專利名稱:有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償控制裝置的制作方法
技術領域:
本實用新型涉及電力系統(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:
隨著計算機和網(wǎng)絡的數(shù)字控制設備與電力電子裝置的廣泛應用,使電 力系統(tǒng)中的用電負荷結構發(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域 的前沿性課題,國內(nèi)外對其相關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項電能質量指標的國標。其中《電能質量公用電網(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量的更高需求。為了解決動態(tài)電能質量問題,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置相應的諧振電路,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)調控制,提高系統(tǒng)運行性能和穩(wěn)定性的技術難題有待解決。發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償裝 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)電能質量,并能協(xié)調解決綜合補償濾波效果與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾。本實用新型的方案如下所述該實用新型包括有源濾波器(APF)、無功功率補 償器(TSC)、功率因數(shù)控制器(PFC)和液晶觸摸屏,它是通過設置由兩個數(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(PFC)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制信號驅動的有源濾波器(APF)相連接實現(xiàn)的。該實用新型由于采取了所述結構,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)調控制,和諧波的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,得到驅動和控制全控開關開通 與關斷的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 善提高電能質量等都具有重要的積極作用和廣闊的應用前景。不僅如此,該發(fā)明還具有結 構設計科學合理、連續(xù)調節(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)明結構示意圖;圖2是本發(fā)明主控制器結構示意圖;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)側功率相關統(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)側功率相關統(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)側功率相關統(tǒng)計數(shù) 據(jù);
具體實施方式
以下結合附圖對本發(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)明的有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償控制裝置(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(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、直流側大容量電 容器和交流輸出濾波器構成。它以電壓源型逆變器作為主要構件,采用基于智能IGBT模塊 的脈寬調制PWM逆變器,直流端為一大電容作為直流側電壓的支撐,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)開關和電容器組構成。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是本實用 新型重要組成部分,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、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換電路后發(fā)給驅動電路板(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送入驅動板,驅動板上經(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的驅動去觸發(fā)IGBT產(chǎn)生動作。當驅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,同時驅動板自己本身對PWM信號封鎖, 禁止PWM至IGBT的驅動。接收到驅動板發(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)生相應動作關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)調控制。 圖3、圖4是綜合裝置投運前A相系統(tǒng)電壓/電流波形以及系統(tǒng)側功率相關統(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)側功率相關統(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)側功 率相關統(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 該綜合補償裝置既能補償無功,又能達到消除諧波的目的,補償效果顯著。
權利要求1.一種有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償控制裝置,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制信號驅動的有源濾波器(1)相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償控制裝置,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 心片。
專利摘要本實用新型公開了一種有源濾波與動態(tài)無功功率綜合補償控制裝置,該裝置是通過設置由兩個數(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制信號驅動的有源濾波器(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H02J3/18GK201893558SQ20102064407
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權日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