基於脈衝驅動控制的10kV靜態無功補償裝置的製作方法

2023-06-18 13:34:06 2

專利名稱：基於脈衝驅動控制的10kV靜態無功補償裝置的製作方法
基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置技術領域
本發明屬於輸變電技術領域，具體是一種基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補te衣且ο背景技術
交流電在通過純電阻的時候，電能都轉成了熱能，而在通過純容性或者純感性負 載的時候，並不做功.也就是說沒有消耗電能，即為無功功率。當然實際負載，不可能為純 容性負載或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們的時候，就有部分電 能不做功，就是無功功率，此時的功率因數小於1，為了提高電能的利用率，就要進行無功補 償。在大系統中，無功補償還用於調整電網的電壓，提高電網的穩定性。
無功補償是電力系統中一項非常重要的環節，無功補償裝置是電力設備中重要組 成部分。靜態無功補償器對抑制衝擊負荷造成的電壓波動，穩定系統電壓，提高電網功率因 數，降低線損等具有控制快速，可連續調節，效果顯著等特點，具有廣泛應用前景。但在高壓 系統對於無功補償器的控制中，需要將可控矽串聯使用，為了隔離，常採用光纖進行信號傳 遞，串聯可控矽的同時觸發也不易實現，裝置技術難度較大，成本較高，其應用受到了限制。
現有技術中的無功補償裝置控制中，常採用以下幾種隔離裝置第一種是採用高 阻抗變壓器，其優點是可控矽在變壓器低壓側，耐壓和隔離易解決，但變壓器損耗功率，也 增加了裝置的成本；第二種是採用真空接觸器投切電容器；第三種是採用可控矽投切電容 器；第四種是採用光纖實現觸發隔離，隔離效果好，但是價格昂貴。發明內容
為解決投切靜態無功補償裝置同時觸發和隔離時的不足問題，本發明提供了一種 基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置，本裝置採用脈衝驅動電路，利用電流互感器 隔離和傳遞脈衝，使用微處理器(例如RAM處理器)實時監測電網電壓電流和控制晶閘管 的導通關斷，實現實時調節電網的功率因數和電網電壓，具體技術方案如下
本發明的硬體結構是這樣實現的
—種基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置，包括採集/測量/控制電路、 觸發/功率驅動電路和晶閘管主迴路；
所述採集/測量/控制電路採集三相電壓Ua Uc、三相電流Ia Ic、負載電壓 Uf、線路瞬時電壓U和零序電壓3U，再輸出同步電壓控制信號；這些信號轉換成模擬信號後 傳給觸發/功率驅動電路；觸發/功率驅動電路根據控制信號提供晶間管觸發電流，輸出給 晶閘管主迴路；晶閘管主迴路進行無功補償；
所述晶閘管主迴路包括三個相同的迴路，每個晶閘管主迴路對應一相交流電；對 於一個晶閘管主迴路，包括電抗器補償支路，該支路包括兩個晶閘管、兩個電抗器和電流互 感器；
所述兩個晶閘管是三角形串聯接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應電抗器的一端；兩個電抗器中，一個電抗器連接電流互感器一次側線圈，另一個電抗器連在IOkV母線 的負載前端；電流互感器一次側的流過電抗器補償支路的電流被採集電路採集，電流互感 器二次側的電流被採集電路採集；
所述觸發/功率驅動電路包括三個相同的電路，每個觸發/功率驅動電路對應一 相交流電，每個觸發/功率驅動電路包括觸發電路和脈衝隔離/功率放大電路；每個脈衝隔 離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應每個晶閘管主迴路中的兩個晶閘管；
對於觸發電路，觸發電路把來自採集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉換 成脈衝信號，再傳給脈衝隔離/功率放大電路；所述觸發電路的同步電壓控制信號輸入端 接採集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用於模擬信號轉換為脈衝信號的參 考電壓輸入端通過同步變壓器連接相應相；兩個輸出埠輸出相位相反的兩個脈衝信號給 兩個脈衝隔離/功率放大電路；
對於脈衝隔離/功率放大電路包括開關管和變壓器；
開關管的開關控制端連接觸發器的輸出埠 ；變壓器的次級線圈連接在電流互感 器組和地線之間，次級線圈與電流互感器組設有二極體，二極體的陰極端連接相應晶閘管 的門極；電流互感器組由多個電流互感器串聯構成；開關管控制變壓器初級線圈中電流的 通/斷，該初級線圈連接在電源和地線之間。
對於一個晶閘管主迴路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設置 接地的電容器，流過該電容器的電流Ic被採集電路採集。
所述採集/測量/控制電路包括二次變換器和以微處理器為核心的處理電路；所 述同步變壓器的連接在二次變壓器與觸發電路之間；
所述計量電路與二次變壓器連接，測量電壓電流；通過互感器的電壓和電流信號 首先經過2個16位Δ Σ型AD控制器對其進行採樣和A/D轉換；
在計量電路中，瞬時電壓電流用高速數字乘法器相乘，產生瞬時有功功率；瞬時有 功功率經過時間累計、平均後得到電能，單位時間內的能量即為有功功率；通過設置周期計 數器得到電壓電流有效值；由有功功率除以電壓電流均方值得到功率因數。
本技術使用同步變壓器以及完全相同的功率驅動電路，保證三相驅動控制晶閘管 的同時性和一致性。本技術方案採用脈衝驅動控制晶閘管的通斷來調節電網的功率因數。
與現有技術相比，本發明通過微處理器控制A/D轉換器對電網電壓、電流進行採 集，數據處理後，再通過D/A轉換器把信號輸出給晶間管觸發和功率驅動電路，通過調節晶 閘管導通角來控制電抗器迴路電流，改善功率因數和電網電壓。其中在晶閘管同時觸發控 制中，觸發電路、脈衝隔離與功率放大電路由完全相同的電路組成。功率驅動電路採用電流 型脈衝驅動電路，六路輸出，每路串聯若干只電流互感器，一側流過同一驅動電流，保證了 接在另一側同一串的晶閘管同時觸發和觸發電流大小的一致性。
本發明的靜態無功補償裝置採用電流型脈衝驅動電路，利用電流互感器隔離高壓 和傳遞觸發脈衝，絕緣容易，價格低，較好地解決了同時觸發和低成本隔離問題。


圖1為本例的硬體結構圖。
圖2為本例的測量/控制電路示意圖。
圖3為本例的晶閘管主迴路示意圖。
圖4為觸發/功率驅動電路示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本技術方案作進一步說明
—種基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置，其特徵是包括採集/測量/控 制電路、觸發/功率驅動電路和晶閘管主迴路；
所述採集/測量/控制電路採集IOkV的a、b、和c三相電壓Ua Uc、三相電流 Ia Ic、負載電壓Uf、線路瞬時電壓U和零序電壓3U，再輸出同步電壓控制信號；這些信號 轉換成模擬信號後傳給觸發/功率驅動電路；觸發/功率驅動電路根據控制信號提供晶閘 管觸發電流，輸出給晶閘管主迴路；晶閘管主迴路進行無功補償；
所述晶閘管主迴路包括三個相同的迴路，每個晶閘管主迴路對應一相交流電；對 於一個晶閘管主迴路，包括電抗器補償支路，該支路包括兩個晶閘管、兩個電抗器和電流互 感器；
所述兩個晶閘管是三角形串聯接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應電抗器的一 端；兩個電抗器中，一個電抗器連接電流互感器一次側線圈，另一個電抗器連在IOkV母線 的負載前端；電流互感器一次側的流過電抗器補償支路的電流被採集電路採集，電流互感 器二次側的電流被採集電路採集；
所述觸發/功率驅動電路包括三個相同的電路，每個觸發/功率驅動電路對應一 相交流電，每個觸發/功率驅動電路包括觸發電路和脈衝隔離/功率放大電路；每個脈衝隔 離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應每個晶閘管主迴路中的兩個晶閘管；
對於觸發電路，觸發電路把來自採集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉換 成脈衝信號，再傳給脈衝隔離/功率放大電路；所述觸發電路的同步電壓控制信號輸入端 接採集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用於模擬信號轉換為脈衝信號的參 考電壓輸入端通過同步變壓器連接相應相；兩個輸出埠輸出相位相反的兩個脈衝信號給 兩個脈衝隔離/功率放大電路；
對於脈衝隔離/功率放大電路包括開關管和變壓器；
開關管的開關控制端連接觸發器的輸出埠 ；變壓器的次級線圈連接在電流互感 器組和地線之間，次級線圈與電流互感器組設有二極體，二極體的陰極端連接相應晶閘管 的門極；電流互感器組由多個電流互感器串聯構成；開關管控制變壓器初級線圈中電流的 通/斷，該初級線圈連接在電源和地線之間。
對於一個晶閘管主迴路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設置 接地的電容器，流過該電容器的電流Ic被採集電路採集。
所述採集/測量/控制電路包括二次變換器和以微處理器為核心的處理電路；所 述同步變壓器的連接在二次變壓器與觸發電路之間；
所述計量電路與二次變壓器連接，測量電壓電流；通過互感器的電壓和電流信號 首先經過2個16位Δ Σ型AD控制器對其進行採樣和A/D轉換；
在計量電路中，瞬時電壓電流用高速數字乘法器相乘，產生瞬時有功功率；瞬時有 功功率經過時間累計、平均後得到電能，單位時間內的能量即為有功功率；通過設置周期計數器得到電壓電流有效值；由有功功率除以電壓電流均方值得到功率因數。
本例中，控制器使用LPC2000型ARM處理器，使用嵌入式系統，運算速度快，精度 高，完全符合控制和測量要求。A/D轉換部分使用16位的TLC2M3，同時採集，測量精度高。 3片D/A變換器的輸出電壓控制三相晶閘管的導通角。串行通信接口與計算機連接用於調 試與通訊，利用調試計算機設置功率因數和電壓定值。測量採用均方根法計算三相電壓、電 流、有功功率、無功功率和功率因數，為調節功率因數和調節電壓提供數據。
圖1為靜態無功補償裝置的硬體結構圖。包括測量和控制、觸發和功率驅動和晶 閘管主迴路三部分組成。其中測試和控制部分主要用於三相電壓、電流採集處理和提供晶 閘管觸發電流，是本發明的關鍵按部分；觸發和功率驅動部分用於實現晶閘管同步觸發與 關斷、功率驅動以及隔離；晶閘管主迴路用於實現靜態無功補償裝置的投切，通過控制晶閘 管的通斷來實現實時無功補償。
圖2為測試和控制電路圖。包括主控晶片模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊和通 訊模塊四部分組成。本發明控制器使用LPC2000型ARM處理器，使用嵌入式系統，運算速度 快，精度高，完全符合控制和測量要求。A/D轉換部分使用16位的TLC2M3，同時採集，測量 精度高。3片D/A變換器的輸出電壓控制三相晶閘管的導通角。串行通信接口與計算機連 接用於調試與通訊，利用調試計算機設置功率因數和電壓定值。測量採用均方根法計算三 相電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數，為調節功率因數和調節電壓提供數據。
圖3為晶閘管主電路。採用三角形接線，晶閘管設在兩個電抗器中間，每個迴路裝 設一個電流互感器測量晶閘管主迴路的電抗器電流。晶閘管採用串聯接線，每個角接迴路 由兩串各若干個串聯晶閘管閥體反並聯組成。每串晶閘管採用RC均壓電路以實現靜態及 瞬態的均壓。
以a相為例，圖3中，Qf負載支路、Ic固定電容支路和電抗器補償支路。由圖4所 示的同步觸發與功率驅動電路過來的脈衝控制信號是從A和A給晶閘管的，然後控制這條 補償支路的通斷。
圖中Q是測量點的無功功率，Ql是電抗器吸收的無功功率，Qf是負載無功功率，Qc 是固定電容器的容量。通過調節晶閘管的導通角控制電抗器迴路的電流，在％減小時，增 大^，在％增大時，應減小Ql可連續調節電抗器迴路的無功功率，不僅可以改善功率因數， 還可以抑制電壓波動。圖中，ILAl和ILA2是互感器的一次側和二次側電流，採集者兩個電 流是一次側流過同一驅動電流，保證二次側觸發電流大小的一致性。
圖4為同步觸發與功率驅動電路。在圖中串聯晶閘管要求同一瞬間導通，因此往 往要求強觸發。本系統強觸發脈衝上升時間小於Ms，觸發電流(3 5)ICT(每串中晶閘管 的最大觸發電流)。由於本系統晶閘管帶的是大電感負載，觸發脈衝用寬脈衝最佳，但脈衝 寬度過大不易通過電流互感器。經試驗，脈衝寬度大於2ms就能可靠觸發晶閘管。串聯晶 閘管的同時導通由一次側串聯的電流互感器來保證，關斷時間的一致性靠選配，即選擇反 向恢復電荷較接近的晶閘管組串。
由於主迴路晶閘管工作電壓10kV，要求功率驅動電路與晶閘管的絕緣耐壓大於 50kV(DC)。必須對觸發電路進行隔離。採用脈衝變壓器的觸發與隔離電路必須加強絕緣， 成本較高，且只適用於幾隻晶閘管串聯的情況。採用光導纖維進行觸發與隔離需要光電轉 換、脈衝放大和輔助電源，成本昂貴。本系統採用電流型脈衝驅動電路，因而可以採用價格較低的電流互感器，絕緣容易且成本低。與使用光纖和脈衝變壓器相比，成本較低。觸發脈 衝用電流互感器鐵芯面積要選的大一些，使其工作在磁化曲線的線性段，可以加快電流響 應時間，電流上升時間短為了保證電流互感器原、副邊絕緣的耐壓要求，副邊採用了高壓絕 緣線等絕緣措施加強絕緣觸發脈衝用電流互感器低壓側要接地以保證設備和人身安全。圖4中可以看出本系統觸發電路、脈衝隔離與功率放大電路由完全相同的電路組 成。採用三片TCA785高性能觸發器，功率驅動電路採用電流型脈衝驅動電路，六路輸出，每 路串聯若干只電流互感器，一側流過同一驅動電流，保證了接在另一側同一串的晶閘管同 時觸發和觸發電流大小的一致性。控制電壓Ug由D/A變換器產生，對三相不平衡負載可以 使用三片D/A變換器分相控制觸發角。本例使用計量晶片CS5460A與互感器連接測量電壓電流.通過互感器的電壓電流 信號首先經過2個16位Δ Σ型ADC對其進行高精度採樣和A/D轉換。在CS5460A中，瞬 時電壓電流進入高速數字乘法器相乘，產生瞬時有功功率；瞬時有功功率經過時間累計、平 均，得到電能，而單位時間內的能量就是有功功率；通過設置周期計數器得到電壓電流有效 值；由有功功率除以電壓電流均方值得到功率因數。本例採用電流型脈衝驅動電路，利用電流互感器隔離高壓和傳遞觸發脈衝，絕緣 容易，價格低，較好地解決了同時觸發和低成本隔離問題。在晶閘管同時觸發控制中，觸發 電路、脈衝隔離與功率放大電路由完全相同的電路組成。功率驅動電路採用電流型脈衝驅 動電路，六路輸出，每路串聯若干只電流互感器，一側流過同一驅動電流，保證了接在另一 側同一串的晶閘管同時觸發和觸發電流大小的一致性。
權利要求
1.一種基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置，其特徵是包括採集/測量/控制 電路、觸發/功率驅動電路和晶閘管主迴路；所述採集/測量/控制電路採集三相電壓Ua Uc、三相電流Ia Ic、負載電壓Uf、線 路瞬時電壓U和零序電壓3U，再輸出同步電壓控制信號；這些信號轉換成模擬信號後傳給 觸發/功率驅動電路；觸發/功率驅動電路根據控制信號提供晶閘管觸發電流，輸出給晶閘 管主迴路；晶閘管主迴路進行無功補償；所述晶閘管主迴路包括三個相同的迴路，每個晶閘管主迴路對應一相交流電；對於一 個晶間管主迴路，包括電抗器補償支路，該支路包括兩個晶間管、兩個電抗器和電流互感 器；所述兩個晶閘管是三角形串聯接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應電抗器的一端； 兩個電抗器中，一個電抗器連接電流互感器一次側線圈，另一個電抗器連在IOkV母線的負 載前端；電流互感器一次側的流過電抗器補償支路的電流被採集電路採集，電流互感器二 次側的電流被採集電路採集；所述觸發/功率驅動電路包括三個相同的電路，每個觸發/功率驅動電路對應一相交 流電，每個觸發/功率驅動電路包括觸發電路和脈衝隔離/功率放大電路；每個脈衝隔離/ 功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應每個晶閘管主迴路中的兩個晶閘管；對於觸發電路，觸發電路把來自採集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉換成脈 衝信號，再傳給脈衝隔離/功率放大電路；所述觸發電路的同步電壓控制信號輸入端接採 集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用於模擬信號轉換為脈衝信號的參考電 壓輸入端通過同步變壓器連接相應相；兩個輸出埠輸出相位相反的兩個脈衝信號給兩個 脈衝隔離/功率放大電路；對於脈衝隔離/功率放大電路包括開關管和變壓器；開關管的開關控制端連接觸發器的輸出埠 ；變壓器的次級線圈連接在電流互感器組 和地線之間，次級線圈與電流互感器組設有二極體，二極體的陰極端連接相應晶閘管的門 極；電流互感器組由多個電流互感器串聯構成；開關管控制變壓器初級線圈中電流的通/ 斷，該初級線圈連接在電源和地線之間。
2.根據權利要求1所述的基於脈衝驅動控制的IOkV靜態無功補償裝置，其特徵是對於 一個晶間管主迴路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設置接地的電容器， 流過該電容器的電流Ic被採集電路採集。
全文摘要
一種基於脈衝驅動控制的10kV靜態無功補償裝置，包括採集/測量/控制電路、觸發/功率驅動電路和晶閘管主迴路；採集/測量/控制電路採集三相電壓Ua～Uc、三相電流Ia～Ic、負載電壓Uf、線路瞬時電壓U和零序電壓3U；晶閘管主迴路包括三個相同的迴路，每個晶閘管主迴路對應一相交流電；對於一個晶閘管主迴路，包括電抗器補償支路，該支路包括兩個晶閘管、兩個電抗器和電流互感器；觸發/功率驅動電路包括三個相同的電路，每個觸發/功率驅動電路對應一相交流電，每個觸發/功率驅動電路包括觸發電路和脈衝隔離/功率放大電路；每個脈衝隔離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應每個晶閘管主迴路中的兩個晶閘管。
文檔編號H02J3/18GK102035209SQ20101055276
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月22日 優先權日2010年11月22日
發明者吳世寶, 林莘, 王益濤 申請人:南京因泰萊配電自動化設備有限公司