專利名稱：一種基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種無功功率補償裝置，特別是一種基于晶閘管控制變
壓器(TCT)的靜止型(SVC)高壓無功補償裝置。
背景技術(shù)：
隨著電網(wǎng)容量不斷擴大，應(yīng)用電力電子元件的非線性負(fù)荷、電弧爐、軋 機等沖擊性負(fù)荷以及電力機車等大型不平衡負(fù)荷接入電網(wǎng)中，給電網(wǎng)帶來了 諧波、閃變等諸多電能質(zhì)量問題。其中造成電壓波動的一個根本原因是負(fù)荷 的無功快速變化引起的，然而常規(guī)的無功補償設(shè)備，由于響應(yīng)速度較慢，無 法解決這一問題，因此出現(xiàn)了以晶閘管等半導(dǎo)體元件作為調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的 "靜止型"補償設(shè)備，即SVC (Static VarCompensator)。 SVC可以給系統(tǒng) 提供快速、連續(xù)的無功功率補償，減少負(fù)荷的無功沖擊從而減少電壓波動與 閃變，同時由于SVC中一般有濾波支路，可以對負(fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾除。 SVC主要分為兩部分，即可調(diào)電感部分與濾波及無功補償部分。濾波及無功 補償部分通常由2路(或更多)無源濾波支路組成，提供補償所需的容性功 率以及諧波濾波通道；可調(diào)電感部分主要有TCR型(晶閘管控制電抗器)與 MCR型(磁控電抗器)兩種，詳述如下
1. MCR型主要缺點是響應(yīng)時間較慢， 一般在300ms左右，而TCR通 常響應(yīng)時間為10ms;其次由于MCR采用的是磁飽和工作原理，其電感的線 性度也較差；此外，MCR中使用的可控硅處在高電位上，需采用光電隔離等 觸發(fā)方式解決控制信號(低電位)與可控硅(高電位)間的絕緣問題。高電 位運行對可控硅的觸發(fā)、保護、監(jiān)測等帶來了一系列較難處理的問題。
2. TCR型與MCR—樣，TCR直接將可控硅用在高壓中，存在上述MCR同樣的問題，不同之處在于，TCR中的可控硅通常需要多只串聯(lián)，設(shè)計成大 容量的硅閥，這對可控硅的觸發(fā)、散熱、均壓等要求很高，因此可控硅部分 比MCR結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，難度更大，且占地面積大，維護量大。
為解決以上2類可調(diào)電感存在的問題，TCT (晶閘管控制變壓器)型SVC 應(yīng)運而生，衡陽煉鋼分廠早在上世紀(jì)末采用TCT型靜止無功功率補償裝置 (以下簡稱TCT型SVC)，解決了2X30t電弧爐對電網(wǎng)產(chǎn)生的高次諧波、電 壓波動、電壓畸變等問題，TCT的基本原理是通過短路高阻抗變壓器的副邊 提供感性無功功率，TCT具有與TCR幾乎一樣的電氣特性，例如響應(yīng)時間、 線性度等；還有與TCR相當(dāng)?shù)撵`活的控制特性，能夠全范圍從90。 180° 分相控制晶閘管的導(dǎo)通角；此外TCT的某些特性還優(yōu)于TCR，如過負(fù)荷能力 比TCR更強、占地面積更小、電磁泄漏更少等。且無需使用高壓硅閥，可靠 性高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便，解決了TCR以及MCR均需要復(fù)雜的可控硅 系統(tǒng)帶來的問題。
TCT型SVC由TCT高阻抗變壓器與可控硅兩部分組成可調(diào)電感部分，其 基本原理圖見附圖l。采取TCT支路作為調(diào)感支路須滿足以下兩點其一， 必須滿足SVC的基本需求，即TCT支路能對外提供連續(xù)變化的感性無功功率， 從TCT支路的等效電氣原理圖2所示可以看出，TCT支路的等效電路與TCR 支路類似，通過控制TCT副邊的可控硅的導(dǎo)通角即可對外提供連續(xù)可調(diào)的感 性無功功率。其二，能解決TCR與MCR存在的問題，可使可控硅工作在較低 電壓下，同時具有響應(yīng)時間快、控制靈活的優(yōu)點。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于，提供一種基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓 無功補償裝置。
為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采取如下的技術(shù)解決方案 一種基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償裝置，其特征在于，該裝置包括
連接在線路上的TCT高阻抗變壓器，該TCT高阻抗變壓器的阻抗電壓典 型值為100%，副邊額定電壓在1000 2000V，高低壓聯(lián)結(jié)組別為D， yn;
TCT高阻抗變壓器上連接有可控硅柜，TCT高阻抗變壓器和可控硅柜組 成調(diào)感支路，當(dāng)TCT高阻抗變壓器阻抗電壓典型值為100%,在TCT變壓器 原邊達(dá)到額定電壓時，副邊則短路運行，并可連續(xù)長期運行；
至少一路連接在線路上的濾波支路，由濾波電抗與濾波電容匹配組成， 用于根據(jù)系統(tǒng)的特征諧波次數(shù)以及大小，給系統(tǒng)特征諧波提供一個低阻抗通 道，濾波支路在濾除諧波的同時，還提供無功功率；
一控制柜，分別與TCT高阻抗變壓器、濾波支路和可控硅柜連接，用于 對TCT高阻抗變壓器、濾波支路和可控硅柜進(jìn)行控制、監(jiān)視和保護，同時提 供人機界面接口，還具有記錄歷史運行數(shù)據(jù)的功能。
本實用新型帶來的技術(shù)效果是
① 由于無需采用高壓硅閥，大大簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng) 的可靠性與安全性，運行維護也變得更簡單。
② TCT提供的是變壓器短路產(chǎn)生的感性電流，因此其過負(fù)荷能力大大 優(yōu)于TCR。
③ 由于使用可控硅作為主調(diào)節(jié)器件，調(diào)節(jié)時無拉弧、涌流，設(shè)備使用 壽命長。且可通過改變導(dǎo)通角連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率。
④ TCT型SVC高壓靜止無功補償裝置的控制至少包含有一個由DSP全 數(shù)字電路實現(xiàn)的調(diào)節(jié)器，采用實時操作系統(tǒng)，響應(yīng)速度快，小于10ms，調(diào) 節(jié)精度高。且同時采集系統(tǒng)電流與負(fù)荷電流，瞬時開環(huán)調(diào)節(jié)與PI閉環(huán)調(diào)節(jié) 結(jié)合，既保證響應(yīng)速度又能優(yōu)化補償效果。
⑤ 至少包含一個主要由PLC實現(xiàn)對裝置完善的保護功能，包括對調(diào)節(jié) 器的監(jiān)視，使成套裝置簡單、穩(wěn)定?！蛑辽侔粋€觸摸屏作為人機操作界面，可記錄系統(tǒng)電參量數(shù)據(jù)， 并掉電保持。
⑦可自由選擇多種通訊接口，適應(yīng)于各種工業(yè)場合或變電站。


圖1為TCT型SVC的電原理圖； 圖2為TCT支路的等效電氣原理圖。 圖3為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為調(diào)節(jié)器方框圖。
圖5-1、 5-2、 5-3、 5-4、 5-5為調(diào)節(jié)器電路圖。 圖6為調(diào)節(jié)器軟件主流程圖。
以下結(jié)合附圖和具體實例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實施方式
根據(jù)申請人的進(jìn)一步研究，TCT必須具備以下3個特征
1. 阻抗電壓遠(yuǎn)高于普通變壓器， 一般在80%以上，典型設(shè)計值通常為 100%。由于調(diào)感支路需要輸出一定的感性無功電流， 一般較直觀的方法是直 接在變壓器后串接電感，而本實用新型采取的思路是提高變壓器的阻抗電 壓，當(dāng)變壓器阻抗電壓達(dá)到100%時，可允許變壓器在原邊為額定電壓、副 邊完全短路下長期連續(xù)運行，此時變壓器對外輸出感性無功功率。這種高阻 抗變壓器的思路實際上是將變壓器與電抗器集成到一起，既能通過變壓器降 壓使可控硅工作在較低電壓下，又能通過變壓器高阻抗對外提供大量感性無 功功率，從而由TCT與低壓可控硅構(gòu)成了一個SVC系統(tǒng)必須具備的連續(xù)調(diào)感 的支路。因此100%阻抗電壓的變壓器作為可調(diào)電抗支路是本實用新型的最 顯著特征，此外由于短路阻抗高，TCT補償?shù)木€性度也好。
2. 副邊輸出電壓為1000V 2000V。 TCR (晶閘管控制電抗器)或MCR (磁控電抗器)支路這兩種可調(diào)電感都需要將可控硅放在高電位上，這給可控硅的觸發(fā)、保護等應(yīng)用帶來了麻煩，同時成套裝置的可靠性也降低。為解
決這一問題，通過變壓器將電壓降到適合可控硅工作的電壓，如1000V 2000V，可控硅即可直接應(yīng)用(無需串聯(lián)成硅閥)，這樣做的好處是使可控硅 元件大量減少(相比于TCR中的硅閥)，系統(tǒng)復(fù)雜度降低，可靠性提高。
3.變壓器的聯(lián)結(jié)組別為D， yn，原邊繞組采用D型接法為3次諧波提 供了通道，避免了 TCT的3次諧波漏磁過大造成變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，也避免了 TCT產(chǎn)生的3次諧波給電網(wǎng)注入諧波污染，副邊繞組采用yn接法，使三相 電路控制起來互不影響，可以從90。 180°全范圍控制，其等效電路與TCR 基本相當(dāng)，從而簡化了控制，使分相控制以及整個SVC的不平衡補償功能得 以較容易實現(xiàn)。
依照本實用新型的技術(shù)方案，本實用新型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所 示，它至少包含TCT高阻抗變壓器以及可控硅柜組成的調(diào)感支路；采用低壓 可控硅柜短接高阻抗變壓器的副邊輸出連續(xù)可調(diào)的感性無功，至少1個以上 的濾波支路；以及l(fā)個控制柜組成。
①調(diào)感支路它由TCT高阻抗變壓器以及低壓可控硅柜組成。
TCT高阻抗變壓器的阻抗典型值為100%;高阻抗變壓器的副邊額定電壓 在1000V 2000V;高阻抗變壓器的高低壓聯(lián)結(jié)組別為D， yn。在TCT變壓器 原邊達(dá)到額定電壓時，副邊可以短路運行，并可連續(xù)長期運行。它集變壓器 與電抗器于一體，既起到降壓作用，又能像電抗器一樣提供感性無功。
可控硅柜，主要包含可控硅元件，散熱單元，觸發(fā)及保護單元。由于 TCT的副邊輸出電壓只有1000V 2000V，因此使用單個元件的可控硅作為主 控制元件即可，無需多個可控硅串連，從而省去了復(fù)雜的均壓，高低壓隔離 環(huán)節(jié)。散熱單元一般包含散熱片及風(fēng)扇，復(fù)雜的水冷散熱對散熱設(shè)備以及可 靠性要求均較高，而普通風(fēng)冷散熱器散熱效果一般，因此多采用熱管散熱器， 還可以輔助配以小風(fēng)量風(fēng)機，比熱管自冷散熱效果更優(yōu)，而且整體噪音還較小。
可控硅柜接在TCT高阻抗變壓器的副邊，通過控制可控硅的導(dǎo)通角，可 靈活調(diào)節(jié)TCT支路輸出無功的大小，當(dāng)可控硅導(dǎo)通角為90。時，相當(dāng)于TCT 副邊完全短路，此時TCT對外輸出的無功功率最大，達(dá)到TCT容量的額定值。 當(dāng)可控硅導(dǎo)通角為180。時，相當(dāng)于TCT副邊完全開路，此時TCT對外輸出 的無功功率最小，幾乎等于零。
② 濾波支路主要由濾波電抗與濾波電容匹配組成，為電路提供容性 無功功率，同時吸收系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。它一般由2路或更多路電感、電容組 成的單調(diào)諧濾波通道組成，各個濾波支路的電感、電容搭配成對應(yīng)特征次諧 波的諧振頻率，對特征頻率的諧波阻抗很低，因此大部分特征諧波電流流入 濾波支路，僅有極少部分流入系統(tǒng)。同時各濾波支路都配有相應(yīng)的保護，例 如不平衡保護以及過負(fù)荷保護，不平衡保護的作用是當(dāng)電容器發(fā)生故障，例 如內(nèi)部擊穿、或內(nèi)(外)熔絲熔斷時造成3相不平衡時，發(fā)出故障信號，將 濾波支路與電網(wǎng)斷開；過負(fù)荷保護一般指流入濾波支路的諧波電流過大或電 容器自身故障造成濾波支路過流時，發(fā)出故障信號，將濾波支路與電網(wǎng)斷開。
③ 控制柜控制柜是整個SVC系統(tǒng)的中樞，它的作用是協(xié)調(diào)SVC系統(tǒng) 各部分的運行，同時對各部分起到保護、監(jiān)測的作用，此外還作為人機界面， 給用戶提供交互、操作的接口?？刂乒裰饕{(diào)節(jié)器，PLC，觸摸屏3部 分。
調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)的電壓、電流，計算系統(tǒng)所缺的無功，從而根據(jù)系 統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)計算可控硅的導(dǎo)通角，然后將對應(yīng)的脈沖串輸出給可控硅。然 后此過程不停的循環(huán)，直到整個系統(tǒng)工作在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，例如無功或 功率因數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)器的框圖如圖4所示，調(diào)節(jié)器由主處理 器CPU、模擬量與數(shù)字量輸入模塊、脈沖與繼電器輸出模塊、LCD顯示電路、 RS232通訊接口等組成。DSP對采樣信號輸入模塊送來的采樣信號進(jìn)行分析、計算，將對應(yīng)的觸發(fā)脈沖輸出到可控硅。當(dāng)發(fā)生故障時，也可輸出報警信號。
RS232通訊接口既可以用來直接與外部設(shè)備通訊，也可以在與無線通訊模塊 連接之后進(jìn)行無線通訊。
以上各部分有機組合成一個基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功 補償裝置，它能夠快速跟蹤系統(tǒng)無功的變化(響應(yīng)速度可達(dá)10ms)，濾除系 統(tǒng)產(chǎn)生的諧波，改善系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生的不平衡，對系統(tǒng)負(fù)荷突變造成的電壓波 動與閃變起到一定的抑制作用。
裝置的觸發(fā)及保護單元主要包含有脈沖變壓器、氧化鋅避雷器、飽和電 抗器、霍爾傳感器以及快速熔斷器等。其中脈沖變壓器用于調(diào)節(jié)器觸發(fā)輸出 端與可控硅門極間的隔離，因此脈沖變壓器必須有足夠的抗電強度；氧化鋅 避雷器用于防止可控硅在各種過電壓情況下的損壞，如雷擊浪涌、系統(tǒng)故障、 操作波等；陽極飽和電抗器有兩個作用，其一用于限制晶閘管元件導(dǎo)通時出 現(xiàn)的較高的電流上升率(di/dt)以及較高的浪涌電流，其二是當(dāng)晶閘管處 于關(guān)斷期間線路出現(xiàn)較高的電壓上升率(du/dt)，以避免晶閘管元件所承受 的浪涌電壓而引起的誤開通；霍爾電流傳感器用于測量流過每個可控硅的電 流，用于配合電子線路實現(xiàn)可控硅的過流或擊穿保護；快速熔斷器也用于可 控硅的過流保護，是可控硅過流電子保護的后備保護，在電子保護失效時起 到可控硅不被燒壞的目的。
圖5-1至圖5-5為調(diào)節(jié)器的電路圖。圖5-1為DSP母板電路圖，該部分 主要由數(shù)字信號處理器(DSP)芯片TMS320F2812及其外部電路組成，如內(nèi) 存擴展，總線擴展，JTAG編程接口等。此外還包含有電源芯片，時鐘芯片， 存儲芯片等。圖5-2為主板電路圖，集成了一些光耦隔離的數(shù)字量輸入與繼 電器輸出電路，此外還有通訊接口。圖5-3為總線板電路圖，總線板負(fù)責(zé)各 電路板之間的總線聯(lián)系，主要包含DSP的地址與數(shù)據(jù)總線，此外還包含有液 晶以及鍵盤輸入接口。圖5-4為互感器板電路圖，主要包含電壓、電流模擬量輸入的調(diào)理電路，其主要作用是將強電信號轉(zhuǎn)換可被控制器接受的弱電信
號。圖5-4為輸出板電路圖，輸出板主要包含脈沖信號的輸出電路。
圖6為調(diào)節(jié)器的軟件主流程圖，調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計成實時多任務(wù)結(jié)構(gòu)， 為保證SVC補償效果的最佳，在定時中斷中調(diào)用采樣與計算程序，以保證系 統(tǒng)的響應(yīng)速度達(dá)到10ms，必須保證定時中斷的最高優(yōu)先級別，其他任務(wù)均 靠軟件中斷實現(xiàn)，通過任務(wù)管理程序優(yōu)化分配各子模塊的執(zhí)行時間，如人機 接口，通訊等。軟件的工作流程為程序初始化，例如DSP的定時器設(shè)置， 中斷設(shè)置，1/0設(shè)置，通訊參數(shù)設(shè)置，看門狗設(shè)置等。后即進(jìn)入程序的主循 環(huán)，各部分工作如交流采樣、無功計算、諧波分析、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)字量采集等 分步進(jìn)行，通過計算判斷對應(yīng)TCT的控制角度，輸出即可，輸出后繼續(xù)跟蹤 系統(tǒng)無功的變化，不斷修正輸出角度，直到符合參數(shù)設(shè)定的要求為止。
此外，控制柜中還包含PLC以及觸摸屏。PLC集中監(jiān)視了系統(tǒng)各部分的 狀態(tài)或故障節(jié)點信號，接受用戶的操作指令，協(xié)調(diào)整套裝置的啟動與停止的 先后順序，在故障時按預(yù)設(shè)的程序?qū)⒀b置與電網(wǎng)脫離。觸摸屏則將PLC獲取 的信息以直觀的顯示出來，例如實時顯示各部分運行狀態(tài)與電網(wǎng)參數(shù)，記錄 各種故障信息、歷史數(shù)據(jù)以備查詢，用戶對成套設(shè)備的操作上較傳統(tǒng)的按鈕 等操作更靈活。
綜上所述，本實用新型是一種新的基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓 無功補償裝置，由于采用了TCT高阻抗變壓器作為無功的連續(xù)調(diào)節(jié)單元，與 傳統(tǒng)的TCR或MCR型SVC相比，很好的解決了可控硅在SVC應(yīng)用中的諸多問 題，使SVC裝置的運行更為簡單可靠；同時控制電路新穎，智能化和自動化 程度高，保護功能完善，可達(dá)到無人職守的要求；此外成本相對較低，因此 本實用新型對SVC的推廣與普及有很好的實用價值。
權(quán)利要求1. 一種基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償裝置，其特征在于，該裝置包括連接在線路上的TCT高阻抗變壓器，該TCT高阻抗變壓器的阻抗電壓典型值為100％，副邊額定電壓在1000～2000V，高低壓聯(lián)結(jié)組別為D，yn；TCT高阻抗變壓器上連接有可控硅柜，TCT高阻抗變壓器和可控硅柜組成調(diào)感支路，當(dāng)TCT高阻抗變壓器阻抗電壓典型值為100％，在TCT變壓器原邊達(dá)到額定電壓時，副邊則短路運行，并可連續(xù)長期運行；至少一路連接在線路上的濾波支路，由濾波電抗與濾波電容匹配組成，用于根據(jù)系統(tǒng)的特征諧波次數(shù)以及大小，給系統(tǒng)特征諧波提供一個低阻抗通道，濾波支路在濾除諧波的同時，還提供無功功率；一控制柜，分別與TCT高阻抗變壓器、濾波支路和可控硅柜連接，用于對TCT高阻抗變壓器、濾波支路和可控硅柜進(jìn)行控制、監(jiān)視和保護，同時提供人機界面接口，還具有記錄歷史運行數(shù)據(jù)的功能。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償 裝置，其特征在于，所述的控制柜中至少包括有調(diào)節(jié)器、PLC和觸摸屏。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償 裝置，其特征在于，所述的調(diào)節(jié)器由主處理器CPU、模擬量與數(shù)字量輸入模 塊、脈沖與繼電器輸出模塊、LCD顯示電路、RS232通訊接口組成，調(diào)節(jié)器 還設(shè)有遠(yuǎn)程通訊接口和控制軟件，控制軟件采用實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，能夠 快速計算裝置所缺的無功功率并將相應(yīng)的脈沖輸出控制可控硅柜中的可控 硅，其響應(yīng)速度為10ms。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于晶閘管控制變壓器的靜止型高壓無功補償 裝置，其特征在于，所述的可控硅柜內(nèi)含有可控硅元件、散熱單元、觸發(fā)及 保護單元。
專利摘要本實用新型公開了一種TCT型SVC高壓靜止無功補償裝置，包括一個TCT高阻抗變壓器的調(diào)感單元，TCT的主要特征是阻抗電壓典型值為100％，副邊額定電壓在1000V～2000V，高低壓聯(lián)結(jié)組別為D，yn。此外還包含可控硅柜，F(xiàn)C無源濾波支路，控制柜?？刂乒裰饕烧{(diào)節(jié)器，PLC以及觸摸屏組成。調(diào)節(jié)器由DSP作為處理器，采集系統(tǒng)的電壓、電流，快速計算系統(tǒng)所需的無功功率，并將與無功對應(yīng)的觸發(fā)脈沖經(jīng)由脈沖輸出板調(diào)制后輸出到可控硅。響應(yīng)速度達(dá)到10ms以內(nèi)。成套裝置智能化和自動化程度高，保護功能完善，可達(dá)到無人職守的要求。同時成本相對較低，更加適合SVC靜止無功補償裝置的推廣與普及。
文檔編號H02J3/18GK201247959SQ20082003005
公開日2009年5月27日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者黎 金 申請人:西安森寶電氣工程有限公司