CN203690930U

CN203690930U - 一种混合型无功补偿控制系统

Info

Publication number: CN203690930U
Application number: CN201320863851.XU
Authority: CN
Inventors: 李玲玲; 朱彩虹; 鲁修学; 吉海涛; 高建森; 刘博豪; 聂海龙
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2023-12-19

Abstract

本实用新型涉及一种混合型无功补偿控制系统，其主要技术特点是：包括晶闸管投切电容器、静止无功发生器和无功补偿控制器，所述的晶闸管投切电容器、静止无功发生器并联在电网的公共节点上，所述的无功补偿控制器连接到电网上采集电网电压信号及电流信号，该无功补偿控制器产生的TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到晶闸管投切电容器、静止无功发生器上实现电网无功功率的大范围连续补偿功能。本实用新型设计合理，通过无功补偿控制器控制并联在电网公共节点中的晶闸管投切电容器(TSC)和静止无功发生器(SVG)，不仅实现了大范围、大容量、高精度和实时性好的无功功率补偿，而且易于实现，补偿速度快，可广泛用于中高压配电网的无功补偿。

Description

一种混合型无功补偿控制系统

技术领域

本实用新型属于电力无功补偿技术领域，尤其是一种混合型无功补偿控制系统。

背景技术

随着非线性负载的广泛使用，电力系统中的无功需求增多，给电网增加了额外的负担，甚至影响到供电质量；另一方面无功功率也是电力系统中各种感性设备维持电磁场，进行电能转换、传输所必须的能量。因此，实际运行中往往需要对无功功率进行就地补偿。无功补偿技术在发展过程中，先后出现了几种不同的无功补偿装置，SVG(也称STATCOM)即为目前最为先进的无功补偿装置，但由于电力电子器件的频率限制，其补偿容量往往达不到要求。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种混合型无功补偿控制系统，将晶闸管投切电容器(TSC)和静止无功发生器(SVG)并联使用进行无功功率补偿，无功补偿控制器则用于产生TSC和SVG各自开关器件的脉冲信号，从而实现大范围、高精度和实时性好的无功功率补偿，克服了现有的无功补偿器的补偿范围小、补偿精度低和实时性差等不足。

本实用新型解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种混合型无功补偿控制系统，包括晶闸管投切电容器、静止无功发生器和无功补偿控制器，所述的晶闸管投切电容器、静止无功发生器并联在电网的公共节点上，所述的无功补偿控制器连接到电网上采集电网电压信号及电流信号，该无功补偿控制器产生的TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到晶闸管投切电容器、静止无功发生器上实现电网无功功率的大范围连续补偿功能。

而且，所述的晶闸管投切电容器由三相相同的电路构成，其中每一相电路均设有4个由电容、小电感和反并联晶闸管串联组成的支路，每相电路中的4个电容值之比为8:4:2:1，通过控制电容支路上的反并联晶闸管的开关状态实现无功功率的粗略补偿功能。

而且，所述的静止无功发生器由三相逆变器、直流侧储能电容和交流侧电感组成，直流侧电容的储能为逆变器提供直流电压输入，交流侧电感用于抑制电流突变，三相逆变器在不同的开关状态下输出所需要的电压和无功补偿电流，实现无功功率的精确补偿功能。

而且，所述的无功补偿控制器包括电网电压检测模块、电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块、A/D转换模块，DSP信号处理模块和FPGA脉冲生成模块，连接在电网公共节点上的电网电压检测模块、电网电流检测模块以及SVG输出电流检测模块连接到A/D转换模块上，该A/D转换模块的输出端分别与DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块相连接，该DSP信号处理模块与FPGA脉冲生成模块通过串口相连接，该FPGA脉冲生成模块生成TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到TSC和SVG上对其进行控制。

而且，所述的FPGA脉冲生成模块还与保护电路模块相连接，由保护电路模块实现过流保护功能。

而且，所述DSP信号处理模块由TMS320F2812芯片及与其相连接的时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口构成。

而且，所述的FPGA脉冲生成模块由EP2C8Q208C8N及与其相连接的时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口和外扩FLASH电路构成。

而且，所述的电网电压检测模块由电压互感器和两个运算放大器连接构成，所述的电压互感器采用HPT303的跟踪型电压隔离互感器，所述的运算放大器采用TL084D型运算放大器。

而且，所述的A/D转换模块采用6通道16位高速AD芯片AD73360，其采用同步串行接口与DSP信号处理模块相连接。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本控制系统通过无功补偿控制器控制并联在电网公共节点中的晶闸管投切电容器(TSC)和静止无功发生器(SVG)进行无功功率补偿，实现了大范围、大容量、高精度和实时性好的无功功率补偿功能，而且实现过程相对简单，成本较低。

2、本控制系统采用DSP+FPGA共同实现信号的处理与脉冲的生产，两者之间采用高速通讯接口进行通讯，能极大地提高无功补偿的速度。

3、本控制系统采用外扩的精度高、速度快和输入范围大的A/D转换芯片，简化了调理电路的设计，提高了信号采集精度和速度。

4、本发明设计合理，不仅实现了大范围、大容量、高精度和实时性好的无功功率补偿，而且易于实现，补偿速度快，可广泛用于中高压配电网的无功补偿。

附图说明

图1是本实用新型的系统连接示意图；

图2是本实用新型的无功补偿控制器的电路方框图；

图3是本实用新型的电网电压检测电路图；

图4是本实用新型的A/D转换模块的电路图；

图5是本实用新型的DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述。

一种混合型无功补偿控制系统，如图1所示，包括晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG)和无功补偿控制器，所述的晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG)并联在电网的公共节点上，TSC用于无功功率的大范围粗略补偿，SVG则用于无功功率的精确补偿；所述的无功补偿控制器连接到电网上采集电网电压信号及电流信号，该无功补偿控制器与晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG）相连接，无功补偿控制器通过实时电压、电流的采集和处理，控制产生TSC和SVG中开关器件的脉冲信号，从而实现电网无功功率的大范围连续补偿功能。下面对系统中的各个部分分别进行说明：

晶闸管投切电容器由三相相同的拓扑结构构成，其中每一相均设有4个由电容、小电感和反并联晶闸管串联组成的电容支路，电容的大小则按2的加权分布，即电容值之比为8:4:2:1，通过控制电容支路上的反并联晶闸管的开关状态确定电容器的接入量而改变电容器组的电容值，4个支路共有16种通断组合，则TSC可实现16级无功功率补偿，实现无功功率的大范围，粗略补偿。

静止无功发生器(SVG)为三相电压型主电路，由三相逆变器、直流侧储能电容和交流侧电感组成，直流侧电容的储能为逆变器提供直流电压输入，交流侧电感用于抑制电流突变，三相逆变器则在不同的开关状态下输出所需要的电压和无功补偿电流，以实现无功功率的精确补偿。也就是说，通过控制三相逆变器的驱动信号，而对各相无功功率进行精确补偿。以电网的某一相为例，记电网相电压为U，频率为ω，TSC各支路的电容值分别为8C、4C、2C、C，SVG的单相等效电阻为R，忽略TSC支路的小电感作用，则TSC可发出的感性无功为：

Q_TSC＝nωCU²(n=0,1…15) (1)

SVG发出的最大感性无功功率为：

Q_{STAT} = \frac{U^{2}}{2 R} \sin 2 δ - - - (2)

式中，δ为SVG输出端电压与电网电压的相位差，δ_m为其最大值。

因此，只要选择合适的TSC电容C值和SVG各主器件参数，既可以实现无功功率的从0到

的连续大范围的精确、连续补偿。

如图2所示，无功补偿控制器以DSP和FPGA为核心，包括电网电压检测模块、电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块、A/D转换模块，DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块和保护电路模块。电网电压检测模块、电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块连接到A/D转换模块上，A/D转换模块的输出端分别与DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块相连接，DSP信号处理模块以及保护电路模块与FPGA脉冲生成模块相连接，FPGA脉冲生成模块生成TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到TSC和SVG上对其进行控制。无功补偿控制器的各个模块的具体功能是：电网电压电流检测模块用于实时获取电网电压；电网电流检测模块用于实时获取电网电流；SVG输出电流检测模块用于实时获取SVG输出的补偿电流；A/D转换模块用于对将检测到的电压、电流模拟信号转换为高精度的数字信号；DSP信号处理模块通过相关算法对实时的电网电压和电流进行分析、运算，获取无功指令电流；FPGA脉冲生成模块在无功指令电流和补偿电流反馈值的作用下产生需要的PWM脉冲信号；保护电路模块用于进行器件的过电流保护。

无功补偿控制器的工作过程为：电网电压检测模块、电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块实时检测相应的信号并进行处理，最后输出符合A/D转换模块输入的信号，A/D转换模块再将输入的信号转换为对应的数字信号并传送到DSP信号处理模块，经过分析、运算后得到无功指令电流信号传送到FPGA脉冲生成模块，最后由FPGA脉冲生成模块输出需要的TSC脉冲信号和SVG脉冲信号。

如图3所示，电网电压检测模块主要由电压互感器、运算放大器构成，对电网的电压信号进行检测和处理，其中电压互感器选用HPT303的跟踪型电压隔离互感器，运算放大器选用TL084D型运算放大器，其中运算放大器需要两个。HPT303的跟踪型电压隔离互感器将大电压信号按某一规律转换为小电压信号，通过一个TL084D运算放大器构成的低通滤波电路后，再通过另一个TL084D运算放大器构成的调理电路，最终得到符合A/D芯片模拟输入的电压信号。电网电压检测模块的具体连接方式为：电网电压通过电阻R1接到HPT303电压互感器的输入端VIN的两个引脚上，HPT303电压互感器的输出端OUT的两个引脚分别通过R2、R3接到第一个TL084D的同相输入端、反相输入端，方向相反的两个二极管D1、D2并联接到输出端OUT的两个引脚上，第一个TL084D的同相输入端经过电容C1和R4的并联支路接到第一个TL084D的输出端，第一个TL084D的输出端通过电阻R5接到第二个TL084D的反相输入端，第二个TL084D的反相输入端通过电阻R7接到其输出端，第二个TL084D的同相输入端经电阻R3接地，第二个TL084D的输出端通过R8后得到电压输出信号Uout。

电网电压检测模块中所使用的器件均为通用的市售商品。另外，电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块电路结构的实现与电网电压检测模块类似，其连接方式为本领域人员熟知，在此不再详述。

如图4所示，A/D转换模块采用AD公司的6通道16位高速AD芯片AD73360，能够保证检测的精度，其输入信号范围为±10V，其与DSP（TMS320F2812芯片）的通讯方式采用同步串行接口McBSP进行通讯，DSP通过程序即可控制AD73360的A/D转换过程，并读取所需要的信号的数字量。具体连接方式为：经电压检测模块处理后的电压输出信号Uout一端通过电容C2和电阻R9接到AD73360的VINP1引脚，另一端通过电容C3和电阻R10接到AD73360的VINN1引脚，VINP1、VINN1引脚分别通过电容C4、C5接地，参考电压接到AD73360的REFOUT引脚，REFOUT分别通过R11、R12接到VINN1、VINP1，AD73360的REFCAP引脚通过电容C6接地。TMS320F2812的McBSP的MFSRA引脚和MFSXA引脚并联接到AD73360的SDOFS、SDIFS引脚，MDXA引脚接到AD73360的SDI引脚，MDRA引脚接到AD73360的SDO引脚，MCLKXA和MCLKRA引脚并联接到AD73360的SCLK引脚，GPIOA1引脚接到AD73360的SE引脚，GPIOA0引脚接到AD73360的RESET引脚。

如图5所示，为了保证无功补偿的实时性，无功补偿控制器采用DSP和FPGA共同实现系统的数据处理和信号控制功能。DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块之间的通讯设计采用串口实现快速可靠的数据交换。DSP信号处理模块选用的DSP芯片为TI公司的TMS320F2812，主要完成实时信号的处理和保护控制功能；所述FPGA脉冲生成模块选用的FPGA芯片为Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C8Q208C8N，主要完成PWM信号的产生输出。在实现过程中，还需要配置一些基本的外围电路和扩展电路，EP2C8Q208C8N的外围电路包括时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口和外扩FLASH电路，用于保证EP2C8Q208C8N正常工作和存储器要求，控制信号输入则对其工作状态进行控制；TMS320F2812的外围电路包括时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口，用于保证TMS320F2812正常工作。EP2C8Q208C8N和TMS320F2812间的通信采用串行通信方式，由数据线、地址线、控制线、中断线和串口线构成，数据线为两者间数据交换通道，为16位并行接口，由通用I/O口实现，地址线为地址通道，为16位并行接口，由通用I/O口实现，控制线用于TMS320F2812对EP2C8Q208C8N的控制，中断线用于EP2C8Q208C8N向TMS320F2812的中断申请。SRAM为外扩的静态存储器，由数据线和地址线控制访问。

按照上述说明的无功补偿控制系统，在电网电压U，频率ω条件下选择合适的TSC的最小电容值C，SVG的单相等效电阻R，使TSC无功断续补偿间隔ωCU²等于或略小于SVG补偿的最大无功

以保证无功功率的大范围连续补偿。本无功补偿控制系统实现了快速响应功能，保证无功功率的快速，精确补偿。该混合型无功补偿系统的容量可达±100Mvar甚至更高，可广泛应用于不同等级的配电网中。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：包括晶闸管投切电容器、静止无功发生器和无功补偿控制器，所述的晶闸管投切电容器、静止无功发生器并联在电网的公共节点上，所述的无功补偿控制器连接到电网上采集电网电压信号及电流信号，该无功补偿控制器产生的TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到晶闸管投切电容器、静止无功发生器上实现电网无功功率的大范围连续补偿功能；

所述的无功补偿控制器包括电网电压检测模块、电网电流检测模块、SVG输出电流检测模块、A/D转换模块、DSP信号处理模块和FPGA脉冲生成模块，连接在电网公共节点上的电网电压检测模块、电网电流检测模块以及SVG输出电流检测模块连接到A/D转换模块上，该A/D转换模块的输出端分别与DSP信号处理模块、FPGA脉冲生成模块相连接，该DSP信号处理模块与FPGA脉冲生成模块通过串口相连接，该FPGA脉冲生成模块生成TSC脉冲信号和SVG脉冲信号分别连接到TSC和SVG上对其进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的晶闸管投切电容器由三相相同的电路构成，其中每一相电路均设有4个由电容、小电感和反并联晶闸管串联组成的电容支路，每相电路中的4个电容值之比为8:4:2:1，通过控制电容支路上的反并联晶闸管的开关状态实现无功功率的粗略补偿功能。

3.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的静止无功发生器由三相逆变器、直流侧储能电容和交流侧电感组成，直流侧电容的储能为逆变器提供直流电压输入，交流侧电感用于抑制电流突变，三相逆变器在不同的开关状态下输出所需要的电压和无功补偿电流，实现无功功率的精确补偿功能。

4.根据权利要求1所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的FPGA脉冲生成模块还与保护电路模块相连接，由保护电路模块实现过流保护功能。

5.根据权利要求1或4所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述DSP信号处理模块由TMS320F2812芯片及与其相连接的时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口构成。

6.根据权利要求1或4所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的FPGA脉冲生成模块由EP2C8Q208C8N及与其相连接的时钟电路、复位电路、电源电路、JTAG接口和外扩FLASH电路构成。

7.根据权利要求1或4所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的电网电压检测模块由电压互感器和两个运算放大器连接构成，所述的电压互感器采用HPT303的跟踪型电压隔离互感器，所述的运算放大器采用TL084D型运算放大器。

8.根据权利要求1或4所述的一种混合型无功补偿控制系统，其特征在于：所述的A/D转换模块采用6通道16位高速AD芯片AD73360，其采用同步串行接口与DSP信号处理模块相连接。