CN205960652U - 基于三电平npc技术的静止无功发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的基于三电平NPC技术的静止无功发生器，通过采样检测电路、检测负载中的电压、电流，经过数字信号处理器DSP+FPGA的计算得到负载中的无功电流，然后通过PWM隔离驱动控制功率电路产生与负载无功电流相位相同，大小相反的无功电流，补偿电流与负载中的无功电流相互抵消，最终达到补偿系统功率因数的目的。相比两电平变流器，在三电平变流器换相过程中，每个IGBT均只承受直流侧总电压的一半，提高了设备容量，降低成本，并且具有输出电压、电流谐波低、电磁干扰小等优点。抵消负载电流中需要补偿的谐波、无功及不平衡分量，最终得到期望的电源电流，从而实现电网无功功率的大范围连续精确补偿。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无功功率补偿技术领域，尤其涉及一种基于三电平NPC技术的静止无功发生器。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和微控制器技术的快速发展，大功率静止无功发生器(SVG)得到了广泛的应用。尽管SVG在国内已经得到广泛应用，但在煤矿井下配电系统中主要采用传统的静止无功补偿器(SVC)，先进的无功补偿装置应用较少。况且，SVC采用半控器件晶闸管，控制依赖上半个周期的测量数据，存在响应时间较慢，对闪变的改善率低，甚至有时造成闪变加剧，不能进行连续无功调节的缺点，已经很难满足电网无功补偿的需求。相比传统的静止无功补偿器(SVC)，SVG具有无功功率补偿连续可调、动态响应快、噪声小及损耗小等优势。而且采用PWM、多重化和多电平等技术的SVG可以有效地抑制电压波动、谐波以及闪变，消除三相不平衡，改善电能质量，提高效率，是国内外动态无功功率补偿研究的主要方向之一。
三电平变流器主要有两种主电路拓扑结构:二极管箝位式和电容箝位式三电平变流器.基于三电平NPC技术的SVG相比两电平SVC具有明显的优势，可以达到更高的电压等级，输出电压比两电平变流器具有更小的dv/dt，输出电压、电流谐波含量降低，开关损耗小、效率高，系统具有更高的无功功率补偿容量。因此需要一种更加安全可靠、补偿精度更高、自动化水平更高的补偿装置供煤矿井下配电系统中选用。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种采用全新的无功补偿结构，更加安全可靠、补偿精度更高、自动化水平更高的基于三电平NPC技术的静止无功发生器。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：
一种基于三电平NPC技术的静止无功发生器，其特征在于：以DSP+FPGA器件为中央控制器，所述的DSP+FPGA器件分别与AD信号转换、SVG输出电路电容电压检测、保护电路、IGBT温度检测、电源、人机界面、PWM隔离驱动电路电性连接，三电平IGBT变流器分别与滤波电路、IGBT温度检测、PWM隔离驱动电路电性连接，所述SVG输出电路电容电 压检测、保护电路、PWM隔离驱动电路顺次电性连接，滤波电路分别与输出信号调理电路、SVG输出电路电容电压检测、直流电压采样模块、电网电性连接，直流电压采样模块、输出信号调理电路、AD信号转换顺次电性连接，输入电流采样模块、电网、电网信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接，负载、负载电流采样模块、负载信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接。
所述中央控制器的DSP芯片为TMS320F28335，FPGA芯片为EP3C25。
所述的静止无功发生器的主拓扑参数:电网线电压有效值Us＝1140V；电网频率f＝50Hz；直流侧电容C＝3000μF；并网电抗器Lc＝0.6mH；直流侧电容电压参考值V*dc＝1700V；额定输出电流Ic＝200A。
本实用新型的工作原理是：通过采样检测电路、检测负载中的电压、电流，经过数字信号处理器DSP+FPGA的计算得到负载中的无功电流，然后通过PWM隔离驱动控制功率电路产生与负载无功电流相位相同，大小相反的无功电流，补偿电流与负载中的无功电流相互抵消，最终达到补偿系统功率因数的目的。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
本实用新型公开的基于三电平NPC技术的静止无功发生器，通过采样检测电路、检测负载中的电压、电流，经过数字信号处理器DSP+FPGA的计算得到负载中的无功电流，然后通过PWM隔离驱动控制功率电路产生与负载无功电流相位相同，大小相反的无功电流，补偿电流与负载中的无功电流相互抵消，最终达到补偿系统功率因数的目的。相比两电平变流器，在三电平变流器换相过程中，每个IGBT均只承受直流侧总电压的一半，提高了设备容量，降低成本，并且具有输出电压、电流谐波低、电磁干扰小等优点。抵消负载电流中需要补偿的谐波、无功及不平衡分量，最终得到期望的电源电流，从而实现电网无功功率的大范围连续精确补偿。
附图说明
图1是本实用新型的三电平NPC主电路拓扑结构图。
图2是本实用新型的SVG等效电路及矢量图。
图3是本实用新型的组成结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型进行详细地描述，但是应该指出本实用新型的实施不限于以下的实施方式。
如图1所示，是本实用新型基于三电平NPC技术的静止无功发生器的三电平NPC主电 路拓扑结构图，相比两电平变流器，在三电平变流器换相过程中，每个IGBT均只承受直流侧总电压的一半，提高了设备容量，降低成本，并且具有输出电压、电流谐波低、电磁干扰小等优点。
如图2所示，是本实用新型SVG等效电路及矢量图，其中Lc，Rc为SVG系统等效电感和包括连接电抗器和系统本身阻抗的电阻，Us是网侧电压，Uc是SVG输出电压，Ic是SVG吸收的电流。对图中所示的SVG等效电路进行分析，可将SVG当作电压控制电流源来对待，通过改变SVG输出电压Uc与电网电压Us的相位差以及Uc的幅值，来间接地控制SVG从电网吸收电流Ic的相位和幅值，即控制了SVG吸收容性无功功率还是感性无功，以及无功功率大小。图中φ是连接电抗器的阻抗角，δ是SVG输出电压Uc与电网电压Us的相位差。当电流超前电网电压90°，SVG吸收感性的无功功率；当电流滞后电网电压90°，SVG吸收容性的无功功率。考虑到电网为系统的损耗提供有功功率，电网电压Us与电流Ic相位差略小于90°，偏差角为δ，这个δ角就是SVG输出电压Uc与电网电压Us的相位差。
如图3所示，是本实用新型面向煤矿井下电力系统，应用于大功率电机负载的新型三电平1140V、400kVar无功功率补偿装置的静止无功发生器。该发生器基于三电平NPC技术和DSPTMS320F28335与FPGA的全数字控制装置。该发生器主拓扑参数:电网线电压有效值Us＝1140V；电网频率f＝50Hz；直流侧电容C＝3000μF；并网电抗器Lc＝0.6mH；直流侧电容电压参考值V*dc＝1700V；额定输出电流Ic＝200A。
本实用新型的连接关系为：作为中央控制器的DSP(TMS320F28335)+FPGA分别与AD信号转换、SVG输出电路电容电压检测、保护电路、IGBT温度检测、电源、人机界面、PWM隔离驱动电路电性连接，三电平IGBT变流器分别与滤波电路、IGBT温度检测、PWM隔离驱动电路电性连接，SVG输出电路电容电压检测、保护电路、PWM隔离驱动电路顺次电性连接，滤波电路分别与输出信号调理电路、SVG输出电路电容电压检测、直流电压采样模块、电网电性连接，直流电压采样模块、输出信号调理电路、AD信号转换顺次电性连接，输入电流采样模块、电网、电网信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接，负载、负载电流采样模块、负载信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接。
作为中央控制器的DSP+FPGA以TI公司的32位浮点微处理器TMS320F28335为主控芯片，TMS320F28335隶属于DelfinoMCU系列产品成员，运行频率可高达300MHZ，是针对要求严格控制应用的高度集成、高性能解决方案；控制系统辅以Altera公司的CyloneIII产品、FPGA型号为EP3C25芯片，主要进行一些数字信号的逻辑处理，而DSP芯片完成采 样信号处理、控制计算、保护以及PWM信号输出等主要功能。
AD信号转换共包括负载电流采样模块、输入电流采样模块、直流电压采样模块的由电压互感器、电流互感器分别进行电压、电流信号采集，再经过负载信号调理电电路、电网信号调理电电路、输出信号调理电路分别进行的运放电路调理后，由AD信号转换的AD采样芯片AD7657进行采样转换，输出数字信号至DSP+FPGA进行处理。IGBT温度检测由一个单独的AD芯片AD7995完成，通过两线式串行总线(I2C)通讯接口输出至DSP+FPGA。
保护电路的作用是保护SVG无故障运行，当SVG输出电路电容电压检测检测到SVG直流电容电压过高，或上下电容电压差过大，电网电压异常，功率器件温度过高时，保护电路变产生保护信号，切断PWM输出信号，关闭SVG。滤波电路的作用是用来滤除整流后单向脉动电压中的交流部分，使之成为平滑的直流电压。
PWM隔离驱动的作用是DSP+FPGA经运算处理后，产生PWM信号，由外部放大电路放大信号，再经过隔离驱动电路形成具有驱动能力的PWM驱动信号来驱动主功率电路的三电平IGBT变流器。
三电平IGBT变流器的采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)构成的三电平脉冲宽度调试(PWM)变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。其中，三相每个桥臂有4个开关管(IGBT),和两个辅助二极管。其中每个桥臂最上和最下的两个开关管相当于两电平电路中上、下开关管，而桥臂中间的两个开关管和两个辅助二极管构成中点钳位电路。usa、usb、usc是交流电网的三相电压，ica、icb、icc为三电平SVG输出电流，负载为三相非线性负载。变流器直流侧电压为udc，由两组电容串联而成，N点位电容均压中点，与每个桥臂的辅助二极管相连。当两个电容上的电压相等时，主开关管承受udc/2。以A相为例说明变流器每相桥臂的结构，A相桥臂有四个IGBT T1、T2、T3、T4,四个续流二极管,两个钳位二极管D1,D2。
人机界面与DSP(TMS320F28335)+FPGA连接，主要是对整个装置的运行状态、各项数据进行显示，并可通过嵌入式一体化触摸屏人机界面对相关数据进行设置。通讯用于DSP(TMS320F28335)+FPGA的串行通信接口SCI、串行外围设备接口SPI通讯接口已经全部预留，方便以后与控制中心通讯。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于三电平NPC技术的静止无功发生器，其特征在于：以DSP+FPGA器件为中央控制器，所述的DSP+FPGA器件分别与AD信号转换、SVG输出电路电容电压检测、保护电路、IGBT温度检测、电源、人机界面、PWM隔离驱动电路电性连接，三电平IGBT变流器分别与滤波电路、IGBT温度检测、PWM隔离驱动电路电性连接，所述SVG输出电路电容电压检测、保护电路、PWM隔离驱动电路顺次电性连接，滤波电路分别与输出信号调理电路、SVG输出电路电容电压检测、直流电压采样模块、电网电性连接，直流电压采样模块、输出信号调理电路、AD信号转换顺次电性连接，输入电流采样模块、电网、电网信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接，负载、负载电流采样模块、负载信号调理电电路、AD信号转换顺次电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于三电平NPC技术的静止无功发生器，其特征在于：所述中央控制器的DSP芯片为TMS320F28335，FPGA芯片为EP3C25。
3.根据权利要求1所述的一种基于三电平NPC技术的静止无功发生器，其特征在于：所述的静止无功发生器的主拓扑参数:电网线电压有效值Us＝1140V；电网频率f＝50Hz；直流侧电容C＝3000μF；并网电抗器Lc＝0.6mH；直流侧电容电压参考值V*dc＝1700V；额定输出电流Ic＝200A。
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