基于晶闸管的静止同步补偿器制造技术

本实用新型专利技术属电力系统无功补偿技术领域，其特征在于：用晶闸管代替普通静止同步补偿器电压逆变桥中的开关管，用一个基于ＤＳＰ的闭环控制器检测系统电压、电流信号，根据无功功率控制目标计算所需触发角度，用一个基于ＦＰＧＡ的开环控制器对电网电压进行精确同步和定时，以产生触发脉冲。本实用新型专利技术在其工作范围内具有响应速度快，电流谐波小，晶闸管比开关管价格低且易于实现的优点。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

采用晶闸管的静止同步补偿器STATCOM用于电力系统无功补偿
技术介绍
随着电网技术的不断发展，大区域电网互联已经成为现代电力系统主要发展趋势之一。大区域互联电力系统带来了明显的经济效益，但是也面临着若干技术问题首先，互连大系统中的输电线路，特别是长距离线路，其输送容量需要进一步提高，以节约修建额外长距离输电线路的巨大成本；其次，互联大系统中功率分布，特别是无功功率的走向和分配更加难以控制，亟需能够快速平滑地调节潮流分布的手段；再次，互联大系统系统阻尼大大减弱，易出现低频震荡，需要增强系统阻尼的设备；最后，各种新型的冲市性负荷不断采用，使低压配电网电能质量变差，并有可能对整个系统运行产生不利影响，需要改进电能质量的控制设备。柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems)技术的出现为解决上述问题提供了有力的手段。它应用现代的控制技术和电力电子技术，实现对交流输电系统灵活快速的控制，实现输送功率合理分配，提高稳定性和可靠性。以及在配电系统中快速地向冲击性负荷，如电弧炉等，提供在动态过程中所需的无功；从而抑制其引起的电压波动和闪变；提高冲击负载设备及其临近电气设备的运行安全性。作为一种重要的FACTS设备，静止无功补偿器已经在世界范围内得到了广泛应用。晶闸管控制的静止无功补偿装置SVC作为一种成熟的无功补偿技术是目前得到最为广泛应用的补偿装置。但由于SVC采用相控原理通过改变流经电抗器的电流来实现无功补偿，产生大量的谐波，无源器件占地面积大，同时电容的引入也带来潜在的诱发谐波放大的危险。和SVC相比，近年来推出的基于电压源逆变器的静态同步补偿器STATCOM具有工作范围大，控制稳定性高，响应速度快，电流谐波小，同容量下装置尺寸小等等显著优点，得到越来越广泛的重视。常规的STATCOM装置的电压型逆变器多采用可关断器件，如IGCT和IGBT实现，在大容量STATCOM装置中，可关断电力器件及其触发、保护环节占去了装置总成本的很大一部分。同时，我国大容量可关断器件不能国产，给STATCOM的国产化带来了很大困难。如果能用晶闸管替代STATCOM中的可关断器件实现STATCOM的功能，制成基于晶闸管的STATCOM，就能够把STATCOM装置的优点与晶闸管器件成本低、容量大的优势结合起来。同时，由于国内具备生产大容量晶闸管的能力，并且在高压大功率晶闸管的应用上也积累了大量的经验，所以基于晶闸管的STATCOM在降低成本和实现国产化方面将具有显著的优点。
技术实现思路
本技术的目的在于，提供一种用于电力系统无功补偿的采用晶闸管实现的静止同步补偿器。本技术的特征在于装置主电路包括由晶闸管、二极管和直流电容器构成的电压型逆变器，和变压器，装置数字控制器包括负责晶闸管触发的开环控制器和负责触发角度计算的闭环控制器。装置工作原理为开环控制器检测电网电压并产生同步信号，结合设定触发角度产生晶闸管触发信号，通过触发电路开通晶闸管，使得晶闸管和二极管构成的逆变器输出交流电压领先于系统电压，使装置吸收感性无功。在此基础上，闭环控制器可以检测电网电压电流信号，与开环控制器通信并控制其触发角度，构成闭环控制。由于晶闸管不可关断，采用晶闸管的STATCOM不能工作在逆变器输出电压滞后于系统电压、发出感性无功的范围，这是该装置与传统STATCOM的区别，但是在领先于系统电压且吸收感性无功的工作范围内，装置的工作特性与STATCOM完全相同，可以用同样的理论公式进行分析。采用晶闸管的STATCOM在其工作范围内具有普通STATCOM的优点，包括响应速度快，电流谐波小等，同时，由于相同容量的晶闸管器件价格大大低于可关断器件，晶闸管触发电路的技术难度和成本也低于可关断器件的触发电路，使得晶闸管STATCOM具有成本较低，实现简单的特点。本技术的特征在于它是12脉的静止同步补偿器，整个装置包括电压型逆变器、变压器、基于DSP的闭环控制器和基于FPGA的开环控制器，其中，电压型逆变器，由晶闸管、反并联于各晶闸管的二极管以及直流侧电容器构成；变压器是一种Y/Y/D三相三绕组变压器，副边D绕组滞后于Y绕组30度角，所述变压器副边与所述电压型逆变器的交流侧相连；基于DSP的闭环控制器采用芯片TMS320F2812，该闭环控制器的A/D输入端从电网信号调理电路获得输入信号，该闭环控制器检测三相电压、电流信号，计算触发角度，并将结果发给所述基于FPGA的开环控制器，其中所述的电网信号调理电路由输入信号为电流、电压传感器获得的三相电网信号的电压电流检测电路、放大电路、低通滤波电路和直流偏置电路依次串接而成，该电网信号调理电路输出端与DSP闭环控制器的A/D转换输入端相连；所述基于DSP的闭环控制器的触发角度信号经由一个总线接口输出；基于FPGA的开环控制器，依次由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路以及晶闸管门极触发电路串接构成，该基于FPGA的开环控制器向所连接的电压型逆变器各晶闸管门极提供对电网电压进行精确同步和移相定时触发的触发脉冲，其中电网电压同步电路，由运算放大电路，过零比较电路以及逻辑电平转换电路依次串接构成，所属运算放大电路，所述电网电压同步电路的输入信号是经电压互感器获得的电网三相电压信号，输出信号是与电网电压同步，且与FPGA输入逻辑电平相符合的三相电压同步逻辑信号；FPGA触发脉冲发生电路采用芯片XC3S200，其电压同步信号输入端与所述电网电压同步电路的输出端相连，总线接口与所述DSP闭环控制器总线接口相连，用于从闭环控制器接收触发角度信息，该FPGA触发脉冲发生电路的输出是各晶闸管的触发信号；晶闸管门极触发电路，由达林顿三极管、脉冲变压器和阻容器件构成，三极管的输入信号来自所述FPGA触发脉冲发生电路的输出端，该门极触发电路将FPGA脉冲发生电路产生的触发信号放大为具有驱动能力的触发脉冲，输出到所述电压逆变桥中各个晶闸管的门极。计算机仿真和实验装置物理实验均表明，当晶闸管STATCOM触发角领先于系统电压时，装置吸收感性无功。增加触发角度，装置相电流增大，吸收无功增加，且吸收无功随触发角度调节连续可调，电流谐波较小。实验与仿真相吻合，从而验证了晶闸管STATCOM的可行性，说明采用上述方法能够实现晶闸管STATCOM，该装置吸收感性无功连续可调，谐波含量小，达到了预期目的。本技术在其工作范围内具有响应速度快，电流谐波小，晶闸管比开关管价格低且易于实现的优点。附图说明图1 6脉波STATCOM仿真电路图2 6脉波STATCOM触发角为+1.8°的A相电压电流波形图3 6脉波STATCOM触发角为-1.8°度的A相电压电流波形图4 6脉晶闸管STATCOM仿真电路图5 6脉晶闸管STATCOM触发角为+1.8°度时的A相电压电流波形图6 12脉晶闸管STATCOM样机系统结构图图7 DSP闭环控制器结构图图8 FPGA开环控制器结构图图9 开环控制器电网电压同步电路原理图(单相) 图10 开环控制器FPGA芯片接线原理图图11 开环控制器晶闸管门极触发电路(单个晶闸管)图12 闭环控制器电压信号检测电路原理图(单相)图13 闭环控制器电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，含有电压型逆变器、变压器、基于ＤＳＰ的闭环控制器和基于ＦＰＧＡ的开环控制器，其中，电压型逆变器，由晶闸管、反并联于各晶闸管的二极管以及直流侧电容器构成；变压器是一种Ｙ／Ｙ／Ｄ三相三绕组变压器，副边Ｄ绕组滞后于Ｙ绕组３０度角，所述变压器副边与所述电压型逆变器的交流侧相连；基于ＤＳＰ的闭环控制器采用芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，该闭环控制器的Ａ／Ｄ输入端从电网信号调理电路获得输入信号，该闭环控制器检测三相电压、电流信号，计算触发角度，并将结果发给所述基于ＦＰＧＡ的开环控制器，其中所述的电网信号调理电路由输入信号为来自于电流、电压传感器获得的三相电网信号的电压电流检测电路、放大电路、低通滤波电路和直流偏置电路依次串接而成，该电网信号调理电路输出端与ＤＳＰ闭环控制器的Ａ／Ｄ转换输入端相连；所述基于ＤＳＰ的闭环控制器的触发角度信号经由一个１６位总线接口输出；基于ＦＰＧＡ的开环控制器，依次由电网电压同步电路、ＦＰＧＡ触发脉冲发生电路以及晶闸管门极触发电路串接构成，该基于ＦＰＧＡ的开环控制器向所连接的电压型逆变器各晶闸管门极提供对电网电压进行精确同步和移相的触发脉冲，其中：电网电压同步电路，由运算放大电路，过零比较电路以及逻辑电平转换电路依次串接构成，所属运算放大电路，所述电网电压同步电路的输入信号是经电压互感器获得的电网三相电压信号，输出信号是与电网电压同步，且与ＦＰＧＡ输入逻辑电平相符合的三相电压同步逻辑信号；ＦＰＧＡ触发脉冲发生电路采用芯片ＸＣ３Ｓ２００，其电压同步信号输入端与所述电网电压同步电路的输出端相连，总线接口与所述ＤＳＰ闭环控制器总线接口相连，用于从闭环控制器接收触发角度信息，该ＦＰＧＡ触发脉冲发生电路的输出是各晶闸管的触发信号；晶闸管门极触发电路，由达林顿三极管、脉冲变压器和阻容器件构成，三极管的输入信号来自所述ＦＰＧＡ触发脉冲发生电路的输出端，该门极触发电路将ＦＰＧＡ脉冲发生电路产生的触发信号放大为具有驱动能力的触发脉冲，输出到所述电压逆变桥中各个晶闸管的门极。...

【技术特征摘要】
1.基于晶闸管的静止同步补偿器，其特征在于，含有电压型逆变器、变压器、基于DSP的闭环控制器和基于FPGA的开环控制器，其中，电压型逆变器，由晶闸管、反并联于各晶闸管的二极管以及直流侧电容器构成；变压器是一种Y/Y/D三相三绕组变压器，副边D绕组滞后于Y绕组30度角，所述变压器副边与所述电压型逆变器的交流侧相连；基于DSP的闭环控制器采用芯片TMS320F2812，该闭环控制器的A/D输入端从电网信号调理电路获得输入信号，该闭环控制器检测三相电压、电流信号，计算触发角度，并将结果发给所述基于FPGA的开环控制器，其中所述的电网信号调理电路由输入信号为来自于电流、电压传感器获得的三相电网信号的电压电流检测电路、放大电路、低通滤波电路和直流偏置电路依次串接而成，该电网信号调理电路输出端与DSP闭环控制器的A/D转换输入端相连；所述基于DSP的闭环控制器的触发角度信号经由一个16位总线接口输出；基于FPGA的开环控制器，依次由电网电压同步电路、FPGA触发脉冲发生电路以及晶闸管门极触发电路串接构成，该基于FPG...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建业，宋珊，王赞基，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]