CN201910621U - 谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统属于电气控制技术领域，该系统包括电压电流互感器、电压电流信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、谐波调节器、滤波回路驱动电路、滤波回路、三阶梯滞环比较器、控制模式选择器、解码器、无功补偿单元驱动电路和无功补偿单元。该系统采用基于软测量技术的谐波电流检测方式、无功补偿和谐波抑制的兼容性设计和双层双环动态分段式控制模式，实现了无功补偿和谐波电流抑制的闭环控制系统。本实用新型提高了供电电能的品质，降低了损耗，减少了电磁干扰。

Description

谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统
技术领域
本实用新型属于电气控制技术领域，具体涉及一种谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统。
背景技术
由于用电设备、大功率变流、变频传动装置以及感性负载等使用量的不断增加，使得供电网、变电所、电磁站等汇流排及母线上的电能品质因数受到极大的影响，出现功率因数低下、谐波含量增加、回路损耗增高、三相电压不平衡、设备安全性变差等一些不利危害，特别在冶金、电气化交通等行业尤为普遍。通过研发谐波抑制及无功补偿节能装置以及进行节能控制方法的研究，来抑制谐波、提高功率因数、减少损耗等是应用电力电子综合节能技术解决设备运行状态、提升企业电气设备控制的一种有效方法。
目前我国电炉的电气控制系统，技术含量一股较低，自动化程度还不高，不可避免地带来能量及时间的过分消耗，造成成本的提高。现在常采用的静止无功补偿装置一股包括具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(SR)；晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)以及采用自换相变流技术的静止无功发生器(ASVG)等几大类，对于谐波抑制的方法主要有LC调谐滤波器、有源滤波器和单位功率因数变流器等。采用这些技术所研发的装置多数都只适用于高压端、中小负载、负载运行比较稳定等情况，特别融合谐波抑制以及无功补偿功能为一体的综合装置还比较少。
电炉属于中大负载类，况且短网处于的是低电压(160-170V)、大电流(5万A左右)、连续性的工作状态，并且由于电极拉弧等受诸多未知因素的影响，电流波动幅度大，经常造成短网功率因数低、无功大、谐波复杂、损耗高、三相不平衡等诸多随机的现象，采用简单的补偿技术和常规的设计方法不但起不到应有的效果，反而会带来损坏电极、影响生产、以及造成事故等负面的影响。
实用新型内容
为了解决现有的大型电炉在工作过程中所产生的谐波及功率因数变低以及三相电压不平衡的问题，本实用新型提供一种谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案如下：
谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统，用于进行电炉短网的谐波抑制和无功补偿，其特征在于，该系统包括电压电流互感器、电压电流信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、谐波调节器、滤波回路驱动电路、滤波回路、三阶梯滞环比较器、控制模式选择器、解码器、无功补偿单元驱动电路和无功补偿单元；
所述电压电流互感器与电炉短网连接，其用于检测电炉短网的三相电压及电流；
所述电压电流信号处理单元与电压电流互感器连接，其用于对检测的电压、电流信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；
所述谐波及功率因数处理单元与电压电流信号处理单元连接，其用于对电炉短网的三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测；
所述谐波调节器与谐波及功率因数处理单元连接，其通过对谐波偏差的计算，进行PI调节运算，得出滤波回路的导纳值；
所述滤波回路驱动电路与谐波调节器连接，其用于对滤波回路功率器件的驱动、关断和保护；
所述滤波回路的输入端与滤波回路驱动电路连接，根据滤波回路驱动电路的控制信号进行工作，滤波回路的输出端与电炉短网连接；
所述三阶梯滞环比较器与谐波及功率因数处理单元连接，其用于给出增加补偿容量、保持不变以及减少补偿容量的控制信号；
所述控制模式选择器与三阶梯滞环比较器连接，其用于根据上述三阶梯滞环比较器输出的控制信号以及综合谐波的含量值进行模式选择；
所述解码器与控制模式选择器连接，其用于对上述控制模式选择器所选择的控制模式进行解码处理，形成针对各组补偿装置的控制信号；
所述无功补偿单元驱动电路与解码器连接，其用于对上述解码器输出的控制信号进行隔离、放大处理，实现对各个功率器件的控制；
所述无功补偿单元的输入端与无功补偿单元驱动电路连接，输出端与电炉短网连接，其用于对整个系统进行过流、滤波、放电。
本实用新型的有益效果如下：
1)应用傅里叶级数理论，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，在不增加硬件和免除常规坐标变换等复杂运算的基础上，较好地实现了对短网基波电流、谐波电流以及功率因数的检测；
2)通过对系统最大无功补偿量的计算和对补偿电容的8421式切换编码，确定了13种控制模式，在SVC电路结构中，设置了滤波电抗，并针对拟滤除的主要3、5、7次谐波，分别进行了滤波电抗值的确定，在补偿控制模式下，同步地进行无功补偿和谐波电流抑制的闭环控制；
3)采用上下位机的结构形式，基于短网电路模型，采用SVC的静止式补偿电路形式，构建功率因数和谐波的闭环控制系统，动态地控制功率器件，实现分段式补偿控制规律，既可以有效地抑制切换时电流的冲击，又能实现无功补偿和谐波抑制的目的；
4)该控制系统可应用于冶金、石化、电气化交通等领域以及大型的电力设备的供电网中。
附图说明
图1是本实用新型谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统的结构框图。
图2是本实用新型以A相为例的谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统的原理图。
图3是本实用新型以A相为例的谐波及功率因数处理单元的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本实用新型谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统，用于进行电炉短网的谐波抑制和无功补偿，该系统包括电压电流互感器、电压电流信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、谐波调节器、滤波回路驱动电路、滤波回路、三阶梯滞环比较器、控制模式选择器、解码器、无功补偿单元驱动电路和无功补偿单元。
以一个16500KVA电炉为例，对本实用新型谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统中的各组成模块进行说明如下：
电流互感器CT、电压互感器PT，用于检测短网的三相电流及电压。
电压电流信号处理单元，用于对检测的电流、电压信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换。
谐波及功率因数处理单元，应用傅里叶级数理论方法，通过对短网电流基波和谐波的特性分析，采用电流分解、倍频变换的软测量方法，在不增加硬件和免除常规坐标变换等复杂运算的基础上，较好地实现了对短网三相基波电流、谐波电流ikA以及功率因数
Figure BDA0000043877880000031
的检测。其原理如图2所示。
功率因数及谐波电流的给定单元，根据实际运行的需要，通过上位计算机设定系统的三相综合功率因数
Figure BDA0000043877880000041
和谐波
Figure BDA0000043877880000042
的目标值。
谐波调节器，通过对谐波偏差的计算，进行PI调节运算，基于短网的参数数学模型，分别得出3次、5次、7次滤波回路的导纳值BkL(k＝3、5、7)。
触发角形成单元，基于前级求得的滤波回路的导纳值BkL，以及导纳BkL和触发角αk的函数关系式中：XkL为滤波感抗值。通过线性化处理，确定出3次、5次、7次滤波回路功率器件的触发角αk(k＝3、5、7)。
滤波回路驱动电路，完成对滤波回路功率器件SCR3、SCR5、SCR7的驱动、关断、保护作用。
3次、5次、7次滤波回路，由滤波电抗Lv3、Lv5、Lv7、电容Cv3、Cv5、Cv7以及功率器件SCRv3、SCRv5、SCRv7组成，其每一支路的滤波电抗、电容参数分别基于单调谐谐振原理，满足对3次、5次、7次谐波阳抗最小的原则来确定。
三阶梯滞环比较器，由计算的功率因数偏差值
Figure BDA0000043877880000044
结合所设定的允许补偿误差限，分别给出增加补偿容量、保持不变以及减少补偿容量的控制信号。
控制模式选择器，由事先计算出的最大无功补偿量，以及所选择的自愈式电容的型号和容量，进行分组，本装置是基于变压器BT在功率不变以及最大补偿功率因数为0.96时，计算得出每相最大补偿容量为2412KVR，且采用8421的编码形式分成了12组，并定义出13种控制模式，模式的选择基于三阶梯滞环比较器的控制信号以及综合谐波的含量值。
8421解码器，对所决定的控制模式进行解码处理，形成针对12组补偿装置的控制信号。
无功补偿单元驱动电路，对控制信号进行隔离、放大等变换处理，实现对SCR1、......SCR12等12个功率器件的控制。
无功补偿单元，每相有12组，采用SVC的电路结构形式，由功率器件SCR、熔断器RD、电抗L、电容C以及RC放电回路组成，具有过流、滤波、放电等功能。
如图3所示，由电流传感器CT和电压传感器PT进行短网相电流、相电压的检测，之后进行信号处理和A/D变换，输入给PLC。
参照图2所给出的软测量原理，采用软件编程的方式计算出谐波电流以及功率因数的检测值。对谐波电流可根据要抑制的次数，有针对性的计算即可。
由3次谐波的谐振电路(Lv3，Cv3)，5次谐波的谐振电路(Lv5，Cv5)和7次谐波的谐振电路(Lv7，Cv7)三个并联而成，参数由单调谐谐振条件来确定，功率器件SCRv3、SCRv5、SCRv7可采用可控硅或双向可控硅等大功率器件，用于控制谐波回路的工作状态，其电流、耐压、开关时间等参数，可根据谐波回路的电参数、考虑余度以及系统的控制调节周期来确定。
无功补偿环节由12组SVC结构的电路组成，包括功率器件SCR1、……SCR12，熔断器RD1、……RD12，滤波电抗L1、……L12，补偿电容C1、……C12，放电电容Cf1、……Cf12和放电限流电阻Rf1、……Rf12。相关参数的确定需根据补偿理论来计算。
本实用新型采用了3次、5次、7次谐波电流和功率因数双闭环控制方式，在谐波内环采用了PI调节、导纳线性化处理，触发角确定等功能模块，均由软件编程实现；功率因数外环，采用三阶梯滞环比较器、控制模式选择和8421解码输出等调节关系，其功能也由软件实现；最后通过驱动电路完成对滤波环节以及补偿环节功率器件的控制，其控制方式可实现单相单独调节，也可实现三相同步调节的功能。

Claims (1)

1.谐波抑制及无功补偿装置的闭环多模式控制系统，用于进行电炉短网的谐波抑制和无功补偿，其特征在于，该系统包括电压电流互感器、电压电流信号处理单元、谐波及功率因数处理单元、谐波调节器、滤波回路驱动电路、滤波回路、三阶梯滞环比较器、控制模式选择器、解码器、无功补偿单元驱动电路和无功补偿单元；
所述电压电流互感器与电炉短网连接，其用于检测电炉短网的三相电压及电流；
所述电压电流信号处理单元与电压电流互感器连接，其用于对检测的电压、电流信号进行滤波、放大、限幅以及数模变换；
所述谐波及功率因数处理单元与电压电流信号处理单元连接，其用于对电炉短网的三相基波电流、谐波电流以及功率因数的检测；
所述谐波调节器与谐波及功率因数处理单元连接，其通过对谐波偏差的计算，进行PI调节运算，得出滤波回路的导纳值；
所述滤波回路驱动电路与谐波调节器连接，其用于对滤波回路功率器件的驱动、关断和保护；
所述滤波回路的输入端与滤波回路驱动电路连接，根据滤波回路驱动电路的控制信号进行工作，滤波回路的输出端与电炉短网连接；
所述三阶梯滞环比较器与谐波及功率因数处理单元连接，其用于给出增加补偿容量、保持不变以及减少补偿容量的控制信号；
所述控制模式选择器与三阶梯滞环比较器连接，其用于根据上述三阶梯滞环比较器输出的控制信号以及综合谐波的含量值进行模式选择；
所述解码器与控制模式选择器连接，其用于对上述控制模式选择器所选择的控制模式进行解码处理，形成针对各组补偿装置的控制信号；
所述无功补偿单元驱动电路与解码器连接，其用于对上述解码器输出的控制信号进行隔离、放大处理，实现对各个功率器件的控制；
所述无功补偿单元的输入端与无功补偿单元驱动电路连接，输出端与电炉短网连接，其用于对整个系统进行过流、滤波、放电。
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