專利名稱：基于脈沖驅(qū)動控制的10kV靜態(tài)無功補償裝置的制作方法
基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于輸變電技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補te衣且ο背景技術(shù)
交流電在通過純電阻的時候，電能都轉(zhuǎn)成了熱能，而在通過純?nèi)菪曰蛘呒兏行载?載的時候，并不做功.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(shù)小于1，為了提高電能的利用率，就要進行無功補 償。在大系統(tǒng)中，無功補償還用于調(diào)整電網(wǎng)的電壓，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
無功補償是電力系統(tǒng)中一項非常重要的環(huán)節(jié)，無功補償裝置是電力設(shè)備中重要組 成部分。靜態(tài)無功補償器對抑制沖擊負荷造成的電壓波動，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高電網(wǎng)功率因 數(shù)，降低線損等具有控制快速，可連續(xù)調(diào)節(jié)，效果顯著等特點，具有廣泛應(yīng)用前景。但在高壓 系統(tǒng)對于無功補償器的控制中，需要將可控硅串聯(lián)使用，為了隔離，常采用光纖進行信號傳 遞，串聯(lián)可控硅的同時觸發(fā)也不易實現(xiàn)，裝置技術(shù)難度較大，成本較高，其應(yīng)用受到了限制。
現(xiàn)有技術(shù)中的無功補償裝置控制中，常采用以下幾種隔離裝置第一種是采用高 阻抗變壓器，其優(yōu)點是可控硅在變壓器低壓側(cè)，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；第二種是采用真空接觸器投切電容器；第三種是采用可控硅投切電容 器；第四種是采用光纖實現(xiàn)觸發(fā)隔離，隔離效果好，但是價格昂貴。發(fā)明內(nèi)容
為解決投切靜態(tài)無功補償裝置同時觸發(fā)和隔離時的不足問題，本發(fā)明提供了一種 基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置，本裝置采用脈沖驅(qū)動電路，利用電流互感器 隔離和傳遞脈沖，使用微處理器(例如RAM處理器)實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓電流和控制晶閘管 的導(dǎo)通關(guān)斷，實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)和電網(wǎng)電壓，具體技術(shù)方案如下
本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)是這樣實現(xiàn)的
—種基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置，包括采集/測量/控制電路、 觸發(fā)/功率驅(qū)動電路和晶閘管主回路；
所述采集/測量/控制電路采集三相電壓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(zhuǎn)換成模擬信號后 傳給觸發(fā)/功率驅(qū)動電路；觸發(fā)/功率驅(qū)動電路根據(jù)控制信號提供晶間管觸發(fā)電流，輸出給 晶閘管主回路；晶閘管主回路進行無功補償；
所述晶閘管主回路包括三個相同的回路，每個晶閘管主回路對應(yīng)一相交流電；對 于一個晶閘管主回路，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(lián)接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應(yīng)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(cè)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(cè)的流過電抗器補償支路的電流被采集電路采集，電流互感 器二次側(cè)的電流被采集電路采集；
所述觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括三個相同的電路，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路對應(yīng)一 相交流電，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括觸發(fā)電路和脈沖隔離/功率放大電路；每個脈沖隔 離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應(yīng)每個晶閘管主回路中的兩個晶閘管；
對于觸發(fā)電路，觸發(fā)電路把來自采集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉(zhuǎn)換 成脈沖信號，再傳給脈沖隔離/功率放大電路；所述觸發(fā)電路的同步電壓控制信號輸入端 接采集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用于模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號的參 考電壓輸入端通過同步變壓器連接相應(yīng)相；兩個輸出端口輸出相位相反的兩個脈沖信號給 兩個脈沖隔離/功率放大電路；
對于脈沖隔離/功率放大電路包括開關(guān)管和變壓器；
開關(guān)管的開關(guān)控制端連接觸發(fā)器的輸出端口 ；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(shè)有二極管，二極管的陰極端連接相應(yīng)晶閘管 的門極；電流互感器組由多個電流互感器串聯(lián)構(gòu)成；開關(guān)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。
對于一個晶閘管主回路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設(shè)置 接地的電容器，流過該電容器的電流Ic被采集電路采集。
所述采集/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(fā)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(jīng)過2個16位Δ Σ型AD控制器對其進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；
在計量電路中，瞬時電壓電流用高速數(shù)字乘法器相乘，產(chǎn)生瞬時有功功率；瞬時有 功功率經(jīng)過時間累計、平均后得到電能，單位時間內(nèi)的能量即為有功功率；通過設(shè)置周期計 數(shù)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(shù)。
本技術(shù)使用同步變壓器以及完全相同的功率驅(qū)動電路，保證三相驅(qū)動控制晶閘管 的同時性和一致性。本技術(shù)方案采用脈沖驅(qū)動控制晶閘管的通斷來調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過微處理器控制A/D轉(zhuǎn)換器對電網(wǎng)電壓、電流進行采 集，數(shù)據(jù)處理后，再通過D/A轉(zhuǎn)換器把信號輸出給晶間管觸發(fā)和功率驅(qū)動電路，通過調(diào)節(jié)晶 閘管導(dǎo)通角來控制電抗器回路電流，改善功率因數(shù)和電網(wǎng)電壓。其中在晶閘管同時觸發(fā)控 制中，觸發(fā)電路、脈沖隔離與功率放大電路由完全相同的電路組成。功率驅(qū)動電路采用電流 型脈沖驅(qū)動電路，六路輸出，每路串聯(lián)若干只電流互感器，一側(cè)流過同一驅(qū)動電流，保證了 接在另一側(cè)同一串的晶閘管同時觸發(fā)和觸發(fā)電流大小的一致性。
本發(fā)明的靜態(tài)無功補償裝置采用電流型脈沖驅(qū)動電路，利用電流互感器隔離高壓 和傳遞觸發(fā)脈沖，絕緣容易，價格低，較好地解決了同時觸發(fā)和低成本隔離問題。


圖1為本例的硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本例的測量/控制電路示意圖。
圖3為本例的晶閘管主回路示意圖。
圖4為觸發(fā)/功率驅(qū)動電路示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本技術(shù)方案作進一步說明
—種基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置，其特征是包括采集/測量/控 制電路、觸發(fā)/功率驅(qū)動電路和晶閘管主回路；
所述采集/測量/控制電路采集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(zhuǎn)換成模擬信號后傳給觸發(fā)/功率驅(qū)動電路；觸發(fā)/功率驅(qū)動電路根據(jù)控制信號提供晶閘 管觸發(fā)電流，輸出給晶閘管主回路；晶閘管主回路進行無功補償；
所述晶閘管主回路包括三個相同的回路，每個晶閘管主回路對應(yīng)一相交流電；對 于一個晶閘管主回路，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(lián)接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應(yīng)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(cè)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(cè)的流過電抗器補償支路的電流被采集電路采集，電流互感 器二次側(cè)的電流被采集電路采集；
所述觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括三個相同的電路，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路對應(yīng)一 相交流電，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括觸發(fā)電路和脈沖隔離/功率放大電路；每個脈沖隔 離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應(yīng)每個晶閘管主回路中的兩個晶閘管；
對于觸發(fā)電路，觸發(fā)電路把來自采集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉(zhuǎn)換 成脈沖信號，再傳給脈沖隔離/功率放大電路；所述觸發(fā)電路的同步電壓控制信號輸入端 接采集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用于模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號的參 考電壓輸入端通過同步變壓器連接相應(yīng)相；兩個輸出端口輸出相位相反的兩個脈沖信號給 兩個脈沖隔離/功率放大電路；
對于脈沖隔離/功率放大電路包括開關(guān)管和變壓器；
開關(guān)管的開關(guān)控制端連接觸發(fā)器的輸出端口 ；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(shè)有二極管，二極管的陰極端連接相應(yīng)晶閘管 的門極；電流互感器組由多個電流互感器串聯(lián)構(gòu)成；開關(guān)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。
對于一個晶閘管主回路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設(shè)置 接地的電容器，流過該電容器的電流Ic被采集電路采集。
所述采集/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(fā)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(jīng)過2個16位Δ Σ型AD控制器對其進行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；
在計量電路中，瞬時電壓電流用高速數(shù)字乘法器相乘，產(chǎn)生瞬時有功功率；瞬時有 功功率經(jīng)過時間累計、平均后得到電能，單位時間內(nèi)的能量即為有功功率；通過設(shè)置周期計數(shù)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(shù)。
本例中，控制器使用LPC2000型ARM處理器，使用嵌入式系統(tǒng)，運算速度快，精度 高，完全符合控制和測量要求。A/D轉(zhuǎn)換部分使用16位的TLC2M3，同時采集，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(dǎo)通角。串行通信接口與計算機連接用于調(diào) 試與通訊，利用調(diào)試計算機設(shè)置功率因數(shù)和電壓定值。測量采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(shù)，為調(diào)節(jié)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓提供數(shù)據(jù)。
圖1為靜態(tài)無功補償裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖。包括測量和控制、觸發(fā)和功率驅(qū)動和晶 閘管主回路三部分組成。其中測試和控制部分主要用于三相電壓、電流采集處理和提供晶 閘管觸發(fā)電流，是本發(fā)明的關(guān)鍵按部分；觸發(fā)和功率驅(qū)動部分用于實現(xiàn)晶閘管同步觸發(fā)與 關(guān)斷、功率驅(qū)動以及隔離；晶閘管主回路用于實現(xiàn)靜態(tài)無功補償裝置的投切，通過控制晶閘 管的通斷來實現(xiàn)實時無功補償。
圖2為測試和控制電路圖。包括主控芯片模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和通 訊模塊四部分組成。本發(fā)明控制器使用LPC2000型ARM處理器，使用嵌入式系統(tǒng)，運算速度 快，精度高，完全符合控制和測量要求。A/D轉(zhuǎn)換部分使用16位的TLC2M3，同時采集，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(dǎo)通角。串行通信接口與計算機連 接用于調(diào)試與通訊，利用調(diào)試計算機設(shè)置功率因數(shù)和電壓定值。測量采用均方根法計算三 相電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數(shù)，為調(diào)節(jié)功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓提供數(shù)據(jù)。
圖3為晶閘管主電路。采用三角形接線，晶閘管設(shè)在兩個電抗器中間，每個回路裝 設(shè)一個電流互感器測量晶閘管主回路的電抗器電流。晶閘管采用串聯(lián)接線，每個角接回路 由兩串各若干個串聯(lián)晶閘管閥體反并聯(lián)組成。每串晶閘管采用RC均壓電路以實現(xiàn)靜態(tài)及 瞬態(tài)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(fā)與功率驅(qū)動電路過來的脈沖控制信號是從A和A給晶閘管的，然后控制這條 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(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角控制電抗器回路的電流，在％減小時，增 大^，在％增大時，應(yīng)減小Ql可連續(xù)調(diào)節(jié)電抗器回路的無功功率，不僅可以改善功率因數(shù)， 還可以抑制電壓波動。圖中，ILAl和ILA2是互感器的一次側(cè)和二次側(cè)電流，采集者兩個電 流是一次側(cè)流過同一驅(qū)動電流，保證二次側(cè)觸發(fā)電流大小的一致性。
圖4為同步觸發(fā)與功率驅(qū)動電路。在圖中串聯(lián)晶閘管要求同一瞬間導(dǎo)通，因此往 往要求強觸發(fā)。本系統(tǒng)強觸發(fā)脈沖上升時間小于Ms，觸發(fā)電流(3 5)ICT(每串中晶閘管 的最大觸發(fā)電流)。由于本系統(tǒng)晶閘管帶的是大電感負載，觸發(fā)脈沖用寬脈沖最佳，但脈沖 寬度過大不易通過電流互感器。經(jīng)試驗，脈沖寬度大于2ms就能可靠觸發(fā)晶閘管。串聯(lián)晶 閘管的同時導(dǎo)通由一次側(cè)串聯(lián)的電流互感器來保證，關(guān)斷時間的一致性靠選配，即選擇反 向恢復(fù)電荷較接近的晶閘管組串。
由于主回路晶閘管工作電壓10kV，要求功率驅(qū)動電路與晶閘管的絕緣耐壓大于 50kV(DC)。必須對觸發(fā)電路進行隔離。采用脈沖變壓器的觸發(fā)與隔離電路必須加強絕緣， 成本較高，且只適用于幾只晶閘管串聯(lián)的情況。采用光導(dǎo)纖維進行觸發(fā)與隔離需要光電轉(zhuǎn) 換、脈沖放大和輔助電源，成本昂貴。本系統(tǒng)采用電流型脈沖驅(qū)動電路，因而可以采用價格較低的電流互感器，絕緣容易且成本低。與使用光纖和脈沖變壓器相比，成本較低。觸發(fā)脈 沖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(yīng)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，副邊采用了高壓絕 緣線等絕緣措施加強絕緣觸發(fā)脈沖用電流互感器低壓側(cè)要接地以保證設(shè)備和人身安全。圖4中可以看出本系統(tǒng)觸發(fā)電路、脈沖隔離與功率放大電路由完全相同的電路組 成。采用三片TCA785高性能觸發(fā)器，功率驅(qū)動電路采用電流型脈沖驅(qū)動電路，六路輸出，每 路串聯(lián)若干只電流互感器，一側(cè)流過同一驅(qū)動電流，保證了接在另一側(cè)同一串的晶閘管同 時觸發(fā)和觸發(fā)電流大小的一致性?？刂齐妷篣g由D/A變換器產(chǎn)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(fā)角。本例使用計量芯片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(jīng)過2個16位Δ Σ型ADC對其進行高精度采樣和A/D轉(zhuǎn)換。在CS5460A中，瞬 時電壓電流進入高速數(shù)字乘法器相乘，產(chǎn)生瞬時有功功率；瞬時有功功率經(jīng)過時間累計、平 均，得到電能，而單位時間內(nèi)的能量就是有功功率；通過設(shè)置周期計數(shù)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(shù)。本例采用電流型脈沖驅(qū)動電路，利用電流互感器隔離高壓和傳遞觸發(fā)脈沖，絕緣 容易，價格低，較好地解決了同時觸發(fā)和低成本隔離問題。在晶閘管同時觸發(fā)控制中，觸發(fā) 電路、脈沖隔離與功率放大電路由完全相同的電路組成。功率驅(qū)動電路采用電流型脈沖驅(qū) 動電路，六路輸出，每路串聯(lián)若干只電流互感器，一側(cè)流過同一驅(qū)動電流，保證了接在另一 側(cè)同一串的晶閘管同時觸發(fā)和觸發(fā)電流大小的一致性。
權(quán)利要求
1.一種基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置，其特征是包括采集/測量/控制 電路、觸發(fā)/功率驅(qū)動電路和晶閘管主回路；所述采集/測量/控制電路采集三相電壓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(zhuǎn)換成模擬信號后傳給 觸發(fā)/功率驅(qū)動電路；觸發(fā)/功率驅(qū)動電路根據(jù)控制信號提供晶閘管觸發(fā)電流，輸出給晶閘 管主回路；晶閘管主回路進行無功補償；所述晶閘管主回路包括三個相同的回路，每個晶閘管主回路對應(yīng)一相交流電；對于一 個晶間管主回路，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(lián)接線，兩個晶閘管陽極端分別連接對應(yīng)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(cè)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(cè)的流過電抗器補償支路的電流被采集電路采集，電流互感器二 次側(cè)的電流被采集電路采集；所述觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括三個相同的電路，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路對應(yīng)一相交 流電，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括觸發(fā)電路和脈沖隔離/功率放大電路；每個脈沖隔離/ 功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應(yīng)每個晶閘管主回路中的兩個晶閘管；對于觸發(fā)電路，觸發(fā)電路把來自采集/測量/控制電路的同步電壓控制信號轉(zhuǎn)換成脈 沖信號，再傳給脈沖隔離/功率放大電路；所述觸發(fā)電路的同步電壓控制信號輸入端接采 集/測量/控制電路的同步電壓控制信號輸出端；用于模擬信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號的參考電 壓輸入端通過同步變壓器連接相應(yīng)相；兩個輸出端口輸出相位相反的兩個脈沖信號給兩個 脈沖隔離/功率放大電路；對于脈沖隔離/功率放大電路包括開關(guān)管和變壓器；開關(guān)管的開關(guān)控制端連接觸發(fā)器的輸出端口 ；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(shè)有二極管，二極管的陰極端連接相應(yīng)晶閘管的門 極；電流互感器組由多個電流互感器串聯(lián)構(gòu)成；開關(guān)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖驅(qū)動控制的IOkV靜態(tài)無功補償裝置，其特征是對于 一個晶間管主回路，還包括固定電容支路，固定電容支路是在負載前端設(shè)置接地的電容器， 流過該電容器的電流Ic被采集電路采集。
全文摘要
一種基于脈沖驅(qū)動控制的10kV靜態(tài)無功補償裝置，包括采集/測量/控制電路、觸發(fā)/功率驅(qū)動電路和晶閘管主回路；采集/測量/控制電路采集三相電壓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；晶閘管主回路包括三個相同的回路，每個晶閘管主回路對應(yīng)一相交流電；對于一個晶閘管主回路，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(fā)/功率驅(qū)動電路包括三個相同的電路，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路對應(yīng)一相交流電，每個觸發(fā)/功率驅(qū)動電路包括觸發(fā)電路和脈沖隔離/功率放大電路；每個脈沖隔離/功率放大電路包括相同的兩路，它們分別對應(yīng)每個晶閘管主回路中的兩個晶閘管。
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(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者吳世寶, 林莘, 王益濤 申請人:南京因泰萊配電自動化設(shè)備有限公司