CN202094634U - 一种动态无功补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种动态无功补偿装置,此装置通过控制平台进行控制,装置包括主电路单元、驱动电路单元、数据测量单元、数据处理单元、控制单元、通讯单元和电源单元,控制平台采用OMAP-L138芯片的智能终端;主电路单元包括三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器TSC电路;三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器TSC电路并接。本实用新型提供的技术方案具有补偿容量大、无功连续可调的特点。

Description

一种动态无功补偿装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种配电自动化领域的补偿装置,具体讲涉及一种动态无功补偿
直O
背景技术
[0002] 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,要尽可能地实现无功功率就地补偿。
[0003] 在现有的配电网中,无功补偿装置有同步调相机、固定电容器、机械开关投切电容器、晶闸管投切电容器、晶闸管控制电抗器等,但存在无功功率调节速度慢、控制目标单一; 而现有的配电网低压无功补偿装置只能阶梯式的实现无功功率补偿或者补偿容量小,而不具备无功功率连续补偿并且具有较大补偿容量的特点。
实用新型内容
[0004] 本实用新型目的是提供一种能实现低压配电网无功功率动态连续补偿的装置,此装置具有补偿容量大、无功连续可调的特点。
[0005] 为实现上述目的,本实用新型提供了一种动态无功补偿装置,具体的技术方案如下:
[0006] 本实用新型提供的装置通过控制平台进行控制,所述装置包括主电路单元、驱动电路单元、数据测量单元、数据处理单元、控制单元、通讯单元和电源单元,其特征在于,所述控制平台采用0MAP-L138芯片的智能终端;所述主电路单元包括三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器TSC电路;所述三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器TSC电路并接。
[0007] 本实用新型的另一优选方式:所述所述三相四桥臂变流器电路是基于绝缘栅双极晶体管IGBT的三相电压型PWM变流器。
[0008] 本实用新型的又一优选方式:所述晶闸管投切电容器TSC电路包括依次串联的电容器、复合开关和电感;所述复合开关由反并联晶闸管与交流接触器组成。
[0009] 本实用新型的还一优选方式:所述驱动电路单元包括晶间管驱动电路和绝缘栅双极晶体管IGBT驱动电路。
[0010] 本实用新型的又一优选方式:所述晶闸管驱动电路采用脉冲列触发的方式,所述晶闸管驱动电路包括光电耦合器、金属氧化物场效应管和脉冲变压器电路。
[0011] 本实用新型的再一优选方式:所述IGBT驱动电路采用2SD315A驱动模块。
[0012] 本实用新型的还一优选方式:所述数据测量单元包括采样电路和滤波电路,所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路,电压、电流信号经过采样电路输入数据处理单元处理后,再进行滤波处理。[0013] 本实用新型的另一优选方式:所述电压采样电路由毫安级精密电流互感器 SPT204A、运放电路以及外围电路构成,电流采样电路由精密的电流互感器SCT254AK、运放电路以及外围电路构成。
[0014] 本实用新型的又一优选方式:所述数据处理单元采用快速数字信号处理器DSP进行采样值计算和分析,所述数据处理单元与控制单元相连;所述控制单元包括PWM输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、时钟电路和显示电路;所述控制单元中的主CPU采用DSP实现,与通讯单元连接;所述通讯单元包括RS485接口、GPRS接口和以太网接口 ;所述显示电路包括液晶、键盘和LED显示灯。
[0015] 与现有技术相比,本实用新型的有益效果在于:
[0016] 本实用新型提供的装置采用瞬时无功功率算法,对采集的电流值和电压值进行计算,实时监测负荷的运行参数(如有功功率、无功功率、功率因数、电量等)和运行状态,并对电网谐波状况进行分析,从而实现电能质量实时监测;可实现系统无功功率的动态连续调节,能够快速补偿动态负荷,具有良好的动态性能,实现实时地动态无功补偿和三相不平衡治理,对负荷的变动实时响应,且运行方式灵活,性价比高,本实用新型提供的装置具有多种通讯接口,支持多种通信规约,可以通过GPRS、以太网等方式与监控主站进行通信,指令信号的计算及控制信号的发出采用全数字控制,指令信号的计算由软件计算得出,很好的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,使系统变得更加简单和经济。
附图说明
[0017] 图1动态无功补偿装置结构原理图;
[0018] 图2TSC三角形接线方式;
[0019] 图3TSC星形有中线接线方式;
[0020] 图4变流器电路结构图;
[0021] 图5变流器中dqO变换的电流直接控制原理图;
[0022] 图6晶闸管驱动原理图;
[0023] 图7IGBT驱动模块2SD315A结构图;
[0024] 图8电压采样原理图;
[0025] 图9电流采样原理图;
[0026] 图10动态无功补偿装置原理框图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0028] 图1是本实用新型无功补偿装置的结构原理图,包括晶闸管投切电容器TSC及PWM 变流器。
[0029] TSC主电路按照晶闸管和电容器的连接方式为星形接法或三角形接法。配电网有三相平衡系统与三相不平衡系统之分,故对配电网进行无功补偿与三相不平衡治理,有共补与分补两种结构,对三相平衡系统采用共补方式,三相不平衡系统采用共补与分补综合的方式;综合考虑成本与补偿效果等因素,共补采用三角形接法,三相分补采用星形有中线接法。
[0030] 图2是TSC主电路的三角形连接法电路原理图;图3是TSC主电路星形有中线接法电路原理图。
[0031] 本实用新型提供的电容器投切开关采用复合开关,使其在接通和断开的瞬间具有晶闸管过零投切的优点,而在正常接通期间又有接触器无功耗、无谐波的优点。两个反并联晶闸管与交流接触器组成复合开关,而复合开关起到将电容器投入或断开电网的作用,串联的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。
[0032] 时间控制方式,就是利用时钟按昼夜时间划分对电容器进行投切控制,它是最常用的控制方式之一,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M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。这种方式具有简单适用的特点,但只适用于稳定负荷,且变化规律一定、功率因数变化不大的场合。
[0033] 无功电流控制方式利用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。
[0034] 电压控制方式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。
[0035] 功率因数控制方式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。
[0036] 无功功率控制方式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。
[0037] 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。 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。
[0038] 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。
[0039] 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。
[0040] 为充分发挥DSP存储容量大、计算、逻辑判断功能,以功率因数控制作为主控制, 无功功率作为辅助控制以避免投切振荡,电网电压上、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。
[0041] 本实用新型无功补偿装置用于380V低电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。
[0042] 本实用新型无功补偿装置,计算无功的公式如下:
[0043] 首先求得系统基波电压的有效值^队乂和基波无功电流有效值込吣‘“㈣,然后由基波无功电流计算出负荷各相的无功功率:Qaf、Qbf、Q。f,
[0044] Qaf = UaX Ialq ;
[0045] Qbf = UbXIblq ; (1)
[0046] Qcf = UcXIalq0
[0047] 根据⑴式计算出的无功大小决定投入的电容器的组数。
[0048] 本实用新型装置提供的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,如图4所示,主电路是基于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。
[0049] 图5为变流器中dqO变换的电流直接控制原理图,本实用新型提供装置的直接电流控制方法中采用了直流侧电容电压的闭环控制,直流侧电容电压比例积分调节器PI的输出形成有功电流指令,图5中,ί/: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,图中所采用的直接电流控制方法为三角载波比较方式。
[0050] 触发电路中的脉冲变压器电路图如图6所示,本实用新型驱动包括晶闸管驱动和 IGBT驱动电路。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。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。
[0051] 如图7所示,是IGBT驱动模块2SD315A结构图,本实用新型无功补偿装置提供的变流器中IGBT采用2SD315A驱动模块,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,第一块是逻辑驱动转换接口(Logic To Driver hterfac^LDI),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;第二块是智能门极驱动(Intelligent Gate Driver, I⑶),它通过高频隔离变压器从上一级逻辑驱动转换接口接收控制信号,经放大等处理后输出士 15V/士 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I⑶模块;第三块是输入与输出相互绝缘的直流变直流的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。图中的电源电压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。本实用新型变流器 IGBT采用2SD315A驱动模块,具有安全性、智能性与易用性的特点。
[0052] 本实用新型提供的装置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和一相电流Ia的模拟量测量原理图,如图8和9所示。本实用新型测量模块实际上就是一个采样、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互感器变成小信号模拟量,经AD转换器,转换为能被DSP接受和处理的数字量; 在本实用新型中,电压采样电路采用一款毫安级精密电流互感器SPT204A、运放电路以及必要的外围电路构成,电流采样电路采用精密的电流互感器SCT254AK、运放电路以及必要的外围电路构成;其中毫安级精密电流互感器SPT204A,输入额定电流为2mA,额度输出电流为2mA,精密的电流互感器SCT254AK,输入额定电流为5A,额度输出电流为2. 5mA ;两种变换器的抗电强度都在3000V以上,相位差< 5'(经过补偿后),比差非线性度< 0. 1%,线性范围在5%〜200%,满足测量要求。电压采样电路采用高精度电流互感器,可使大大节省硬件电路的占用空间;电流采样电路采用高精度的电流互感器,测量精度大大提高。
[0053] 综上所述,本实用新型无功补偿装置整个系统原理框图如图10所示,整个系统以控制平台0MAP-L138 32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。
[0054] 本实用新型提供的装置采用了一种适用于低电压配电系统的新型动态无功补偿电路拓扑,主电路采用晶闸管控制电容器TSC和三相四桥臂变流器结构,可以对负荷无功进行有效补偿;变流器控制采用正弦脉宽调制控制,保证电压电流失真度低,并通过调节变流器的输出电压从而动态调节静态无功补偿器补偿无功功率,最终实现系统无功补偿为零的目的。
[0055] 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 (9)

1.一种动态无功补偿装置,所述装置通过控制平台进行控制,所述装置包括主电路单元、驱动电路单元、数据测量单元、数据处理单元、控制单元、通讯单元和电源单元,其特征在于,所述控制平台采用0MAP-L138芯片的智能终端;所述主电路单元包括三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器TSC电路;所述三相四桥臂变流器电路和晶闸管投切电容器 TSC电路并接。
2.如权利要求1所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述三相四桥臂变流器电路是基于绝缘栅双极晶体管IGBT的三相电压型PWM变流器。
3.如权利要求1所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述晶闸管投切电容器 TSC电路包括依次串联的电容器、复合开关和电感;所述复合开关由反并联晶闸管与交流接触器组成。
4.如权利要求1所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述驱动电路单元包括晶闸管驱动电路和绝缘栅双极晶体管IGBT驱动电路。
5.如权利要求4所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述晶闸管驱动电路采用脉冲列触发的方式,所述晶间管驱动电路包括光电耦合器、金属氧化物场效应管和脉冲变压器电路。
6.如权利要求4所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述IGBT驱动电路采用 2SD315A驱动模块。
7.如权利要求1所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述数据测量单元包括采样电路和滤波电路,所述采样电路包括电压采样电路和电流采样电路,电压、电流信号经过采样电路输入数据处理单元处理后,再进行滤波处理。
8.如权利要求7所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述电压采样电路由毫安级精密电流互感器SPT204A、运放电路以及外围电路构成,电流采样电路由精密的电流互感器SCT254AK、运放电路以及外围电路构成。
9.如权利要求7所述的一种动态无功补偿装置,其特征在于:所述数据处理单元采用快速数字信号处理器DSP进行采样值计算和分析,所述数据处理单元与控制单元相连;所述控制单元包括PWM输出电路、开关量输入电路、开关量输出电路、时钟电路和显示电路; 所述控制单元中的主CPU采用DSP实现,与通讯单元连接;所述通讯单元包括RS485接口、 GPRS接口和以太网接口 ;所述显示电路包括液晶、键盘和LED显示灯。
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