CN103178530A - 智能高压tsc无功补偿装置 - Google Patents

Abstract

一种智能高压TSC无功补偿装置，由电压电流互感器、信号调整单元、DSP主控与显示单元、光纤隔离与晶闸管驱动单元和无功补偿主接线单元构成。信号调整单元包括依次连接的电压幅值调整模块、电流幅值调整模块、同步方波生成模块、滤波模块和抬升模块。同步方波生成模块和抬升模块的输出分别与DSP主控与显示单元中DSP的输入捕捉口和AD转换口相连接；DSP主控与显示单元中的DSP输出IO口与光纤隔离与晶闸管驱动单元的光纤发送器输入端相连接；光纤隔离与晶闸管驱动单元的输出端与无功补偿主接线单元中晶闸管的门极和阴极相连接。本发明实现了电压过零投入、电容器组循环投切，不存在投切振荡问题，用于冶金、钢铁、煤炭等行业变电站的无功补偿。

Description

智能高压TSC无功补偿装置

技术领域

本发明涉及无功补偿装置，尤其是TSC型无功补偿装置，属于无功补偿技术领域。

背景技术

目前，我国无功补偿装置多为机械式开关投切电容器MSC和晶闸管投切电容器TSC。MSC由于机械式开关动作时间长且摇摆不定，使其不能准确快速的在电压过零点投入，易造成过大的涌流，损毁电容器组。且断开电容器组时易产生电弧，造成机械开关触点拉弧烧毁，给维修人员带来不必要的麻烦。而当前的TSC装置多数未实现电容器组的循环投切，且存在投切振荡的问题，这无疑会降低电容器组的平均使用寿命，造成***的不稳定。

发明内容

为了克服现有无功补偿装置的上述不足，本发明提供一种智能高压TSC无功补偿装置，能实现电压过零投入、电容器组循环投切，且不存在投切振荡问题，能够快速准确的补偿无功，提高功率因数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：智能TSC无功补偿装置包括电压电流互感器（1）、信号调整单元（2）、DSP主控与显示单元（3）、光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）和无功补偿主接线单元（5）；信号调整单元（2）包括依次连接的电压幅值调整模块（2-1）、电流幅值调整模块（2-2）、同步方波生成模块（2-3）、滤波模块（2-4）和抬升模块（2-5）；同步方波生成模块（2-3）和抬升模块（2-5）的输出端分别与DSP主控与显示单元（3）中DSP芯片TMS320F28335的输入捕捉口和AD转换口相连接；DSP主控与显示单元（3）中DSP芯片TMS320F28335的输出IO口与光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的光纤发送器HFBR-1521输入端相连接；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的输出端与无功补偿主接线单元(5)中对应晶闸管的门极和阴极相连接。电压幅值调整模块（2-1）由精密交流电压互感器（SPT1、SPT2、SPT3）、运算放大器（A1、A2、A3）、二级管（D1、D2、D3、D4、D5、D6）、电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6）和电容（C1、C2、C3）构成；电流幅值调整模块（2-2）由精密交流电流互感器（SCT1、SCT2、SCT3）、运算放大器（A4、A5、A6）、二级管（D7、D8、D9、D10、D11、D12）、电阻（R7、R8、R9）和电容（C4、C5、C6）构成；同步方波生成模块（2-3）由电压比较器（B1）、二极管、电阻和电容（C7）构成；滤波模块（2-4）由运算放大器（A7、A8、A9、A10、A11、A12）、电阻和电容构成；抬升模块由运算放大器（A13、A14、A15、A16、A17、A18）和电阻构成；DSP主控与显示单元（3）由DSP芯片TMS320F28335、锁相环CD4046、12位二进制串行计数器CD4040、硬件看门狗MAX706AT、触摸显示屏(LCD)、电阻和电容构成；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）由三极管（Qn）、光纤、光纤发送器HFBR-1521、光纤接收器HFBR-2521、555定时器NE555、与门74HC08、脉冲变压器（Tn）、电阻和电容构成；无功补偿主接线单元（5）由避雷器（FV）、三工位开关（QSn）、晶闸管阀组、电抗器（Ln）、接地开关（QG1n、QG2n）、熔断器(FUn)、电容器、放电线圈(TVn)构成。

本发明的有益效果是，可在冶金、钢铁、煤炭等功率因数低的领域快速准确的补偿无功，尤其适用于功率因数频繁变化的场合。其涌流低、实现了电容器组循环投切、不存在投切振荡问题，故安全可靠。

附图说明

通过参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的以上和其它方面及优点将变得更加易于清楚，在附图中：

图1是本发明总体框图。

图2是图1中信号调整单元电路原理图。

图3是图1中DSP主控与显示单元电路原理图。

图4是图1中光纤隔离与晶闸管驱动单元电路原理图。

图5是图1中无功补偿主接线单元电路原理图。

图6是图1中DSP主控与显示单元主要程序流程图。

具体实施方式

在下文中，现在将参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

参见图1、2、3、4、5，智能TSC无功补偿装置包括电压电流互感器（1）、信号调整单元（2）、DSP主控与显示单元（3）、光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）和无功补偿主接线单元（5）；信号调整单元（2）包括依次连接的电压幅值调整模块（2-1）、电流幅值调整模块（2-2）、同步方波生成模块（2-3）、滤波模块（2-4）和抬升模块（2-5）；同步方波生成模块（2-3）和抬升模块（2-5）的输出端分别与DSP主控与显示单元（3）中DSP芯片TMS320F28335的输入捕捉口和AD转换口相连接；DSP主控与显示单元（3）中DSP芯片TMS320F28335的输出IO口与光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的光纤发送器HFBR-1521输入端相连接；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的输出端与无功补偿主接线单元(5)中对应晶闸管的门极和阴极相连接。电压幅值调整模块（2-1）由精密交流电压互感器（SPT1、SPT2、SPT3）、运算放大器（A1、A2、A3）、二级管（D1、D2、D3、D4、D5、D6）、电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6）和电容（C1、C2、C3）构成；电流幅值调整模块（2-2）由精密交流电流互感器（SCT1、SCT2、SCT3）、运算放大器（A4、A5、A6）、二级管（D7、D8、D9、D10、D11、D12）、电阻（R7、R8、R9）和电容（C4、C5、C6）构成；同步方波生成模块（2-3）由电压比较器（B1）、二极管、电阻和电容（C7）构成；滤波模块（2-4）由运算放大器（A7、A8、A9、A10、A11、A12）、电阻和电容构成；抬升模块由运算放大器（A13、A14、A15、A16、A17、A18）和电阻构成；DSP主控与显示单元（3）由DSP芯片TMS320F28335、锁相环CD4046、12位二进制串行计数器CD4040、硬件看门狗MAX706AT、触摸显示屏(LCD)、电阻和电容构成；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）由三极管（Qn）、光纤、光纤发送器HFBR-1521、光纤接收器HFBR-2521、555定时器NE555、与门74HC08、脉冲变压器（Tn）、电阻和电容构成；无功补偿主接线单元（5）由避雷器（FV）、三工位开关（QSn）、晶闸管阀组、电抗器（Ln）、接地开关（QG1n、QG2n）、熔断器(FUn)、电容器、放电线圈(TVn)构成。

本装置的工作过程为（参见图1、图2）：

装置上电，A、B、C三相相电压分别经电压互感器PT1、PT2、PT3后进入电压幅值调整模块（2-1），A、B、C三相线电流分别经电流互感器CT1、CT2、CT3后进入电流幅值调整模块（2-2），调整电压电流信号的幅值大小，之后分别进入各自的滤波模块（2-4），滤除高次谐波，然后通过抬升模块（2-5），使信号全部转化为正电压信号，最后进入DSP芯片TMS320F28335的AD转换口进行电压电流的采样。同时，A相电压信号经电压幅值调整模块（2-1）后，还需进入同步方波生成模块（2-3）形成方波信号，方波信号进入DSP芯片TMS320F28335的输入捕捉口和锁相环CD4046，以计算电网周期及保证一个电网周期内采样128个点。DSP芯片TMS320F28335对采样到的三相电压电流信号根据功率因数与无功功率相结合的控制策略进行分析计算。当功率因数低于预定下限值而投入一组电容器组都会引起功率因数超过预定上限值时，选择不投入；当功率因数到达预定上限值而切除一组电容器组都会引起功率因数低于预定下限值时，选择不切除。这样可以防止唯一出现投切振荡的两种情况。实际上，这两种情况的出现是由于电容器组容量选取的不合适而引起的，故设置此时DSP发送信息给触摸显示屏以提醒用户。除去上次两种情况外，当功率因数低于预定下限值时，则选择投入电容器组；当功率因数高于预定上限值时，则选择切除电容器组。确定投切动作之后，DSP芯片TMS320F28335执行循环投切控制程序。在程序中，每一电容器组均有一状态标志位表示其投入与否，对所有电容器组进行计时，仅在***初始化或者状态标志位改变之时计时清零。故需投入电容器组时，只需选出切除时间计时最长的电容器组，对其发送投入信号，投入后改变其状态标志位，重新计时。同样，需切除电容器组时，只需选出投入时间计时最长的电容器组，对其发送切除信号，切除后改变其状态标志位，重新计时。如此便能实现电容器组的循环投切，有效的延长了电容器组的平均使用寿命。若已确定了需投入哪组电容器组，则DSP芯片TMS320F28335只需在检测到方波上升沿或下降沿时开始计时，延迟T-t时间，相关IO口发出投入信号。其中，T为DSP检测到的电网周期，t为投入信号的传输延迟与晶闸管开通时间之和。投入信号经光纤发送至晶闸管驱动电路，驱动相应的晶闸管工作，投入该组电容器组。这样，便可实现在电压过零时投入电容器组，有效的减少了涌流，保护了电容器组。若已确定切除哪组电容器组，则DSP芯片TMS320F28335相对应的IO口发送切除信号，经光纤发送至晶闸管驱动电路，使相应的晶闸管处于关断状态，切除该组电容器组；若得出电容器组不需动作，则DSP芯片TMS320F28335各IO口发送信号保持不变，经光纤发送至晶闸管驱动电路，各晶闸管状态保持不变，各电容器组投切状态保持不变。如此，便实现了快速准确的无功补偿，且实现了循环投切，不存在投入时涌流过大及投切振荡等问题。

信号调整单元电路原理（参见图2）：

信号调整单元由电压幅值调整模块、电流幅值调整模块、同步方波生成模块、滤波模块和抬升模块组成。

1).电压幅值调整模块：

电压幅值调整模块由三个完全相同的电路组成，分别对应于A相、B相、C相电压的幅值调整。模块中，三个精密交流电压互感器SPT1、SPT2、SPT3实现了强电与弱电的隔离，改变电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6的阻值大小可以调整三相电压幅值变换的比例，使其满足DSP芯片TMS320F28335输入端的要求。其中电容C1、C2、C3用于补偿三相电压信号的相移，二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6对运算放大器的输入信号幅度进行了限制，以免输入信号超过额定值损坏运算放大器的内部结构。

2).电流幅值调整模块：

电流幅值调整模块由三个完全相同的电路组成，分别对应于A相、B相、C相电流的幅值调整。模块中，三个精密交流电流互感器SCT1、SCT2、SCT3实现了强电与弱电的隔离，改变电阻R7、R8、R9的阻值大小可以调整三相电流幅值变换的比例，使其满足DSP芯片TMS320F28335输入端的要求。其中电容C4、C5、C6用于补偿三相电流信号的相移，二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12对运算放大器的输入信号幅度进行了限制，以免输入信号超过额定值损坏运算放大器的内部结构。

3).同步方波生成模块：

同步方波生成模块由电压比较器B1、二极管、电阻和电容C7构成。通过电压比较器可将正弦信号转化为方波信号，这样DSP芯片TMS320F28335的输入捕捉口才能捕捉到信号的上升沿和下降沿，也为信号进入锁相环提供基础。电容C7起到滤除干扰的作用。

4).滤波模块：

滤波模块由六个完全相同的电路组成，分别用于A、B、C三相电压电流信号的滤波。通过改变运算放大器周围的电阻和电容值可调节滤除谐波的频率范围，防止进行快速傅里叶变换时出现的频率混叠现象，保证DSP芯片TMS320F28335计算的准确性。

5).抬升模块：

抬升模块由六个完全相同的电路组成，分别用于A、B、C三相电压电流信号的抬升。由于DSP芯片TMS320F28335不能接受负电压信号，故经抬升电路后，6路信号时刻为正值，满足DSP芯片TMS320F28335的AD转换口的输入要求。

DSP主控与显示单元电路原理（参见图3）：

锁相环CD4046和12位二进制串行计数器CD4040共同作用，生成128倍频的方波信号，实现了三相电压电流信号在一个电网周期内的128点采样。MAX706AT为硬件看门狗，当所提供的电压不满足DSP芯片TMS320F28335正常工作要求或者程序跑飞时，硬件看门狗发送复位信号给DSP芯片TMS320F28335，复位DSP芯片TMS320F28335，保证DSP程序的正常运行。同时，DSP芯片TMS320F28335与触摸显示屏通过读、写两条线进行通信，使用户能够直接了解当前装置的运行状态。

DSP主控与显示单元主要程序流程（参见图6）：

装置上电后，DSP芯片TMS320F28335首先进行***时钟、CPU定时器和变量的初始化，随后CPU将固化在芯片FLASH中的数据和代码拷贝到RAM中运行，以提高其运行速度。然后时刻检测电网周期与电压过零点，在一个周期内采样128个电压和电流信号，并通过分析计算实现过电压、过电流和缺相保护。若出现过电压、过电流和缺相故障，则执行保护动作切除已投入的电容器组，并等待故障消除。若检测到未出现过电压、过电流和缺相故障，则根据具体情况采用快速傅里叶变换或者瞬时无功功率理论计算功率因数、无功功率、有功功率等参数，并根据功率因数与无功功率相结合的复合控制策略判断投切动作。确定投切动作之后，对电容器组进行循环投切控制，找出其中切除或者投入计时最久的电容器组，进行投切控制，发送相应信号，完成投切。

光纤隔离与晶闸管驱动单元的电路原理（参见图4）：

当DSP芯片TMS320F28335发出高电平时，三极管Qn处于饱和导通状态，使光纤发送器HFBR-1521中的发光二极管发光，经光纤传输至光纤接收器HFBR-2521，光纤接收器HFBR-2521输出低电平；当DSP芯片TMS320F28335发出低电平时，三极管Qn处于截止状态，光纤发送器HFBR-1521中的发光二极管不发光，光纤接收器HFBR-2521输出高电平。555定时器NE555可产生频率与占空比皆可调的高频方波，与光纤接收器HFBR-2521的输入端同时进入与门74HC08，可将单宽脉冲转换为高频脉冲列，控制绝缘栅型场效应管VDn的导通与关断。当绝缘栅型场效应管VDn导通时，脉冲变压器Tn二次侧感应出高电压；当绝缘栅型场效应管VDn关断时，脉冲变压器Tn二次侧感应电压几乎为零，此时并联在脉冲变压器Tn一次侧两端的电阻和二极管为脉冲变压器Tn的电流提供回路。电容C1n起到调节脉冲形状的作用，使触发为强触发，保证串联各只晶闸管的同时可靠触发。

无功补偿主接线单元电路原理（参见图5）：

FV是避雷器，能有效防止因雷击而引起的过电压。QSn为三工位开关，QG1n、QG2n为接地开关，当需要对设备进行检修时，应使三工位开关QSn接地，接地开关QG1n、QG2n闭合，使电容器、电抗器Ln均可靠接地，保证检修时的安全。若需设备进行正常投切运行，则三工位开关QSn应连接线路，接地开关QG1n断开，接地开关QG2n闭合与否取决于电容器星型接法中性点是否接地。电抗器Ln一方面起到抑制涌流的作用，另一方面又可防止电网谐波的放大。FUn为熔断器，起到过流保护的作用。TVn为放电线圈，当电容器接入电网时，对工频交流电呈现大阻值，可视为断路。而电容器从电网切除时，其呈现阻值较低，故能在较短的时间内将电容器两端的电压降到安全电压以下。

将以上四个单元对照装置原理框图进行组合就是我们经过大量研究和实践的“智能高压TSC无功补偿装置”。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种智能高压TSC无功补偿装置，其特征在于：所述智能高压TSC无功补偿装置由电压电流互感器、信号调整单元、DSP主控与显示单元、光纤隔离与晶闸管驱动单元和无功补偿主接线单元构成；信号调整单元包括依次连接的电压幅值调整模块、电流幅值调整模块、同步方波生成模块、滤波模块和抬升模块；同步方波生成模块和抬升模块的输出分别与DSP主控与显示单元中DSP的输入捕捉口和AD转换口相连接；DSP主控与显示单元中的DSP输出IO口与光纤隔离与晶闸管驱动单元的光纤发送器输入端相连接；光纤隔离与晶闸管驱动单元的输出端与无功补偿主接线单元中晶闸管的门极和阴极相连接。

2.一种智能高压TSC无功补偿装置，包括电压电流互感器（1）、信号调整单元（2）、DSP主控与显示单元（3）、光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）和无功补偿主接线单元（5），其特征是，信号调整单元（2）包括依次连接的电压幅值调整模块（2-1）、电流幅值调整模块（2-2）、同步方波生成模块（2-3）、滤波模块（2-4）和抬升模块（2-5）；同步方波生成模块（2-3）和抬升模块（2-5）的输出端分别与DSP主控与显示单元（3）中DSP的输入捕捉口和AD转换口相连接；DSP主控与显示单元（3）中的DSP输出IO口与光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的光纤发送器输入端相连接；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）的输出端与无功补偿主接线单元(5)中对应晶闸管的门极和阴极相连接；电压幅值调整模块（2-1）由精密交流电压互感器（SPT1、SPT2、SPT3）、运算放大器（A1、A2、A3）、二级管（D1、D2、D3、D4、D5、D6）、电阻（R1、R2、R3、R4、R5、R6）和电容（C1、C2、C3）构成；电流幅值调整模块（2-2）由精密交流电流互感器（SCT1、SCT2、SCT3）、运算放大器（A4、A5、A6）、二级管（D7、D8、D9、D10、D11、D12）、电阻（R7、R8、R9）和电容（C4、C5、C6）构成；同步方波生成模块（2-3）由电压比较器（B1）、二极管、电阻和电容（C7）构成；滤波模块（2-4）由运算放大器（A7、A8、A9、A10、A11、A12）、电阻和电容构成；抬升模块由运算放大器（A13、A14、A15、A16、A17、A18）和电阻构成；DSP主控与显示单元（3）由DSP芯片TMS320F28335、锁相环CD4046、12位二进制串行计数器CD4040、硬件看门狗MAX706AT、触摸显示屏(LCD)、电阻和电容构成；光纤隔离与晶闸管驱动单元（4）由三极管（Qn）、光纤、光纤发送器HFBR-1521、光纤接收器HFBR-2521、555定时器NE555、与门74HC08、脉冲变压器（Tn）、电阻和电容构成；无功补偿主接线单元（5）由避雷器(FV)、三工位开关（QSn）、晶闸管阀组、电抗器（Ln）、接地开关（QG1n、QG2n）、熔断器(FUn)、电容器、放电线圈(TVn)构成。

Images