流器203投入外部电网。数据测量电路206与电网300相连接，并与数字信号处理器205相连接，用于采集电压信号和电流信号，并将采集的电压信号和电流信号输入到数字信号处理器205。电源电路207用于输出工作电能。

如图3所示，数字信号处理器205包括：时间控制单元2051，用于根据时间生成电容器投切控制信号。无功电流控制单元2052，用于根据外部电网中的无功电流分量生成电容器投切控制信号。电压控制单元2053，用于根据外部电网中的电压信号生成电容器投切控制信号。功率因数控制单元2054，用于根据外部电网中负荷的功率因数或功率因数角生成电容器投切控制信号。无功功率控制单元2055，用于根据外部电网的电压、电流和功率因数生成电容器投切控制信号。

时间控制单元2051，利用时钟按昼夜时间划分对电容器进行投切控制，这种控制方式以时间作为控制信号，根据系统中用电设备全天24小时所需无功功率的变化，绘制出全天无功负荷的变化曲线，按照这条曲线，利用时间进行控制，按时投入或切除一定容量的补偿电容器。时间控制单元2051简单适用，适用于稳定负荷，且变化规律一定、功率因数变化不大的场合。

无功电流控制单元2052，利用DSP计算出电网中的无功电流分量，依据无功电流分量的大小投入电容器组，使电容器提供的容性电流补偿电网中的感性无功电流。用负荷无功电流作为控制变量，是考虑到当电网电压变化时得到更准确的补偿效果。假设电网无功缺额为ΔQ，电网线电压为U，U_N为其额定值，线电流无功分量为I_Q，那么

$\mathrm{\ΔQ}=\sqrt{3}\mathrm{UI}=\sqrt{3}\frac{U}{U_N}{U}_N{I}_Q---\left(1\right)$

若令运行电压与额定电压之比

$k=\frac{U}{U_N}---\left(2\right)$

则

$I_Q=\frac{\mathrm{\ΔQ}}{\sqrt{3}{\mathrm{kU}}_N}---\left(3\right)$

电容器组为Y接线时

ΔQ＝ωc(kU_N)²                                              (4)

那么，为补偿无功电流I_Q而投入的电容器组容量为

$C=\frac{\sqrt{3}{I}_Q}{{\mathrm{k\ωU}}_N}---\left(5\right)$

电压控制单元2053，利用无功负荷增大时，母线电压下降的特点，以保持安装点电压在一定范围内为目的，它取电网电压作为检测信号，当电网电压降至某给定值的下限时，装置的检测部分发出信号，控制并联电容器组投入系统运行；当电网电压超过某给定值的上限时，控制电容器组使其从系统中断开。

功率因数控制单元2054，以功率因数作为控制变量，它是利用检测装置检测负荷的功率因数或者功率因数角，经过对检测数据的处理，通过执行元件，实现对电容器组投切，维持功率因数处于最佳值。当功率因数超过某给定值的上限时，控制电容器组从电网断开；当功率因数低于某给定值的下限时，控制电容器组投入电网。

无功功率控制单元2055，以无功功率作为控制物理量控制电容器的投切，它是根据所测得的电压、电流、功率因数等参数，计算出应该投入的电容容量，在电容器组合方式中选出一种最接近但又不会过补偿的组合方式，电容器投切一次到位。如果计算值小于最小一组电容器的容量，则应保持补偿状态不变。只有当所需容量大于或等于下限值时，才执行相应的投切。

在数字信号处理器105中，还可采用负荷复合控制方式以某一控制物理量做主判据，以另一控制物理量作辅助判据对电容器的投切进行控制。例如，按功率因数控制，按电压校正；按无功电流控制，按电压校正；按无功功率控制，按电压校正；按时间控制，按负荷无功校正；按电压控制，按负荷无功校正等。譬如，采用无功电流、无功功率综合控制方式，无功电流控制方式考虑到了电网的实际运行电压水平，从而得到更准确的补偿效果，但在计算无功电流时要涉及到无功电流和无功容量的转换计算，计算量增大，不利于快速响应；无功功率控制方式补偿目标直接，可快速响应，但由于未考虑到电网的实际运行电压水平，使补偿效果不准确。综合考虑这两种控制方案，可得到既能快速响应，又能准确补偿的控制方案。

综合控制方式考虑到每一种单独的控制方式均有其不足之处。例如，单独按功率因数补偿，在负载电流较小时，常会发生投切振荡。DSP作为控制元件，为实现多变量控制提供了可能性。比较合理的补偿应该做到以下几点：最大限度地利用补偿设备提高电网的功率因数、不发生过补偿、无投切振荡、无冲击投切、反应灵敏且迅速。为充分发挥DSP大的存储、计算、逻辑判断功能，以功率因数控制为基础，无功功率控制避免投切振荡，电网电压上限值和负载电流下限值作为控制电容器组投切的约束条件，实现电容器组的智能综合控制。

本实用新型无功补偿装置用于380V低压配电网中用户或负荷的集中补偿，可根据用户需求，设置多种不同的控制方式来控制电容器组的投切。

本实用新型无功补偿装置，计算无功的公式如下：

$U_{\mathrm{Line}}=\sqrt{\frac{2}{3}}[U_a\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+U_b\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2n}{3})+U_c\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})]---\left(6\right)$

$Q=-\sqrt{\frac{2}{3}}{U}_{\mathrm{Line}}[i_{\mathrm{\ϵa}}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+i_{\mathrm{\ϵb}}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{2n}{3})+i_{\mathrm{\ϵc}}\cos (\mathrm{\ωt}+\frac{2n}{3})]---\left(7\right)$

根据(7)式计算出的无功大小决定投入的电容器的组数。

如图4所示，晶闸管投切电容器(TSC)包括：电容和与电容相连接的两个反并联的晶闸管。TSC采用Y_N接线方式，电容器星接后接入电网，这种接线晶闸管电压定额可以降低。两个反并联晶闸管起到将电容器投入或断开电网的作用，串联的小电感用来抑制投入时刻的冲击电流。TSC的控制原则是当判断出要投入一组电容器时，检测选择合适的投入时刻，使得投入时不会产生冲击电流。根据控制物理量，TSC可以分成时间控制、无功电流控制、电压控制、功率因数、无功功率、复合控制和综合控制方式。

如图5所示，变流器包括：基于绝缘栅双极晶体管IGBT的三相电压型脉宽调制PWM变流器。本实用新型装置PWM变流器采用正弦脉宽调制控制的三相四桥臂变流器结构，主电路是一个基于IGBT的三相电压型PWM变流器，在主电路的设计中，直流侧电压Uc和交流侧电感值L对变流器的补偿性能的好坏，起到了至关重要的作用。

如图6所示，直接电流控制方法中采用了直流侧电容电压的闭环控制，直流侧电容电压PI调节器的输出形成有功电流指令，为直流侧电容电压的指令值，通过对直流侧电容电压的PI调节，可以实现直流侧电容电压保持恒定，图6中所采用的电流跟踪控制方法为三角波比较方式。

本实用新型驱动包括晶闸管驱动和IGBT驱动电路。如图7所示，晶闸管驱动采用脉冲列触发的方式，为了保证晶闸管可靠触发，在本实用新型中，触发脉冲序列的产生由555输出脉冲信号，触发电路中的脉冲变压器电路。DSP输出控制信号与脉冲列信号经过或非门后，通过MOSFET进行功率放大，然后将放大的信号送入脉冲变压器，为了抑制触发电路对DSP造成的干扰，应在DSP输出端加光电耦合器进行隔离。

如图8所示，本实用新型无功补偿装置变流器中IGBT采用CONCEPT公司新推出的2SD315A是一种集成度很高的驱动模块，内部包含两路IGBT驱动电路，可以用于驱动1700V的IGBT，它具有安全性、智能性与易用性的特点。2SD315A的内部电路主要可分为三大功能模块。第一块是LDI(LogicTo Driver Interface，逻辑驱动转换接口)，它主要用于接收“控制侧”的PWM信号，经过处理后传送给下一级；第二块是IGD(Intelligent Gate Driver，智能门极驱动)，它通过高频隔离变压器从上一级(LDI)接收控制信号，经放大等处理后输出±15V/±15A(瞬时电流)的驱动信号，用于“驱动侧”大功率IGBT的控制，每只2SD315A内部包含两个IGD模块；第三块是输入与输出相互绝缘的DC/DC转换器，它的主要功能是给两路输出通道提供彼此隔离的供电。图中的VDD和VDC都为+15V，分别为控制侧输入电路和DC/DC转换器供电，驱动模块使用单一的15V电源产生+15V和-15V电压，用于驱动外部IGBT。它采用变压器耦合隔离，工作频率可高于100kHz，输入输出间交流耐压可达4000V。2SD315A主要特点有：

(1)可选择的工作模式于死区时间；

(2)可选择的控制逻辑电平；

(3)可选模式的信号输入与状态输出；

(4)短路与过流保护；

(5)智能型电源监控。

如图9和图10所示，本实施例的数据测量是一个采样和AD转换的过程，即：将配电网采集的三相电压、电流模拟量经高精度的PT、CT变成小信号模拟量，经AD转换器，转换为能被单片机接受和处理的数字量，在本实施例中，PT采用电压-电压变换器LXYA，额定电压220V，输出电压3.53V；CT采用电流-电压变换器LXLF，额定电流100A，输出电压3.53V，两种变换器的抗电强度都在3000V以上，相位差≤5，比差非线性度≤0.1％，线性范围在5％～120％，满足测量要求。本实施例中需要采样电网的三相电压和三相电流，共6路模拟量，在此给出了其中一相电压UA(如图9)和一相电流IA(如图10)的模拟量测量原理图。

综上所述，本实施例的无功补偿装置整个系统电气图如图11所示，整个系统以OMAP L13732位高性能DSP为核心，DSP采样电网电压、电流数据，计算系统无功功率，判断电压过零点后控制晶闸管导通，分组投入合适的电容器组，同时以系统所需无功与电容器补偿无功之差为目标，输出PWM信号驱动变流器向电网注入连续可调的无功功率，实现系统无功为零的目的。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种无功补偿装置，其特征是，所述的无功补偿装置包括：晶闸管投切电容器、晶闸管驱动电路、变流器、晶体管驱动电路和数字信号处理器；

所述的晶闸管投切电容器通过所述的晶闸管驱动电路与所述的数字信号处理器相连接；所述的变流器通过所述的晶体管驱动电路与所述的数字信号处理器相连接；

所述的数字信号处理器生成电容器投切控制信号和功率注入控制信号；

所述的晶闸管驱动电路根据所述的电容器投切控制信号驱动所述的晶闸管投切电容器投入或断开外部电网；

所述的晶体管驱动电路根据所述的功率注入控制信号驱动所述的变流器投入外部电网。

2.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的无功补偿装置还包括：数据测量电路，与所述的数字信号处理器相连接，用于采集电压信号和电流信号，并将采集的电压信号和电流信号输入到所述的数字信号处理器。

3.根据权利要求2所述的无功补偿装置，其特征是，所述的无功补偿装置还包括：电源电路，分别与所述的数字信号处理器、晶闸管投切电容器、晶闸管驱动电路、变流器、晶体管驱动电路和数据测量电路相连接，用于输出工作电能。

4.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的晶闸管投切电容器包括：电容和与所述的电容相连接的两个反并联的晶闸管。

5.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的变流器包括：基于绝缘栅双极晶体管IGBT的三相电压型脉宽调制PWM变流器；

所述的晶体管驱动电路包括：IGBT驱动电路。

6.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器包括：时间控制单元，用于根据时间生成所述的电容器投切控制信号。

7.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器包括：无功电流控制单元，用于根据外部电网中的无功电流分量生成所述的电容器投切控制信号。

8.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器包括：电压控制单元，用于根据外部电网中的电压信号生成所述的电容器投切控制信号。

9.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器包括：功率因数控制单元，用于根据外部电网中负荷的功率因数或功率因数角生成所述的电容器投切控制信号。

10.根据权利要求1所述的无功补偿装置，其特征是，所述的数字信号处理器包括：无功功率控制单元，用于根据外部电网的电压、电流和功率因数生成所述的电容器投切控制信号。

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