专利名称：静止无功功率发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种静止无功功率发生器。
背景技术：
对于目前仅采用模拟电路搭建的功率补偿系统装置来说本实用新型采用基于三相瞬时无功功率理论的无功电流检测方法，确保了检测的快速性和准确性。利用数字控制技术，减少了对系统维护工作，大大节省了维修费用。发明内容本实用新型的目的是提供一种稳定、高效、快速的静止无功功率发生器，与许多其他的无功功率补偿装置相比，使用的电容和电抗器容量明显较小，调节速度更快、调节范围 更宽、控制精度更高，在感性和容性负载下均可连续调节。具体的说就是通过检测补偿前电网的三相电流信号，经过DSP TMS320F2812计算得到补偿电流信号，将补偿电流信号与静止无功功率发生器主电路输出的补偿电流信号做比较，进行PI调节，控制PWM的占空比，再经过驱动电路控制三相电压型桥式变流器，从而调节输出的电流与电网电压同相位。上述的目的通过以下的技术方案实现一种静止无功功率发生器，其组成包括主电路，所述的主电路包括三相电压型桥式变流器，与直流侧连接的直流侧大电容，以及所述的三相电压型桥式变流器并联在电网上需要的连接电抗器，所述的静止无功功率发生器还包括由电压互感器、电流互感器、检测电路、补偿电流发生电路构成的控制电路，驱动电路，保护电路。所述的静止无功功率发生器，所述的检测电路包括系统同步信号检测电路、系统电压电流信号检测电路和静止无功功率发生器输出检测电路。检测电路的核心控制芯片为DSP TMS320F2812。所述的静止无功功率发生器，所述的三相电压型桥式变流器电路由6个功率器件构成三相全桥电路。本实用新型的有益效果USVG的调节速度更快，运行范围大。当电网电压下降，SVG可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流和维持不变，而对SVG系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC大，SVC的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是SVG优越于SVC的一大特点。2、谐波量小。多种型式的SVC装置中，SVC本身产生一定量的谐波，如TCR型的5、7次特征次谐波量比较大，占基波值的5°/Γ8%，其它型式如SR、TCT等也产生3、5、7、11等次的高次谐波，这给SVC系统的滤波器设计带来许多困难，而在SVG中则完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或PWM技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如7、11等次谐波减小到可以接受的程度。3、更重要的是本实用新型中的SVG使用的电抗器和电容元件远比SVC中使用的电抗器和电抗元件要小，这将大大缩小装置的体积和成本。SVG具有如此优越的性能，显示了动态无功补偿装置的发展方向。
附图I为本产品的SVG系统总体框图。附图2为电流霍尔传感器检测电路。附图3为电压霍尔传感器检测电路。附图4为采集通道的原理框图。附图5为采样系统的电路图。附图6为GAL芯片连接电路。 附图7为基准电压电源电路。附图8为3. 3VA电源电路。附图9为采样流程图。附图10为主程序流程图。附图11为定时器周期中断服务程序的流程。附图12为捕获中断子程序流程图。附图13为定时器Tl中断子程序流程图。
具体实施方式
实施例I :一种静止无功功率发生器，其组成包括主电路1，所述的主电路包括三相电压型桥式变流器2，与直流侧连接的直流侧大电容3，以及所述的三相电压型桥式变流器并联在电网上需要的连接电抗器4，所述的三相电压型桥式变流器通过所述的连接电抗器并联在电网上，所述的静止无功功率发生器还包括由电压互感器5、电流互感器6、检测电路7、补偿电流发生电路8构成的控制电路9，驱动电路10，保护电路11。实施例2 上述的静止无功功率发生器，所述的检测电路包括系统同步信号检测电路12、系统电压电流信号检测电路13和静止无功功率发生器输出检测电路14。检测电路的核心控制芯片为 DSP TMS320F2812。实施例3 上述的静止无功功率发生器，所述的三相电压型桥式变流器电路由6个功率器件构成三相全桥电路。实施例4 上述的同步信号检测电路，利用电压互感器得到a相电网电压，将a相电网电压经过变压器降压，通过LM393电压比较器得到电网电压的过零点，再经过钳位电路，将电网电压的过零信号送入DSP的捕获口，DSP对捕获到的信号进行捕获中断计算得出电网电压的周期信号，同时DSP的定时器以计算的电网电压的周期值进行周期中断发正弦表。这样电流给定信号，由DSP通过正弦波细分产生的SPWM信号，经滤波得到的正弦信号产生，从电网电压只获得过零点，不获得具体相位信号，避免了由于电网电压纹波和畸变产生的相位不准确问题。所述的系统电压电流信号检测电路，利用电压互感器和电流互感器得到所需的系统电压电流信号。利用电流互感器可得补偿前电网侧三相电流信号。所述的静止无功功率发生器输出检测电路，利用电流互感器可得静止无功功率发生器输出的补偿电流信号。[0038]实施例5 上述的补偿电流发生电路，将系统电压电流检测电路得到的电网侧三相电流信号经过DSP的A/D 口，由模拟量变为数字量进入DSP进行运算，得到补偿电流信号。将该补偿信号与静止无功功率发生器主电路输出的补偿电流信号进行电流直接控制，本专利中电流的直接控制采用三角波比较法，使用SG3525，将补偿信号与静止无功功率发生器主电路输出的补偿电流信号做比较，进行PI调节，控制PWM的占空比，从而调节输出的电流与电网电压同相位。硬件闭环控制的快速响应，确保了电流相位与电压相位有良好的跟踪特性。实施例6 上述的驱动电路，驱动电路是完成控制指令的重要环节。功率驱动单元采用IR公司IR2130实现，一种高电压、高速率的功率MOSFET和IGBT驱动器，分别有3个独立的高端和低端输出通道，可同时控制6个大功率管的导通和关断顺序。IR2130内部设计有过流、 过压及欠压保护、封锁和指示电路单元，可方便地保护被驱动的IGBT器件。IR2130可承受600V电压，加之内部自举技术的运用可用于高压系统，还可对同一桥臂中上下两个功率器件的栅极驱动信号产生2 μ s互锁延时时间。它自身工作的电源电压的范围较宽(3 20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及CMOS电平兼容。实施例7 静止无功功率发生器的控制系统是一个包括检测，控制和驱动等多个环节的复杂系统。检测环节通过电压互感器，电流互感器将电网和SVG输出的电压，电流输送到检测运算电路，检测运算电路按给定的算法计算出所需要的有用信号传送到控制器中，这些信号称为指令信号。因此检测电路至少包括电压互感器，电流互感器和采样，锁相，运算等电路以及指令信号检测算法。控制环节根据给定的控制策略对从检测环节输送过来的指令信号进行处理，产生触发变流器门极的驱动信号传送到驱动电路，因此控制环节至少包含信号放大，运算电路和控制策略。驱动电路将从控制器接收到的驱动信号进行功率放大，然后加到变流器的门极，控制变流器的导通和截止，完成对SVG的控制。在检测环节，使用电压霍尔传感器和电流霍尔传感器得到电压信号和电流信号，经过A/D采样，将模拟信号转换成数字信号，再根据瞬时无功功率理论，采用ip，iq运算方式，将电网电流ia，ib，ic经过C32变换将它们变换到α — β两相正交的坐标系上，在有定义经过C变换后保留无功电流支路，之后在经过C的逆变换和C32的逆变换得到三相电路各相的瞬时无功电流iaq, ibq, icq,由于控制系统要完成两个功能,一是无功电流的实时跟随，一是直流侧的电压恒定控制，顾在此过程中使用到了主电路直流侧电容值。将以上四者综合起来得到了将要传送到控制器中的指令信号。在获得指令电流信号后，静止无功发生器产生的无功电流应实时跟踪指令电流的变化，这就要求补偿电流发生器就有很好的实时性。在本专利中跟踪电流的控制方法是滞环比较控制方式。在该控制方式中，补偿电流的指令信号与逆变器实际发出的补偿电流信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关器件通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路放大后控制开关器件的通断，从而控制补偿电流的变化。[0046]SVG的数字控制系统采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812(以下简称F2812)为核心。该芯片是美国德州仪器(TI)公司近年最新推出的一款高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片，是目前工业控制领域最先进的处理器之一。其主频最高可达150MHz，即单个指令周期为6. 67ns，提高了控制系统的控制精度和芯片的处理能力，可以很好的满足静止无功发生器的实时控制要求。而且，该芯片还提供浮点数学函数库，使得能够在定点处理器上方便的实现浮点运算。主要应用到F2812的主要性能和技术特征如下高性能静态CMOS技术；6. 67ns指令周期(150MHz);低功耗(核心电压I. 8V，I/O口电压3. 3V) ; Flash编程电压3. 3V。片内存储器128Kxl6位的Flash存储器(存取时间36ns) ; 18Kxl6位的单口随机存储器(SARAM) ; 1Κχ16位的OTP型只读存储器。·[0050]外部存储器接口 可外扩大于IMxie位的程序和数据存储器；可编程等待状态；可编程读/写选通计数器(StrobeTiming);三个独立的片选端。两个事件管理器(EV)模块每个模块分别包含2个16位通用定时器，3个比较单元可作为6路脉宽调制(PWM)通道、三个捕获单元(CAP)、2路正交编码脉冲电路(QEP)
坐寸O外设通信接口 2 路 SCI、I 路 SPI、I 路 McBSP、I 路 eCAN 等。三个外部中断。外部中断扩展(PIE)模块可支持96个外部中断，当前仅使用了 45个外部中断。3个32位的CPU定时器。最多有56个独立的可编程、多用途通用输入/输出(GPIO)引脚。128位密钥保护Flash/OTP和L0/L1SARAM，防止ROM中的程序被盗。库资源丰富，浮点数运算库IQmath省去了人为数字定标麻烦，并支持C与C++等编程语言，便于软件开发以及代码的更新与维护。可进行双16x16乘加和32x32乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。在SVG控制系统中，F2812生成PWM脉冲，并完成控制算法的计算。模数转换使用采集精度要求相对较高的14位A/D转换器，即Maxim公司的MAX125型转换器作为信号采集单元的核心。数模转换使用了外部D/A转换器。MAXIM公司的MAX125高精度转换器具有较高的性能价格比，单通道的最高转换频率可达250kHz，在仪器仪表等测量领域中得到广泛的应用。该电路采用36引脚的表面安装型封装，工作电源电压为±5V;芯片内含有采样保持、电压基准和时钟等电路，极大简化了用户的电路设计，提高了系统的稳定性。其2组4通道信号可同时输入，模拟输入电压的范围为±5V，多路复用器的最高输入电压保护值为±17V，转换结果由14位数据线并行输出。本实用新型的SVG系统总体结构如图I所示。装置中搭建了 PWM变流器主电路，并由控制电路来控制逆变器开关元件的开通和关断，从而产生补偿电流；交流侧输出端使用平波电抗器，减小PWM变流器产生的高次谐波；系统采用直流侧电压闭环控制来稳定直流侧电压值，补偿能量损耗引起的直流侧电压变化；输出的PWM脉冲电流采用滞环比较控制方式，加快电流的响应速度，提高了电流的跟踪精度；检测电路主要负责各种电压、电流信号的采集和转换；本装置中用到的控制芯片是以DSP芯片TMS320F2812为核心的数字控制电路，是一种具有丰富外围接口的32位CPU。信号测量电路在本设计中一共要采样三路三相交流电源相电压信号，一路用来检测a相电压过零点的电压同步信号，一路直流侧电压信号，以及两路负载电流和两路逆变器输出电流信号。本实用新型中电压、电流检测均使用霍尔元件，其优点是可实现隔离，而且交直流均可检测，精度较好，但需要外接电源，价格较高。其中电压信号选用LEM公司生产的磁平衡电压霍尔传感器LV28 — P，如图3所示进行采样。四路电流信号分别检测a、b相的负载电流和a、b相的逆变器输出电流信号，选用电流霍尔传感器LA58—P，如图2所示。这些信号都由霍尔传感器感应得到一个对应比例的电流信号。通过CONVST脉冲启动MAX125的转换，大约9 μ s后，3个通道转换完毕，产生I个中断信号，中断信号传送到可编程逻辑控制器(GAL)中，由GAL通知DSP读取采样 数据，同时GAL给MAX125的RD引脚施加读脉冲，3个连续的读操作可以读取3个连续的数据。图4示出采集通道的原理框图。MAX125拥有A、B2组信号输入端，每组4个输入通道，内置4路采样保持器，在实际应用中分别采集负载电流、补偿电流、电源电流和逆变器直流侧的电容器电压。MAX125可以和DSP并行工作以减轻DSP的工作负担。MAX125的输出数据要经过电平转换后才能送到TMS320LF2812的数据线上。如果直接将MAX125的输出直接送到TMS320LF2812的数据输入引脚上，则有可能超过TMS320LF2812引脚的耐压值(3. 6 V)。本系统使用SN74LVC245A作为电平转换器，MAX125的输出D0-D13接入SN74LVC245A锁存后进行电平转换，再进入TMS320LF2812的数据总线。SN74LVC245A的工作电压为3. 3 V,输出信号电平为3.3 V,可以接受5.5 V的输入信号。本设计中使用了 2个SN74LVC245A作为电平转换单元，输入数据来自MAX125的14位数据，多余的2路输入引脚接地，输出信号接入TMS320LF2812的DO- D13引脚。2个SN74LVC245A控制信号由GAL发出。电路原理如图5所示。控制系统的主要指令都在定时器中完成。图6为GAL的连接电路，图11示出定时器周期中断服务程序的流程。当定时器计数器的值与定时器周期寄存器的值相等时，产生周期中断请求。中断被响应后进入中断服务程序，确认中断源正确后，首先启动外部A/D转换器，采集负载电流、补偿电流、电容器电压，再对转换结果进行移位、求补码等必要的处理。图7和图8为芯片所需的基准电压电源及个别引脚所需电压的电路图。主程序负责完成系统控制寄存器的初始化工作，包括初始化缓存、中断屏蔽寄存器MR、事件管理器相关的控制寄存器、I/O 口配置寄存器和ADC相关寄存器配置和定时器等。这些寄存器在使用之前必须先正确配置，才可正常使用。此外，主程序还定义了一些中间变量，为后续程序提供所有准备工作。其程序流程如图10所示。捕获中断子程序负责测量电网频率，通过过零检测电路得到检测相电压信号的过零点，从而产生外中断信号。当每次中断发生时，读取当前CAP1FB0T寄存器值，同时在中断服务程序中启动定时器中断，并将数据保存以进行运算处理。其程序流程如图12所示。定时器中断子程序完成了系统的所有控制算法，包括电压电流信号采样、无功电流指令提取、过流过压保护、IGBT三相桥臂上管的开通时间计算等，如图13所示，其中定时器Tl的周期设置为100 μ S。无功电流指令提取方法采用基于旋转坐标系下进行投影变换的方法，电流控制方法采用比较控制方法。图9是基于MAX125和TMS320F2812的采样系统的采样和转换流程图。本系统将采样周期作为F2812的定时器周期。系统上电对F2812和MAX125分别初始化完成后，定时器开始记时。F2812通过I-DLE指令进入等待状态，经过一个采样周期后，定时器输出TOUT,通过GAL16V8D在MAX125的CONVST上同时产生负脉冲，启动采样和转换工作。此时MAX125按初始化的模式对所选择的全部输入信号进行同时采样，然后对这些信号依次顺序转换。所有通道转换完成后输出INT变成低电平，采样/保持器重新处于采样状态，跟踪模拟输入的变化。MAX125的INT都为低电平时，通过GAL16V8D产生INTl中断，此时DSP如果允许中断，则进入中断子程序读取采样后的数据。此时F2812可以通过GAL控制CS和RD配合依次读取转换结果，第I个RD信号到来后，该MAX125的INT变成高电平。本次采样结束后，F2812再进入等待状态，等待下一次的INTl中断请求。因为MAX125芯片内部RAM不是随机存储器，转换数据的读取只能从CHl开始“依次”读取，各 个通道数据读取完成后，地址指针重新回到CH1。
权利要求1.一种静止无功功率发生器，其组成包括主电路，其特征是所述的主电路包括三相电压型桥式变流器，与直流侧连接的直流侧大电容，以及所述的三相电压型桥式变流器并联在电网上需要的连接电抗器，所述的静止无功功率发生器还包括由电压互感器、电流互感器、检测电路、补偿电流发生电路构成的控制电路，驱动电路，保护电路。
2.根据权利要求I所述的静止无功功率发生器，其特征是所述的检测电路包括系统同步信号检测电路、系统电压电流信号检测电路和静止无功功率发生器输出检测电路，检测电路的核心控制芯片为DSP TMS320F2812。
3.根据权利要求I或2所述的静止无功功率发生器，其特征是所述的三相电压型桥式变流器电路由6个功率器件构成三相全桥电路。
专利摘要本实用新型涉及一种静止无功功率发生器，与许多其他的无功功率补偿装置相比，使用的电容和电抗器容量明显较小，调节速度更快、调节范围更宽、控制精度更高，在感性和容性负载下均可连续调节。本实用新型的组成包括主电路(1)，所述的主电路包括三相电压型桥式变流器(2)，与直流侧连接的直流侧大电容(3)，以及所述的三相电压型桥式变流器并联在电网上需要连接电抗器(4)，所述的静止无功功率发生器还包括由电压互感器(5)、电流互感器(6)、检测电路(7)、补偿电流发生电路(8)构成的控制电路(9)，驱动电路(10)，保护电路主电路(11)。本实用新型用于无功功率补偿装置中调节输出电流与电网电压同相位。
文档编号H02J3/18GK202696170SQ201220367458
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者高旭东, 刘海成 申请人:黑龙江工程学院