一種無級補(bǔ)償裝置及無級補(bǔ)償方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無級補(bǔ)償裝置，主要由濾波、信號采集板、逆變板、控制板、PWM脈沖驅(qū)動板構(gòu)成，同時，本發(fā)明還公開了一種無級補(bǔ)償方法，本發(fā)明以FPGA芯片為核心元件采用實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)和動態(tài)跟蹤技術(shù)實時監(jiān)測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可實時察看系統(tǒng)電壓、頻率、負(fù)載電流、THDi、THDu、電壓波形、電流波形及無級補(bǔ)償裝置輸出電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，再經(jīng)逆變電路連續(xù)改變裝置輸出的無功電流大小實現(xiàn)了快速連續(xù)的無功功率補(bǔ)償，通過采用該方法對無功電流進(jìn)行及時的補(bǔ)償，整個結(jié)構(gòu)具有科學(xué)合理、技術(shù)先進(jìn)、補(bǔ)償及時、穩(wěn)定性高、性價比高等特點(diǎn)。
【專利說明】一種無級補(bǔ)償裝置及無級補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種快速連續(xù)的無功功率補(bǔ)償裝置及利用該裝置進(jìn)行無級補(bǔ)償?shù)姆椒?，具體來說，是指一種無級補(bǔ)償裝置及無級補(bǔ)償方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置采用電力電子和單片機(jī)控制技術(shù)對并聯(lián)電容器實現(xiàn)自控，實現(xiàn)對并聯(lián)電容器組的投切控制。傳統(tǒng)補(bǔ)償裝置投切器件為接觸器或晶閘管，可自由組裝輸出路數(shù)，但接觸器及晶閘管投切補(bǔ)償方式投切電容器組為分組投切，無功輸出容量呈臺階式，補(bǔ)償容量不能連續(xù)調(diào)整，很難達(dá)到與系統(tǒng)無功完全平衡，容易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)的情況，補(bǔ)償后的功率因數(shù)一般在0.8-0.9左右。
[0003]接觸器為機(jī)械器件，不能快速響應(yīng)、不可快速連續(xù)投切，所以投切時間一般設(shè)為5?60秒；晶閘管的觸發(fā)方式為過零觸發(fā)，投切響應(yīng)時間最快也需要10毫秒。由于采用電容器組作為無功補(bǔ)償器件，也不能快速連續(xù)投切，對負(fù)載變化時間短(如電焊機(jī)、點(diǎn)焊機(jī)、數(shù)控沖床等)的設(shè)備不具備補(bǔ)償能力。
[0004]現(xiàn)有靜止無功發(fā)生器(SVG)雖有響應(yīng)速度快，但單個模塊補(bǔ)償容量小。對于稍大的供電系統(tǒng)需要多個模塊并機(jī)補(bǔ)償，用戶投入巨大，性價比太低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種無級補(bǔ)償裝置及無級補(bǔ)償方法，能夠克服上述缺陷，設(shè)備以FPGA芯片為核心元件采用實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)和動態(tài)跟蹤技術(shù)實時監(jiān)測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，通過監(jiān)控系統(tǒng)，可實時察看系統(tǒng)電壓、頻率、負(fù)載電流、THDi, THDu、電壓波形、電流波形及無級補(bǔ)償裝置輸出電流大小、波形等一系列電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，再經(jīng)逆變電路連續(xù)改變裝置輸出的無功電流大小實現(xiàn)了快速連續(xù)的無功功率補(bǔ)償。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
一種無級補(bǔ)償裝置，主要由以下部件構(gòu)成:
濾波、信號采集板:主要由濾波電路和信號放大整形電路構(gòu)成，所述濾波電路與配電系統(tǒng)相連接，濾波電路用于濾除無級補(bǔ)償裝置輸出電流中的高頻載波，信號放大整形電路用于接收電網(wǎng)電壓信號和電流信號并對信號放大整形；
逆變板:主要由IGBT逆變電路構(gòu)成，與濾波電路相連接，用于直流電與交流電間的轉(zhuǎn)
變；
控制板:主要由FPGA主控芯片構(gòu)成，所述FPGA主控芯片還與A/D轉(zhuǎn)換芯片相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片與信號放大整形電路相連接，控制板用于接收電壓電流信號并輸出指令發(fā)送控制信息；
PWM脈沖驅(qū)動板:主要由PWM脈沖驅(qū)動電路構(gòu)成，與FPGA主控芯片、IGBT逆變電路相連接，用于接收FPGA主控芯片發(fā)送的PWM脈沖，并放大到IGBT所需的驅(qū)動電平，用于驅(qū)動IGBT功率器件。[0007]進(jìn)一步地，為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，還包括繼電器擴(kuò)展板，所述繼電器擴(kuò)展板主要由繼電器構(gòu)成，所述繼電器與FPGA主控芯片相連接。
[0008]進(jìn)一步地，為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述繼電器還與電容器組相連接。
[0009]進(jìn)一步地，為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述FPGA主控芯片還與通訊接口相連接。
[0010]進(jìn)一步地，為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述FPGA主控芯片還與液晶顯示接口相連接。
[0011]進(jìn)一步地，為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，所述主控芯片選用FPGA。
[0012]本發(fā)明在一種無級補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，提出了一種無級補(bǔ)償方法，包括以下步驟:
(1)信號放大整形電路接收電網(wǎng)電壓信號和電流信號，對信號放大整形并將信號發(fā)送到控制板內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
(2)FPGA主控芯片讀取數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進(jìn)行量化處理、數(shù)字濾波、限幅處理；
(3)FPGA主控芯片對步驟(2)中的限幅處理的信號進(jìn)行無功分析，得到無功電流信號；
(4)FPGA主控芯片對步驟(3)中的無功電流信號作反相處理后用脈寬調(diào)制PWM信號形式向IGBT逆變電路發(fā)送信號，控制IGBT逆變電路開關(guān)器件；
(5)IGBT逆變電路將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流；
(6)濾波電路濾除輸出電流中的高頻載波后，生成與負(fù)載無功電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流；
(7)FPGA主控芯片對輸出電流、負(fù)載無功功率進(jìn)行檢測，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值或無功功率大于設(shè)定值時，主控芯片控制繼電器投入固定容量電容器以滿足負(fù)載無功需求，實現(xiàn)大容量無級補(bǔ)償。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
(1)本發(fā)明通過采用FPGA控制芯片控制無功發(fā)生器，能夠加快其反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間，實現(xiàn)快速連續(xù)的無功功率補(bǔ)償；
(2)本發(fā)明通過同時對三相不平衡無功分相補(bǔ)償，讓每一相功率因數(shù)均保持在最佳狀態(tài)，時現(xiàn)平衡三相功率因數(shù)；
(3)本發(fā)明通過實時無級補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)精確補(bǔ)償，提高補(bǔ)償后的功率因數(shù)；
(4)本發(fā)明通過采用利用具有超高反應(yīng)速度和工作頻率的FPGA主控芯片，經(jīng)硬件編程在其內(nèi)部構(gòu)建的數(shù)據(jù)處理電路對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理、數(shù)字濾波、限幅處理、無功分析處理后并以脈寬調(diào)制PWM信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT逆變電路，生成與負(fù)載無功電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對電網(wǎng)無功功率進(jìn)行及時的補(bǔ)償，整個結(jié)構(gòu)具有科學(xué)合理、技術(shù)先進(jìn)、補(bǔ)償及時、穩(wěn)定性高、性價比高等特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明智能無級補(bǔ)償裝置原理框圖；
圖2為本發(fā)明智能無級補(bǔ)償裝置FPGA芯片內(nèi)部框圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)介紹，但本發(fā)明的實施方式不限于此。[0016]實施例1:
如圖1、圖2所示，一種無級補(bǔ)償裝置，主要由以下部件構(gòu)成:
濾波、信號采集板:主要由濾波電路和信號放大整形電路構(gòu)成，所述濾波電路與配電系統(tǒng)相連接，濾波電路用于濾除無級補(bǔ)償裝置輸出電流中的高頻載波，信號放大整形電路用于接收電網(wǎng)電壓信號和電流信號并對信號放大整形；
逆變板:主要由IGBT逆變電路構(gòu)成，與濾波電路相連接，用于直流電與交流電間的轉(zhuǎn)
變；
控制板:主要由FPGA主控芯片構(gòu)成，所述FPGA主控芯片還與A/D轉(zhuǎn)換芯片相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片與信號放大整形電路相連接，控制板用于接收電壓電流信號并輸出指令發(fā)送控制信息；
PWM脈沖驅(qū)動板:主要由PWM脈沖驅(qū)動電路構(gòu)成，與FPGA主控芯片、IGBT逆變電路相連接，用于接收FPGA主控芯片發(fā)送的PWM脈沖，并放大到IGBT所需的驅(qū)動電平，用于驅(qū)動IGBT功率器件。
[0017]通過設(shè)備采集三相電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流，通過信號放大整形電路進(jìn)行信號放大和整形之后輸入到控制板中的A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳送到FPGA主控芯片，F(xiàn)PGA主控芯片接收數(shù)字信號后，進(jìn)行量化處理、數(shù)字濾波、限幅處理、無功分析，無功分析結(jié)果通過PWM產(chǎn)生電路生成PWM調(diào)制脈沖輸出到PWM脈沖驅(qū)動板，PWM脈沖驅(qū)動電路將脈沖信號放大到IGBT所需電平，經(jīng)過逆變板IGBT逆變電路將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，經(jīng)過濾波電路濾除輸出電流中的高頻載波后注入電網(wǎng)。同時經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線送至內(nèi)部CPU，CPU運(yùn)行事先編制的程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送至通訊端口。由于實時采集電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流，根據(jù)負(fù)載無功功率連續(xù)改變裝置輸出的無功電流大小，從而實現(xiàn)無功功率的無級補(bǔ)償。
[0018]由于采用FPGA芯片作為核心元件，采用實時數(shù)據(jù)采集技術(shù)和動態(tài)跟蹤技術(shù)實時檢測配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，能夠加快裝置的反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間，對實時突變無功進(jìn)行補(bǔ)償，同時通過對三相不平衡無功分相補(bǔ)償，能夠?qū)崿F(xiàn)精確補(bǔ)償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。
[0019]實施例2:
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，便于在達(dá)到設(shè)定容量時切換到其他設(shè)備，如圖1所示，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，還包括繼電器擴(kuò)展板，所述繼電器擴(kuò)展板主要由繼電器構(gòu)成，所述繼電器與FPGA主控芯片相連接。在負(fù)載無功功率大于補(bǔ)償裝置設(shè)定補(bǔ)償容量時，通過采用繼電器輸出，可以投入其他的補(bǔ)償設(shè)備，以降低補(bǔ)償裝置輸出電流。本實施例其他部分與實施例I相同，不再贅述。
[0020]實施例3:
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，本實施例在實施例2的基礎(chǔ)上，所述繼電器還與電容器組相連接。通過采用繼電器與電容器組相連接的方式，可以采用電容器組為分組投切，輸出無功容量，實現(xiàn)本裝置與傳統(tǒng)設(shè)備的相銜接，進(jìn)而增大了本裝置的適用范圍。本實施例其他部分與實施例2相同，不再贅述。
[0021]實施例4:
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，便于與其他控制終端相連接，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，所述FPGA主控芯片還與通訊接口相連接。通過設(shè)置通訊接口，可以通過其他控制終端與FPGA主控芯片相連接，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程或其他智能化控制方式。本實施例其他部分與實施例1相同，不再贅述。
[0022]實施例5:
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，便于工作人員實時了解系統(tǒng)數(shù)據(jù)，本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，所述FPGA主控芯片還與液晶顯示接口相連接。通過設(shè)置液晶顯示接口，工作人員在需要時可以將顯示設(shè)備或其他人機(jī)交換設(shè)備連接到補(bǔ)償裝置通訊端口上，可以實時顯示補(bǔ)償數(shù)據(jù)，便于工作人員直觀了解工作狀況。本實施例其他部分與實施例1相同，不再贅述。
[0023]實施例6:
為更好地實現(xiàn)本發(fā)明，本實施例在上述實施例的基礎(chǔ)上，所述主控芯片選用FPGA。采用現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。本實施例其他部分與上述實施例相同，不再贅述。
[0024]實施例7:
本實施例在一種無級補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，提出了一種無級補(bǔ)償方法，包括以下步驟:
(1)信號放大整形電路采樣電網(wǎng)電壓信號和電流信號，對信號放大整形并將信號發(fā)送到控制板內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；
(2)FPGA主控芯片讀取數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進(jìn)行量化處理、數(shù)字濾波、限幅處理；
(3)FPGA主控芯片對步驟(2)中的限幅處理的信號進(jìn)行無功分析，得到無功電流；
(4)FPGA主控芯片對步驟(3)中的無功電流信號反相后用脈寬調(diào)制PWM脈沖形式向IGBT逆變電路發(fā)送信號，控制IGBT逆變電路開關(guān)器件；
(5)IGBT逆變電路將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流；
(6)濾波電路濾除無級補(bǔ)償裝置輸出電流中的高頻載波，生成與負(fù)載無功電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流。
[0025]通過采用該方法對無功電流進(jìn)行及時的補(bǔ)償，整個結(jié)構(gòu)具有科學(xué)合理、技術(shù)先進(jìn)、補(bǔ)償及時、穩(wěn)定性高、性價比高等特點(diǎn)。
[0026]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于包括:主要由以下部件構(gòu)成: 濾波、信號采集板:主要由濾波電路和信號放大整形電路構(gòu)成，所述濾波電路與配電系統(tǒng)相連接，濾波電路用于濾除無級補(bǔ)償裝置輸出電流中的高頻載波，信號放大整形電路用于接收電網(wǎng)電壓信號和電流信號并對信號放大整形； 逆變板:主要由IGBT逆變電路構(gòu)成，與濾波電路相連接，用于直流電與交流電間的轉(zhuǎn)變； 控制板:主要由FPGA主控芯片構(gòu)成，所述FPGA主控芯片還與A/D轉(zhuǎn)換芯片相連接，所述A/D轉(zhuǎn)換芯片與信號放大整形電路相連接，控制板用于接收電壓電流信號并輸出指令發(fā)送控制信息； PWM脈沖驅(qū)動板:主要由PWM脈沖驅(qū)動電路構(gòu)成，與FPGA主控芯片、IGBT逆變電路相連接，用于接收FPGA主控芯片發(fā)送的PWM脈沖，并放大到IGBT所需的驅(qū)動電平，用于驅(qū)動IGBT功率器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于:還包括繼電器擴(kuò)展板，所述繼電器擴(kuò)展板主要由繼電器構(gòu)成，所述繼電器與FPGA主控芯片相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于:所述繼電器還與電容器組相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于:所述FPGA主控芯片還與通訊接口相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于:所述FPGA主控芯片還與液晶顯示接口相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的一種無級補(bǔ)償裝置，其特征在于:所述主控芯片選用 FPGA。
7.一種無級補(bǔ)償方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)信號放大整形電路接收電網(wǎng)電壓信號和電流信號，對信號放大整形并將信號發(fā)送到控制板內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換； (2)FPGA主控芯片讀取數(shù)字信號，并對數(shù)字信號進(jìn)行量化處理、數(shù)字濾波、限幅處理； (3)FPGA主控芯片對步驟(2)中的限幅處理的信號進(jìn)行無功分析，得到無功電流信號； (4)FPGA主控芯片對步驟(3)中的無功電流信號作反相處理后用脈寬調(diào)制PWM信號形式向IGBT逆變電路發(fā)送信號，控制IGBT逆變電路開關(guān)器件； (5)IGBT逆變電路將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流； (6)濾波電路濾除輸出電流中的高頻載波后，生成與負(fù)載無功電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流； (7)FPGA主控芯片對輸出電流、負(fù)載無功功率進(jìn)行檢測，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值或無功功率大于設(shè)定值時，主控芯片控制繼電器投入固定容量電容器以滿足負(fù)載無功需求，實現(xiàn)大容量無級補(bǔ)償。
【文檔編號】H02J3/18GK103840475SQ201410089216
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】夏文紅 申請人:興盛電器股份有限公司