一种高压动态无功补偿用一体化控制装置的制作方法

本发明涉及交流输电领域，具体地说是一种高压动态无功补偿用一体化控制装置。

背景技术：

近年来，随着科技的不断进步，在工业中电力电子设备的应用逐渐增多，电力电子装置在为人们带来巨大的利益的同时，也导致了电网中日益严重的污染，随着柔性交流输电技术(flexibleactransmissionsystem简称facts)的不断发展，动态无功补偿装置(staticvargenerator简称svg)应允而生，高压svg通过注入电流大小相等、方向相反的电流，来实现无功补偿和谐波抑制，是facts的重要装置。

行业内高压svg大多采用串联链式结构，串联链式结构直接在每相都串联若干个h桥结构的igbt功率单元，使每相都可以承受电网电压，只是根据目标电网电压的不同决定功率单元的数量。通常，针对于10kv系统，采用星型的连接方式，功率单元要达到30个，由于功率单元数量众多，功率单元的供电问题、功率单元和主控单元的通讯问题越来越引起人们重视，如何设计一种集成化的装置，能够将上述供电、数据传输和功率单元控制集成到同一个柜体里，实现非常容易的进行svg自身的集成，目前，在一些高校和科研单位相关人员一直在进行研究。

功率单元是svg设备的组成单元，由于功率单元普遍要求体积小成本低，在功率单元的设计中涉及到高电压，就要充分考虑控制电路、电源部分、通讯隔离电路的空间布局，导致功率单元的体积减小受限，在专利“cn102158336.a用于电力电子系统的多通道隔离高速智能收发装置及方法”中提出了一种多通道隔离通讯的方法，由于涉及到多路的模拟量和数字量的传输，采用了fpga模块，结构和设计过于复杂，且不能从实质上做到减小体积和降低成本的目的，可作为研究的一个方向；高压svg功率单元模块工作需要供电，目前通常的做法是通过高压绝缘的工频的变压器，由于工频的变压器体积庞大、价格昂贵，因此导致功率模块的体积和成本普遍偏高，与此同时，一些科研人员也在研究如何用高频的磁变压器替代价格和体积昂贵的工频变压器，专利“cn101662214a高压隔离开关电源及多个输出隔离的开关电源系统”，提出了一种磁隔离的多路输出开关电源，为分布式的电力电子设备提供了方便；专利“cn102291010a串联母线型多路直流输出高压高频隔离电源”，在磁隔离的多路输出开关电源的基础上优化了电源的原副边设计，使电源的可用性更加提高，但是在使用的过程中还是有一些问题没能解决：

1.由于专利“cn102291010a串联母线型多路直流输出高压高频隔离电源”,电源的副边设计没有反馈电压给原边，是一个开环的系统，因此，该多路输出高频隔离电源的带载能力差。

2.由于专利“cn201010297872.0一种开关电源磁隔离反馈电路”，提出的一种基于磁隔离的反馈方法，在试验的过程中发现，由于磁环变压器缠绕方式和匝数等与通常的高频变压器设计不同，变压器特性不同，并且磁环变压器反馈绕组的负载和实际功率模块的负载很难做到一样，基于上述原因，反馈控制的效果不好。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种高压动态无功补偿用一体化控制装置，能够做到将功率单元控制模块实际的电源电压反馈到原边，实现负反馈闭环控制。并且将功率单元控制电路、电源部分、通讯隔离电路集成到一个柜体内，从整体上减小了svg空间占用，降低了svg生产的成本，由于集成到一起，调试和检修比较方便。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种高压动态无功补偿用一体化控制装置，包括主控制部分、高压隔离部分和功率单元控制部分依次相连，且置入同一柜体中；

所述主控制部分包括高压隔离电源原侧和主控制模块；其中，

高压隔离电源原侧包括整流滤波器和电压变换电路，将交流电压接入整流滤波器，将整流后的直流电压输入到电压变换电路进行斩波变换和高频逆变，输出高频交流电压到所述高压隔离部分的隔离变压器；

主控制模块包括采集模块连接主控cpu，采集i/o信号发送到主控cpu；主控cpu依次连接cpld和第一通讯模块，第一通讯模块接收和发送光纤的传输信号，通过cpld转换并转发给主控cpu进行处理；主控cpu还连接电源反馈控制模块，向电源反馈控制模块发送反馈控制信号，电源反馈控制模块连接高压隔离电源原侧的电压变换电路，将反馈控制信号转换成驱动信号后驱动电压变换电路，将直流电转换成高频交流电压；

所述高压隔离部分包括隔离变压器和光纤，其中隔离变压器包括原侧线圈和副侧线圈；原侧线圈将高频交流电压通过磁变换耦合到副侧线圈；

所述功率单元控制部分包括若干功率单元控制模块，每个功率单元控制模块包括电源副侧整流稳压模块、采集控制模块和第二通讯模块，电源副侧整流稳压模块连接采集控制模块，采集控制模块采集电源副侧整流稳压模块的输出电压作为电源反馈信号；采集控制模块连接功率单元，采集功率单元的电流信号和电压信号，同时发送控制信号到对应功率单元；采集控制模块通过第二通讯模块连接光纤，将采集的电源反馈信号和功率单元的电流信号、电压信号通过光纤反馈到主控制部分，同时接受主控制部分的控制信号

所述电压变换电路包括斩波变换器和高频逆变器，其中斩波变换器作为第一级电压控制，用于匹配不同的输入电压；高频逆变器作为第二级电压控制，用于输出高频交流电压和稳压控制；斩波变换器和高频逆变器通过电压反馈共同调节输出电压。

所述电源反馈控制模块包括斩波变换器的开关管驱动电路和高频逆变器的开关管驱动电路。

所述隔离变压器原侧线圈与高频交流电压的输出端的连接方式为串联连接和/或并联连接。

所述第一通讯模块和第二通讯模块采用hfbr-1528/2528光纤收发器。

所述高压隔离部分中副侧线圈和光纤的个数与功率单元控制模块的个数相同。

对所述隔离变压器进行绝缘处理。

所述绝缘处理包括通过加大间距进行绝缘和/或将隔离变压器外围通过绝缘树脂包裹。

每个功率单元控制模块对应采集两个功率单元的控制信号输出和i/o信号采集。

所述主控cpu只选择3路功率单元控制模块的反馈信号进行电源反馈控制。

所述电源副侧整流稳压模块包括二极管整流器和电容器连接。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明的主控部分、高压隔离部分和功率单元控制部分放置到一个柜体中，从整体上减小了svg空间占用，降低了svg自身集成和维修的难度，增加了svg系统装置的可靠性，具有实时性好、隔离能力强、可靠性高和便于批量生产的特点；

2、本发明的多路电源，由于应用高压隔离变压器的多输出，采用高频的电力电子磁绝缘和能量传输技术，降低了变压器的体积和成本，从整体上降低了整个svg的成本和体积；

3、本发明的多路隔离数据传输，解决了专利“cn102158336.a用于电力电子系统的多通道隔离高速智能收发装置及方法”结构和设计复杂的问题，应用hfbr-1528/2528光纤收发器和通用的控制器，很容易实现数据的隔离传输，设计简单传输可靠；

4.本发明通过光纤通讯的方式实现多路电源的电压负反馈控制，通过斩波变换器和高频逆变器的两级控制，解决了专利“cn102291010a串联母线型多路直流输出高压高频隔离电源”的带载能力差和专利“cn201010297872.0一种开关电源磁隔离反馈电路”电源反馈效果差的问题，具有电压稳定，绝缘性能好，电压控制效果好的特点；

5.本发明布局的特点是将高压与低压有效分开，方便绝缘的设计，特别是对于高频变压器的隔离，可以通过加大间距或通过浸满绝缘树脂的方式增加绝缘强度，该结构非常容易解决高压svg装置的绝缘问题；

6.本发明原侧线圈与高频交流电压的输出端的连接方式为串联连接和/或并联连接，设计灵活，便于多路输出电源的扩展；

7.本发明采用一个主控部分对应多个功率单元控制模块的方式，若增加功率单元和功率单元控制模块，只要接入变压器和光纤，在软件上做适当的设置即可，方便功率单元的扩展，模块的维护和更换也比较方便。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明的硬件组成图；

图3是本发明多路输出电源结构及工作原理图；

图4是本发明柜体布置图；

图5是本发明的功率单元控制模块与功率单元的连接示意图；

图6是本发明的主控单元工作流程图；

图7是本发明的功率单元控制模块工作流程图；

其中1为主控制部分、2为高压隔离部分、3为功率单元控制部分。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的总体结构图，该结构具体如下：

该高压svg(动态无功补偿)用从结构上分为：主控制部分、高压隔离部分和功率单元控制部分。该装置的主要特点是将高压svg的主控制模块、电源模块、数据传输模块和功率单元控制模块集成到同一个柜体，方便高压svg的整体设计和集成。

主控制部分主要实现电源原侧的逆变和反馈控制、通讯和信号采集，以及整个svg系统的控制算法实现等，是整个svg的主要的核心部分。

高压隔离部分主要实现高电压情况下，主控制端与串联链式的功率单元间的通讯，以及功率单元部分通过高压隔离取得工作的电源。

功率单元控制部分是针对串联链式的功率单元执行主控制模块的控制策略，包括高压隔离电源副侧的稳压控制、链式的功率单元输出的控制，以及信号采样和通讯等。

如图2所示是本发明的硬件组成图。

主控制部分分为控制部分和电源部分，电源部分主要实现大电流的电磁转换；控制部分为整个svg的控制核心，多为数字信号，因此，在硬件的布局中，除了必要的信号的传递外，在电路板结构设计上控制部分和电源部分尽可能的分开。

高压隔离电源原侧，市电220v交流电整流滤波成直流电，在主控单元的控制下，利用斩波器和逆变器变化成高频交流电，通过磁环变压器建立磁场，实现能量的多路转换。

控制部分除主要实现信号采集和svg的控制策略外，主要关键的功能还包括通讯功能和电源的反馈控制功能。通讯模块实现主控单元和功率单元控制模块间的信号传输，主要包括功率单元的模拟量、电源的反馈电压数值和下达给功率单元的控制信号。电源的反馈控制是在光纤通讯的基础上，主控cpu得到功率单元电压值，并通过闭环的控制控制电源的斩波和逆变器，从而保证功率模块单元电压的稳定。

高压隔离部分包括电源的高频磁变换及隔离和光纤数据的传输及隔离。高压隔离的高频磁变压器绝缘，可以通过加大间距或通过浸满绝缘树脂的方式增加绝缘强度，加大间距的绝缘方式对于装置的维护和器件损坏维修较为方便。

功率单元控制模块接收主控制模块的命令，对链式的功率单元功率器件的进行驱动，满足功率单元输出无功电流的要求，结构上包括高压隔离电源副侧的稳压控制、以及信号采样和通讯等。

如图3所示是本发明多路输出电源结构及工作原理图。在高压隔离电源原侧，市电220v交流电整流成直流电，在主控模块的控制下，利用斩波电路和逆变电路变化成高频交流电，通过磁环变压器建立磁场，实现能量的多路转换；斩波电路和逆变电路共同实现调节输出电压的稳定，斩波电路侧重不同输入电压和负载的匹配，作为第一级的稳压，调节幅度较大，逆变电路通过负反馈控制实现第二级的稳压，稳压精度较高。

高压隔离电源的高频磁场副侧，交流电整流成直流电，通过功率单元采样和光纤的隔离传输，把电压反馈信号送入到主控制部分，实现闭环稳压控制。考虑到控制的复杂性和可靠性的要求，主控制单元对多路高压隔离电源的稳压控制，只选择3路功率单元的电压作为采样电压，在主控部分对上述电压进行均值处理，来实现电源负反馈闭环控制。

主控制模块对电源的反馈控制包括：通过反馈的功率控制模块电压来控制斩波器和逆变器开关管的工作，通过控制斩波器的开关管来调节直流母线电压的幅值，通过调节逆变器的开关管导通频率和时间，形成闭环控制，从而来调节输出电压的稳定。

如图4所示是本发明的柜体布置图，所述的主控制部分、高压隔离部分和功率单元控制部分，按照高压电隔离及安全间距的要求配置在同一柜体内，采用柜体正面主控制部分1，中间高压隔离部分2，背面功率单元控制部分3，按照此结构进行布局。该布局的特点是将高压侧电路与低压侧电路有效分开，方便绝缘的设计，特别是对于高频变压器的隔离，可以通过加大间距或通过浸满绝缘树脂的方式增加绝缘强度，上述两种方法在本设计中很容易实现。

如图5所示是本发明的功率单元控制模块与功率单元的连接示意图，高压svg两组功率单元共用一组功率单元控制模块，高压svg按照星型的连接方式，同一相的相邻两个功率单元可以共用一组功率单元控制模块，以10kv为例，每一相串联10个功率单元，需要5个功率单元控制模块，3相一共是15个功率单元控制模块。

图6是本发明的主控单元工作流程图，流程具体如下：

装置上电，主控cpu进行内部自检，自检主要包括存储器的自检、cpu内部配置的自检，以及上电的一些敏感信息的自检等，自检完成后主控制器会判断自检是否成功，如果自检不成功，会进入报警程序，通过显示界面将故障信息提示给操作人员。

当程序判断自检成功后，程序会判断接收功率单元控制模块的信息，并进行解析，按要求将上述信息存储在相应的内存空间中，控制器根据反馈电压和闭环控制算法，生成pwm控制信号来控制斩波电路和逆变电路的功率管，实现对副侧电压的稳压控制。

程序会判断反馈控制是否完成，如果没有成功执行完成，会重新进行闭环控制，当程序成功执行完成时，程序会执行主控制端的模拟量和数字量的采集程序，并根据相应的显示程序将设备的状态显示在显示终端上，下一步程序会根据svg的控制策略算法，计算功率单元功率器件的开关状态，并生成控制信号编码后发送给cpld，cpld根据按照编码的顺序通过光纤的发送电路将数据发送给功率单元控制模块，当程序判断成功发送完成时，进行下一周期的运行，否则会重新进行信号的发送。

图7是本发明的功率单元控制模块工作流程图，流程具体如下：

装置上电，功率单元控制模块进行内部自检，自检主要包括存储器的自检、cpu内部配置的自检，以及上电的一些敏感信息的自检等，自检完成后模块判断自检是否成功，如果自检不成功，会进入报警程序，通过显示界面将故障信息提示给操作人员。

当程序判断自检成功后，程序会接收主控单元的控制信号，完成后控制器会采集功率单元控制模块电压和其他的数据信号，控制器会对上述采集信息编码，并通过光纤收发电路将数据传输给主控制模块，当程序判断发送不成功时，会重新进入光纤发送程序进行数据的发送；当程序判断数据发送完成，控制器执行控制信号的输出程序，将控制信号解码，并将控制信号传输给控制信号处理模块，发送的过程中程序会判断是否发送完成，如果没发送完成会继续发送，如果判断发送完成，程序会进入下一周期的程序运行。