專利名稱：一種有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的控制裝置，特別是涉及一種對有源濾波與動態(tài)無功功率進行綜合補償?shù)目刂蒲b置。
背景技術(shù)：
隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字控制設(shè)備與電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使電力系統(tǒng)中的用電負荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，如變頻裝置、電弧爐、電氣化鐵道等非線性或沖擊性負荷造成電能質(zhì)量的降低與破壞。非線性負荷引起的無功和諧波污染問題給電力系統(tǒng)、供電部門和電力用戶都帶來了嚴重的危害。電網(wǎng)中無功和諧波含量的增加，將導致電氣設(shè)備的壽命縮短，網(wǎng)損增大，系統(tǒng)發(fā)生諧振的可能性增加，嚴重時會造成危險的過電壓、過電流。 同時還可能引起繼電保護和自動裝置誤動作、儀表指示和電度計量不準、干擾通信系統(tǒng)等一系列問題。而且動態(tài)電能質(zhì)量惡劣會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此該問題已成為電工領(lǐng)域的前沿性課題，國內(nèi)外對其相關(guān)指標與改善措施已經(jīng)做了大量的研究。我國迄今為止已頒布了 6項電能質(zhì)量指標的國標。其中《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》(GB/T 145四-1993)規(guī)定了各電壓等級的總諧波畸變率，各單次奇次電壓諧波含有率和各單次偶次電壓諧波含有率的限制值。以滿足人們對電能質(zhì)量的更高需求。為了解決動態(tài)電能質(zhì)量問題，對于無功功率補償主要通過在負荷兩端并聯(lián)一定容量的電容器，達到提高負荷功率因數(shù)的目的，這種方法只在負荷恒定時才能取得最佳效果。 針對變化的負荷，目前主要采用電容器、電抗器分組投切的方式，如隸屬于靜態(tài)無功補償器 (SVC)的晶閘管控制電容器(TSC)、晶閘管控制電抗器(TCR)等。但仍普遍存在欠補償和過補償以及切換過程的振蕩問題，還可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。而對于非線性負荷引起的諧波污染問題，主要采用電感和電容組成的特定頻率的無源濾波器來消除諧波的影響。如負荷電流包含多種諧波成分，則針對不同頻率的諧波都要設(shè)置相應(yīng)的諧振電路，這將增加系統(tǒng)的復雜性，降低使用的可靠性。從研究中發(fā)現(xiàn)有源濾波器(APF)具有良好的濾波特性，并且不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振。然而由于大功率可關(guān)斷器件(GTR、GT0、IGBT)發(fā)展水平的限制，有源濾波器(APF)不能承擔高電壓、大容量的非線性負荷交流系統(tǒng)側(cè)諧波抑制的要求。為了滿足大容量非線性負荷的濾波要求，從上世紀90年代至今有人提出了各種APF與PF進行混合濾波的設(shè)想。即有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償裝置。有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償裝置兼顧了兩者的優(yōu)點，初期投資小，性價比高，能滿足高壓大容量系統(tǒng)實用化的要求，是目前工程中具有廣闊應(yīng)用前景的發(fā)展模式。然而，仍存在著在綜合補償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，即如何協(xié)調(diào)控制，提高系統(tǒng)運行性能和穩(wěn)定性的技術(shù)難題有待解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置，它能有效補償各次諧波，抑制閃變，補償無功，自動跟蹤補償變化的諧波和無功，提高功率因數(shù)，改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量，并能協(xié)調(diào)解決綜合補償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾。本發(fā)明的方案如下所述該發(fā)明包括有源濾波器(APF)、無功功率補償器(TSC)、 功率因數(shù)控制器(pre)和液晶觸摸屏，它是通過設(shè)置由兩個數(shù)字信號處理器(DSP)和一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成的主控制器，并將主控制器輸入控制端與12路并行的電流、 電壓信號以及逆變器直流電容兩端電壓信號相連接，在輸入輸出控制端經(jīng)光纖連接功率因數(shù)控制器(pre)和液晶觸摸屏，而將輸出控制端分別與8路并行交流接觸器、繼電器控制端以及由脈沖調(diào)制信號驅(qū)動的有源濾波器(APF)相連接實現(xiàn)的。該發(fā)明由于采取了所述結(jié)構(gòu)，特別是利用主控制器實施動態(tài)下信號的同步采集、 諧波的檢測計算、數(shù)據(jù)的處理控制，并通過光纖傳輸實現(xiàn)與功率因數(shù)控制器、液晶觸摸屏與主控制器的交互式協(xié)調(diào)控制，和諧波的抑制及無功功率的補償。同時發(fā)揮自動跟蹤補償變化的諧波等優(yōu)勢，對諧波指令電流及無功功率補償量的計算得到控制輸出參數(shù)，采用基于平均電流步長的逆控制電流跟蹤控制方法，得到驅(qū)動和控制全控開關(guān)開通與關(guān)斷的PWM脈沖，實現(xiàn)全雙工的數(shù)據(jù)通信，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和數(shù)據(jù)處理能力。該發(fā)明可實現(xiàn)對非線性負荷快速、精確的諧波抑制及無功功率補償。同時抑制閃變，提高功率因數(shù)，尤其是徹底解決了綜合補償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，對治理電力系統(tǒng)諧波、改善提高電能質(zhì)量等都具有重要的積極作用和廣闊的應(yīng)用前景。不僅如此，該發(fā)明還具有結(jié)構(gòu)設(shè)計科學合理、 連續(xù)調(diào)節(jié)控制精確、工作性能穩(wěn)定可靠、使用方便適宜推廣等特點。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明主控制器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3、圖4是本發(fā)明投入前系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；圖5、圖6是僅投入TSC系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；圖7、圖8是APF和TSC均投入系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例是以技術(shù)方案為前提下進行實施，本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。本發(fā)明的一種有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置(參見圖1)，是一種新型的動態(tài)補償裝置，包括有源濾波器(APF) 1、無功功率補償器(TSC) 2、功率因數(shù)控制器(PFC)3、 液晶觸摸屏5和由兩個數(shù)字信號處理器(M_DSP、S_DSP)6、7與一個場現(xiàn)可編程門陣列 (FPGA)S組合控制板構(gòu)成的主控制器(DSP+FPGA)4。其中有源濾波器1由三單相電壓源逆變器、直流側(cè)大容量電容器和交流輸出濾波器構(gòu)成。它以電壓源型逆變器作為主要構(gòu)件，采用基于智能IGBT模塊的脈寬調(diào)制PWM逆變器，直流端為一大電容作為直流側(cè)電壓的支撐， 輸出端經(jīng)LCL濾波支路并聯(lián)在400V低壓配電網(wǎng)上，以此來濾除開關(guān)器件通斷造成的高頻毛刺。動態(tài)無功功率補償器2由晶閘管反并聯(lián)開關(guān)和電容器組構(gòu)成。無功功率補償器2的電氣接線為三組串接消諧電抗器的晶閘管投切電容器支路，所有(TSC)支路都掛接在220V母線上。其中，晶閘管投切控制信號由功率因數(shù)控制器3發(fā)出，該功率因數(shù)控制器3與主控制器4光纖通信連接，并與主控制器4進行交互式控制從而實現(xiàn)動態(tài)下的無功功率補償。所述主控制器4是本發(fā)明重要組成部分，其中的兩數(shù)字信號處理器6、7作為頂層板為主控制器4的核心運算處理部分。通過功率脈沖觸發(fā)控制與有源濾波器1進行連接。主控制器4由底層控制板(Main_Controller_Bottom)和上層控制板(Main_ Controller_Top)兩部分組成(參見圖幻，其中，底層控制板主要為電源進口、光纖通訊口、
4信號采樣、交流接觸器及繼電器控制及PWM輸出，輸入信號為6路電壓、6路電流，Vsa，Vsb， Vsc為系統(tǒng)電壓，Isa, Isb, Isc為系統(tǒng)電流，Ifc, Ifb, Ifc為有源濾波器1發(fā)出的電流，Vdc_ a, Vdc_b，Vdc_c為各相逆變器直流側(cè)電壓，經(jīng)過電壓、電流互感器變比后，上述12路電壓電流信號送入主控制器4，經(jīng)過電壓傳感器LEM及電流傳感器Honeywell送入兩塊AD7656采樣芯片，將所采樣的數(shù)據(jù)送入底層控制板上的場現(xiàn)可編程門陣列8，場現(xiàn)可編程門陣列8對采樣的信號進行平均處理后，上層控制板即有兩個TMS320F2812芯片組成的數(shù)字信號處理器6、7構(gòu)成的控制板，第三塊為擴展未用。數(shù)字信號處理器(M_DSP)6對場現(xiàn)可編程門陣列 8中上述數(shù)據(jù)的地址進行讀操作，對所讀數(shù)據(jù)進行控制算法的計算控制同時與液晶觸摸屏 5通訊，將各相電流電壓及諧波畸變率等參數(shù)傳送給液晶觸摸屏5，液晶觸摸屏5作為人機交互進行顯示和對操作的控制。數(shù)字信號處理器6所讀取的數(shù)據(jù)同時通過上層控制板上的現(xiàn)場可編程門陣列8傳送給另一數(shù)字信號處理器(S_DSP)7，數(shù)字信號處理器7對諧波電流進行檢測，將檢測到的諧波電流回送給數(shù)字信號處理器6，數(shù)字信號處理器6通過運算控制發(fā)出PWM信號經(jīng)由光耦、三極管、同相器等電平邏輯轉(zhuǎn)換電路后發(fā)給驅(qū)動電路板(Bottom_ Controller)，每個逆變器上四路H橋的PWM信號及故障反饋信號F_Faulat、故障復位信號 Fault_Reset送入驅(qū)動板，驅(qū)動板上經(jīng)由現(xiàn)場可編程門陣列8為高速RAM將該六路信號送給 IGBT的驅(qū)動去觸發(fā)IGBT產(chǎn)生動作。當驅(qū)動板上檢測到故障信號時，故障反饋信號F_Fault 產(chǎn)生一個低脈沖觸發(fā)沿反饋給現(xiàn)場可編程門陣列8，同時驅(qū)動板自己本身對PWM信號封鎖， 禁止PWM至IGBT的驅(qū)動。接收到驅(qū)動板發(fā)出的故障反饋信號后，底層控制板上現(xiàn)場可編程門陣列8產(chǎn)生相應(yīng)動作關(guān)閉交流接觸器分閘保護。等下一次運行時，數(shù)字信號處理器6產(chǎn)生一個故障復位信號的高脈沖對故障信號進行復位，使得PWM繼續(xù)可以發(fā)出。數(shù)字信號處理器6、7采用獨立的供電系統(tǒng)，通過光纖傳輸PWM信號，實現(xiàn)高電壓電氣隔離，由專用的脈沖觸發(fā)裝置控制晶間管和絕緣柵雙極晶體IGBT，可靠實現(xiàn)有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償?shù)膮f(xié)調(diào)控制。 圖3、圖4是本發(fā)明的綜合補償裝置投運前A相系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格，從圖中看出，投運前電流畸變嚴重，主要含有5、7次等主導諧波，基波功率因數(shù)較低，只有0.71左右，并且電流有效值達到了 557A，A相無功功率達到 90. 64kVar ；圖5、圖6是僅投入無功補償裝置TSC時系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格，從圖中看出，TSC投運之后，A相主導諧波電流仍較大，不過基波功率因數(shù)提高到0. 92，A相無功功率降為38kVar ；圖7、圖8是APF與TSC均投入以后系統(tǒng)電壓/ 電流波形以及系統(tǒng)側(cè)功率相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表格，從圖中看出，該綜合裝置投運之后，A相主導諧波電流大大衰減，補償后網(wǎng)側(cè)電流正弦化，同時基波功率因數(shù)提高到0. 95，A相無功功率降為23. 72kVar，這表明該本發(fā)明既能補償無功，又能達到消除諧波的目的，補償效果顯著。
權(quán)利要求
1.一種有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置，包括有源濾波器(1)、無功功率補償器(2)、功率因數(shù)控制器(3)和液晶觸摸屏(5)，其特征在于該裝置通過設(shè)置由兩個數(shù)字信號處理器(6、7)和一個現(xiàn)場可編程門陣列(8)構(gòu)成的主控制器G)，并將主控制器(4)輸入控制端與12路并行的電流、電壓信號以及逆變器直流電容兩端電壓信號相連接，在輸入輸出控制端經(jīng)光纖連接功率因數(shù)控制器C3)和液晶觸摸屏(5)，而將輸出控制端分別與8路并行交流接觸器、繼電器控制端以及由脈沖調(diào)制信號驅(qū)動的有源濾波器(1)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置，其特征在于數(shù)字信號處理器(6,7)均為TMS320F2812芯片，而現(xiàn)場可編程門陣列(8)為EP1C12Q240I7N芯片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種有效提高電能質(zhì)量的綜合補償控制裝置，該裝置是通過設(shè)置由兩個數(shù)字信號處理器(DSP)和一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成的主控制器，并將主控制器輸入控制端與12路并行的電流、電壓信號以及逆變器直流電容兩端電壓信號相連接，在輸入輸出控制端經(jīng)光纖連接功率因數(shù)控制器(PFG)和液晶觸摸屏，而將輸出控制端分別與8路并行交流接觸器、繼電器控制端以及由脈沖調(diào)制信號驅(qū)動的有源濾波器(APF)相連接實現(xiàn)的。它不僅能濾除諧波，連續(xù)、動態(tài)補償無功功率，且可實現(xiàn)無功和功率因數(shù)的優(yōu)化控制，為電力系統(tǒng)提供了大量的動態(tài)無功儲備，對于穩(wěn)定母線電壓，補償配電網(wǎng)的無功功率及抑制電網(wǎng)波形畸變具有重要作用。
文檔編號H02J3/18GK102570472SQ201010575180
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者劉春志, 劉鑫, 梁馨元, 王艷華, 袁紅斌, 費思源, 邢天福, 高巖, 高志剛 申請人:吉林省電力有限公司四平供電公司