CN206023224U - 一种低压有源无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种低压有源无功补偿装置，包括控制系统、主控制回路以及系统主电路，所述的主控制回路包括直流电压保持器、电压源逆变器以及耦合变压器，所述的电压源逆变器包括至少三个由IGBT组成的桥臂，所述的桥臂的上端连接形成正极直流母线，所述的桥臂的下端连接形成负极直流母线，所述的直流电压保持器的两端与所述正极直流母线以及所述负极直流母线连接，每个桥臂的输出端均与所述耦合变压器的输入端连接，所述耦合变压器的输出端连接至系统电压，本实用新型具有调节速度快，运行范围宽，采用合适的开关频率可大大减少补偿电流中的谐波含量，能有效改善用电负荷的功率因数，具有显著的节能的优点。

Description

一种低压有源无功补偿装置

技术领域

本实用新型涉及无功补偿控制技术领域，尤其涉及一种低压有源无功补偿装置。

背景技术

SVG，又称为静止同步补偿器。其基本原理是利用可关断大功率电力电子器件组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现集动态补偿感性无功功率和容性无功功率于一身，具有能够动态补偿大范围快速变化的瞬时无功功率的特点，能快速平滑地补偿感性无功和容性无功，保持电压稳定。

此外，传统的机械投切电容器在动作执行机构上存在缺点，其接触器不能长期稳定工作，就连现有的晶闸管投切电容器装置补偿也是采用投切电容器组，补偿呈现阶梯状，无法实现线性调节。SVG克服了这些缺陷，具有可靠高、使用寿命长、可线性调节的突出优点，并可将动态响应时间由原有的20mS提高到了4mS以内，远远优于我国电力行业标准中“无功负荷快速变化时响应时间小于100mS”的规定。

总之，SVG是应无功补偿快速、准确和减少谐波的要求，采用变流器结构和新型电力电子器件、智能控制芯片实现的高性能无功补偿系统。

但是现有技术的SVG通常都用在高压环境中，低压环境下通常还是采用并联电容的方法来进行补偿，而石油化工、电力系统、冶金钢铁、电气化铁路、城市建设等行业中，无功补偿装置为各种异步电动机、变压器、晶闸管变流器、变频器、感应炉、照明设备、电弧炉、电力机车、提升机、冲压机、吊车、电梯、风力发电机、电梯、电焊机、电阻炉 、石英熔炼炉等设备均需要低压的无功补偿，这就需要设计一种高质量、高可靠性的无功补偿及滤波的解决方案来满足这个需求。

实用新型内容

针对现有技术的不足之处本实用新型提供一种低压有源无功补偿装置，本实用新型采用IGBT作为开关元件，将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当的调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功功率补偿。该装置调节速度快，运行范围宽，采用合适的开关频率可大大减少补偿电流中的谐波含量，能有效改善用电负荷的功率因数，具有显著的节能效果。

本实用新型的技术方案是提供一种低压有源无功补偿装置，包括控制系统、主控制回路以及系统主电路，所述的主控制回路包括直流电压保持器、电压源逆变器以及耦合变压器，所述的电压源逆变器包括至少三个由IGBT组成的桥臂，所述的桥臂的上端连接形成正极直流母线，所述的桥臂的下端连接形成负极直流母线，所述的直流电压保持器的两端与所述正极直流母线以及所述负极直流母线连接，每个桥臂的输出端均与所述耦合变压器的输入端连接，所述耦合变压器的输出端连接至系统电压；

所述的控制系统包括包括控制器、保护器、算法器，AD转换器、调理电路、采样电路、PWM输出器；所述的控制器与所述的算法器、所述的保护器、所述的PWM输出器连接，所述的采样电路的相同的采样信息的输出端通过所述的调理电路与所述的AD转换器以及所述的保护器分别连接，所述的算法器与所述的保护器连接，所述的PWM输出器与所述桥臂中每个IGBT的门级连接。

作为本实用新型的优选，所述的电压源逆变器包括四个由IGBT组成的桥臂，所述的桥臂的输出端分别与所述耦合变压器的A、B、C、N四个输入端连接，所述耦合变压器的A、B、C三相输出端与负载连接，所述负载的n端与所述耦合变压器的N端连接。

作为本实用新型的优选，所述的直流电压保持器包括用于提供电压支撑的电压支撑电容，所述电压支撑电容连接在所述正极直流母线与所述负极直流母线之间。

作为本实用新型的优选，所述负载为中点形成变压器。

作为本实用新型的优选，所述的控制系统还包括上位机，所述上位机包括控制模块、输入输出模块及液晶模块，所述控制模块通过所述的输入输出模块与所述保护器连接。

作为本实用新型的优选，所述的控制系统还包括外辅助模块，所述的外辅助模块包括继电器、操作键以及指示灯，所述继电器、所述操作键以及所述指示灯均与所述控制器连接，所述控制器与所述所述继电器、所述操作键以及所述指示灯之间通过干节点信号通信。

作为本实用新型的优选，所述的保护器与所述的算法器通过串口双向传输方式连接。

作为本实用新型的优选，所述的算法器与所述的控制器通过串口由所述算法器向所述控制器单向输送信号方式进行连接，所述的算法器与所述的控制器输送信号包括运行故障电平、PWM驶舵电平以及PWM电平。

作为本实用新型的优选，所述的保护器与所述控制器通过串口双向传输方式连接，所述保护器与所述控制器之间的输送信号包括运行故障输入电平、外部干接点输出电平以及外部干接点输入电平。

作为本实用新型的优选，所述的调理电路包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型具有调节速度快，运行范围宽，采用合适的开关频率可大大减少补偿电流中的谐波含量，能有效改善用电负荷的功率因数，具有显著的节能的优点。

附图说明

图1为本实用新型的主控制回路结构示意图；

图2为本实用新型的控制系统框图；

图中，1-控制器；2-保护器；3-算法器；4-AD转换器；5-调理电路；6-采样电路；7-PWM输出器；8-上位机；9-外辅助模块；10-直流电压保持器；11-电压源逆变器；12-耦合变压器；13-负载；101-电压支撑电容；111-桥臂；112-正极直流母线；113-负极直流母线。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型实施例包括控制系统、主控制回路。

如图1所示，本实用新型实施例的主控制回路包括直流电压保持器10、电压源逆变器11以及耦合变压器12，电压源逆变器11包括至少三个由IGBT组成的桥臂111，桥臂111的上端连接形成正极直流母线112，桥臂111的下端连接形成负极直流母线113，直流电压保持器10的两端与正极直流母线112以及负极直流母线113连接，每个桥臂111的输出端均与耦合变压器12的输入端连接，耦合变压器12的输出端连接至系统电压；

电压源逆变器11包括四个由IGBT组成的桥臂111，桥臂111的输出端分别与耦合变压器12的A、B、C、N四个输入端连接，耦合变压器12的A、B、C三相输出端与负载13连接，负载13的n端与耦合变压器12的N端连接。负载13可以为中点形成变压器。

直流电压保持器10包括用于提供电压支撑的电压支撑电容101，电压支撑电容连接在正极直流母线112与负极直流母线113之间。

对于本实用新型的结构，由于负序负载电流，在电压支撑电容上的是2倍频的脉动功率，因此该结构相比于③的三桥臂半桥式结构，需要的直流电容较小。最小的直流电容容量 有下式决定：

上式中为负序负载电流中2倍频脉动功率的大小，为设计的直流电容电压波动的大小。另外一个优点是直流母线电压的充分利用，相电压最大峰值可达到0.577，线电压的最大值可达到 ，因此可选择耐压等级较低的开关器件。

如图2所示，本实用新型实施例包括控制器1、保护器2、算法器3，AD转换器4、调理电路5、采样电路6、PWM输出器7；控制器1与算法器3、保护器2、PWM输出器7连接，采样电路6的相同的采样信息的输出端通过调理电路5与AD转换器4以及保护器2分别连接，算法器3与保护器2连接。保护器2与算法器3通过串口双向传输方式连接。算法器3与控制器1通过串口由算法器3向控制器1单向输送信号方式进行连接，算法器3与控制器1输送信号包括运行故障电平、PWM驶舵电平以及PWM电平。保护器2与控制器1通过串口双向传输方式连接，保护器2与控制器1之间的输送信号包括运行故障输入电平、外部干接点输出电平以及外部干接点输入电平，PWM输出器7与所述桥臂111中每个IGBT的门级连接。

调理电路5包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。由互感器得到的电压电流信号线性衰减成能输入DSP的量程范围，再经抗混叠滤波器滤波，输入到DSP的ADC转换器中进行采样和模数转换。抗混叠滤波器的作用是把电力系统的信号进行低通滤波，滤除高频分量，使输入DSP进行处理的信号是满足奈奎斯特采样定律要求的信号，消除混叠现象，提高FFT的运算精度。模拟量采集。

本实用新型系统还包括上位机8，上位机8包括控制模块、输入输出模块及液晶模块，控制模块通过输入输出模块与保护器2连接。液晶模块以其功耗低、体积小、超簿、色调柔和、可靠性高、可以与 CMOS 电路直接匹配和易于实现大规模集成化生产等一系列优点而被广泛应用。液晶显示器件可分为段式、字符式和点阵式三种。其中点阵式液晶显示器件不仅可以显示字符、数字和各种图形、曲线以及汉字，而且还可以通过编程进一步实现一定的动画功能。选用深圳扬创公司的7寸LED彩色液晶触控屏，以Cortex A8 1G主频 ARM嵌入式CPU，512M Bytes DDR3 SDRAM、基于嵌入式Linux操作系统的高性能嵌入式工业平板电脑，带两个串口，一个USB口和一个网口，硬件资源足够，且自带了linux内核和底层库文件，可以根据项目需要方便地进行二次开发。

本实用新型系统还包括外辅助模块9，外辅助模块9包括继电器、操作键以及指示灯，继电器、操作键以及指示灯均与控制器1连接，控制器1与继电器、操作键以及指示灯之间通过干节点信号通信。

算法器3与保护器2均采用DSP作为主要处理器件。为保护器2采用的DSP软件的主要功能，实现了对电网电压、SVG电流、母线过压、IGBT故障保护、IGBT过温保护、电网频率超限保护、电网同步丢失告警、存储器故障告警及算法DSP死机告警。为算法器3采用的DSP软件的主要功能。实现了对三相四线制的瞬时无功计算、无功补偿策略及生成IGBT驱动信号。

控制器1采用CPLD作为主要处理器件，由于数字电路与模拟电路相比具有易调试，易维护，不易干扰的优点，控制电路由TMS320F28335 DSP及其外围电路构成，其中包括：模拟信号采集电路，PWM驱动电路，时钟电路，串行FLASH接口电路，CPLD逻辑判断电路，键盘接口电路，串口通讯电路等。为满足数据存储容量及调试方便的要求，本系统的DSP控制电路外扩了一片 64K串行EEPROM芯片24LC64。外部存储器通过I2C总线与 DSP 相连。外部程序存储器可以用来在存运行储数和实时故障。为了简化DSP外围电路及PCB板的设计，DSP控制电路使用了一片CPLD，型号为XC95144，它主要处理所有控制信号，故障信号，输入输出信号等。

AD转换器4包括保护采样数模转换器以及算法采样数模转换器，保护采样模数转换器我们采用TMS320F28335自带的带内置采样和保持的A/D转换器，具有12位精度，转换速度最快达到100ns，并且可以同时采样16路信号。有多个触发源可以启动AD转换，包括软件启动、ESA, EVB和外部触发(ADCSOC )。模数转换模块的排序器包括两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器(SEQ 1和SEQ2 )，这两个排序器可被级连成一个最多可选择16个转换模拟通道的排序器(SEQ)。在这两种工作方式下，ADC模块都能够对一序列转换进行自动排序。转换后的数值结果保存在该通道相应的结果寄存器中，这样用户可以对同一个通道进行多次采样，即对某一通道实行“过采样”，这样得到的采样结果比传统的采样结果分辨率高。算法采样模数转换器我们采用AD公司的AD7656采样芯片，具有16位的采样精度，能达到1M/s的采样速度，转换速度最快达到500ns，数据通过数据总线和地址总线和算法DSP相连接。由算法DSP控制AD采样芯片的数据的传输和采样时机。达到精准采样，实时控制。由于TMS320F28335的速度较高150MHZ，为了保证DSP的可靠运行，程序不跑飞，建议采用四层板或六层板来制作PCB板。使用多层板的优点有：装配密度高，体积小；电子元器件之间的连线缩短，信号传输速度提高；方便布线；对于高频电路，加入地线层，使信号线对地形成恒定的低阻抗；屏蔽效果好。但是多层板的成本比双层板贵一些，不过考虑工作的稳定性，制作多层板还是值得的。至于电源板和模拟量采集板就可以采用常见的双层板即可。此外，制作PCB板时，还要仔细考虑电磁干扰问题。

本实用新型的保护器2包括主保护模块、存储模块、采样模块、上电模块、通讯模块以及人机交互模块。保护模块为保护DSP软件的主要功能，实现了对电网电压、SVG电流、母线过压、IGBT故障保护、IGBT过温保护、电网频率超限保护、电网同步丢失告警、存储器故障告警及算法DSP死机告警；采样模块通过对本DSP采样的读取，并计算出电网各项参数相关电参数的有效值，以备保护模块及通讯模块使用；上电模块控制在SVG设备启动时的各项时序及状态的控制；通讯模块实现了对上位机(人机界面)的通讯及对算法DSP的通讯；存储模块实现了关键运行参数的存储，以备再次启动时取用；通讯模块实现了对保护DSP的数据通讯。其中特别实现了对运行状态变量的缓存并通过保护DSP上传至上位机8。

存储模块以及人机交互模块与通讯模块连接，采样模块、上电模块以及通讯模块均与主保护模块连击，主保护模块包括故障仲裁器以及多个系统保护模块，故障仲裁器包括故障类型输出模块以及多个按照优先级依次工作的第一级故障判断模块，采样模块以及系统保护模块均与第一级故障判断模块连接，优先级最低的第一级故障判断模块与故障类型输出模块连接，故障类型输出模块与人机交互模块连接，第一级故障判断模块内设置有多个按照优先级依次工作的第二级故障判断模块。故障类型输出模块以及第二级故障判断模块的优先级按照相应故障对系统的输出影响程度制定。

故障冲裁器包括用于连接多个第一级故障判断模块的第一循环控制环以及设置在第一级故障判断模块内用于连接多个第二级故障判断模块的第二循环控制环。第一循环控制环以及第二循环控制环均按照优先级顺序对故障类型进行输出。本实用新型实施例的第二循环控制环以电压相关故障保护为例。与电压相关的故障保护有；电网电压过/欠压、电网频率超限、电网同步丢失。在主回路失电的情况下，电压欠压保护生效、电网频率低保护、电网同步丢失保护。但如果同时上报这三种故障，用户则无从准确地判定故障的来源，也就不从有效地排除真正的故障。而在第二循环控制环中，优先级由高到低是过压判断高于欠压判断高于电网同步丢失保护判断高于电网频率判断，然后每一级判断最终输出的结果均依次进行电压相关故障输出，如果全部正常，则该流程循环至采样部分重新进行下一周期的判断工作，以此保证故障的排序检测以及上报

本实用新型实施例的多个第一级故障判断模块为IGBT故障判断模块、电流相关故障判断模块、电压相关故障判断模块、运行相关故障判断模块以及通讯故障判断模块，IGBT故障判断模块、电流相关故障判断模块、电压相关故障判断模块、运行相关故障判断模块以及通讯故障判断模块的肯定侧与否定侧分别按照各自优先级顺序进行连接后再与故障类型输出模块连接形成第一循环控制环。第一循环控制环包括停机分闸控制环以及非停机分闸控制环，故障仲裁器还包括故障停机分闸模块，IGBT故障判断模块、电流相关故障判断模块、电压相关故障判断模块以及运行相关故障判断模块的肯定侧与通讯故障判断模块的肯定侧以及故障类型输出模块顺序连接，且否定侧顺序连接后与故障停机分闸模块连接，故障停机分闸模块与故障类型输出模块连接后形成停机分闸控制环；通讯故障判断模块的肯定侧与通讯故障输出模块连接，且否定侧直接与故障类型输出模块连接形成非停机分闸控制环。

故障冲裁器按照优先级顺序处理故障报警，在上一级故障已处理后，方可处理下一级故障。以此流程循环执行，直到所有故障都处理完毕，则所有故障均以优先级的顺序排序上报至用户。

其中，还有一类故障不需要停机/分闸的，例如通讯故障，在故障输出前，则无需经过故障停机/分闸模块处理。

本实用新型的系统保护模块包括与IGBT故障判断模块连接的IGBT故障保护模块以及IGBT过温保护模块、与电流相关故障判断模块连接的SVG过流保护模块、与电压相关故障判断模块连接的电网电压过欠压保护模块以及母线过压保护模块、与运行相关故障判断模块连接的电网频率超限保护模块以及电网同步丢失保护模块以及算法DSP死机告警模块以及存储器故障告警模块、与通讯故障判断模块连接的通讯故障保护模块。

上面所述的实施例仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种低压有源无功补偿装置，包括控制系统、主控制回路，其特征在于：所述的主控制回路包括直流电压保持器（10）、电压源逆变器（11）以及耦合变压器（12），所述的电压源逆变器（11）包括至少三个由IGBT组成的桥臂（111），所述的桥臂（111）的上端连接形成正极直流母线（112），所述的桥臂（111）的下端连接形成负极直流母线（113），所述的直流电压保持器（10）的两端与所述正极直流母线（112）以及所述负极直流母线（113）连接，每个桥臂（111）的输出端均与所述耦合变压器（12）的输入端连接，所述耦合变压器（12）的输出端连接至系统电压；

所述的控制系统包括包括控制器（1）、保护器（2）、算法器（3），AD转换器（4）、调理电路（5）、采样电路（6）、PWM输出器（7）；所述的控制器（1）与所述的算法器（3）、所述的保护器（2）、所述的PWM输出器（7）连接，所述的采样电路（6）的相同的采样信息的输出端通过所述的调理电路（5）与所述的AD转换器（4）以及所述的保护器（2）分别连接，所述的算法器（3）与所述的保护器（2）连接，所述的PWM输出器（7）与所述桥臂（111）中每个IGBT的门级连接。

2.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的电压源逆变器（11）包括四个由IGBT组成的桥臂（111），所述的桥臂（111）的输出端分别与所述耦合变压器（12）的A、B、C、N四个输入端连接，所述耦合变压器（12）的A、B、C三相输出端与负载（13）连接，所述负载（13）的n端与所述耦合变压器（12）的N端连接。

3.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的直流电压保持器（10）包括用于提供电压支撑的电压支撑电容（101），所述电压支撑电容连接在所述正极直流母线（112）与所述负极直流母线（113）之间。

4.根据权利要求2所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述负载（13）为中点形成变压器。

5.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的控制系统还包括上位机（8），所述上位机（8）包括控制模块、输入输出模块及液晶模块，所述控制模块通过所述的输入输出模块与所述保护器（2）连接。

6.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的控制系统还包括外辅助模块（9），所述的外辅助模块（9）包括继电器、操作键以及指示灯，所述继电器、所述操作键以及所述指示灯均与所述控制器（1）连接，所述控制器（1）与所述继电器、所述操作键以及所述指示灯之间通过干节点信号通信。

7.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的保护器（2）与所述的算法器（3）通过串口双向传输方式连接。

8.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的算法器（3）与所述的控制器（1）通过串口由所述算法器（3）向所述控制器（1）单向输送信号方式进行连接，所述的算法器（3）与所述的控制器（1）输送信号包括运行故障电平、PWM驶舵电平以及PWM电平。

9.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的保护器（2）与所述控制器（1）通过串口双向传输方式连接，所述保护器（2）与所述控制器（1）之间的输送信号包括运行故障输入电平、外部干接点输出电平以及外部干接点输入电平。

10.根据权利要求1所述的一种低压有源无功补偿装置，其特征在于：所述的调理电路（5）包括信号衰减和模拟抗混叠滤波器。