一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统及方法与流程

本发明属于供电控制技术领域，具体涉及一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着经济的发展，用电负荷迅速增大，要求发电量也越来越大，中国的负荷中心在东南部，能源中心在西部，负荷和能源的逆向分布决定了中国必须采用特高压远距离输电，传输距离越远，损耗越大，传输线上的电压波动也大，为了避免特高压输电线路末端由于容升效应造成的电压升高，必须采用无功补偿设备去调节电压，因此无功补偿设备是现在和将来的研究和发展方向。

无功补偿设备分多种，svg、svc、电抗器都是常用的无功补偿设备，决定哪种设备被使用取决于成本，功能。在特高压长距离输电线路中，存在两个个特点：电压等级高，电压只会上升。此时成本因素很重要，如果采用svg成本高而且可靠性低，不合适，价格低可靠性高的磁控电抗器适合此应用场合。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统及方法，以解决上述技术问题。

本发明的技术方案是：

一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统，包括无功补偿子系统和相位差检测模块，所述无功补偿子系统分别连接有电流采样模块和电压采样模块，电流采样模块和电压采样模块分别与相位差检测模块连接；相位差检测模块通过检测驱动模块与无功补偿子系统连接。

进一步的，无功补偿子系统包括磁控电抗器、无功功率源电容、电网电源和负载，无功功率源电容和负载并联在磁控电抗器的一侧，磁控电抗器连接到电网电源，磁控电抗器包括主铁芯和四个线圈，所述主铁芯分为两个半铁芯柱，四个线圈分别对称的绕在两个半铁芯柱上，每个半铁芯柱的上下两绕组各有一个抽头，抽头之间分别连接有晶闸管，不同铁芯柱上的上下两个绕组交叉连接后并联到电网电源，交叉点的两端横跨设置有续流二极管；通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，能提高电网的输电能力、调整电网电压和补偿无功功率。

进一步的，相位差检测模块包括第一乘法器、第二乘法器和控制器，电流采集模块分别与第一乘法器和第二乘法器连接，电压采集模块与第二乘法器连接，电压采集模块的输出端还通过移相器与第一乘法器连接，第一乘法器和第二乘法器分别通过低通滤波器与控制器连接，控制器进行反正切运算输出相位差信号分别通过检测驱动模块连接到晶闸管的驱动端；电流采集模块用于采集电网电源输出电流；电压采集模块用于采集电网电源电压；将采集到的电压信号分两路，一路保持不变与采集到的电流信号通过第二乘法器输出通过低通滤波器到控制器；另一路通过移相器进行90度相移后采集到的电流信号通过第一乘法器输出通过低通滤波器到控制器进行反正切运算输出相位差信号输出到检测驱动模块产生相应的触发延迟角的晶闸管触发脉冲，驱动晶闸管触发。

进一步的，低通滤波器还通过过零检测电路与控制器连接；

所述过零检测电路包括过零比较器，低通滤波器的输出端通过串联连接的第七电阻和第八电阻连接到过零比较器的负输入端，过零比较器的负输入端还通过第十电阻连接有正电源，正电源还通过第九电阻连接到过零比较器的正输入端；正电源还通过第十三电阻连接到过零比较器的输出端，过零比较器的输出端连接到控制器；

第七电阻和第八电阻连接点连接有第二二极管的阴极，第二二极管的阳极接地；过零比较器的正输入端通过第十二电阻接地，过零比较器的正输入端还通过第十一电阻连接到过零比较器的输出端，过零比较器的正电源端连接正电源，过零比较器的负电源端连接有负电源。采集到的信号经过低通滤波后输入到过零比较器，将信号转换成方波信号，控制器根据防波信号的频率计算出电网的频率，根据电网频率定时刷新采样模块（电流采集模块和电压采集模块）的采样频率，将过零检测的过零点作为晶闸管触发角的基准值来调整晶闸管的触发角。

进一步的，检测驱动模块包括晶闸管导通检测电路和晶闸管驱动电路，所述晶闸管导通检测电路与晶闸管驱动电路连接。

进一步的，晶闸管导通检测电路包括电压互感器，所述电压互感器的一次侧与晶闸管连接，电压互感器的二次侧通过桥式整流连接有电压比较器的正输入端，电压比较器的输出端连接有光电耦合器的第一引脚，光电耦合器的第二引脚接地；光电耦合器的输出端与晶闸管驱动电路连接；晶闸管的两极连接到电压互感器的一次侧两线端，电压互感器起隔离作用，经桥式整流和滤波电路经电压比较器输出信号到光电耦合器，若电压比较器输出高电平信号，光电耦合器的输出端输出高电平信号到晶闸管驱动电路；若电压比较器输出低电平信号，光电耦合器的输出端输出低电平信号到晶闸管驱动电路。

进一步的，晶闸管驱动电路包括三极管和脉冲变压器，光电耦合器的输出端与三极管的基极连接，三极管的发射极通过第四电阻接地，第四电阻并联在脉冲变压器的一次侧，脉冲变压器的二次侧一端连接到晶闸管的阳极，脉冲变压器的二次侧另一端通过第一二极管连接到晶闸管的驱动端，三极管的集电极通过第五电阻连接到正电源。光电耦合器的输出端输出高电平信号到三极管的基极时，三极管导通，正电源通过第四电阻将电压加到脉冲变压器的一次侧两线端；光电耦合器的输出端输出低电平信号到三极管的基极时，三极管截止，脉冲变压器的一次侧电压为零；提供一个脉冲电压到晶闸管的触发端。

本发明技术方案还提供一种基于磁控电抗器的无功补偿控制方法，包括如下步骤：

采集电路中的电压信号和电流信号；

对采集到的电压信号和电流信号进行处理运算，产生相应的触发脉冲信号，触发晶闸管进行导通角变换，以控制磁控电抗器对电力系统的输入进行无功补偿；

根据计算结果判断电力系统是否需要进行无功补偿，当需要无功补偿时，计算出当前时刻所要输出的无功补偿控制量，无功补偿控制量为移相控制角；

对晶闸管的状态进行检测判断是否符合补偿要求。

进一步的，步骤采集电路中的电压信号和电流信号之前，还包括：

系统状态初始化；

通过过零检测电路确定采样频率。

进一步的，步骤系统状态初始化，包括：系统进行自测，在设定电压下收集采样所得数据测出触发角从0度到180度时的无功容量值的变化，并保存。

电压采样模块和电流采样模块对电网系统的无功功率取样输出到控制器，控制器根据采样信号调节磁控电抗器的晶闸管控制角，改变绕组直流电流大小来控制铁芯饱和，实现电抗值连续可调，实现无功功率快速补偿作用。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：电压采样模块和电流采样模块对电网系统的无功功率取样输出到控制器，控制器根据采样信号调节磁控电抗器的晶闸管控制角，改变绕组直流电流大小来控制铁芯饱和，实现电抗值连续可调，实现无功功率快速补偿作用。增强系统的稳定性，使得磁控电抗器的优良性能得到充分发挥，综合解决电能质量问题，可以更广泛的应用到工程实际中。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统连接示意图；

图2为本发明提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统中相位差检测模块连接框图；

图3为实施例2提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统中过零检测电路连接示意图；

图4为实施例2提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统中检测驱动模块电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1-2所示，本发明实施例1提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统，包括无功补偿子系统1和相位差检测模块4，所述无功补偿子系统1分别连接有电流采样模块2和电压采样模块3，电流采样模块2和电压采样模块3分别与相位差检测模块4连接；相位差检测模块4通过检测驱动模块11与无功补偿子系统1连接。

本实施例中，无功补偿子系统1包括磁控电抗器1.2、无功功率源电容c、电网电源1.1和负载rv，无功功率源电容c和负载rv并联在磁控电抗器1.2的一侧，磁控电抗器1.2连接到电网电源1.1，磁控电抗器1.2包括主铁芯和四个线圈，所述主铁芯分为两个半铁芯柱，四个线圈分别对称的绕在两个半铁芯柱上，每个半铁芯柱的上下两绕组各有一个抽头，抽头之间分别连接有晶闸管，不同铁芯柱上的上下两个绕组交叉连接后并联到电网电源，交叉点的两端横跨设置有续流二极管；通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，能提高电网的输电能力、调整电网电压和补偿无功功率。

进一步的本实施例中，相位差检测模块4包括第一乘法器4.2、第二乘法器4.3和控制器4.6，电流采集模块2分别与第一乘法器4.2和第二乘法器4.3连接，电压采集模块3与第二乘法器4.3连接，电压采集模块3的输出端还通过移相器4.1与第一乘法器4.2连接，第一乘法器4.2和第二乘法器4.3分别通过低通滤波器4.4与控制器4.6连接，控制器4.6进行反正切运算输出相位差信号分别通过检测驱动模块11连接到晶闸管的驱动端；电流采集模块2用于采集电网电源输出电流；电压采集模块3用于采集电网电源电压；将采集到的电压信号分两路，一路保持不变与采集到的电流信号通过第二乘法器4.1输出通过低通滤波器4.4到控制器4.6；另一路通过移相器4.1进行90度相移后和采集到的电流信号通过第一乘法器4.2输出通过低通滤波器4.4到控制器4.6进行反正切运算输出相位差信号输出到检测驱动模块11产生相应的触发延迟角的晶闸管触发脉冲，驱动晶闸管触发。

如图3-4所示，本发明实施例2提供的一种基于磁控电抗器的无功补偿控制系统，包括无功补偿子系统1和相位差检测模块4，所述无功补偿子系统1分别连接有电流采样模块2和电压采样模块3，电流采样模块2和电压采样模块3分别与相位差检测模块4连接；相位差检测模块4通过检测驱动模块11与无功补偿子系统1连接。

本实施例中，无功补偿子系统1包括磁控电抗器1.2、无功功率源电容c、电网电源1.1和负载rv，无功功率源电容c和负载rv并联在磁控电抗器1.2的一侧，磁控电抗器1.2连接到电网电源1.1，磁控电抗器1.2包括主铁芯和四个线圈，所述主铁芯分为两个半铁芯柱，四个线圈分别对称的绕在两个半铁芯柱上，每个半铁芯柱的上下两绕组各有一个抽头，抽头之间分别连接有晶闸管，不同铁芯柱上的上下两个绕组交叉连接后并联到电网电源，交叉点的两端横跨设置有续流二极管；通过改变小截面段磁路的饱和程度来改变电抗器的容量，能提高电网的输电能力、调整电网电压和补偿无功功率。

进一步的本实施例中，相位差检测模块4包括第一乘法器4.2、第二乘法器4.3和控制器4.6，电流采集模块2分别与第一乘法器4.2和第二乘法器4.3连接，电压采集模块3与第二乘法器4.3连接，电压采集模块3的输出端还通过移相器4.1与第一乘法器4.2连接，第一乘法器4.2和第二乘法器4.3分别通过低通滤波器4.4与控制器4.6连接，控制器4.6进行反正切运算输出相位差信号分别通过检测驱动模块11连接到晶闸管的驱动端；电流采集模块2用于采集电网电源输出电流；电压采集模块3用于采集电网电源电压；将采集到的电压信号分两路，一路保持不变与采集到的电流信号通过第二乘法器4.1输出通过低通滤波器4.4到控制器4.6；另一路通过移相器4.1进行90度相移后和采集到的电流信号通过第一乘法器4.2输出通过低通滤波器4.4到控制器4.6进行反正切运算输出相位差信号输出到检测驱动模块11产生相应的触发延迟角的晶闸管触发脉冲，驱动晶闸管触发。

本实施例中，低通滤波器4.4还通过过零检测电路与控制器4.6连接；

所述过零检测电路包括过零比较器u5，低通滤波器4.4的输出端通过串联连接的第七电阻r7和第八电阻r8连接到过零比较器u5的负输入端，过零比较器u5的负输入端还通过第十电阻r10连接有正电源+15v，正电源+15v还通过第九电阻r9连接到过零比较器u5的正输入端；正电源+15v还通过第十三电阻r13连接到过零比较器u5的输出端，过零比较器u5的输出端连接到控制器4.6；

第七电阻r7和第八电阻r8连接点连接有第二二极管d2的阴极，第二二极管d2的阳极接地；过零比较器u5的正输入端通过第十二电阻r12接地，过零比较器u5的正输入端还通过第十一电阻r11连接到过零比较器u5的输出端，过零比较器u5的正电源端连接正电源+15v，过零比较器u5的负电源端连接有负电源-15v。采集到的信号经过低通滤波后输入到过零比较器u5，将信号转换成方波信号，控制器4.6根据防波信号的频率计算出电网的频率，根据电网频率定时刷新采样模块（电流采集模块2和电压采集模块3）的采样频率，将过零检测的过零点作为晶闸管触发角的基准值来调整晶闸管的触发角。

本实施例中，检测驱动模块11包括晶闸管导通检测电路和晶闸管驱动电路，所述晶闸管导通检测电路与晶闸管驱动电路连接。

本实施例中，晶闸管导通检测电路包括电压互感器pt1，所述电压互感器pt1的一次侧与晶闸管t1连接，电压互感器pt1的二次侧通过桥式整流连接有电压比较器u2的正输入端，电压比较器u2的输出端连接有光电耦合器u1，光电耦合器u1的输出端与晶闸管驱动电路连接；晶闸管t1的两极连接到电压互感器pt1的一次侧两线端，电压互感器pt1起隔离作用，经桥式整流和滤波电路经电压比较器u2输出信号到光电耦合器u1，若电压比较器u2输出高电平信号，光电耦合器u1的输出端输出高电平信号到晶闸管驱动电路；若电压比较器u2输出低电平信号，光电耦合器u1的输出端输出低电平信号到晶闸管驱动电路。

晶闸管驱动电路包括三极管q1和脉冲变压器u3，光电耦合器u1的输出端与三极管q1的基极连接，三极管q1的发射极通过第四电阻r4接地，第四电阻r4并联在脉冲变压器u3的一次侧，脉冲变压器u3的二次侧一端连接到晶闸管t1的阳极，脉冲变压器u3的二次侧另一端通过第一二极管d1连接到晶闸管t1的驱动端，三极管q1的集电极通过第五电阻r5连接到正电源+15v。光电耦合器u1的输出端输出高电平信号到三极管q1的基极时，三极管q1导通，正电源+15v通过第四电阻r4将电压加到脉冲变压器u3的一次侧两线端；光电耦合器u1的输出端输出低电平信号到三极管q1的基极时，三极管q1截止，脉冲变压器u3的一次侧电压为零；提供一个脉冲电压到晶闸管t1的触发端。

本发明实施例还提供一种基于磁控电抗器的无功补偿控制方法，包括如下步骤：

采集电路中的电压信号和电流信号；

对采集到的电压信号和电流信号进行处理运算，产生相应的触发脉冲信号，触发晶闸管进行导通角变换，以控制磁控电抗器对电力系统的输入进行无功补偿；

根据计算结果判断电力系统是否需要进行无功补偿，当需要无功补偿时，计算出当前时刻所要输出的无功补偿控制量，无功补偿控制量为移相控制角；

对晶闸管的状态进行检测判断是否符合补偿要求。

步骤采集电路中的电压信号和电流信号之前，还包括：

系统状态初始化；

通过过零检测电路确定采样频率。采集到的信号经过低通滤波后输入到过零比较器，将信号转换成方波信号，控制器根据防波信号的频率计算出电网的频率，根据电网频率定时刷新采样模块（电流采集模块和电压采集模块）的采样频率，将过零检测的过零点作为晶闸管触发角的基准值来调整晶闸管的触发角。

步骤系统状态初始化，包括：系统进行自测，在设定电压下收集采样所得数据测出触发角从0度到180度时的无功容量值的变化，并保存。

电压采样模块和电流采样模块对电网系统的无功功率取样输出到控制器，控制器根据采样信号调节磁控电抗器的晶闸管控制角，改变绕组直流电流大小来控制铁芯饱和，实现电抗值连续可调，实现无功功率快速补偿作用。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。