一种链式无功补偿装置的控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种链式无功补偿装置的控制系统，属于电能控制【技术领域】。本发明的链式无功补偿装置的控制系统包括主控制器、同步单元、光纤收发单元和子功率模块控制器，主控制器中设置有能够生成调制波和脉冲信号的算法单元和逻辑单元，以驱动功率模块开通关断，从而实现整个链式无功补偿装置的控制，本发明兼容了集中式方案和分散式方案两种方案。在模块数较少的情况下，采用集中式方案，减少光纤数量，从而降低成本，而在模块数较多的情况下，采用分散式方案，提高同步质量，具有较强的灵活性和高扩展性。同时能够从单模块控制系统扩展到多模块，而无需改动整体框架。
【专利说明】一种链式无功补偿装置的控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种链式无功补偿装置的控制系统，属于电能控制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着工业技术的发展，大量新型负荷如工业电弧炉、电力机车、轧钢机、整流桥等 被大量采用，严重恶化了电能质量，再加上各种自动化、智能化的复杂精密的设备使用对电 能质量提出了更高的要求，改善电能质量日益成为研究的热点。链式无功补偿装置时一种 应用形式相对简单的典型节能装置，具有体积小、调节速度更快(<10ms)、在电网电压较低 时输出电流不受电压影响，较好的低压无功功率特性等优点，受到广泛的重视。形成了从几 个kVar到上百Mvar级的链式无功补偿装置系列。然而，由于链式无功补偿装置，是将不同 的功率模块(又被称为链节)通过级联方式进行扩展，其计算规模与模块数量紧密相关。从 低容量扩展到高容量的装置往往需要对脉冲生成架构进行大量改动，而硬件的改动伴随着 可靠性、标准化、可维护性等诸多负面影响。
[0003]目前的脉冲生成方案，存在集中在主控制计算系统生成方案，简称集中式方案，以 及分散到功率模块控制系统生成方案两种模式，简称分散式方案。集中式方案的优点是减 少了同步信号的下发，减少了功率模块与控制系统之间的光纤数量，缺点是对主计算系统 的硬件要求较高，在模块数较多的情况下，需要极大的增加硬件开销，难于进行扩展。分散 式方案的优点是容易进行扩展，缺点是需要同步信号来保证子模块的时序一致，同步信号 容易受到干扰，造成控制失败。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种链式无功补偿装置的控制系统，以解决现有链式无功补 偿装置的控制系统只能采用单一控制方式的问题。
[0005]本发明为解决上述技术问题而提供一种链式无功补偿装置的控制系统，该控制系 统包括主控制器、同步单元、光纤收发单元和N个子功率模块控制器，N表示每相功率模块 个数，主控制器通过同步单元和光纤收发单元分别与各个子功率模块控制器相连，所述的 主控制器包括算法单元和逻辑单元，算法单元与逻辑单元并行连接，该控制系统可以采用 集中式和分散式控制方案，
[0006]当该控制系统采用集中式控制方案时，算法单元根据均压算法生成3N路调制波 信号并将其传送给逻辑单元，逻辑单元根据接收到的3N路调制波生成3N路PWM脉冲信号， 然后将生成的3N路PWM脉冲信号通过光纤收发单元分别传送给相应的N个子功率模块控 制器，每个子功率模块控制器接收到3路每相各I路的PWM脉冲信号，每个子功率模块控制 器根据接收到PWM脉冲信号驱动相应的功率模块开通关断；
[0007]当该控制系统采用分散式控制方案时，算法单元生成3路调制波信号并将其传送 给逻辑单元，逻辑单元将接收到的3路调制波信号通过光纤收发单元分别传送给相应的N 个子功率模块控制器，每个子功率模块控制器接收到3路每相各I路的调制波信号，同时逻辑单元生成3相同步信号并通过同步单元传送给每个子功率模块控制器，每个子功率模块 控制器根据接收到3路每相各I路的调制波信号和3相同步信号生成各自的PWM脉冲信号， 每个子功率模块控制器根据自身生成的PWM脉冲信号驱动相应的功率模块开通关断。
[0008]所述的算法单元采用DSP芯片作为硬件支持，该算法单元通过其并行接口与主控 制系统中的逻辑单元相连。
[0009]所述的逻辑单元采用FPGA芯片作为硬件支持，用于采集外部模拟量和开入开出 量并将其上传至算法单元。
[0010]所述的控制系统在米用集中式控制方案时，该控制系统中的冋步单兀被屏蔽。
[0011]所述的每个子功率模块控制器上都连接有直流母线电压采集模块和过温状态采 集模块。
[0012]所述的载波移相角度的计算公式为
[0013]其中N为每相的功率子模块数量，i为子功率模块编号，范围从I到N。
[0014]本发明的有益效果是:本发明的链式无功补偿装置的控制系统包括主控制器、同 步单元、光纤收发单元和子功率模块控制器，主控制器中设置有能够生成调制波和脉冲信 号的算法单元和逻辑单元，以驱动功率模块开通关断，从而实现整个链式无功补偿装置的 控制，本发明兼容了集中式方案和分散式方案两种方案。在模块数较少的情况下，采用集中 式方案，减少光纤数量，从而降低成本，而在模块数较多的情况下，采用分散式方案，提高同 步质量，具有较强的灵活性和高扩展性。同时能够从单模块控制系统扩展到多模块，而无需 改动整体框架。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的链式无功补偿装置的控制系统部分控制硬件功能框图；
[0016]图2是本发明实施例中集中式方案下主控制器中DSP与FPGA的运行逻辑示意图；
[0017]图3是本发明实施例中分散式方案下主控制器中DSP与FPGA的运行逻辑示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0019]本发明的链式无功补偿装置的控制系统兼容了集中式控制方案和分散式控制方 案，在模块数较少的情况下，采用集中式控制方案，而在模块数较多的情况下，采用分散式 控制方案。如图1所示，本发明的链式无功补偿装置的控制系统包括主控制器、同步单元、 光纤收发单元和N个子功率模块控制器，主控制器通过同步单元和光纤收发单元分别与各 个子功率模块控制器相连，所述的主控制器包括算法单元和逻辑单元，算法单元与逻辑单 元并行连接。
[0020]主控制器的算法单元采用DSP芯片，DSP芯片上设置有RS485和以太网通信接口， 用于对外通信，还设置有并行接口，用于和主控器的逻辑单元进行并行通讯，DSP芯片内设 置有控制算法模块，通过该控制算法模块计算生成调制波并传给主控制系统的逻辑单元， 对于集中式方案，DSP内置的均压算法会生成3N路调制波(N为每相功率模块数量)，对于分 散模式，DSP会生成3路调制波(每相各I路)。[0021]主控制器逻辑单元采用FPGA芯片作为硬件支持，用于采集外部模拟量和开入开 出量并将其上传至主控制器的算法部分，对于集中式方案，FPGA芯片根据DSP传来的N路 调制波，生成移相载波信号，并通过比较载波和调制波，生成N路PWM脉冲信号并传递给子 功率模块控制器。
[0022]光纤收发单元采用光纤板，主控制器中的FPGA通过光纤板与子功率模块控制器 通信连接，同步单元用于在分散模式下为子功率模块控制器提供同步信号。
[0023]子功率模块控制器用于直流母线电压和过温状态信息的采集，并将其上传至主控 制器，同时，接收主控制器下发的信号，集中式模式下，接收的是脉冲信号，分散模式下，接 收的是调制波信号，在集中式模式下，子功率单元控制器直接根据脉冲来驱动功率模块开 通关断，从而控制整个链式无功补偿装置，在分散模式下，子功率单元控制部分根据调制 波，并结合自身的电压，采用均压控制算法，生成该子功率单元的调制波，结合同步信号进 行载波移相；采用集中式控制时，同步单元被屏蔽掉。
[0024]集中模式下各个子系统的控制分工
[0025]如图2所示，主控制器的DSP用于电压外环控制、电流内环控制和均压环控制，其 中电压外环控制是用于稳定链式无功补偿装置的直流母线总电压；电流内环控制是用于控 制无功电流的大小和方向；均压环控制适用于保持各个功率模块的直流母线电压均衡。主 控制器中的FPGA主要用于生成移相载波以及用于调制波进行比较生成PWM脉冲。各个子 功率模块控制器用于根据PWM脉冲驱动IGBT以及传输模拟量和和状态量至主控制系统。
[0026]分散模式下的各个子系统的控制分工
[0027]如图3所示，主控制器中的DSP用于电压外环控制和电流内环控制，主控制器的 FPGA主要用于生成同步信号以及传输调制波至各个子功率模块。各个子功率模块控制器 主要用于:(I)根据主控制器中的FPGA生成的同步信号生成移相载波；(2)均压控制生成 独立调制波；(3)将移相载波与调制波进行比较后生成PWM脉冲；(4)根据PWM脉冲驱动 IGBT ；(5)将采集到的模拟量和状态量上传至主控制器。
[0028]本申请受国家高技术研究发展计划(863计划)课题资助，课题编号: 2012AA050206。
【权利要求】
1.一种链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，该控制系统包括主控制器、同步单 元、光纤收发单元和N个子功率模块控制器，N表示每相功率模块个数，主控制器通过同步 单元和光纤收发单元分别与各个子功率模块控制器相连，所述的主控制器包括算法单元和 逻辑单元，算法单元与逻辑单元并行连接，该控制系统可以采用集中式和分散式控制方案，当该控制系统采用集中式控制方案时，算法单元根据均压算法生成3N路调制波信号 并将其传送给逻辑单元，逻辑单元根据接收到的3N路调制波生成3N路PWM脉冲信号，然后 将生成的3N路PWM脉冲信号通过光纤收发单元分别传送给相应的N个子功率模块控制器， 每个子功率模块控制器接收到3路每相各I路的PWM脉冲信号，每个子功率模块控制器根 据接收到PWM脉冲信号驱动相应的功率模块开通关断；当该控制系统采用分散式控制方案时，算法单元生成3路调制波信号并将其传送给逻 辑单元，逻辑单元将接收到的3路调制波信号通过光纤收发单元分别传送给相应的N个子 功率模块控制器，每个子功率模块控制器接收到3路每相各I路的调制波信号，同时逻辑单 元生成3相同步信号并通过同步单元传送给每个子功率模块控制器，每个子功率模块控制 器根据接收到3路每相各I路的调制波信号和3相同步信号生成各自的PWM脉冲信号，每 个子功率模块控制器根据自身生成的PWM脉冲信号驱动相应的功率模块开通关断。
2.根据权利要求1所述的链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，所述的算法单 元采用DSP芯片作为硬件支持，该算法单元通过其并行接口与主控制系统中的逻辑单元相 连。
3.根据权利要求2所述的链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，所述的逻辑单 元采用FPGA芯片作为硬件支持，用于采集外部模拟量和开入开出量并将其上传至算法单J Li o
4.根据权利要求1所述的链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，所述的控制系 统在米用集中式控制方案时，该控制系统中的冋步单兀被屏蔽。
5.根据权利要求3所述的链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，所述的每个子 功率模块控制器上都连接有直流母线电压采集模块和过温状态采集模块。
6.根据权利要求5所述的链式无功补偿装置的控制系统，其特征在于，所述的载波移相角度的计算公式为其中N为每相的功率子模块数量，i为子功率模块编号，范围从I到N。
【文档编号】H02J3/18GK103595057SQ201310462120
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】姚为正, 张扬, 张海龙, 王林, 冯宇鹏, 芦开平, 刘刚 申请人:许继电气股份有限公司, 西安许继电力电子技术有限公司