CN2882076Y - 基于晶闸管的静止同步补偿器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属电力系统无功补偿技术领域，其特征在于：用晶闸管代替普通静止同步补偿器电压逆变桥中的开关管，用一个基于DSP的闭环控制器检测系统电压、电流信号，根据无功功率控制目标计算所需触发角度，用一个基于FPGA的开环控制器对电网电压进行精确同步和定时，以产生触发脉冲。本实用新型在其工作范围内具有响应速度快，电流谐波小，晶闸管比开关管价格低且易于实现的优点。
Description
技术领域
采用晶闸管的静止同步补偿器STATCOM用于电力系统无功补偿
背景技术
随着电网技术的不断发展，大区域电网互联已经成为现代电力系统主要发展趋势之一。大区域互联电力系统带来了明显的经济效益，但是也面临着若干技术问题：首先，互连大系统中的输电线路，特别是长距离线路，其输送容量需要进一步提高，以节约修建额外长距离输电线路的巨大成本；其次，互联大系统中功率分布，特别是无功功率的走向和分配更加难以控制，亟需能够快速平滑地调节潮流分布的手段；再次，互联大系统系统阻尼大大减弱，易出现低频震荡，需要增强系统阻尼的设备；最后，各种新型的冲市性负荷不断采用，使低压配电网电能质量变差，并有可能对整个系统运行产生不利影响，需要改进电能质量的控制设备。
柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems)技术的出现为解决上述问题提供了有力的手段。它应用现代的控制技术和电力电子技术，实现对交流输电系统灵活快速的控制，实现输送功率合理分配，提高稳定性和可靠性。以及在配电系统中快速地向冲击性负荷，如电弧炉等，提供在动态过程中所需的无功；从而抑制其引起的电压波动和闪变；提高冲击负载设备及其临近电气设备的运行安全性。
作为一种重要的FACTS设备，静止无功补偿器已经在世界范围内得到了广泛应用。晶闸管控制的静止无功补偿装置SVC作为一种成熟的无功补偿技术是目前得到最为广泛应用的补偿装置。但由于SVC采用相控原理通过改变流经电抗器的电流来实现无功补偿，产生大量的谐波，无源器件占地面积大，同时电容的引入也带来潜在的诱发谐波放大的危险。和SVC相比，近年来推出的基于电压源逆变器的静态同步补偿器STATCOM具有工作范围大，控制稳定性高，响应速度快，电流谐波小，同容量下装置尺寸小等等显著优点，得到越来越广泛的重视。
常规的STATCOM装置的电压型逆变器多采用可关断器件，如IGCT和IGBT实现，在大容量STATCOM装置中，可关断电力器件及其触发、保护环节占去了装置总成本的很大一部分。同时，我国大容量可关断器件不能国产，给STATCOM的国产化带来了很大困难。如果能用晶闸管替代STATCOM中的可关断器件实现STATCOM的功能，制成基于晶闸管的STATCOM，就能够把STATCOM装置的优点与晶闸管器件成本低、容量大的优势结合起来。同时，由于国内具备生产大容量晶闸管的能力，并且在高压大功率晶闸管的应用上也积累了大量的经验，所以基于晶闸管的STATCOM在降低成本和实现国产化方面将具有显著的优点。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，提供一种用于电力系统无功补偿的采用晶闸管实现的静止同步补偿器。
本实用新型的特征在于：装置主电路包括由晶闸管、二极管和直流电容器构成的电压型逆变器，和变压器，装置数字控制器包括负责晶闸管触发的开环控制器和负责触发角度计算的闭环控制器。装置工作原理为：开环控制器检测电网电压并产生同步信号，结合设定触发角度产生晶闸管触发信号，通过触发电路开通晶闸管，使得晶闸管和二极管构成的逆变器输出交流电压领先于系统电压，使装置吸收感性无功。在此基础上，闭环控制器可以检测电网电压电流信号，与开环控制器通信并控制其触发角度，构成闭环控制。由于晶闸管不可关断，采用晶闸管的STATCOM不能工作在逆变器输出电压滞后于系统电压、发出感性无功的范围，这是该装置与传统STATCOM的区别，但是在领先于系统电压且吸收感性无功的工作范围内，装置的工作特性与STATCOM完全相同，可以用同样的理论公式进行分析。采用晶闸管的STATCOM在其工作范围内具有普通STATCOM的优点，包括响应速度快，电流谐波小等，同时，由于相同容量的晶闸管器件价格大大低于可关断器件，晶闸管触发电路的技术难度和成本也低于可关断器件的触发电路，使得晶闸管STATCOM具有成本较低，实现简单的特点。
本实用新型的特征在于：它是12脉的静止同步补偿器，整个装置包括电压型逆变器、变压器、基于DSP的闭环控制器和基于FPGA的开环控制器，其中，
电压型逆变器，由晶闸管、反并联于各晶闸管的二极管以及直流侧电容器构成；
变压器是一种Y/Y/D三相三绕组变压器，副边D绕组滞后于Y绕组30度角，所述变压器副边与所述电压型逆变器的交流侧相连；
基于DSP的闭环控制器采用芯片TMS320F2812，该闭环控制器的A/D输入端从电网信号调理电路获得输入信号，该闭环控制器检测三相电压、电流信号，计算触发角度，并将结果发给所述基于FPGA的开环控制器，其中所述的电网信号调理电路由输入信号为电流、电压传感器获得的三相电网信号的电压电流检测电路、放大电路、低通滤波电路和直流偏置电路依次串接而成，该电网信号调理电路输出端与DSP闭环控制器的A/D转换输入端相连；所述基于DSP的闭环控制器的触发角度信号经由一个总线接口输出；
基于FPGA的开环控制器，依次由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路以及晶闸管门极触发电路串接构成，该基于FPGA的开环控制器向所连接的电压型逆变器各晶闸管门极提供对电网电压进行精确同步和移相定时触发的触发脉冲，其中：
电网电压同步电路，由运算放大电路，过零比较电路以及逻辑电平转换电路依次串接构成，所属运算放大电路，所述电网电压同步电路的输入信号是经电压互感器获得的电网三相电压信号，输出信号是与电网电压同步，且与FPGA输入逻辑电平相符合的三相电压同步逻辑信号；
FPGA触发脉冲发生电路采用芯片XC3S200，其电压同步信号输入端与所述电网电压同步电路的输出端相连，总线接口与所述DSP闭环控制器总线接口相连，用于从闭环控制器接收触发角度信息，该FPGA触发脉冲发生电路的输出是各晶闸管的触发信号；
晶闸管门极触发电路，由达林顿三极管、脉冲变压器和阻容器件构成，三极管的输入信号来自所述FPGA触发脉冲发生电路的输出端，该门极触发电路将FPGA脉冲发生电路产生的触发信号放大为具有驱动能力的触发脉冲，输出到所述电压逆变桥中各个晶闸管的门极。
计算机仿真和实验装置物理实验均表明，当晶闸管STATCOM触发角领先于系统电压时，装置吸收感性无功。增加触发角度，装置相电流增大，吸收无功增加，且吸收无功随触发角度调节连续可调，电流谐波较小。实验与仿真相吻合，从而验证了晶闸管STATCOM的可行性，说明采用上述方法能够实现晶闸管STATCOM，该装置吸收感性无功连续可调，谐波含量小，达到了预期目的。本实用新型在其工作范围内具有响应速度快，电流谐波小，晶闸管比开关管价格低且易于实现的优点。
附图说明
图1 6脉波STATCOM仿真电路
图2 6脉波STATCOM触发角为+1.8°的A相电压电流波形
图3 6脉波STATCOM触发角为-1.8°度的A相电压电流波形
图4 6脉晶闸管STATCOM仿真电路
图5 6脉晶闸管STATCOM触发角为+1.8°度时的A相电压电流波形
图6 12脉晶闸管STATCOM样机系统结构图
图7 DSP闭环控制器结构图
图8 FPGA开环控制器结构图
图9 开环控制器电网电压同步电路原理图(单相)
图10 开环控制器FPGA芯片接线原理图
图11 开环控制器晶闸管门极触发电路(单个晶闸管)
图12 闭环控制器电压信号检测电路原理图(单相)
图13 闭环控制器电流信号检测电路原理图(单相)
图14 闭环控制器DSP芯片接线原理图
图15 闭环控制器16位总线接口原理图
图16 触发角为+2.7°时12脉样机系统A相电压、电流波形
图17 触发角为+3.6°时12脉样机系统A相电压、电流波形
具体实施方式
晶闸管STATCOM基本工作原理可通过对6脉波装置的仿真来说明。以如图1所示的简单的三相六脉STATCOM为例。装置为一六脉逆变桥，包含G1～G6的6只GTO和D1～D6的六只反并联二极管，直流侧采用电容作为直流电压支撑。逆变桥通过三相Y/Y接变压器与系统隔离。仿真装置主要参数为：电源电压380V 50Hz，变压器为Y/Y接法，容量10kVA，变比380/400V，漏抗为0.2p.u.，损耗为0.04p.u.，直流电容为2200uF。
逆变桥不采用PWM，控制每只GTO导通和关断各180度角，即正触发脉冲与负触发脉冲各占180度。根据STATCOM基本理论，以电网电压过零点为触发角原点，领先电网电压为触发角正方向时，触发角度δ大于0，则装置吸收感性无功，触发角度小于0，装置发出感性无功。若令系统三相电压为：
则触发角为δ时装置稳态下吸收的感性无功Q和三相相电流可表示如下：
(公式1)
仿真分别取δ为+1.8°和-1.8°，以图1中所示iA箭头方向为A相电流正方向，观察装置稳态运行时的A相电流波形和A相四只管子G1，G4，D1，D4中的电流波形。如图2和图3。
图2中，当δ＝+1.8°时(领先于电网电压)，仿真装置稳态运行时吸收感性无功7.9kVA，与公式1计算相符。相电流iA领先于相电压uA(90°-δ)＝88.2°，装置吸收感性无功。在iA的一个周期内，A相桥臂的导通顺序为D4～G1～D1～G4，开关管的开通信号促使每相桥臂二极管中的电流转移到开关管中，而开关管的关断信号不起任何作用。
相似地，在图3中δ＝-1.8°时(落后于电网电压)，仿真装置稳态运行时发出感性无功7.9kVA，与公式1计算相符。相电流iA滞后于相电压uA(90°-δ)＝91.8°，说明装置发出感性无功。在iA的一个周期内，A相桥臂的导通顺序为G1～D4～G4～D1，这种运行状态下，开关管的关断信号促使每相桥臂开关管中的电流转移到二极管中，而开关管的开通信号不起任何作用。
对于超前运行的情况，由于只有开通信号起作用，开关管的行为和晶闸管没有任何区别，因而完全可以用晶闸管代替开关管，在同样的时刻给以触发信号，实现吸收感性无功的功能。据此思路，将六脉STATCOM仿真电路中的开关管替换成晶闸管，其余参数不变，如图4所示，令触发角δ＝+1.8°(领先于电网电压)，观察A相电压，电流仿真波形，如图5所示。
在δ＝+1.8°时，A相桥臂按照D4～T1～D1～T4的顺序导通，其次序和采用开关管的STATCOM在图2中的次序完全相同，而且每次晶闸管开通时也都是在变压器漏抗的续流作用之下，电流由二极管转移到晶闸管中。图5中各电流波形与图2中相应的波形完全相同，且δ＝+1.8°时，晶闸管STATCOM装置发出感性无功为7.9kVA，和用公式1计算的结果相同，说明采用晶闸管的STATCOM在δ＞0时的运行方式与STATCOM完全相同，能够吸收连续可调的感性无功，因而采用晶闸管的STATCOM在理论上是可行的。
为实际验证上面所讨论的晶闸管STATCOM，我们在实验室中构建了12脉晶闸管STATCOM样机，并设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)的数字控制器，下面将详述样机系统的实现方法。
12脉晶闸管STATCOM样机系统及其控制器结构图如图6所示。主电路包括Y/Y/D三相三绕组变压器，两个由晶闸管和反并联二极管构成的六脉桥(Y桥包括晶闸管TY1～TY6，二极管DY1～DY6，D桥包括晶闸管TD1～TD6，二极管DD1～DD6)以及直流侧电容C。其中，三相三绕组变压器副边D绕组滞后于Y绕组30°。主电路的运行由数字控制器来控制。如图6所示，晶闸管STATCOM样机系统的数字控制器由基于FPGA的开环控制器和基于DSP的闭环控制器组成。
基于FPGA的开环控制器实现了根据给定触发角度产生相应触发脉冲的开环控制功能。如图8所示，开环控制器由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路和晶闸管门极触发电路三部分构成，每部分T作原理如下：
STATCOM的触发角度调节范围较小，因而用于产生STATCOM触发脉冲的控制器必须能够对电网电压进行精确的同步和定时，以便在准确的时刻发出触发脉冲，基于晶闸管的STATCOM也是如此。通常STATCOM要求的触发脉冲控制精度都在微秒量级，然而现有的常用集成数字式或模拟式晶闸管移相触发电路都无法满足这一精度要求，因而必须专门针对晶闸管STATCOM设计专门的触发脉冲发生电路。采用FPGA的触发脉冲发生电路很好的解决了这一问题。在12脉样机系统中，FPGA接受电网电压同步信号，通过高频计数器进行移相，产生12只晶闸管的触发脉冲，其调节精度可达到1微秒，完全满足STATCOM控制的要求。同时，采用FPGA还能够方便的实现与DSP控制器或其它控制装置的总线接口和通信接口，具有很强的可扩展性。这些都是基于FPGA的开环控制器的特点。
基于DSP的闭环控制器结构如图7，闭环控制器负责检测系统电压、电流信号，计算所需触发角度，将其发送给开环控制器，从而实现对装置的闭环控制。闭环控制器由电网信号调理电路，DSP控制器和总线接口三部分组成，每部分工作原理如下：
DSP芯片接线图如图14所示。DSP控制器采集到电压电流数据后，根据设定的控制算法，计算实现控制目标所需的晶闸管STATCOM触发角度。实现晶闸管STATCOM基本功能的控制算法流程为：根据电压电流数据，用瞬时无功法计算三相无功功率，得到无功功率检测值，将无功检测值与预先设定的控制目标值相比较，经过比例积分计算后得到发出设定无功功率所需的触发角度，用于调节晶闸管STATCOM装置的运行。根据具体应用要求的不同，STATCOM的控制算法也会有所不同，本样机装置采用了高性能DSP控制器，能够满足更为复杂的实时控制算法的要求。
采用DSP作为闭环控制器满足了晶闸管实时控制的要求，由于DSP具有很强的计算能力，因而能够在每个采样周期内实时地计算并调整晶闸管STATCOM触发角度，从而调节装置输出无功。同时，由于DSP控制器具有多种通信接口，且FPGA也具有灵活的接口能力，DSP闭环控制器和FPGA开环控制器之间的通信也可以采用串行通信接口或串行总线来实现。
上述12脉样机装置，其工作波形如图16和图17所示。实验中，系统相电压为50V/50Hz，晶闸管STATCOM装置触发角分别为2.7°和3.6°(即领先于系统相电压150us和300us)。图16为触发角为2.7°时的电压、电流波形，图17为触发角为3.2°时的电压、电流波形，两图中，uA为系统电压。iA为装置输出相电流。iAY为Y桥A相输出相电流。iAD为D桥A相输出相电流。iA，iAY，iAD的正方向如图6所示。
根据实验波形，晶闸管STATCOM触发角领先于系统电压时，装置输出相电流iA领先于系统电压约90°，说明装置吸收感性无功。增加触发角度后，装置相电流随之增大，吸收无功增加，且吸收无功量随触发角度的调节实现了连续可调。该实验结果与之前仿真分析的结果相吻合，从而验证了晶闸管STATCOM的可行性。同时，12脉装置的相电流iA波形比较接近正弦波，谐波含量不高，说明装置具备了工作谐波小的特点。
计算机仿真和实验装置物理实验均表明，采用上述方法能够实现晶闸管STATCOM，该装置吸收感性无功连续可调，谐波含量小，达到了预期目的。
Claims (2)
1.基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，含有电压型逆变器、变压器、基于DSP的闭环控制器和基于FPGA的开环控制器，其中，
电压型逆变器，由晶闸管、反并联于各晶闸管的二极管以及直流侧电容器构成；
变压器是一种Y/Y/D三相三绕组变压器，副边D绕组滞后于Y绕组30度角，所述变压器副边与所述电压型逆变器的交流侧相连；
基于DSP的闭环控制器采用芯片TMS320F2812，该闭环控制器的A/D输入端从电网信号调理电路获得输入信号，该闭环控制器检测三相电压、电流信号，计算触发角度，并将结果发给所述基于FPGA的开环控制器，其中所述的电网信号调理电路由输入信号为来自于电流、电压传感器获得的三相电网信号的电压电流检测电路、放大电路、低通滤波电路和直流偏置电路依次串接而成，该电网信号调理电路输出端与DSP闭环控制器的A/D转换输入端相连；所述基于DSP的闭环控制器的触发角度信号经由一个16位总线接口输出；
基于FPGA的开环控制器，依次由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路以及晶闸管门极触发电路串接构成，该基于FPGA的开环控制器向所连接的电压型逆变器各晶闸管门极提供对电网电压进行精确同步和移相的触发脉冲，其中：
电网电压同步电路，由运算放大电路，过零比较电路以及逻辑电平转换电路依次串接构成，所属运算放大电路，所述电网电压同步电路的输入信号是经电压互感器获得的电网三相电压信号，输出信号是与电网电压同步，且与FPGA输入逻辑电平相符合的三相电压同步逻辑信号；
FPGA触发脉冲发生电路采用芯片XC3S200，其电压同步信号输入端与所述电网电压同步电路的输出端相连，总线接口与所述DSP闭环控制器总线接口相连，用于从闭环控制器接收触发角度信息，该FPGA触发脉冲发生电路的输出是各晶闸管的触发信号；
晶闸管门极触发电路，由达林顿三极管、脉冲变压器和阻容器件构成，三极管的输入信号来自所述FPGA触发脉冲发生电路的输出端，该门极触发电路将FPGA脉冲发生电路产生的触发信号放大为具有驱动能力的触发脉冲，输出到所述电压逆变桥中各个晶闸管的门极。
2.根据权利要求1所述的基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，它是一个12脉的晶闸管静止同步补偿器。
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