专利名称：一种有效提高电能质量的综合补偿控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统的控制装置，特别是涉及一种对有源滤波与动态无功功率进行综合补偿的控制装置。
背景技术：
随着计算机和网络的数字控制设备与电力电子装置的广泛应用，使电力系统中的用电负荷结构发生了改变，如变频装置、电弧炉、电气化铁道等非线性或冲击性负荷造成电能质量的降低与破坏。非线性负荷引起的无功和谐波污染问题给电力系统、供电部门和电力用户都带来了严重的危害。电网中无功和谐波含量的增加，将导致电气设备的寿命缩短，网损增大，系统发生谐振的可能性增加，严重时会造成危险的过电压、过电流。 同时还可能引起继电保护和自动装置误动作、仪表指示和电度计量不准、干扰通信系统等一系列问题。而且动态电能质量恶劣会带来巨大的经济损失。因此该问题已成为电工领域的前沿性课题，国内外对其相关指标与改善措施已经做了大量的研究。我国迄今为止已颁布了 6项电能质量指标的国标。其中《电能质量公用电网谐波》(GB/T 145四-1993)规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压谐波含有率和各单次偶次电压谐波含有率的限制值。以满足人们对电能质量的更高需求。为了解决动态电能质量问题，对于无功功率补偿主要通过在负荷两端并联一定容量的电容器，达到提高负荷功率因数的目的，这种方法只在负荷恒定时才能取得最佳效果。 针对变化的负荷，目前主要采用电容器、电抗器分组投切的方式，如隶属于静态无功补偿器 (SVC)的晶闸管控制电容器(TSC)、晶闸管控制电抗器(TCR)等。但仍普遍存在欠补偿和过补偿以及切换过程的振荡问题，还可能在系统中产生谐振现象。而对于非线性负荷引起的谐波污染问题，主要采用电感和电容组成的特定频率的无源滤波器来消除谐波的影响。如负荷电流包含多种谐波成分，则针对不同频率的谐波都要设置相应的谐振电路，这将增加系统的复杂性，降低使用的可靠性。从研究中发现有源滤波器(APF)具有良好的滤波特性，并且不会与系统发生谐振。然而由于大功率可关断器件(GTR、GT0、IGBT)发展水平的限制，有源滤波器(APF)不能承担高电压、大容量的非线性负荷交流系统侧谐波抑制的要求。为了满足大容量非线性负荷的滤波要求，从上世纪90年代至今有人提出了各种APF与PF进行混合滤波的设想。即有源滤波与动态无功功率综合补偿装置。有源滤波与动态无功功率综合补偿装置兼顾了两者的优点，初期投资小，性价比高，能满足高压大容量系统实用化的要求，是目前工程中具有广阔应用前景的发展模式。然而，仍存在着在综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾，即如何协调控制，提高系统运行性能和稳定性的技术难题有待解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效提高电能质量的综合补偿控制装置，它能有效补偿各次谐波，抑制闪变，补偿无功，自动跟踪补偿变化的谐波和无功，提高功率因数，改善配电网电能质量，并能协调解决综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾。本发明的方案如下所述该发明包括有源滤波器(APF)、无功功率补偿器(TSC)、 功率因数控制器(pre)和液晶触摸屏，它是通过设置由两个数字信号处理器(DSP)和一个现场可编程门阵列(FPGA)构成的主控制器，并将主控制器输入控制端与12路并行的电流、 电压信号以及逆变器直流电容两端电压信号相连接，在输入输出控制端经光纤连接功率因数控制器(pre)和液晶触摸屏，而将输出控制端分别与8路并行交流接触器、继电器控制端以及由脉冲调制信号驱动的有源滤波器(APF)相连接实现的。该发明由于采取了所述结构，特别是利用主控制器实施动态下信号的同步采集、 谐波的检测计算、数据的处理控制，并通过光纤传输实现与功率因数控制器、液晶触摸屏与主控制器的交互式协调控制，和谐波的抑制及无功功率的补偿。同时发挥自动跟踪补偿变化的谐波等优势，对谐波指令电流及无功功率补偿量的计算得到控制输出参数，采用基于平均电流步长的逆控制电流跟踪控制方法，得到驱动和控制全控开关开通与关断的PWM脉冲，实现全双工的数据通信，提高系统响应速度和数据处理能力。该发明可实现对非线性负荷快速、精确的谐波抑制及无功功率补偿。同时抑制闪变，提高功率因数，尤其是彻底解决了综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾，对治理电力系统谐波、改善提高电能质量等都具有重要的积极作用和广阔的应用前景。不仅如此，该发明还具有结构设计科学合理、 连续调节控制精确、工作性能稳定可靠、使用方便适宜推广等特点。
图1是本发明结构示意图；图2是本发明主控制器结构示意图；图3、图4是本发明投入前系统电压/电流波形以及系统侧功率相关统计数据；图5、图6是仅投入TSC系统电压/电流波形以及系统侧功率相关统计数据；图7、图8是APF和TSC均投入系统电压/电流波形以及系统侧功率相关统计数据；
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例是以技术方案为前提下进行实施，本发明的保护范围不限于下述实施例。本发明的一种有效提高电能质量的综合补偿控制装置(参见图1)，是一种新型的动态补偿装置，包括有源滤波器(APF) 1、无功功率补偿器(TSC) 2、功率因数控制器(PFC)3、 液晶触摸屏5和由两个数字信号处理器(M_DSP、S_DSP)6、7与一个场现可编程门阵列 (FPGA)S组合控制板构成的主控制器(DSP+FPGA)4。其中有源滤波器1由三单相电压源逆变器、直流侧大容量电容器和交流输出滤波器构成。它以电压源型逆变器作为主要构件，采用基于智能IGBT模块的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容作为直流侧电压的支撑， 输出端经LCL滤波支路并联在400V低压配电网上，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。动态无功功率补偿器2由晶闸管反并联开关和电容器组构成。无功功率补偿器2的电气接线为三组串接消谐电抗器的晶闸管投切电容器支路，所有(TSC)支路都挂接在220V母线上。其中，晶闸管投切控制信号由功率因数控制器3发出，该功率因数控制器3与主控制器4光纤通信连接，并与主控制器4进行交互式控制从而实现动态下的无功功率补偿。所述主控制器4是本发明重要组成部分，其中的两数字信号处理器6、7作为顶层板为主控制器4的核心运算处理部分。通过功率脉冲触发控制与有源滤波器1进行连接。主控制器4由底层控制板(Main_Controller_Bottom)和上层控制板(Main_ Controller_Top)两部分组成(参见图幻，其中，底层控制板主要为电源进口、光纤通讯口、
4信号采样、交流接触器及继电器控制及PWM输出，输入信号为6路电压、6路电流，Vsa，Vsb， Vsc为系统电压，Isa, Isb, Isc为系统电流，Ifc, Ifb, Ifc为有源滤波器1发出的电流，Vdc_ a, Vdc_b，Vdc_c为各相逆变器直流侧电压，经过电压、电流互感器变比后，上述12路电压电流信号送入主控制器4，经过电压传感器LEM及电流传感器Honeywell送入两块AD7656采样芯片，将所采样的数据送入底层控制板上的场现可编程门阵列8，场现可编程门阵列8对采样的信号进行平均处理后，上层控制板即有两个TMS320F2812芯片组成的数字信号处理器6、7构成的控制板，第三块为扩展未用。数字信号处理器(M_DSP)6对场现可编程门阵列 8中上述数据的地址进行读操作，对所读数据进行控制算法的计算控制同时与液晶触摸屏 5通讯，将各相电流电压及谐波畸变率等参数传送给液晶触摸屏5，液晶触摸屏5作为人机交互进行显示和对操作的控制。数字信号处理器6所读取的数据同时通过上层控制板上的现场可编程门阵列8传送给另一数字信号处理器(S_DSP)7，数字信号处理器7对谐波电流进行检测，将检测到的谐波电流回送给数字信号处理器6，数字信号处理器6通过运算控制发出PWM信号经由光耦、三极管、同相器等电平逻辑转换电路后发给驱动电路板(Bottom_ Controller)，每个逆变器上四路H桥的PWM信号及故障反馈信号F_Faulat、故障复位信号 Fault_Reset送入驱动板，驱动板上经由现场可编程门阵列8为高速RAM将该六路信号送给 IGBT的驱动去触发IGBT产生动作。当驱动板上检测到故障信号时，故障反馈信号F_Fault 产生一个低脉冲触发沿反馈给现场可编程门阵列8，同时驱动板自己本身对PWM信号封锁， 禁止PWM至IGBT的驱动。接收到驱动板发出的故障反馈信号后，底层控制板上现场可编程门阵列8产生相应动作关闭交流接触器分闸保护。等下一次运行时，数字信号处理器6产生一个故障复位信号的高脉冲对故障信号进行复位，使得PWM继续可以发出。数字信号处理器6、7采用独立的供电系统，通过光纤传输PWM信号，实现高电压电气隔离，由专用的脉冲触发装置控制晶间管和绝缘栅双极晶体IGBT，可靠实现有源滤波与动态无功功率综合补偿的协调控制。 图3、图4是本发明的综合补偿装置投运前A相系统电压/电流波形以及系统侧功率相关统计数据表格，从图中看出，投运前电流畸变严重，主要含有5、7次等主导谐波，基波功率因数较低，只有0.71左右，并且电流有效值达到了 557A，A相无功功率达到 90. 64kVar ；图5、图6是仅投入无功补偿装置TSC时系统电压/电流波形以及系统侧功率相关统计数据表格，从图中看出，TSC投运之后，A相主导谐波电流仍较大，不过基波功率因数提高到0. 92，A相无功功率降为38kVar ；图7、图8是APF与TSC均投入以后系统电压/ 电流波形以及系统侧功率相关统计数据表格，从图中看出，该综合装置投运之后，A相主导谐波电流大大衰减，补偿后网侧电流正弦化，同时基波功率因数提高到0. 95，A相无功功率降为23. 72kVar，这表明该本发明既能补偿无功，又能达到消除谐波的目的，补偿效果显著。
权利要求
1.一种有效提高电能质量的综合补偿控制装置，包括有源滤波器(1)、无功功率补偿器(2)、功率因数控制器(3)和液晶触摸屏(5)，其特征在于该装置通过设置由两个数字信号处理器(6、7)和一个现场可编程门阵列(8)构成的主控制器G)，并将主控制器(4)输入控制端与12路并行的电流、电压信号以及逆变器直流电容两端电压信号相连接，在输入输出控制端经光纤连接功率因数控制器C3)和液晶触摸屏(5)，而将输出控制端分别与8路并行交流接触器、继电器控制端以及由脉冲调制信号驱动的有源滤波器(1)相连接。
2.根据权利要求1所述的有效提高电能质量的综合补偿控制装置，其特征在于数字信号处理器(6,7)均为TMS320F2812芯片，而现场可编程门阵列(8)为EP1C12Q240I7N芯片。
全文摘要
本发明公开了一种有效提高电能质量的综合补偿控制装置，该装置是通过设置由两个数字信号处理器(DSP)和一个现场可编程门阵列(FPGA)构成的主控制器，并将主控制器输入控制端与12路并行的电流、电压信号以及逆变器直流电容两端电压信号相连接，在输入输出控制端经光纤连接功率因数控制器(PFG)和液晶触摸屏，而将输出控制端分别与8路并行交流接触器、继电器控制端以及由脉冲调制信号驱动的有源滤波器(APF)相连接实现的。它不仅能滤除谐波，连续、动态补偿无功功率，且可实现无功和功率因数的优化控制，为电力系统提供了大量的动态无功储备，对于稳定母线电压，补偿配电网的无功功率及抑制电网波形畸变具有重要作用。
文档编号H02J3/18GK102570472SQ201010575180
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者刘春志, 刘鑫, 梁馨元, 王艳华, 袁红斌, 费思源, 邢天福, 高岩, 高志刚 申请人:吉林省电力有限公司四平供电公司