CN201994670U

CN201994670U - 一种低压动态广义无功补偿装置

Info

Publication number: CN201994670U
Application number: CN2010205767924U
Authority: CN
Inventors: 李二霞; 盛万兴; 孙军平
Original assignee: China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2020-10-26

Abstract

本实用新型涉及一种低压动态广义无功补偿装置，本装置通过控制平台进行控制，通过A/D转换芯片进行信号采样，装置包括有源电力滤波器APF功能模块和晶闸管投切电容器TSC功能模块，控制平台采用OMAP-L138芯片的智能终端，A/D转换芯片采用16位AD7656；有源电力滤波器APF功能模块与晶闸管投切电容器TSC功能模块采用并联的架构模式。本实用新型提供的技术方案能实时地谐波抑制、动态无功补偿、三相不平衡治理，且应用在低压配电系统当中容量有较大的调节范围，能快速反应实时变化的负荷，性价比高，运行方式灵活，可对无功单独补偿，也可综合补偿谐波、无功、三相不平衡等。

Description

一种低压动态广义无功补偿装置

技术领域

本实用新型涉及一种配电自动化领域的智能化装置，具体讲涉及一种低压动态广义无功补偿装置。

背景技术

随着全球化工业化进程的不断加快以及电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备得到广泛应用，接入电力系统的非线性负荷的数量和容量正迅速增加，电网中的谐波越来越严重。另外，大多数负载的功率因数很低，也给电网带来了额外负担，影响了供电质量。电力用户对供电可靠性和供电质量也提出了更高、更新的要求，因此电力部门必须进一步提高配电网管理自动化水平，以满足电力用户和敏感设备的需要。

目前，已有相当多的配变实时监测、谐波分析、无功补偿、三相不平衡治理等方面配网自动化产品，但功能单一，某些情况下需要同时安装上述几种装置，为配网设备的管理带来了不便，增加了设备投资。因此对配电网的电能质量问题，例如实时谐波抑制、动态无功补偿、三相不平衡治理等进行综合治理，提高供电可靠性和供电质量，以降低系统损耗；对台区的所有设备进行统一调控，来大幅度降低设备成本，具有重大的现实意义；同时这也是配电网智能化的必然要求。

有源电力滤波器是新近发展迅速的一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置；与无源滤波器相比，有源电力滤波器是解决谐波污染和提高功率因数的有效手段，但由于电力电子器件功率限制，使其不能满足大容量无功功率补偿和谐波治理；而且同等容量的有源电力滤波器的成本又远高于无源滤波器，这在很大程度上限制了有源滤波器在工业现场的实际应用。采用多重化技术、变流器多电平技术、多模块并联化技术等固然可以扩展纯有源电力滤波器的应用空间，但由此带来的额外成本和可靠性问题不容忽视。

实用新型内容

本实用新型的发明目的在于提供一种低压动态广义无功补偿装置，该装置可同时解决配电网的较大的无功功率、实时谐波、三相不平衡、电压波动与闪变等电能质量问题，降低传统有源电力滤波器的容量和成本，提高其效率。

本实用新型提供的低压动态广义无功补偿装置，所述装置通过控制平台进行控制，通过A/D转换芯片进行信号采样，所述装置包括有源电力滤波器APF功能模块和晶闸管投切电容器TSC功能模块，所述控制平台采用OMAP-L138芯片的智能终端，A/D转换芯片采用16位AD7656；所述有源电力滤波器APF功能模块与晶闸管投切电容器TSC功能模块采用并联的架构模式。

本实用新型提供的另一种优选技术方案：所述TSC功能模块是由晶闸管投切电容器TSC单相电路组成的a、b和c三相电路；所述晶闸管投切电容器TSC单相电路包括依次串联连接的电抗器、复合开关和电容器。

本实用新型提供的还一种优选技术方案：根据所述TSC三相电路负荷的对称/不对称设计TSC指令电流运算电路。

本实用新型提供的再一种优选技术方案：所述有源电力滤波器APF功能模块是由有源电力滤波器APF构成的，所述有源电力滤波器APF是全控型电力电子器件构成的采用PWM调制技术的变流器，形成有源电力滤波器APF补偿电路。

本实用新型提供的又一种优选技术方案：所述有源电力滤波器APF补偿电路包括：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。

本实用新型提供的另一种优选技术方案：所述指令电流运算电路包括锁相环路PLL、比例积分控制器PI、低通滤波器LPF和实时dq变换算法。

本实用新型提供的还一种优选技术方案：所述补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。

本实用新型提供的又一种优选技术方案：所述驱动电路包括晶闸管驱动电路和绝缘栅双极晶体管IGBT驱动电路。

本实用新型提供的再一种优选技术方案：所述OMAP-L138芯片由DSP和ARM构成双核处理器。

与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

本实用新型提供的低压动态广义无功补偿装置，采用单一控制终端可实现控制、监测、实时数据与波形显示、友好的用户界面等多种功能；上述这些功能的实现主要依靠算法来保证。装置指令信号的计算由检测电路及算法实时计算得出，这很好地解决了模拟方法由于元件老化和温漂等因素带来的问题，抗干扰能力也大大增强；控制信号的发出也采用数字方法实现，这就使得系统控制精度更高、响应迅速，且采用模块化的设计思想，便于功能扩展、软件升级等；本实用新型提供友好用户界面、功能模式配置多样化，用户可根据需求选择装置的配置方式：无功补偿、谐波治理、谐波治理+无功补偿+三相不平衡治理，且应用在低压配电系统当中容量有较大的调节范围，能快速反应实时变化的负荷，性价比高，运行方式灵活。

附图说明

图1是低压动态广义无功补偿装置结构图；

图2是低压动态广义无功补偿装置系统结构图；

图3是TSC单相电路图；

图4是TSC指令电流运算电路原理图(a相)；

图5是APF并入电网的电路图；

图6是APF补偿电路算法框图；

图7是APF指令电流运算电路原理图；

图8是控制系统主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图1是低压动态广义无功补偿装置结构图，本实用新型提供的装置包括有源电力滤波器APF和晶闸管投切电容器TSC，低压动态广义无功补偿方式的拓扑结构采用APF+TSC并联的结构，可连续补偿大容量负载的无功和谐波分量。装置架构模式的显著优点是装置的运行方式灵活，TSC、APF可以单独运行，也可以同时运行。

图2是低压动态广义无功补偿装置系统结构图，该系统结构可保证APF与TSC单独运行，独立运行，单个装置故障，不影响另一装置的工作。TSC补偿负载大部分基波无功功率，APF补偿剩余的无功功率和谐波。该系统充分利用APF动态补偿性能好，TSC容量大的特点，有效地降低了有源电力滤波器的容量、消除电网中的谐波电流和提高功率因数。无功补偿的控制对象多样，如采用电压控制方式、无功功率控制方式、无功电流控制方式、功率因数控制方式、时间控制方式以及这几种方式的复合控制方式等，用户可根据实际需求自行选择。谐波抑制的方式可以是全补偿，也可以是分次补偿，这些功能的实现用户可根据需要自行设定；全补偿可以补偿2～50次谐波，分次补偿用户可根据实际谐波状况，有选择的补偿主要几次谐波。

如图2所示，本实用新型基于OMAP-L138硬件平台架构，该硬件平台采用DSP+ARM的架构方式，主频为300MHz的DSP数据处理能力很强，主频为300MHz的ARM外围接口丰富，便于功能扩展。AD芯片选用六通道16位250kSPS AD转换器AD7656，以交流同时采样的方式对信号进行采样。基于OMAP-L138平台的智能终端进行综合控制，不需要多个控制器分别对各装置进行控制，节省了成本，便于集成；且本实用新型指令信号的计算与控制信号的计算都在DSP中完成，便于软件的更改、升级以及集成，抗干扰能力强。本实用新型的用户界面非常友好，直观的图形界面可以是数字显示，也可以是图形显示。

为使低压动态广义无功补偿装置的功能多样化且便于升级，将本实用新型的功能设计成各功能模块，下面阐述各功能模块的实现原理。

1、TSC功能模块

TSC动态广义无功补偿装置可解决固定补偿方式中电容器频繁投切的问题，TSC功能模块是由晶闸管投切电容器TSC单相电路组成的a、b和c三相电路，图3是TSC单相电路原理图，两只反并联晶闸管起到将电容器投入电网或从电网切除的作用，该结构中串接电抗器，用来抑制电容投入电网时刻可能产生的冲击电流、抑制流入该支路的谐波电流。TSC用于三相电网中可以是三角形接线，也可以是星形接线。负荷不对称的系统采用三角形连接方式与星形连接方式相结合的综合方式。不论是星形连接还是三角形连接都采用电容器分组投切方式。两只反并联的晶闸管与交流接触器组成复合开关，TSC利用复合开关将单组或多组电容器投入到电网或从电网切除，根据电网对无功功率的需求改变投入的电容器组组数，使晶闸管投切电容器成为分级可调的动态广义无功功率补偿装置。

TSC的指令电流是负荷电流中的基波无功电流，当三相负荷对称时，三相基波无功电流相同，可以采用dq算法计算基波无功电流；当三相负荷不对称时，dq算法不能分别检测出三相不同的基波无功电流。

图4是TSC指令电流运算电路原理图，本实用新型提出一种适用于三相对称/不对称负荷的瞬时基波无功电流检测方法，该方法基于dq算法检测基波电流的原理，具有计算量小、不需要电压的相位信息、实现起来较方便等优点；瞬时基波无功电流检测方法检测三相基波无功电流的原理：将三相负荷电流i_a、i_b、i_c分别乘以cosωt、cos(ωt-120)、cos(ωt+120)得到三相的无功电流分量，将无功电流分量经过LPF后再乘以系数k得到各相基波无功电流的有效值。若要求三相基波无功电流的瞬时值，将经过低通滤波器后的直流分量乘以系数k1后，再分别乘以cosωt、cos(ωt-120)、cos(ωt+120)得到a、b、c各相的基波无功电流的瞬时值。采用瞬时基波无功电流检测方法不论是电网电压对称或畸变时均能准确实时地检测出系统中的基波无功电流分量。

TSC投切电容器判据：

由基波无功电流i_afq、i_bfq、i_cfq计算出负载各相的无功功率：Q_af、Q_bf、Q_cf，

Q_af＝U_a×I_afq；

Q_bf＝U_b×I_bfq；

Q_cf＝U_c×I_afq。

TSC控制策略如表1所示：

表1无功电压控制策略表

	状态	调节策略
			1	无功越上限，电压越下限	投电容，若电容全部投入电压仍低于下限，则维持原状
2	无功越上限，电压合格	如有电容可投，预测投电容后电压是否越上限，若电压越上限则维持原状
			3	无功越上限，电压越上限	切电容，若电容全部切除电压仍越上限，则维持原状
4	无功越下限，电压合格	若有电容可切，预测投电容后电压是否越下限，若电压越下限则维持原状
			5	无功合格，电压合格	不调节

2、APF功能模块

图5是单独APF并入电网中的电路原理图，有源电力滤波器APF是由全控型电力电子器件构成的采用PWM调制技术的变流器，提供与补偿电流大小相等、极性相反的电流，以抑制负载所产生的有害电流在电力系统中传播的主动式综合补偿装置，可实时精确地实现电网的谐波抑制、无功补偿与三相不平衡治理。

图6是APF补偿电路算法框图，其补偿电路主要由两大部分组成：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿无功后负载电流中的谐波和无功等电流分量，因此也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成，补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流指令信号iref，通过控制电路与调制波比较，产生PWM信号，作为IGBT的驱动电路的输入信号，触发功率器件IGBT，产生实际的补偿电流i_c，注入电网。

图7是指令电流运算电路的原理图，以TSC补偿无功后的负载电流i′_la、i′_lb、i′_lc作为补偿对象，经过dq变换得到有功电流、无功电流分量，再经过低通滤波器滤波得到有功电流、无功电流的直流分量，该直流分量是基波电流分量变换的结果，故反变换即可求得基波电流分量，从i′_la、i′_lb、i′_lc中减去基波电流分量可得到需要补偿的谐波分量。

i_refa＝i′_la-i_af；

i_refb＝i′_lb-i_bf；

i_refc＝i′_lc-i_cf。

以该谐波分量i_refa、i_refb、i_refc作为参考信号，参考信号与APF输出电流信号i_ca、i_cb、i_cc比较，经过比例积分控制器PI调节再加上对应的系统电压进行信号的归一化处理，与调制波比较，输出PWM信号，该信号输入IGBT驱动电路触发APF主电路的全控功率器件IGBT，产生补偿电流。

APF通过补偿系统的谐波与无功电流，可实现实时地谐波抑制、动态无功补偿、三相不平衡治理等功能。APF治理谐波可采用全补偿，也可采用分次补偿。全补偿指将谐波电流与剩余的无功电流之和作为参考电流信号，进行补偿的方式；分次补偿指根据系统的谐波状况及用户的需求，有选择地对主要的几次谐波进行补偿的方式。本实用新型将装置的功能进行模块化设计，用户可根据实际需求做相应选择。

图8是整个装置的控制系统主程序流程图，首先进入OMAP-L138平台作为主程序的开始，进行软件操作；通过对OMAP-L138芯片及外围设备的硬件初始化设置，为各设备实现其功能做好准备；硬件设备自检测，以确保硬件部分无故障，为操作系统做好底层的准备；接着是操作系统的初始化；创建任务主要是完成数据采集、数据处理及对各任务的优先级排序等；运行任务的主要操作是根据各任务的优先级及系统的操作流程，执行各任务。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依然可以对本实用新型的具体实施例进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims

1.一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于：所述装置通过控制平台进行控制，通过A/D转换芯片进行信号采样，所述装置包括有源电力滤波器APF功能模块和晶闸管投切电容器TSC功能模块，所述控制平台采用OMAP-L138芯片的智能终端，A/D转换芯片采用16位AD7656；

所述有源电力滤波器APF功能模块与晶闸管投切电容器TSC功能模块采用并联的架构模式。

2.如权利要求1所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于：所述TSC功能模块是由晶闸管投切电容器TSC单相电路组成的a、b和c三相电路；所述晶闸管投切电容器TSC单相电路包括依次串联连接的电抗器、复合开关和电容器。

3.如权利要求2所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，根据所述TSC三相电路负荷的对称/不对称设计TSC指令电流运算电路。

4.如权利要求1所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，所述有源电力滤波器APF功能模块是由有源电力滤波器APF构成的，所述有源电力滤波器APF是全控型电力电子器件构成的采用PWM调制技术的变流器，形成有源电力滤波器APF补偿电路。

5.如权利要求4所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，所述有源电力滤波器APF补偿电路包括：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。

6.如权利要求5所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，所述补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。

7.如权利要求6所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，所述驱动电路包括晶闸管驱动电路和绝缘栅双极晶体管IGBT驱动电路。

8.如权利要求1所述的一种低压动态广义无功补偿装置，其特征在于，所述OMAP-L138芯片由DSP和ARM构成双核处理器。