三相不平衡下級聯(lián)型h橋靜止同步無功補償器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種三相不平衡下級聯(lián)型 H 橋靜止同步無功補償器。不平衡和非線性負荷在配電網(wǎng)中不斷地增多，電能質(zhì)量受到嚴重影響，必須加以改變。本實用新型組成包括：殼體（ 1 ），殼體內(nèi)部安裝有信號采集電路，信號采集電路包括 2 組電流霍爾傳感器（ 3 ）、 1 組電壓霍爾傳感器（ 10 ），三相交流電源（ 2 ）和不對稱負載（ 4 ）分別與電流霍爾傳感器連接，三相交流電源與主電路（ 9 ）與連接，主電路連接逆變電路（ 8 ），逆變器的逆變電路連接電壓霍爾傳感器，主電路連接驅(qū)動電路（ 7 ），驅(qū)動電路連接系統(tǒng)控制處理器（ 6 ），系統(tǒng)控制處理器連接信號采集電路（ 5 ）。本實用新型用于三相不平衡下級聯(lián)型 H 橋靜止同步無功補償器。
【專利說明】三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器。

【背景技術(shù)】
[0002] 電能作為人們生活所必需的能源，其覆蓋范圍和應(yīng)用程度代表著我國綜合國力， 隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，被大規(guī)模地運用在了電力領(lǐng)域，由 于不平衡和非線性的負荷在配電網(wǎng)中不斷地增多，電能質(zhì)量受到了嚴重影響，其危害越來 越嚴重，必須加以改變。
[0003] 在大功率變流器的應(yīng)用中，人們希望電力電子裝置能夠擁有較大的運行功率，但 現(xiàn)有的功率開關(guān)器件在擁有高開關(guān)頻率時，往往難以承受較高的電壓；反之，當(dāng)開關(guān)器件有 較大的功率承受力時，其所能達到的開關(guān)頻率常常不高，由三相整流橋構(gòu)成的無功補償器 裝置，由于受到功率開關(guān)管的耐壓值及其開關(guān)頻率的限制，通常無法達到很大的容量，不符 合電力系統(tǒng)的要求。要想在高壓領(lǐng)域進行無功補償就必須利用級聯(lián)的方式來提高系統(tǒng)的工 作電壓和輸出功率，級聯(lián)型H橋無功補償器以其無需多重化變壓器、占地面積小、效率高以 及調(diào)節(jié)速度快、運行范圍寬等優(yōu)點被廣泛研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型的目的是提供一種三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器。
[0005] 上述的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] 三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其組成包括：殼體，所述的殼體內(nèi) 部安裝有信號采集電路，所述的信號采集電路包括2組電流霍爾傳感器、1組電壓霍爾傳感 器，三相交流電源和不對稱負載分別與所述的電流霍爾傳感器連接，所述的三相交流電源 與主電路與連接，所述的主電路連接逆變電路，逆變器的所述的逆變電路連接所述的電壓 霍爾傳感器，所述的主電路連接驅(qū)動電路，所述的驅(qū)動電路連接系統(tǒng)控制處理器，所述的系 統(tǒng)控制處理器連接信號采集電路。
[0007] 所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的主電路包括連接電 網(wǎng)的電感器和三相H橋級聯(lián)逆變器，所述的系統(tǒng)控制處理器包括TI公司的TMS320F2812和 FPGA，輔助電路包括開關(guān)電源、保護電路。
[0008] 所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的逆變電路采用星形 接法，所述的逆變電路采用的功率管是IGBT，其中的直流側(cè)電壓Udc都為1000V。
[0009] 所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的電流霍爾傳感器采 用電流霍爾模塊CHB-25NP實現(xiàn)三相電流檢測，若A相電流采樣時，所述的電流霍爾傳感器 副邊電流由電阻RM進行采樣得到電壓UM，經(jīng)過隔離、偏置、低通濾波和嵌位處理后輸入到 AD轉(zhuǎn)換芯片中。
[0010] 所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的系統(tǒng)控制處理器采 用FPGA+TMS320F2812方式，其中DSP2812最高頻率150MHz，AD轉(zhuǎn)換芯片外設(shè)包括16路12 位精度ADC、2路SCI以及兩個事件管理模塊EVA、EVB。
[0011] 有益效果：
[0012] 1.本實用新型主要是提供一種穩(wěn)定、節(jié)能、可靠的無功補償裝置，優(yōu)點是該系統(tǒng)具 有很高的容量，能工作在較高的電壓下，能夠很好地補償無功并解決由電網(wǎng)不平衡和非線 性負荷引起的三相不平衡問題，此外，系統(tǒng)還具有過壓、欠壓、過溫保護功能，確保了系統(tǒng)安 全、可靠運行。
[0013] 本實用新型相對于普通的無功發(fā)生器有明顯的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的無功補償器多是小容 量設(shè)備，只能用在低壓場合，其應(yīng)用較為局限，用于高壓場合，級聯(lián)型H橋靜止同步無功補 償器，每相是利用6個H橋逆變器串聯(lián)起來，這樣不僅提高了系統(tǒng)電壓等級，也可以減少電 流諧波，H橋級聯(lián)式無功補償器是在瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)，采用正負序分離法，解決了 不平衡負載下的無功補償問題，利用前饋解耦控制及電壓電流雙閉環(huán)控制，能很好地發(fā)出 所需的無功電流，其中各H橋逆變器直流側(cè)電容上電壓采用三級控制法，能較好地平衡各 電容上電壓，各相之間也可獨立控制。這種級聯(lián)方式有利于解決系統(tǒng)的相間不平衡問題， 在系統(tǒng)受到擾動時可更好地提供電壓支撐，而且系統(tǒng)各換流鏈的所有鏈節(jié)單元結(jié)構(gòu)完全相 同，可實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于擴容和維護。
[0014] 本實用新型采用級聯(lián)H橋型逆變器作為無功補償器的主電路，以瞬時無功功率理 論為基礎(chǔ)的基于dq變換的正負序電流檢測法，使級聯(lián)H橋型無功補償器可以很好地檢測電 網(wǎng)無功電流用于高壓無功補償且能夠很好地抑制不平衡負載。
[0015] 本實用新型采用級聯(lián)H橋型逆變器作為無功補償器的主電路，大大提高了系統(tǒng)的 工作電壓和容量，而且輸出電壓諧波小，波形質(zhì)量好也能夠補償中線中的零序電流。
[0016] 本實用新型直流側(cè)電壓采用三級控制法，能較好地平衡各相以及各個單元直流側(cè) 電容電壓。
[0017] 本實用新型采用DSP+FPGA的控制方式，DSP作為運算和控制部分，F(xiàn)PGA用來產(chǎn)生 PWM波，這樣大大提高了運算速度，提高了整個裝置的響應(yīng)時間。
[0018] 本實用新型采用一種新型的高壓無功補償裝置，用于6kV電力系統(tǒng)中，不但能夠 補償電網(wǎng)無功，解決系統(tǒng)三相不平衡問題，而且還有支撐電網(wǎng)電壓等作用，主電路采用星形 接法，無功電流檢測方法以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制以及前饋 解耦控制方法，所采用的調(diào)制技術(shù)為雙極倍頻的載波移相控制方法，對于逆變器直流側(cè)電 壓采用三級控制方式，先控制整體直流側(cè)電壓，再控制相間電壓平衡，最后控制相內(nèi)電壓平 衡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 附圖1是本實用新型的系統(tǒng)整體框圖。
[0020] 附圖2是本實用新型的正負序分原理圖。
[0021] 附圖3是本實用新型的正負序電流檢測圖。
[0022] 附圖4是本實用新型的直流側(cè)電壓三級控制框圖。
[0023] 附圖5是本實用新型的電壓過零檢測電路原理圖。
[0024] 附圖6是本實用新型的電流檢測電路原理圖。
[0025] 附圖7是本實用新型的AD7656芯片及外圍電路圖。
[0026] 附圖8是本實用新型的H橋級聯(lián)模塊與電網(wǎng)的連接圖。
[0027] 附圖9是本實用新型的隔離驅(qū)動電路圖。
[0028] 附圖10是本實用新型的有功、無功電流控制框圖。
[0029] 附圖11是本實用新型的前饋解耦等效控制框圖。
[0030] 附圖12是本實用新型的H橋級聯(lián)無功補償器控制系統(tǒng)框圖。
[0031] 附圖13是本實用新型的單極倍頻調(diào)制波形圖。
[0032] 附圖14是本實用新型的補償前A相電壓電流波形圖。
[0033] 附圖15是本實用新型的補償后A相電壓電流波形圖。
[0034] 附圖16是本實用新型的補償前三相電流波形圖。
[0035] 附圖17是本實用新型的補償后三相電流波形圖。
[0036] 附圖18是本實用新型的級聯(lián)H橋三相輸出總的電壓波形圖。
[0037] 附圖19是本實用新型的三相直流側(cè)電壓波形圖。
[0038] 附圖20是本實用新型的A相直流側(cè)六個電容電壓波形圖。

【具體實施方式】
[0039] 實施例1 :
[0040] 一種三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其組成包括：殼體1，所述的 殼體內(nèi)部安裝有三相交流電源2、主電路9、驅(qū)動電路7、系統(tǒng)控制處理器6、信號采集電路5、 不對稱負載4,殼體內(nèi)部安裝有信號采集電路，信號采集電路包括2組電流霍爾傳感器3、1 組電壓霍爾傳感器10,三相交流電源2和不對稱負載4分別與電流霍爾傳感器連接，三相 交流電源與主電路9與連接，主電路連接逆變電路8,逆變器的逆變電路連接電壓霍爾傳感 器，主電路連接驅(qū)動電路7,驅(qū)動電路連接系統(tǒng)控制處理器6,系統(tǒng)控制處理器連接信號采 集電路5。
[0041] 實施例2:
[0042] 根據(jù)實施例1所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的主電 路包括連接電網(wǎng)的電感器和三相H橋級聯(lián)逆變器，所述的系統(tǒng)控制處理器是以TI公司的 TMS320F2812和FPGA為核心，實現(xiàn)負載側(cè)電流采樣、補償電流采樣、直流側(cè)電壓采樣、電流 電壓雙閉環(huán)控制、CPS-SPWM波生成等功能，輔助電路包括開關(guān)電源、保護電路。
[0043] 實施例3 :
[0044] 根據(jù)實施例1或2所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所述的 逆變電路采用星形接法，這樣功率器件耐壓等級可以小一些，所述的逆變電路采用的功率 管是IGBT，其中的直流側(cè)電壓Udc都為1000V。IGBT的容量不但與無功補償器的容量有關(guān)， 也與負載中線電流的大小有關(guān)，可以適當(dāng)提商開關(guān)管的電流等級。
[0045] 實施例4 :
[0046] 根據(jù)實施例1或2或3所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，所 述的電流霍爾傳感器采用電流霍爾模塊CHB-25NP實現(xiàn)三相電流檢測，以A相電流采樣為 例，所述的電流霍爾傳感器副邊電流由電阻RM進行采樣得到電壓UM，經(jīng)過隔離、偏置、低通 濾波和嵌位處理后輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片中。
[0047] 實施例5 :
[0048] 根據(jù)實施例1或2或3或4所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器， 所述的系統(tǒng)控制處理器采用FPGA+TMS320F2812方式，其中DSP2812最高頻率可達150MHz， AD轉(zhuǎn)換芯片外設(shè)包括16路12位精度ADC、2路SCI以及兩個事件管理模塊EVA、EVB。
[0049] 實施例6 :
[0050] -種三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器的補償方法，本方法是首先在 高壓場合，級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，每相是利用6個H橋逆變器串聯(lián)起來，這樣不 僅提高了系統(tǒng)電壓等級，也可以減少電流諧波，級聯(lián)H橋型無功補償器是在瞬時無功功率 理論的基礎(chǔ)上，采用正負序分離法，解決了不平衡負載下的無功補償問題，利用前饋解耦控 制及電壓電流雙閉環(huán)控制，能很好地發(fā)出所需的無功電流，其中各H橋逆變器直流側(cè)電容 上電壓采用三級控制法，能較好地平衡各電容上的電壓，各相之間也可獨立控制，這種級聯(lián) 方式有利于解決系統(tǒng)的相間不平衡問題，在系統(tǒng)受到擾動時可更好地提供電壓支撐，而且 系統(tǒng)各換流鏈的所有鏈節(jié)單元結(jié)構(gòu)完全相同，可實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于擴容和維護；
[0051] 在系統(tǒng)不平衡時，為了最終達到對無功進行補償，使系統(tǒng)平衡的目的，采用的是分 別對正序、負序2個電流環(huán)進行控制，這樣可對系統(tǒng)無功、負序同時進行補償，其工作原理 主要是利用正負序分離法與基于dq變換的正負序電流檢測法，再與之前系統(tǒng)平衡時的控 制策略結(jié)合，由于文中是Y型接法且無中線，無需考慮零序分量，負序分量的檢測經(jīng)負序分 離后，只要把正序dq變換中的《換成-?即可；
[0052] 直流側(cè)電壓采用三級控制方法，根據(jù)直流側(cè)電壓三級控制框圖，首先要控制直流 側(cè)電壓維持在給定值Uref，此時得到調(diào)制波相角為a，然后再控制三相之間的電壓平衡， 得到各相相位角偏差A(yù) a A a 2、A a 3，最后再進行相內(nèi)電容電壓平衡控制，此部分通過 對各相正弦調(diào)制波進行微調(diào)實現(xiàn)，圖4中Udca為A相6個電容上電壓平均值，Uref為直流 側(cè)給定電壓，最終計算出A相第m個H橋調(diào)制波為Uam;
[0053] 為了進行坐標變換，需要知道任意時刻A相電壓的相位，故需電網(wǎng)同步檢測電路， 此處采用電壓霍爾模塊CHV-25P把A相電壓降為幅值為5V左右的與電網(wǎng)同頻同相的低壓 正弦信號，該信號經(jīng)過處理電路最終得到〇~3. 3V的方波信號，以滿足DSP2812對輸入電壓 的要求，通過DSP捕獲單元CAP3捕獲該方波信號的下降沿，即可得到電網(wǎng)電壓的過零點，
[0054] 然后需要采樣負載電流、反饋電流以及18個直流側(cè)電容電壓，為了提高采樣精度 和采樣通道數(shù)，采用外部AD轉(zhuǎn)換芯片ADC7656,其外圍電路，此芯片為16位6通道高精度同 步采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，通過對各引腳的配置，可實現(xiàn)準確、快速的數(shù)據(jù)采樣；
[0055] 逆變器各相采用星形接法，這樣功率器件耐壓等級可以小一些，各逆變器部分采 用的功率管是IGBT，其中的直流側(cè)電壓Udc都為1000V。IGBT的容量不但與SVG的容量有 關(guān)，也與負載中線電流的大小有關(guān)，所以，可以適當(dāng)提商開關(guān)管的電流等級；
[0056] 隔離驅(qū)動電路中的IGBT是電壓驅(qū)動型的開關(guān)管，它的驅(qū)動脈沖在幅值、上升及下 降速度等方面有著嚴格的要求，否則會影響器件的正常工作，為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力， 將FPGA發(fā)出的PWM信號經(jīng)過74HC06進行電平轉(zhuǎn)換之后，送給芯片PC929,該驅(qū)動芯片內(nèi)置 有IGBT短路保護電路以及直接驅(qū)動電路，具有很高的反應(yīng)速度，隔離電壓很高可達到4kV， 短路保護功能可以實現(xiàn)對模塊的故障監(jiān)測。
[0057] 實施例7 :
[0058] 根據(jù)實施例1或2或3或4或5或6所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無 功補償器，所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器主要由三部分構(gòu)成，即正 負序分離單元、控制單元、H橋級聯(lián)模塊單元。
[0059] (1)正負序分離
[0060] 三相電網(wǎng)不平衡時，其表達式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其組成包括：殼體，其特征是： 所述的殼體內(nèi)部安裝有信號采集電路，所述的信號采集電路包括2組電流霍爾傳感器、1組 電壓霍爾傳感器，三相交流電源和不對稱負載分別與所述的電流霍爾傳感器連接，所述的 三相交流電源與主電路與連接，所述的主電路連接逆變電路，逆變器的所述的逆變電路連 接所述的電壓霍爾傳感器，所述的主電路連接驅(qū)動電路，所述的驅(qū)動電路連接系統(tǒng)控制處 理器，所述的系統(tǒng)控制處理器連接信號采集電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其特征是： 所述的主電路包括連接電網(wǎng)的電感器和三相H橋級聯(lián)逆變器，所述的系統(tǒng)控制處理器包括 TI公司的TMS320F2812和FPGA，輔助電路包括開關(guān)電源、保護電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其特征 是：所述的逆變電路采用星形接法，所述的逆變電路采用的功率管是IGBT，其中的直流側(cè) 電壓Udc都為1000V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其特征 是：所述的電流霍爾傳感器采用電流霍爾模塊CHB-25NP實現(xiàn)三相電流檢測，若A相電流采 樣時，所述的電流霍爾傳感器副邊電流由電阻RM進行采樣得到電壓UM，經(jīng)過隔離、偏置、低 通濾波和嵌位處理后輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相不平衡下級聯(lián)型H橋靜止同步無功補償器，其特征 是：所述的系統(tǒng)控制處理器采用FPGA+TMS320F2812方式，其中DSP2812最高頻率150MHz， AD轉(zhuǎn)換芯片外設(shè)包括16路12位精度ADC、2路SCI以及兩個事件管理模塊EVA、EVB。
【文檔編號】H02J3/18GK204258316SQ201420723750
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】高晗瓔, 魏巍, 孟春城, 王海瑞, 朱博, 劉端增, 李偉力 申請人:哈爾濱理工大學(xué)