本實用新型涉及無功補償控制技術領域，尤其涉及一種低壓有源無功補償裝置。

背景技術：

SVG，又稱為靜止同步補償器。其基本原理是利用可關斷大功率電力電子器件組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，適當地調節橋式電路交流側輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流，就可以使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現集動態補償感性無功功率和容性無功功率于一身，具有能夠動態補償大范圍快速變化的瞬時無功功率的特點，能快速平滑地補償感性無功和容性無功，保持電壓穩定。

此外，傳統的機械投切電容器在動作執行機構上存在缺點，其接觸器不能長期穩定工作，就連現有的晶閘管投切電容器裝置補償也是采用投切電容器組，補償呈現階梯狀，無法實現線性調節。SVG克服了這些缺陷，具有可靠高、使用壽命長、可線性調節的突出優點，并可將動態響應時間由原有的20mS提高到了4mS以內，遠遠優于我國電力行業標準中“無功負荷快速變化時響應時間小于100mS”的規定。

總之，SVG是應無功補償快速、準確和減少諧波的要求，采用變流器結構和新型電力電子器件、智能控制芯片實現的高性能無功補償系統。

但是現有技術的SVG通常都用在高壓環境中，低壓環境下通常還是采用并聯電容的方法來進行補償，而石油化工、電力系統、冶金鋼鐵、電氣化鐵路、城市建設等行業中，無功補償裝置為各種異步電動機、變壓器、晶閘管變流器、變頻器、感應爐、照明設備、電弧爐、電力機車、提升機、沖壓機、吊車、電梯、風力發電機、電梯、電焊機、電阻爐 、石英熔煉爐等設備均需要低壓的無功補償，這就需要設計一種高質量、高可靠性的無功補償及濾波的解決方案來滿足這個需求。

技術實現要素：

針對現有技術的不足之處本實用新型提供一種低壓有源無功補償裝置，本實用新型采用IGBT作為開關元件，將自換相橋式電路通過電抗器并聯在電網上，適當的調節橋式電路交流側輸出電壓的相位和幅值，使該電路吸收或者發出滿足要求的無功電流，實現動態無功功率補償。該裝置調節速度快，運行范圍寬，采用合適的開關頻率可大大減少補償電流中的諧波含量，能有效改善用電負荷的功率因數，具有顯著的節能效果。

本實用新型的技術方案是提供一種低壓有源無功補償裝置，包括控制系統、主控制回路以及系統主電路，所述的主控制回路包括直流電壓保持器、電壓源逆變器以及耦合變壓器，所述的電壓源逆變器包括至少三個由IGBT組成的橋臂，所述的橋臂的上端連接形成正極直流母線，所述的橋臂的下端連接形成負極直流母線，所述的直流電壓保持器的兩端與所述正極直流母線以及所述負極直流母線連接，每個橋臂的輸出端均與所述耦合變壓器的輸入端連接，所述耦合變壓器的輸出端連接至系統電壓；

所述的控制系統包括包括控制器、保護器、算法器，AD轉換器、調理電路、采樣電路、PWM輸出器；所述的控制器與所述的算法器、所述的保護器、所述的PWM輸出器連接，所述的采樣電路的相同的采樣信息的輸出端通過所述的調理電路與所述的AD轉換器以及所述的保護器分別連接，所述的算法器與所述的保護器連接，所述的PWM輸出器與所述橋臂中每個IGBT的門級連接。

作為本實用新型的優選，所述的電壓源逆變器包括四個由IGBT組成的橋臂，所述的橋臂的輸出端分別與所述耦合變壓器的A、B、C、N四個輸入端連接，所述耦合變壓器的A、B、C三相輸出端與負載連接，所述負載的n端與所述耦合變壓器的N端連接。

作為本實用新型的優選，所述的直流電壓保持器包括用于提供電壓支撐的電壓支撐電容，所述電壓支撐電容連接在所述正極直流母線與所述負極直流母線之間。

作為本實用新型的優選，所述負載為中點形成變壓器。

作為本實用新型的優選，所述的控制系統還包括上位機，所述上位機包括控制模塊、輸入輸出模塊及液晶模塊，所述控制模塊通過所述的輸入輸出模塊與所述保護器連接。

作為本實用新型的優選，所述的控制系統還包括外輔助模塊，所述的外輔助模塊包括繼電器、操作鍵以及指示燈，所述繼電器、所述操作鍵以及所述指示燈均與所述控制器連接，所述控制器與所述所述繼電器、所述操作鍵以及所述指示燈之間通過干節點信號通信。

作為本實用新型的優選，所述的保護器與所述的算法器通過串口雙向傳輸方式連接。

作為本實用新型的優選，所述的算法器與所述的控制器通過串口由所述算法器向所述控制器單向輸送信號方式進行連接，所述的算法器與所述的控制器輸送信號包括運行故障電平、PWM駛舵電平以及PWM電平。

作為本實用新型的優選，所述的保護器與所述控制器通過串口雙向傳輸方式連接，所述保護器與所述控制器之間的輸送信號包括運行故障輸入電平、外部干接點輸出電平以及外部干接點輸入電平。

作為本實用新型的優選，所述的調理電路包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器。

本實用新型具有以下有益效果：

本實用新型具有調節速度快，運行范圍寬，采用合適的開關頻率可大大減少補償電流中的諧波含量，能有效改善用電負荷的功率因數，具有顯著的節能的優點。

附圖說明

圖1為本實用新型的主控制回路結構示意圖；

圖2為本實用新型的控制系統框圖；

圖中，1-控制器；2-保護器；3-算法器；4-AD轉換器；5-調理電路；6-采樣電路；7-PWM輸出器；8-上位機；9-外輔助模塊；10-直流電壓保持器；11-電壓源逆變器；12-耦合變壓器；13-負載；101-電壓支撐電容；111-橋臂；112-正極直流母線；113-負極直流母線。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。

本實用新型實施例包括控制系統、主控制回路。

如圖1所示，本實用新型實施例的主控制回路包括直流電壓保持器10、電壓源逆變器11以及耦合變壓器12，電壓源逆變器11包括至少三個由IGBT組成的橋臂111，橋臂111的上端連接形成正極直流母線112，橋臂111的下端連接形成負極直流母線113，直流電壓保持器10的兩端與正極直流母線112以及負極直流母線113連接，每個橋臂111的輸出端均與耦合變壓器12的輸入端連接，耦合變壓器12的輸出端連接至系統電壓；

電壓源逆變器11包括四個由IGBT組成的橋臂111，橋臂111的輸出端分別與耦合變壓器12的A、B、C、N四個輸入端連接，耦合變壓器12的A、B、C三相輸出端與負載13連接，負載13的n端與耦合變壓器12的N端連接。負載13可以為中點形成變壓器。

直流電壓保持器10包括用于提供電壓支撐的電壓支撐電容101，電壓支撐電容連接在正極直流母線112與負極直流母線113之間。

對于本實用新型的結構，由于負序負載電流，在電壓支撐電容上的是2倍頻的脈動功率，因此該結構相比于③的三橋臂半橋式結構，需要的直流電容較小。最小的直流電容容量 有下式決定：

上式中為負序負載電流中2倍頻脈動功率的大小，為設計的直流電容電壓波動的大小。另外一個優點是直流母線電壓的充分利用，相電壓最大峰值可達到0.577，線電壓的最大值可達到 ，因此可選擇耐壓等級較低的開關器件。

如圖2所示，本實用新型實施例包括控制器1、保護器2、算法器3，AD轉換器4、調理電路5、采樣電路6、PWM輸出器7；控制器1與算法器3、保護器2、PWM輸出器7連接，采樣電路6的相同的采樣信息的輸出端通過調理電路5與AD轉換器4以及保護器2分別連接，算法器3與保護器2連接。保護器2與算法器3通過串口雙向傳輸方式連接。算法器3與控制器1通過串口由算法器3向控制器1單向輸送信號方式進行連接，算法器3與控制器1輸送信號包括運行故障電平、PWM駛舵電平以及PWM電平。保護器2與控制器1通過串口雙向傳輸方式連接，保護器2與控制器1之間的輸送信號包括運行故障輸入電平、外部干接點輸出電平以及外部干接點輸入電平，PWM輸出器7與所述橋臂111中每個IGBT的門級連接。

調理電路5包括信號衰減和模擬抗混疊濾波器。由互感器得到的電壓電流信號線性衰減成能輸入DSP的量程范圍，再經抗混疊濾波器濾波，輸入到DSP的ADC轉換器中進行采樣和模數轉換?？够殳B濾波器的作用是把電力系統的信號進行低通濾波，濾除高頻分量，使輸入DSP進行處理的信號是滿足奈奎斯特采樣定律要求的信號，消除混疊現象，提高FFT的運算精度。模擬量采集。

本實用新型系統還包括上位機8，上位機8包括控制模塊、輸入輸出模塊及液晶模塊，控制模塊通過輸入輸出模塊與保護器2連接。液晶模塊以其功耗低、體積小、超簿、色調柔和、可靠性高、可以與 CMOS 電路直接匹配和易于實現大規模集成化生產等一系列優點而被廣泛應用。液晶顯示器件可分為段式、字符式和點陣式三種。其中點陣式液晶顯示器件不僅可以顯示字符、數字和各種圖形、曲線以及漢字，而且還可以通過編程進一步實現一定的動畫功能。選用深圳揚創公司的7寸LED彩色液晶觸控屏，以Cortex A8 1G主頻 ARM嵌入式CPU，512M Bytes DDR3 SDRAM、基于嵌入式Linux操作系統的高性能嵌入式工業平板電腦，帶兩個串口，一個USB口和一個網口，硬件資源足夠，且自帶了linux內核和底層庫文件，可以根據項目需要方便地進行二次開發。

本實用新型系統還包括外輔助模塊9，外輔助模塊9包括繼電器、操作鍵以及指示燈，繼電器、操作鍵以及指示燈均與控制器1連接，控制器1與繼電器、操作鍵以及指示燈之間通過干節點信號通信。

算法器3與保護器2均采用DSP作為主要處理器件。為保護器2采用的DSP軟件的主要功能，實現了對電網電壓、SVG電流、母線過壓、IGBT故障保護、IGBT過溫保護、電網頻率超限保護、電網同步丟失告警、存儲器故障告警及算法DSP死機告警。為算法器3采用的DSP軟件的主要功能。實現了對三相四線制的瞬時無功計算、無功補償策略及生成IGBT驅動信號。

控制器1采用CPLD作為主要處理器件，由于數字電路與模擬電路相比具有易調試，易維護，不易干擾的優點，控制電路由TMS320F28335 DSP及其外圍電路構成，其中包括：模擬信號采集電路，PWM驅動電路，時鐘電路，串行FLASH接口電路，CPLD邏輯判斷電路，鍵盤接口電路，串口通訊電路等。為滿足數據存儲容量及調試方便的要求，本系統的DSP控制電路外擴了一片 64K串行EEPROM芯片24LC64。外部存儲器通過I2C總線與 DSP 相連。外部程序存儲器可以用來在存運行儲數和實時故障。為了簡化DSP外圍電路及PCB板的設計，DSP控制電路使用了一片CPLD，型號為XC95144，它主要處理所有控制信號，故障信號，輸入輸出信號等。

AD轉換器4包括保護采樣數模轉換器以及算法采樣數模轉換器，保護采樣模數轉換器我們采用TMS320F28335自帶的帶內置采樣和保持的A/D轉換器，具有12位精度，轉換速度最快達到100ns，并且可以同時采樣16路信號。有多個觸發源可以啟動AD轉換，包括軟件啟動、ESA, EVB和外部觸發(ADCSOC )。模數轉換模塊的排序器包括兩個獨立的最多可選擇8個模擬轉換通道的排序器(SEQ 1和SEQ2 )，這兩個排序器可被級連成一個最多可選擇16個轉換模擬通道的排序器(SEQ)。在這兩種工作方式下，ADC模塊都能夠對一序列轉換進行自動排序。轉換后的數值結果保存在該通道相應的結果寄存器中，這樣用戶可以對同一個通道進行多次采樣，即對某一通道實行“過采樣”，這樣得到的采樣結果比傳統的采樣結果分辨率高。算法采樣模數轉換器我們采用AD公司的AD7656采樣芯片，具有16位的采樣精度，能達到1M/s的采樣速度，轉換速度最快達到500ns，數據通過數據總線和地址總線和算法DSP相連接。由算法DSP控制AD采樣芯片的數據的傳輸和采樣時機。達到精準采樣，實時控制。由于TMS320F28335的速度較高150MHZ，為了保證DSP的可靠運行，程序不跑飛，建議采用四層板或六層板來制作PCB板。使用多層板的優點有：裝配密度高，體積??；電子元器件之間的連線縮短，信號傳輸速度提高；方便布線；對于高頻電路，加入地線層，使信號線對地形成恒定的低阻抗；屏蔽效果好。但是多層板的成本比雙層板貴一些，不過考慮工作的穩定性，制作多層板還是值得的。至于電源板和模擬量采集板就可以采用常見的雙層板即可。此外，制作PCB板時，還要仔細考慮電磁干擾問題。

本實用新型的保護器2包括主保護模塊、存儲模塊、采樣模塊、上電模塊、通訊模塊以及人機交互模塊。保護模塊為保護DSP軟件的主要功能，實現了對電網電壓、SVG電流、母線過壓、IGBT故障保護、IGBT過溫保護、電網頻率超限保護、電網同步丟失告警、存儲器故障告警及算法DSP死機告警；采樣模塊通過對本DSP采樣的讀取，并計算出電網各項參數相關電參數的有效值，以備保護模塊及通訊模塊使用；上電模塊控制在SVG設備啟動時的各項時序及狀態的控制；通訊模塊實現了對上位機(人機界面)的通訊及對算法DSP的通訊；存儲模塊實現了關鍵運行參數的存儲，以備再次啟動時取用；通訊模塊實現了對保護DSP的數據通訊。其中特別實現了對運行狀態變量的緩存并通過保護DSP上傳至上位機8。

存儲模塊以及人機交互模塊與通訊模塊連接，采樣模塊、上電模塊以及通訊模塊均與主保護模塊連擊，主保護模塊包括故障仲裁器以及多個系統保護模塊，故障仲裁器包括故障類型輸出模塊以及多個按照優先級依次工作的第一級故障判斷模塊，采樣模塊以及系統保護模塊均與第一級故障判斷模塊連接，優先級最低的第一級故障判斷模塊與故障類型輸出模塊連接，故障類型輸出模塊與人機交互模塊連接，第一級故障判斷模塊內設置有多個按照優先級依次工作的第二級故障判斷模塊。故障類型輸出模塊以及第二級故障判斷模塊的優先級按照相應故障對系統的輸出影響程度制定。

故障沖裁器包括用于連接多個第一級故障判斷模塊的第一循環控制環以及設置在第一級故障判斷模塊內用于連接多個第二級故障判斷模塊的第二循環控制環。第一循環控制環以及第二循環控制環均按照優先級順序對故障類型進行輸出。本實用新型實施例的第二循環控制環以電壓相關故障保護為例。與電壓相關的故障保護有；電網電壓過/欠壓、電網頻率超限、電網同步丟失。在主回路失電的情況下，電壓欠壓保護生效、電網頻率低保護、電網同步丟失保護。但如果同時上報這三種故障，用戶則無從準確地判定故障的來源，也就不從有效地排除真正的故障。而在第二循環控制環中，優先級由高到低是過壓判斷高于欠壓判斷高于電網同步丟失保護判斷高于電網頻率判斷，然后每一級判斷最終輸出的結果均依次進行電壓相關故障輸出，如果全部正常，則該流程循環至采樣部分重新進行下一周期的判斷工作，以此保證故障的排序檢測以及上報

本實用新型實施例的多個第一級故障判斷模塊為IGBT故障判斷模塊、電流相關故障判斷模塊、電壓相關故障判斷模塊、運行相關故障判斷模塊以及通訊故障判斷模塊，IGBT故障判斷模塊、電流相關故障判斷模塊、電壓相關故障判斷模塊、運行相關故障判斷模塊以及通訊故障判斷模塊的肯定側與否定側分別按照各自優先級順序進行連接后再與故障類型輸出模塊連接形成第一循環控制環。第一循環控制環包括停機分閘控制環以及非停機分閘控制環，故障仲裁器還包括故障停機分閘模塊，IGBT故障判斷模塊、電流相關故障判斷模塊、電壓相關故障判斷模塊以及運行相關故障判斷模塊的肯定側與通訊故障判斷模塊的肯定側以及故障類型輸出模塊順序連接，且否定側順序連接后與故障停機分閘模塊連接，故障停機分閘模塊與故障類型輸出模塊連接后形成停機分閘控制環；通訊故障判斷模塊的肯定側與通訊故障輸出模塊連接，且否定側直接與故障類型輸出模塊連接形成非停機分閘控制環。

故障沖裁器按照優先級順序處理故障報警，在上一級故障已處理后，方可處理下一級故障。以此流程循環執行，直到所有故障都處理完畢，則所有故障均以優先級的順序排序上報至用戶。

其中，還有一類故障不需要停機/分閘的，例如通訊故障，在故障輸出前，則無需經過故障停機/分閘模塊處理。

本實用新型的系統保護模塊包括與IGBT故障判斷模塊連接的IGBT故障保護模塊以及IGBT過溫保護模塊、與電流相關故障判斷模塊連接的SVG過流保護模塊、與電壓相關故障判斷模塊連接的電網電壓過欠壓保護模塊以及母線過壓保護模塊、與運行相關故障判斷模塊連接的電網頻率超限保護模塊以及電網同步丟失保護模塊以及算法DSP死機告警模塊以及存儲器故障告警模塊、與通訊故障判斷模塊連接的通訊故障保護模塊。

上面所述的實施例僅是對本實用新型的優選實施方式進行描述，并非對本實用新型的構思和范圍進行限定。在不脫離本實用新型設計構思的前提下，本領域普通人員對本實用新型的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本實用新型的保護范圍，本實用新型請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。