專利名稱：一種動態(tài)無功補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域的無功補償裝置，尤其是一種應(yīng)用于電氣化鐵路牽引變電站的動態(tài)無功補償裝置。

背景技術(shù)：
在我國，鐵路運輸蓬勃發(fā)展，電氣化鐵路的建設(shè)迅速擴大。因此，為了更好地滿足運量和運速的持續(xù)發(fā)展的需要，解決網(wǎng)壓跌落，提高牽引網(wǎng)供電能力，抑制電網(wǎng)諧波，改善電能質(zhì)量已經(jīng)成為近年來鐵路領(lǐng)域急待解決的技術(shù)問題。目前，在我國鐵路電氣領(lǐng)域普遍使用的無功補償裝置主要是兩種形式的傳統(tǒng)無功補償裝置。一種是采用機械開關(guān)投切的靜止無功補償裝置，即FC(固定補償電容器)的形式，其電氣原理圖如圖1所示。其中無功補償裝置接在變壓器M相和T相次級繞組上，為固定補償電容器組，包括隔離開關(guān)QS、QS′，斷路器QF、QF′，高壓并聯(lián)電容器CF、CF′，串聯(lián)電抗器LF、LF′。因為這種靜止無功補償裝置采用機械開關(guān)投切的方式，所以一是不能隨著負(fù)載功率因數(shù)的快速變化而實時的投切，二是不能設(shè)置多種補償容量的組合，不能使負(fù)載由小到大快速變化都能達(dá)到最佳功率因數(shù)，三是在補償裝置投入時會在電網(wǎng)中產(chǎn)生很大的涌流，在補償裝置切除時產(chǎn)生過電壓。這樣一來，就嚴(yán)重影響了機械開關(guān)和補償裝置的使用壽命。
另一種目前應(yīng)用的無功補償裝置是改進(jìn)型的靜止無功補償裝置，即SVC(static var compensator)形式，也叫作TCR(晶閘管控制器電抗器)+FC形式，其電氣原理圖如圖2所示，高壓裝置和無功補償支路接在變壓器M相和T相次級繞組上，其中高壓裝置包括隔離開關(guān)QS1、QS1′，斷路器包括QF1、QF1′，無功補償裝置包括FC(FC′)和TCR(TCR′)兩條支路，其中FC、FC′支路包括隔離開關(guān)QS1、QS1′，電流互感器TA1、TA1′，高壓并聯(lián)電容器CF、CF′，串聯(lián)電抗器LF、LF′。TCR、TCR′支路包括隔離開關(guān)QS2、QS2′，電流互感器TA2、TA2′，并聯(lián)電抗器L11、L12、L11′、L12′，高壓晶閘管閥組SCR1、SCR1′。這種改進(jìn)型的無功補償裝置由于采用了晶閘管控制器電抗器(TCR)，因此具有了較好的動態(tài)補償性能。但是這種無功補償裝置響應(yīng)速度較慢，對電網(wǎng)電壓的波動表現(xiàn)出恒阻抗特性，在電網(wǎng)電壓波動時不僅不能充分發(fā)揮其作用，而且自身會產(chǎn)生較多的諧波電流注入電網(wǎng)，同時需要龐大的儲能設(shè)備(如電容和電抗)來實現(xiàn)無功補償?shù)哪康?。此外，這種無功補償裝置對于無功的調(diào)節(jié)只能產(chǎn)生滯后(感性)無功，調(diào)節(jié)范圍十分有限，而且成本高，占地大。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種采用高壓大功率開關(guān)器件投切電容器的動態(tài)無功補償裝置。通過實施本發(fā)明，能夠使無功補償裝置隨著負(fù)載功率因數(shù)的快速變化而實時地投切，同時通過引入多個支路組合的動態(tài)無功補償裝置，能夠有效地濾除電網(wǎng)中的諧波，進(jìn)一步改善電能的質(zhì)量。
按照本發(fā)明，上述技術(shù)問題是通過權(quán)利要求1所描述的技術(shù)特征來實現(xiàn)的 一種動態(tài)無功補償裝置，該動態(tài)補償裝置包括主電路和控制裝置，主電路包括高壓開關(guān)設(shè)備，信號檢測裝置，有n個支路的高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型補償裝置，其中n≥1，高壓開關(guān)設(shè)備一端連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，一端連接與補償裝置相連，所述高壓開關(guān)設(shè)備可用于執(zhí)行故障保護(hù)。信號檢測裝置連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，用于實時檢測M相和T相的電壓信號和電流信號；控制裝置與主電路相連，用于根據(jù)信號檢測裝置測得的電壓和電流信號實時計算出M相和T相的無功量，根據(jù)計算得出的實時無功量確定需要補償?shù)臒o功量，通過觸發(fā)各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)對補償裝置各補償支路的動態(tài)投切。
其投切命令是根據(jù)對以下公式的計算而發(fā)出的 QLM＝UMIMsinα(1) QLT＝UTITsinβ(2) 其中，QLM為M相實時計算的無功量，QLT為T相實時計算的無功量，UM為M相電壓有效值，UT為T相電壓有效值，IM為M相電流有效值，IT為T相電流有效值、α為M相電流與電壓之間的角度，β為T相電流與電壓之間的角度，QTi為M相第i條補償支路的補償容量，Q′Ti為T相第i條補償支路的補償容量，k為投入的支路數(shù)。
信號檢測裝置包括M相和T相電流電壓檢測裝置，用來完成M相和T相電壓UT、UM、電流IT、IM的檢測，控制裝置完成M相、T相實時無功量的計算和需要補償無功量的確定，其計算方法由上述式(1)和式(2)給出。動態(tài)無功補償裝置實時檢測和計算M相和T相的無功量，得出需要補償?shù)臒o功量，通過對補償裝置各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件實時投切，實時動態(tài)補償電力系統(tǒng)中的無功量，從而使系統(tǒng)達(dá)到最佳功率因數(shù)。投入k個支路使補償無功量最佳，投入k+1個支路過補。這樣不管負(fù)載如何變化，系統(tǒng)總是保持最佳功率因數(shù)，并兼有濾除諧波的作用。以對M相進(jìn)行補償為例，若(即M相需要補償?shù)臒o功量大于無功補償裝置k條支路補償?shù)目偭?，說明M相欠補償，控制裝置計算并判斷投入下一個支路；若(即M相需要補償?shù)臒o功量小于無功補償裝置k條支路補償?shù)目偭?，說明M相過補償，控制裝置計算并判斷切除一個支路。若則說明M相達(dá)到理想的最佳補償狀態(tài)。動態(tài)無功補償裝置對T相的投切控制原理與M相是相同的。
作為進(jìn)一步的實施方式，動態(tài)無功補償裝置根椐計算得出的實時無功量與預(yù)先設(shè)置給定的無功量進(jìn)行比較，確定需要補償?shù)臒o功量，并發(fā)出投切命令，這些預(yù)先設(shè)置給定的無功量均為最佳無功補償量。其中，預(yù)先設(shè)置給定的無功補償量等于或略小于實際通過實時計算得到的無功量，以保證M相和T相均不出現(xiàn)過補償現(xiàn)象。另外，補償裝置每一個補償支路的補償容量都是額定的，其補償容量的計算標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)長期負(fù)荷檢測得到的負(fù)載無功量或機車的類型、行車數(shù)、行車密度得到的。
在本發(fā)明的一種典型實施方式中，檢測裝置為電流互感器和電壓互感器，電流互感器用于檢測相電流，電壓互感器用于檢測相電壓。高壓開關(guān)設(shè)備包括隔離開關(guān)和斷路器。補償裝置包括補償元件組合電路，以及高壓大功率開關(guān)組件電路。補償元件組合電路進(jìn)一步包括隔離開關(guān)、高壓并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器；高壓大功率開關(guān)組件電路進(jìn)一步包括高壓大功率開關(guān)器件。
作為進(jìn)一步的實施方式，為了達(dá)到最佳功率因數(shù)(也就是最佳補償)，補償裝置的總?cè)萘堪碝相、T相分別為最大負(fù)載時達(dá)到需要補償?shù)淖畲鬅o功容量選取。根據(jù)負(fù)載變化情況，補償裝置合理地分成多個支路的組合，可以選擇分成2支路，3支路，4支路，或者5支路以及n個更多支路，當(dāng)然也可以是單支路。各個支路根據(jù)負(fù)載的諧波含量特點，補償裝置配置成3次、5次、7次和高次(11、13次)濾波裝置，在一般的電力系統(tǒng)中通常3次諧波最為嚴(yán)重?？刂蒲b置則根據(jù)系統(tǒng)需要補償?shù)臒o功量(隨負(fù)載變化)實時投切各補償支路。
作為一種較佳實施方式，在變電站變壓器的M相和T相次級繞組上留有抽頭，高壓開關(guān)設(shè)備和高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型補償裝置串聯(lián)支路接在其抽頭上。這樣做可以進(jìn)一步降低高壓開關(guān)設(shè)備和補償裝置，包括高壓并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、高壓大功率開關(guān)器件組件等的耐壓要求。因為無功補償裝置是就地補償負(fù)載無功，負(fù)載從補償裝置上吸收無功，而不用從供電系統(tǒng)吸收無功，所以不用增加牽引變壓器容量。
作為另一種較佳實施方式，在發(fā)出投切命令去觸發(fā)高壓大功率開關(guān)器件完成動態(tài)投切的同時完成電壓過零同步脈沖列的形成，在電壓過零時完成同步觸發(fā)，保證補償裝置投入時無沖擊電流；在電流過零時關(guān)斷，使補償裝置切除時無沖擊過電壓。這樣動態(tài)無功補償裝置就不會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生涌流，同時極大地提高了高壓開關(guān)設(shè)備和補償裝置的使用壽命。
本發(fā)明所描述的動態(tài)無功補償裝置解決了傳統(tǒng)無功補償裝置不能隨著負(fù)載功率因數(shù)的快速變化而實時投切的技術(shù)問題，并且在電壓過零時投入，不產(chǎn)生投入涌流，在電流過零時關(guān)斷，不產(chǎn)生過電壓，極大地延長了補償裝置的使用壽命。利用晶閘管的開通和關(guān)斷就實現(xiàn)補償裝置的投入和切除，所以不需要開關(guān)設(shè)備的動作，提高了開關(guān)設(shè)備的壽命。同時，本發(fā)明不需要大容量儲能電抗器，設(shè)備本身不產(chǎn)生諧波，同時可以濾除系統(tǒng)諧波。利用控制裝置實時檢測，實時計算，根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)的快速變化而實時地進(jìn)行投切，這樣就很好地抑制了電網(wǎng)中的諧波，提高了電網(wǎng)的供電能力，極大地改善了電能的質(zhì)量，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題得到了有效的解決。



圖1是現(xiàn)有技術(shù)機械開關(guān)投切型靜止無功補償裝置的電氣原理圖， 圖2是現(xiàn)有技術(shù)SVC型無功補償裝置的電氣原理圖， 圖3是本發(fā)明動態(tài)無功補償裝置一種典型實施方式的電氣原理圖， 圖4是本發(fā)明動態(tài)無功補償裝置另一典型實施方式的電氣原理圖， 圖5本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖， 圖6是本發(fā)明第一控制電路部分及外圍電路框圖， 圖7是本發(fā)明第二控制電路部分及外圍電路框圖， 圖8是本發(fā)明CPU1所執(zhí)行的流程圖， 圖9是本發(fā)明CPU2所執(zhí)行的流程圖。
其中 1-變壓器 201-控制裝置 301-M相補償裝置 301′-T相補償裝置 401-M相信號檢測裝置 401′-T相信號檢測裝置 2-M相高壓開關(guān)設(shè)備 2′-T相高壓開關(guān)設(shè)備 3-M相補償元件組合電路 3′-T相補償元件組合電路 4-M相高壓大功率開關(guān)組件電路 4′-T相高壓大功率開關(guān)組件 5-M相信號發(fā)送電路 5′-T相信號發(fā)送電路 6-M相信號接收電路 6′-T相信號接收電路 7-第一控制單元 8-第二控制單元 9-故障保護(hù)電路 10-信號入出電路 11-直流電源 12-485通訊接口 701-CPU1 702-CPLD 703-A/D轉(zhuǎn)換器 704-保護(hù)邏輯環(huán)節(jié) 101-數(shù)字I/O 102-信號調(diào)理電路 801-CPU2 802-過零觸發(fā)信號產(chǎn)生環(huán)節(jié) 803-脈沖列形成環(huán)節(jié) 804-快速封鎖環(huán)節(jié) CF、CF′高壓并聯(lián)電容器 LF、LF′串聯(lián)電抗器 L11、L11′、L12、L12′并聯(lián)電抗器 SCR1-SCR1′高壓晶閘管閥組 FC、FC′固定補償電容器組 TCR、TCR′晶閘管控制電抗器 TM變壓器 TV、TV′電壓互感器 TA、TA′、TA1-TAn、TA1′-TAn′電流互感器 QS、QS′、QS1-QSn、QS1′-QSn′隔離開關(guān) QF、QF′斷路器 C1-Cn、C1′-Cn′高壓并聯(lián)電容器 L1-Ln、L1′-Ln′串聯(lián)電抗器 R1-Rn電阻器 SCR1-SCRn、SCR1′-SCRn′高壓晶閘管閥組 TSC1-TSCn、TSC1′-TSCn′晶閘管投切電容器
具體實施例方式 在具體實施方式
中給出了本發(fā)明在電力機車領(lǐng)域的一種具體應(yīng)用，具體說來是本發(fā)明所描述的動態(tài)無功補償裝置在電氣化鐵路牽引變電站中的應(yīng)用。當(dāng)然，本發(fā)明也可以應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、民用電力系統(tǒng)等其他輸配電和用電領(lǐng)域。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
作為本發(fā)明所述動態(tài)無功補償方法的一種典型實施方式，動態(tài)無功補償裝置包括主電路和控制裝置，主電路包括高壓開關(guān)設(shè)備2，2′，信號檢測裝置401，401′，有n個支路的高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型補償裝置301，301′)，其中n≥1。高壓開關(guān)設(shè)備2，2′一端連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，一端連接與補償裝置301，301′相連，高壓開關(guān)設(shè)備2，2′可用于執(zhí)行故障保護(hù)。信號檢測裝置401，401′連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，用于實時檢測M相和T相的電壓信號和電流信號；控制裝置201與主電路相連，用于根據(jù)信號檢測裝置401，401′測得的電壓和電流信號實時計算出M相和T相的無功量，根據(jù)計算得出的實時無功量確定需要補償?shù)臒o功量，通過觸發(fā)各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)對補償裝置301，301′各補償支路的動態(tài)投切。在本實施例中，高壓開關(guān)設(shè)備包括隔離開關(guān)QS、QS′和斷路器QF、QF′。補償裝置包括補償元件組合電路3，3′，以及高壓大功率開關(guān)組件電路4，4′。補償元件組合電路進(jìn)一步包括隔離開關(guān)QS1-QSn，QS1′-QSn′、高壓并聯(lián)電容器C1-Cn，C1′-Cn′和串聯(lián)電抗器L1-Ln，L1′-Ln′，補償元件組合電路中還可以進(jìn)一步包括電阻R1-Rn和電阻R1′-Rn′(在圖中未示出R1和R1′)；高壓大功率開關(guān)組件電路進(jìn)一步包括高壓大功率開關(guān)器件，高壓大功率開關(guān)器件使用高壓晶閘管閥組(SCR)，當(dāng)然該高壓大功率開關(guān)器件還可以使用GTO、IGBT和IGCT等器件，高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型動態(tài)補償裝置則具體為TSC(晶閘管投切電容器)型動態(tài)無功補償裝置。
其投切命令是根據(jù)對以下公式的計算而發(fā)出的 QLM＝UMIMsinα(1) QLT＝UTITsinβ(2) 其中，QLM為M相實時計算的無功量，QLT為T相實時計算的無功量，UM為M相電壓有效值，UT為T相電壓有效值，IM為M相電流有效值，IT為T相電流有效值、α為M相電流與電壓之間的角度，β為T相電流與電壓之間的角度，QTi為M相第i條補償支路的補償容量，Q′Ti為T相第i條補償支路的補償容量，k為投入的支路數(shù)。
信號檢測裝置包括M相和T相電流檢測裝置TA和TA′，電壓檢測裝置TV和TV′，用來完成M相和T相電壓UT、UM、電流IT、IM的檢測。在本發(fā)明的一種典型實施方式中，檢測裝置為電流互感器和電壓互感器，電流互感器用于檢測相電流，電壓互感器用于檢測相電壓?？刂蒲b置完成M相、T相實時無功量的計算和需要補償無功量的確定，其計算方法由上述式(1)和式(2)給出。動態(tài)無功補償裝置實時檢測和計算M相和T相的無功量，得出需要補償?shù)臒o功量，通過對補償裝置各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件實時投切，實時動態(tài)補償電力系統(tǒng)中的無功量，從而使系統(tǒng)達(dá)到最佳功率因數(shù)。投入k個支路使補償無功量最佳，投入k+1個支路過補。這樣不管負(fù)載如何變化，系統(tǒng)總是保持最佳功率因數(shù)，并兼有濾除諧波的作用。以對M相進(jìn)行補償為例，若(即M相需要補償?shù)臒o功量大于無功補償裝置k條支路補償?shù)目偭?，說明M相欠補償，控制裝置計算并判斷投入下一個支路；若(即M相需要補償?shù)臒o功量小于無功補償裝置k條支路補償?shù)目偭?，說明M相過補償，控制裝置計算并判斷切除一個支路。若則說明M相達(dá)到理想的最佳補償狀態(tài)。動態(tài)無功補償裝置對T相的投切控制原理與M相是相同的。
作為進(jìn)一步的實施方式，動態(tài)無功補償裝置根椐計算得出的實時無功量與預(yù)先設(shè)置給定的無功量進(jìn)行比較，確定需要補償?shù)臒o功量，并發(fā)出投切命令，這些預(yù)先設(shè)置給定的無功量均為最佳無功補償量。其中，預(yù)先設(shè)置給定的無功補償量等于或略小于實際通過實時計算得到的無功量，以保證M相和T相均不出現(xiàn)過補償現(xiàn)象。另外，補償裝置每一個補償支路的補償容量都是額定的，其補償容量的計算標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)長期負(fù)荷檢測得到的負(fù)載無功量或機車的類型、行車數(shù)、行車密度得到的。在這里，每一個TSC動態(tài)補償支路的補償容量都是額定的，其補償容量Q的計算標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)長期負(fù)荷檢測得到的負(fù)載無功量或機車的類型、行車數(shù)、行車密度得到的。通常，補償容量在電路計算上由以下公式給出，即其中，Q為補償容量，U為補償支路的電壓，XC為補償支路的容抗，XL為補償支路的感抗。通過設(shè)計各補償支路的XC和XL，就能夠得到滿足特定補償容量要求的各個補償支路。
作為進(jìn)一步的實施方式，為了達(dá)到最佳功率因數(shù)(也就是最佳補償)，補償裝置(301，301′)的總?cè)萘堪碝相、T相分別為最大負(fù)載時達(dá)到需要補償?shù)淖畲鬅o功容量選取。根據(jù)負(fù)載變化情況，補償裝置(301，301′)合理地分成多個支路的組合，可以選擇分成2支路，3支路，4支路，或者5支路以及n個更多支路，當(dāng)然也可以是單支路。各個支路根據(jù)負(fù)載的諧波含量特點，補償裝置配置成3次、5次、7次和高次(11、13次)濾波裝置，在一般的電力系統(tǒng)中通常3次諧波最為嚴(yán)重?？刂蒲b置則根據(jù)系統(tǒng)需要補償?shù)臒o功量(隨負(fù)載變化)實時投切各補償支路。其中，濾除諧波的次數(shù)可以根據(jù)調(diào)整各支路相應(yīng)的電容和電感來改變，也就是改變電路的諧振頻率。一般在電力系統(tǒng)中最嚴(yán)重的是3次諧波。這樣做，使得無功補償裝置還具有濾除諧波的功能，進(jìn)一步改善了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。
在如圖4所示的本發(fā)明的另一種實施方式中，在變電站變壓器1的M相和T相次級繞組上留有抽頭，使抽頭點的電壓由原來額定27.5kV降低到一合適的電壓，如降到7kV，高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)和隨后的補償裝置(301，301′)串聯(lián)支路接在其抽頭上。這樣做可以進(jìn)一步降低開關(guān)設(shè)備和動態(tài)無功補償裝置，包括高壓并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、高壓晶閘管閥組SCR等的耐壓要求。因為補償裝置是就地補償負(fù)載無功，負(fù)載從補償裝置上吸收無功，而不用從供電系統(tǒng)吸收無功，所以不用增加變壓器容量，可以減小所用設(shè)備的體積和降低成本。同時，因為抽頭的系統(tǒng)電壓降低了，所以可以方便實施多支路動態(tài)無功補償?shù)慕M合。
如圖5所示，下面給出控制裝置的一種具體實施方式
，控制裝置包括信號入出電路10、第一控制單元7、第二控制單元8、故障保護(hù)電路9、485通迅電路12、M相信號發(fā)送電路5、T相信號發(fā)送電路5′、M相信號接收電路6和T相信號接收電路6′，以及直流電源11。其中，信號入出電路10與信號檢測裝置401，401′相連，信號入出電路10包括數(shù)字I/O101和信號調(diào)理電路102兩部分，數(shù)字I/O 101用于外部開關(guān)、投切命令的狀態(tài)輸入和控制邏輯的輸出；信號調(diào)理電路102用于對M相和T相的電壓和電流信號，以及補償裝置301，301′各補償支路的電流信號進(jìn)行放大、整形和濾波。M相和T相信號發(fā)送電路5，5′和信號接收電路6，6′介于第二控制單元(8)和補償裝置(301，301′)之間，用于傳遞控制和狀態(tài)信息。控制部分具體包括第一控制單元7和第二控制單元8及其外圍電路，當(dāng)然這兩個控制單元也可以集成在一起，在這里不應(yīng)理解為是對本發(fā)明實施方式的一種限制。在本實施例當(dāng)中，控制部分是由以雙CPU為核心的數(shù)?；旌想娐方M成。一片CPU1及其外圍電路完成對A/D轉(zhuǎn)換器703送來的信號(UM、UT、IM、IT)進(jìn)行采樣及實時無功量的計算，根椐計算得出的無功量和給定的無功量進(jìn)行比較，并發(fā)出投切命令；信號檢測裝置401，401′進(jìn)一步包括M相補償裝置301各補償支路電流互感器TA1-TAn和T相補償裝置301′各補償支路電流互感器TA1′-TAn′，用于檢測補償支路電流，根椐檢測得到的各補償支路電流信號和給定的電流進(jìn)行比較，發(fā)出保護(hù)命令進(jìn)行保護(hù)。第一控制單元7可以進(jìn)一步包括保護(hù)邏輯環(huán)節(jié)704，保護(hù)邏輯環(huán)節(jié)704位于CPU1 701和數(shù)字I/O 101之間，用于產(chǎn)生保護(hù)邏輯信號。另一片CPU2及其外圍電路用來接受第一控制單元7發(fā)來的投切命令，完成電壓過零同步脈沖列的形成，并將脈沖列通過M相信號發(fā)送電路5和T相信號發(fā)送電路5′傳輸，進(jìn)行脈沖放大，進(jìn)而去觸發(fā)高壓晶閘管閥組SCR完成動態(tài)投切。電壓過零同步觸發(fā)可以保證補償裝置投入時無沖擊電流；封鎖脈沖，電流過零關(guān)斷可以實現(xiàn)補償裝置切除時無沖擊過電壓。同時將檢測到的高壓晶閘管閥組SCR狀態(tài)信號通過M相信號接收電路6和T相信號接收電路6′反饋回控制裝置201，經(jīng)過邏輯判斷，發(fā)出保護(hù)信號，對高壓晶閘管閥組SCR進(jìn)行保護(hù)。同時還將檢測到的跳QF(QF′)的信號進(jìn)行快速封鎖觸發(fā)脈沖，保證斷路器QF(QF′)無載斷開。
在控制部分，為了便于描述，將總的控制任務(wù)分成了由第一控制單元和第二控制單元共同完成，如圖5所示。但是這種描述方法不應(yīng)理解為是對本發(fā)明實施方式的一種限制。其中一種典型的控制過程具體是由以下方法實現(xiàn)的，首先由TA、TA′，TV、TV′檢測M相和T相的電流和電壓信號，送至信號入出電路10，經(jīng)過信號調(diào)理電路102，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器703將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號交由第一控制單元7，經(jīng)第一控制單元7的CPU1 701計算處理，得到M相和T相的實時無功量，與預(yù)先設(shè)置給定的無功量相比較，得到補償裝置301，301′各補償支路的投、切信號，該得到的投、切信號通過數(shù)字I/O 101送至第二控制單元8，如圖6所示。如圖7所示，第二控制單元8接受第一控制單元7發(fā)來的投切命令和由信號檢測電路10發(fā)來的同步信號，首先經(jīng)過過零觸發(fā)信號產(chǎn)生環(huán)節(jié)802，再經(jīng)過脈沖列形成環(huán)節(jié)803完成電壓過零同步脈沖列的形成，脈沖列通過M相信號發(fā)送電路5和T相信號發(fā)送電路5′傳輸，然后進(jìn)行脈沖放大，去觸發(fā)M相補償裝置4的高壓晶閘管閥組SCR1-SCRn，以及T相補償裝置4′的高壓晶閘管閥組SCR1′-SCRn′，在發(fā)出投切命令去觸發(fā)高壓大功率開關(guān)器件完成動態(tài)投切的同時完成電壓過零同步脈沖列的形成，在電壓過零時完成同步觸發(fā)，保證補償裝置投入時無沖擊電流；在電流過零時關(guān)斷，使補償裝置切除時無沖擊過電壓，實現(xiàn)動態(tài)投切。這樣動態(tài)無功補償裝置就不會在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生涌流，同時極大地提高了高壓開關(guān)設(shè)備和補償裝置的使用壽命。同時M相和T相補償裝置各補償支路中的電流互感器TA1-TAn，TA1′-TAn′將檢測到的高壓晶閘管閥組SCR狀態(tài)信號(包括但不限于補償支路電流I1-In和I1′-In′)通過M相信號接收電路6和T相信號接收電路6′反饋回控制裝置201，經(jīng)過邏輯判斷，發(fā)現(xiàn)有元件損壞，立即發(fā)出保護(hù)信號，通過快速封鎖環(huán)節(jié)804封鎖觸發(fā)脈沖，對高壓晶閘管閥組SCR進(jìn)行保護(hù)。否則由于剩余的閥組承擔(dān)較高的電壓，會引起整串閥組損壞。在一種具體實施方式
中還可以加入故障保護(hù)電路9，該保護(hù)信號也同時送至故障保護(hù)電路9，故障保護(hù)電路發(fā)出跳閘信號和警告信號，使斷路器QF和/或斷路器QF′分?jǐn)啵Ｗo(hù)補償系統(tǒng)的安全。信號檢測裝置裝置401，401′進(jìn)一步包括補償裝置301，301′各補償支路的電流檢測裝置，用于各動態(tài)補償支路電流信號Ii、I′i的檢測。由信號檢測裝置401，401′檢測的各補償支路和系統(tǒng)M相和T相的電壓、電流、不平衡電壓等信號(包括I1-In、I′1-I′n、UT、UM、IT、IM等)經(jīng)調(diào)理后送至故障保護(hù)電路9，故障保護(hù)電路將實測值和保護(hù)給定值比較得到保護(hù)信號，發(fā)出跳閘信號和警告信號，使斷路器QF和/或斷路器QF′分?jǐn)?，保護(hù)補償系統(tǒng)的安全。故障保護(hù)電路9除了提供上述的保護(hù)之外，還為補償支路提供完善的保護(hù)措施，其保護(hù)主要為過流保護(hù)、不平衡電壓保護(hù)、過壓保護(hù)、失壓保護(hù)、電容器故障保護(hù)。這些保護(hù)由通用的保護(hù)裝置實現(xiàn)，過流和過壓保護(hù)值等參數(shù)可以現(xiàn)場改變。同時面板上也設(shè)置手動緊急停機按鈕，發(fā)生異常情況時，可以手動停機，以保護(hù)設(shè)備。在一種典型實施例當(dāng)中，M相信號發(fā)送電路5，信號接收電路6和T相信號發(fā)送電路5′，信號接收電路6′均采用光信號傳輸方式，以進(jìn)一步增強裝置的抗干擾能力，當(dāng)然信號傳輸方式也可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他方法，在這里不應(yīng)理解成是對本發(fā)明實施方式的一種限制。
因為控制柜和高壓晶閘管閥組SCR柜之間相距較遠(yuǎn)，所以在實施例中采用了光纖接收電路和光纖發(fā)射電路。采用光纖傳輸信號，不僅解決了高低壓之間的隔離問題，而且，因“光信號”不受電磁干擾，也較好的解決了電磁干擾問題。當(dāng)然采用光傳輸方式是為了解決有效隔離和抗干擾，為了達(dá)到這一目的，也可以采用其他的公知方式，在此不應(yīng)理解為是對本發(fā)明實施方式的一種限制。另外，本發(fā)明實施方式中所用的直流電源是高壓主電路的電壓信號經(jīng)變換后取得，在高壓晶閘管閥組(SCR)導(dǎo)通后由電流互感器從主電路電流經(jīng)變換后取得。配合用光纖傳輸信號，這樣就解決了高低壓電源之間的隔離問題和電磁干擾問題。485通訊電路12負(fù)責(zé)和上位機傳輸裝置的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)，接受上位機命令。
在軟件部分，其任務(wù)主要由兩片CPU的程序相對獨立完成。CPU1負(fù)責(zé)對模擬信號的采樣和計算，然后根據(jù)采樣計算的結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而發(fā)出投切命令(如圖6所示)。CPU2負(fù)責(zé)形成觸發(fā)脈沖和保護(hù)信號，如果接受到投切信號，則形成觸發(fā)脈沖(如圖7所示)。為提高軟件的實時性，兩片CPU軟件的主要任務(wù)處理都是基于中斷的。當(dāng)然出于簡化電路，提高集成度的考慮，也可以僅使用一個CPU完成CPU1和CPU2的任務(wù)，在此不應(yīng)理解為是對本發(fā)明實施方式的一種限制。
雖然結(jié)合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)作出各種變形或修改。本發(fā)明也可以應(yīng)用于其他電力領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)無功補償裝置，該動態(tài)補償裝置包括主電路和控制裝置，其特征在于主電路包括高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)，信號檢測裝置(401，401′)，有n個支路的高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型補償裝置(301，301′)，其中n≥1，
高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)一端連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，一端連接與補償裝置(301，301′)相連，所述高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)可用于執(zhí)行故障保護(hù)；
信號檢測裝置(401，401′)連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，用于實時檢測M相和T相的電壓信號和電流信號；
控制裝置(201)與主電路相連，用于根據(jù)信號檢測裝置(401，401′)測得的電壓和電流信號實時計算出M相和T相的無功量，根據(jù)計算得出的實時無功量確定需要補償?shù)臒o功量，通過觸發(fā)各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)對補償裝置(301，301′)各補償支路的動態(tài)投切。
2.一種動態(tài)無功補償裝置，該動態(tài)補償裝置包括主電路和控制裝置，其特征在于主電路包括高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)，信號檢測裝置(401，401′)，有n個支路的高壓大功率開關(guān)器件投切電容器型補償裝置(301，301′)，其中n≥1，
在變壓器(1)M相和T相的次級繞組上留有抽頭，高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)一端連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組抽頭上，一端連接與補償裝置(301，301′)相連，所述高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)可用于執(zhí)行故障保護(hù)；
信號檢測裝置(401，401′)連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，用于實時檢測M相和T相的電壓信號和電流信號；
控制裝置(201)主電路與主電路相連，用于根據(jù)信號檢測裝置(401，401′)測得的電壓和電流信號實時計算出M相和T相的無功量，根據(jù)計算得出的實時無功量確定需要補償?shù)臒o功量，通過觸發(fā)各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)對補償裝置(301，301′)各補償支路的動態(tài)投切。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述補償裝置(301，301′)包括補償元件組合電路(3，3′)，以及高壓大功率開關(guān)組件電路(4，4′)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述補償元件組合電路(3，3′)包括隔離開關(guān)、高壓并聯(lián)電容器和串聯(lián)電抗器；所述高壓大功率開關(guān)組件電路(4，4′)中的高壓大功率開關(guān)器件為高壓晶閘管閥組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述高壓開關(guān)設(shè)備(2，2′)包括隔離開關(guān)(QS，QS′)，以及斷路器(QF，QF′)，所述信號檢測裝置(401，401′)包括電流互感器(TA，TA′)和電壓互感器(TV，TV′)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述補償裝置(301，301′)的總?cè)萘堪碝相、T相最大負(fù)載時達(dá)到需要補償?shù)淖畲鬅o功容量選取，根據(jù)負(fù)載變化情況，合理的分成多支路組合；所述補償裝置(301，301′)的各補償支路根據(jù)負(fù)載的諧波含量特點配置成3次、5次、7次和高次(11、13次)濾波裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4、5、6中任一權(quán)利要求所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述控制裝置(201)包括信號入出電路(10)、第一控制單元(7)、第二控制單元(8)、信號發(fā)送電路和信號接收電路，所述信號入出電路(10)與信號檢測裝置(401，401′)相連，所述信號入出電路(10)包括數(shù)字I/O(101)和信號調(diào)理電路(102)，數(shù)字I/O(101)用于外部開關(guān)、投切命令的狀態(tài)輸入和控制邏輯的輸出；信號調(diào)理電路(102)用于對M相和T相電壓和電流信號，以及補償裝置(301，301′)各補償支路的電流信號進(jìn)行放大、整形和濾波；第一控制單元(7)通過數(shù)字I/O(101)與第二控制單元(8)相連；信號發(fā)送電路和信號接收電路介于第二控制單元(8)和補償裝置(301，301′)之間，用于傳遞控制和狀態(tài)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述控制裝置(201)的第一控制單元(7)包括CPU1(701)，A/D轉(zhuǎn)換器(703)，A/D轉(zhuǎn)換器(703)將經(jīng)過信號調(diào)理電路(102)調(diào)理的M相和T相的電壓和電流模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并交由CPU1(701)處理，CPU1(701)經(jīng)過計算和處理，得到M相和T相的實時無功量，與預(yù)先設(shè)置給定的無功量相比較，得到補償裝置(301，301′)補償支路的投、切信號，該得到的投、切信號通過數(shù)字I/O(101)傳送至第二控制單元(8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述控制裝置(201)的第二控制單元(8)接受第一控制單元(7)發(fā)來的投切命令和由信號檢測電路(10)發(fā)來的同步信號，首先經(jīng)過過零觸發(fā)信號產(chǎn)生環(huán)節(jié)(802)，再經(jīng)過脈沖列形成環(huán)節(jié)(803)完成電壓過零同步脈沖列的形成，在電壓過零時完成高壓大功率開關(guān)器件投切命令的同步觸發(fā)，保證補償裝置(301，301′)投入時無沖擊電流；在電流過零時關(guān)斷高壓大功率開關(guān)器件，使補償裝置(301，301′)切除時無沖擊過電壓；脈沖列通過M相信號發(fā)送電路(5)和T相信號發(fā)送電路(5′)傳輸，然后進(jìn)行脈沖放大，去觸發(fā)M相補償裝置(4)的高壓晶閘管閥組(SCR1-SCRn)，以及T相補償裝置(4′)的高壓晶閘管閥組(SCR1′-SCRn′)，實現(xiàn)動態(tài)投切。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種動態(tài)無功補償裝置，其特征在于所述信號檢測裝置(401，401′)包括補償裝置(301，301′)各補償支路中的電流互感器(TA1-TAn，TA1′-TAn′)，所述各補償支路的電流互感器將檢測到的高壓晶閘管閥組狀態(tài)信號通過M相信號接收電路(6)和T相信號接收電路(6′)反饋回控制裝置(201)，經(jīng)過邏輯判斷，發(fā)現(xiàn)有元件損壞，立即發(fā)出保護(hù)信號，通過快速封鎖環(huán)節(jié)(804)封鎖觸發(fā)脈沖，對高壓晶閘管閥組進(jìn)行保護(hù)，同時控制裝置(201)包括故障保護(hù)電路(9)，該保護(hù)信號也送至故障保護(hù)電路(9)，故障保護(hù)電路(9)發(fā)出跳閘信號和警告信號，使斷路器(QF)和/或斷路器(QF′)分?jǐn)?，保護(hù)補償裝置(301，301′)的安全。
全文摘要
一種應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是電氣化鐵路牽引變電站的動態(tài)無功補償裝置。該動態(tài)補償裝置包括控制裝置，高壓開關(guān)設(shè)備，信號檢測裝置，補償裝置。高壓開關(guān)設(shè)備一端連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，一端連接與補償裝置相連。信號檢測裝置連接于變壓器相應(yīng)相的次級繞組上，實時檢測M相和T相的電壓信號和電流信號?？刂蒲b置與主電路相連，根據(jù)信號檢測裝置測得的電壓和電流信號實時計算出M相和T相的無功量，確定需要補償?shù)臒o功量，通過觸發(fā)各補償支路的高壓大功率開關(guān)器件，實現(xiàn)對補償裝置各補償支路的動態(tài)投切。通過實施本發(fā)明，能夠使無功補償裝置隨著負(fù)載功率因數(shù)的快速變化而實時地投切，有效地濾除電網(wǎng)中的諧波，進(jìn)一步改善電能的質(zhì)量。
文檔編號H02J3/18GK101335455SQ200810131060
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月3日
發(fā)明者王衛(wèi)安, 蔣家久, 劉興民, 黃燕艷, 譚勝武, 馬雅青, 輝 沈, 段世彥, 周方圓, 張定華, 王才孝 申請人:中國南車集團(tuán)株洲電力機車研究所