模拟和数字综合控制的无功补偿装置的制作方法

本实用新型涉及一种模拟和数字综合控制的无功补偿装置，属于电力系统控制领域。

背景技术：

为了提高电网电能的传输效率，需要控制电网的无功功率，由于电网存在非线性用电设备，特别是电力电子设备的应用，给电网带来的谐波污染影响电网安全运行和电网传输效率。应用全数字化的静止无功补偿装置功率器件的驱动信号计算采用近似算法导致无功补偿装置输出谐波增加，无功补偿装置具备的电网谐波抑制功能算法复杂不能精确抑制电网谐波电流；而全模拟无功补偿装置无法实现实时无功补偿和谐波电流抑制。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为解决上述技术问题，进而提供一种模拟和数字综合控制的无功补偿装置。

模拟和数字综合控制的无功补偿装置包括三角波发生器、比较器、LC能量转换系统、DSP控制芯片、功率变换单元、电抗器、电网电压检测单元、电压信号调理电路、电网电流检测单元、电流信号调理电路和整流单元，所述DSP控制芯片的D/A接口处连接有比较器，所述的比较器上电性连接有三角波发生器，比较器通过驱动电路与功率变换单元建立连接，所述的功率变换单元分别通过整流单元和电抗器连接到电网上，电网上安装有LC能量转换系统、电网电压检测单元和电网电流检测单元，电压检测单元和电网电流检测单元分别通过电压信号调理电路和电流信号调理电路连接到DSP控制芯片的A/D接口处，LC能量转换系统与DSP控制芯片信号连接；

所述的LC能量转换系统包括可控硅控制电路、LC能量转换电路和第二电抗，所述的LC能量转换电路和可控硅控制转换电路与所述的电网中的电源引出线条数相同，所述LC能量转换电路通过对应所述的可控硅控制转换电路与对应电网电源引出线电连接，所述的第二电抗和所述LC能量转换电路与可控硅控制转换电路之间的线路感应连接。

优选的：所述的可控硅控制电路包括两个二极管和一个可控硅芯片，所述的两个二极管并联，且两个二极管的方向相反，设该两个并联二极管的一端为可控硅控制电路的输入端，另一端为可控硅控制电路的输出端，则该可控硅控制电路的输入端与电网电源引出线电连接，输出端与所述LC能量转换电路连接，且所述可控硅芯片设置在输入端与可控硅控制电路输入端方向相同的二极管的输出端上，所述可控硅芯片与所述DSP控制芯片信号连接。

优选的：所述的LC能量转换电路包括电感L、第一电容C、电阻R和第二电容CO，所述电感L、第一电容C、电阻R星角连接，且电感L和第一电容C之间设有第一连接节点，电感L与电阻R之间设有第二连接节点，所述第一连接节点为该LC能量转换电路的输入端，与所述的可控硅控制电路的输出点电连接，所述的第二连接节点与所述的第二电容CO的另一端电连接，所述的第二电容CO的另一端为该LC能量转换电路的输出端，与同组相邻的可控硅控制电路的输入端电连接。

优选的：所述三角波发生器的输出频率可调，幅值不变的载波信号，载波信号和DSP控制芯片的D/A接口输出的调制波信号与比较器输出功率变换单元的精确SPWM驱动信号；所述功率变换单元输出的基波电压频率、相序、相位与电网电压保持同步。

本实用新型的有益效果为：本实用新型提出的一种模拟和数字综合控制的无功补偿装置，通过对输送线路电流信号的采样，控制对无功当量的计算以及LC能量转换系统对无功功率的转换，结合数字控制和模拟控制的优点，简化了数字化控制下的计算载波和调制波交点产生功率器件PWM驱动信号的不精确算法，具有良好的动态控制响应性能，自动识别电网相序、频率和相位，可以更精确控制无功补偿装置输出的基波无功电流，减少装置输出的谐波和精确抑制电网5次、7次谐波电流。

附图说明

图1为本实用新型模拟和数字综合控制的无功补偿装置示意图；

图2为SPWM驱动信号产生原理示意图；

图3为LC能量转换系统电路示意图；

图中1-三角波发生器，2-比较器，3-LC能量转换系统，31-可控硅控制电路，32-LC能量转换电路，33-第二电抗，4-DSP控制芯片，5-功率变换单元，6-电抗器，7-电网电压检测单元，8-电压信号调理电路，9-电网电流检测单元，10-电流信号调理电路，11-整流单元，13-驱动电路，14-电网。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的模拟和数字综合控制的自同步无功补偿装置模拟和数字综合控制的无功补偿装置，包括三角波发生器1、比较器2、LC能量转换系统3、DSP控制芯片4、功率变换单元5、电抗器6、电网电压检测单元7、电压信号调理电路8、电网电流检测单元9、电流信号调理电路10和整流单元11，其特征在于：所述DSP控制芯片4的D/A接口处连接有比较器2，所述的比较器2上电性连接有三角波发生器1，比较器2通过驱动电路13与功率变换单元5建立连接，所述的功率变换单元5分别通过整流单元11和电抗器6连接到电网14上，电网14上安装有LC能量转换系统3、电网电压检测单元7和电网电流检测单元9，电压检测单元7和电网电流检测单元9分别通过电压信号调理电路8和电流信号调理电路10连接到DSP控制芯片4的A/D接口处，LC能量转换系统3与DSP控制芯片4信号连接；

所述的LC能量转换系统3包括可控硅控制电路31、LC能量转换电路32和第二电抗33，所述的LC能量转换电路32和可控硅控制转换电路31与所述的电网14中的电源引出线条数相同，所述LC能量转换电路32通过对应所述的可控硅控制转换电路31与对应所述电网14电源引出线电连接，所述的第二电抗33和所述LC能量转换电路32与可控硅控制转换电路31之间的线路感应连接。如此设置，三角波发生器输出频率可调，幅值不变的载波与检测得到的电网电压信号经数字化计算后由DSP控制芯片的D/A输出和载波信号经比较器输出功率器件的精确SPWM驱动信号，功率变换单元输出的基波电压频率、相序、相位自动与电网电压保持同步，幅值由需要控制的无功功率大小和性质确定，经电抗器与电网连接；电网上的电网电流检测单元经电流信号调理电路输出至DSP芯片的A/D端进行模数转换，电流数字化信号经电网功率因数计算和谐波分析得出电网侧无功功率及电流的谐波特性，并计算控制无功电流的电压幅值与抑制谐波电流的谐波电压实时值相加得到无功功率控制和抑制电网谐波电流低次谐波电压的复合信号，由DSP核心控制芯片的D/A接口输出转换为模拟信号，将复合信号与三角波比较输出控制无功电流和抑制电网侧谐波电流的PWM驱动信号。由模拟调制信号和模拟载波信号比较得到的功率变换驱动信号可以更精确输出PWM电压和抑制电网谐波电流的谐波电压。

应用模拟电路技术设计的功率器件驱动信号由三角波电路发出频率可调、幅值固定的载波信号；检测得到电网侧电压信号经过信号调理电路输出，由DSP控制芯片的A/D转换得到数字化电压信号；电网侧电压检测信号经A/D转换为数字信号需要考虑A/D转换过程△t₁、控制算法计算过程△t₂和D/A转换输出过程△t₃在时间上所引起的相位滞后2πf(△t₁+△t₂+△t₃)而得到产生SPWM驱动信号的调制信号的实时值；经计算后的实时值由DSP控制芯片的D/A接口输出模拟电压信号，产生PWM驱动信号的调制信号，该调制信号与模拟载波信号直接比较输出SPWM信号；此驱动信号控制功率变换电路各相输出电压的基波电压与电网电压同频率、同相位、同相序。基波电压的幅值由需要补偿电网无功功率确定，控制器经电抗器并网后输出需要的无功功率；检测电网侧电流，经信号调理电路转换为可进行A/D转换的数字化信号，对数字化的电流信号做功率因数计算和FFT运算分析谐波电流成分，并计算无功电流的大小和性质以及低次谐波电流的大小和相位以确定抑制低次电压数值，将低次电压相加得到抑制谐波电流的电压信号值与数字化的电网电压信号相加得到复合电压信号后由DSP控制芯片的D/A输出；由DSP控制芯片的D/A的复合电压信号与模拟电路发出的三角波直接比较输出控制电网无功功率和抑制电网谐波电流的功率器件驱动信号；功率器件驱动信号为PWM信号，由电网所需无功功率闭环控制功率变换器的基波无功电流大小和性质，由电网电流谐波分析功能闭环调节低次谐波电压幅值和相位的信号的大小以精确抑制电网低次谐波电流。

图1为实用新型实现电网无功功率控制和谐波精确抑制的抑制电网低次谐波控制器原理示意图。下面结合图1和实例说明本实用新型的具体实施方式：

三角波发生器1输出三角波幅值固定，频率可调的载波信号；

电网电压检测单元和信号调理单元通过公式(1)实现信号的调制运算使得电网侧电压检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配

其中x表示电网三相电压ABC，ω＝2πf，U_m为电压幅值，为电压相位，由信号调理电路变换使得电网侧电压检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配；

电网电流检测单元和信号调理单元通过公式(2)实现信号的调制运算使得电网电压检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配

i_x＝I_m sin(ωt+θ_x) (2)

其中x表示电网三相电流ABC，I_m为电流幅值，θ_x为电流相位，由信号调理电路变换使得电网侧电流检测信号与DSP控制芯片的A/D信号匹配；

根据电网无功功率控制闭环设定，由数字化的电压信号和数字化的电流信号计算控制器基波电压幅值；对数字化的电流信号进行运算得到谐波电流分量组成和谐波电流幅值大小及相位值，由此确定抑制谐波电流的谐波电压大小，将谐波电压值相加得到各次谐波电压复合信号与数字化电网电压信号相加，并由DSP控制芯片的D/A接口输出；

比较器输出功率器件的驱动信号单元实现载波信号与调制波信号直接计算，由载波信号与调制波信号的交点确定功率器件的驱动信号如图2所示；

功率变换单元经电抗器输出各相输出电压的基波电压与电网各相电压同频率、同相位、同相序，幅值由需要补偿无功功率的大小和性质确定；包含无功功率控制和谐波电流抑制的电压复合信号与三角波比较输出PWM驱动信号控制功率变换器输出电网所需的无功功率和精确抑制电网侧低次谐波电流的谐波电压信号；

考虑功率器件的开关频率，本实用新型可以精确抑制电网侧5次、7次谐波电流，因为无功补偿控制器输出基波电流较大，其开关频率较低，以开关频率为5kHz说明5次、7次，11次谐波电压每周期经载波调制输出的段数分别为19段、13段和8段，因此本实用新型可以精确抑制电网侧5次、7次电流。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的模拟和数字综合控制的自同步无功补偿装置，若干LC能量转换系统3对应并联连接在电网电源引出线上，且每组LC能量转换系统3包括可控硅控制电路31、LC能量转换电路32和第二电抗33，所述的LC能量转换电路32和可控硅控制转换电路31与所述的电网14中的电源引出线条数相同，所述LC能量转换电路32通过对应所述的可控硅控制转换电路31与对应所述电网14电源引出线电连接，所述的第二电抗33和所述LC能量转换电路32与可控硅控制转换电路31之间的线路感应连接，当电网电源引出线出现谐波时，DSP控制芯片4根据电网电压监测单元7和电网电流检测单元9测量的电压信号和电流信号，计算负载实时无功功率，并向可控硅芯片发送连通指令，控制对应可控硅芯片处于连通状态，实现电源引出线通过可控硅控制电路31向LC能量转换电路32快速投切，实现对输电线路的无功功率的抑制。

所述的可控硅控制电路31包括两个二极管和一个可控硅芯片，所述的两个二极管并联，且两个二极管的方向相反，设该两个并联二极管的一端为可控硅控制电路31的输入端，另一端为可控硅控制电路31的输出端，则该可控硅控制电路31的输入端与所述电网电源引出线电连接，输出端与所述LC能量转换电路32连接，且所述可控硅芯片设置在输入端与可控硅控制电路31输入端方向相同的二极管的输出端上，所述可控硅芯片与所述DSP控制芯片4信号连接，实现对LC能量转换电路的通电控制。

所述的LC能量转换电路32包括电感L、第一电容C、电阻R和第二电容CO，所述电感L、第一电容C、电阻R星角连接，且电感L和第一电容C之间设有第一连接节点，电感L与电阻R之间设有第二连接节点，所述第一连接节点为该LC能量转换电路32的输入端，与所述的可控硅控制电路31的输出点电连接，所述的第二连接节点与所述的第二电容CO的另一端电连接，所述的第二电容CO的另一端为该LC能量转换电路32的输出端，与同组相邻的可控硅控制电路31的输入端电连接，实现对线路中谐波的抑制。