一种适用于预装式变电站的无功补偿装置及工作方法与流程

本发明属于输变电领域，具体涉及一种适用于预装式变电站的无功补偿装置。

背景技术：

无功功率补偿，在电力供电系统中起到提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，改善供电环境，因此无功功率补偿装置是电力系统中不可缺少的重要装置，合理地选择无功补偿装置，可以最大限度的减少电网的损耗提高电网质量。

预装式变电站是通过模块化的设计，将高、低压电器设备及变压器集成安装在箱体里，具有体积小、占地少、重量轻、造价低、可靠性高、现场安装量小、安装调试周期短、接入灵活、维护方便等特点。预装式变电站采用的设备必须适应其模块化设计要求，具有优良的性能、紧凑的结构、良好的散热。

SVG 是目前应用较普遍的无功补偿装置, 其显著特点是能快速、平滑调节容性或感性无功功率, 实现动态补偿, 广泛应用于输电系统、工业网系统, 取得了较好的技术经济效益, 因而在国内外得到了较快的发展和实际应用。

现有SVG无功补偿装置主要是由数字信号处理器件DSP和IGBT大功率半导体器件驱动电路及其它辅助保护电路组成的。由于传统数字信号处理器DSP自身的PWM脉冲宽度调制信号输出引脚数量限制，如果要对数量较多的IGBT器件进行PWM信号控制往往会力不从心，如果采用专业PWM信号生成元件往往在控制灵活性和扩展性方面差强人意，并且控制成本也往往较大。

另一方面，SVG无功补偿装置大都体积庞大，结构复杂，抗干扰能力差，不利于检修和维护，在使用过程中由于散热不良而容易发生故障，进而影响到整个SVG无功补偿装置的正常运行。

技术实现要素：

为了适应无功补偿装置在预装式变电站中的安装和使用要求，本发明提供了一种的SVG无功补偿装置，该装置结构简单，体积小，检修方便，散热性能好，可实现IGBT功率补偿模块控制过程的高速度、高精度要求，同时还具备较强的抗干扰能力，适合于在预装式变电站的紧凑安装空间中应用，并且满足预装式变电站对无功补偿精度和速度的要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种适用于预装式变电站的无功补偿装置,其特征在于：包括依次连接的数据采集装置、SVG控制器、电抗器组和变流器；所述数据采集装置的输入端与10KV电网相连，变流器的二次侧输出端与10KV电网相连；所述SVG控制器与远程控制装置连接；数据采集装置、SVG控制器和电抗器组均安装在控制箱体内。

在本发明一实施例中，所述数据采集装置包括分别连接A相电流传感器CT1输出端、A相电压互感器PT1输出端、B相电流传感器CT2输出端、B相电压互感器PT2输出端、C相电流传感器CT3输出端和C相电压互感器PT3输出端的六个信号调理电路；六个信号调理电路的输出端分别与SVG控制器的输入端相连；A相电流传感器CT1输入端、A相电压互感器PT1输入端、B相电流传感器CT2输入端、B相电压互感器PT2输入端、C相电流传感器CT3输入端和C相电压互感器PT3输入端分别与10KV电网相连。

在本发明一实施例中，所述SVG控制器包括依次连接的数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA、CPLD接口处理单元及IGBT功率补偿模块。

在本发明一实施例中，所述IGBT功率补偿模块包括第一IGBT功率补偿模块和第二IGBT功率补偿模块；第一IGBT功率补偿模块和第二IGBT功率补偿模块均包括六个反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT；每两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成一个单相桥臂；每个单相桥臂的两端分别与另外两个单相桥臂的两端相连后与电容器组并联；每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与CPLD接口处理单元的PWM信号输出接口相连；每个单相桥臂中两个绝缘栅双极型晶体管的中间连接端与电抗器组相连。

在本发明一实施例中，所述电抗器组与变流器之间还串接有真空断路器，电抗器组与真空断路器之间还并接有避雷器。

在本发明一实施例中，所述控制箱体内设置有散热装置，散热装置包括主控制器、温度传感器、散热风机和散热器；IGBT功率补偿模块安装在散热器上，主控制器分别连接温度传感器和散热风机；散热风机口对准散热器，采用吸风散热方式；IGBT功率补偿模块安装在散热器进风口处50mm 的地方；散热装置通过温度传感器对箱体内部温度进行监测，并根据箱体内部温度对散热风机进行变频控制。

在本发明一实施例中，所述控制箱体包括长方形的箱体和安装在箱体上的箱门，箱门与箱体通过合页转动连接；箱体一侧设有散热口和出线母排，散热口为百叶式散热口；出线母排用于控制箱体内部器件与外部器件之间的连接；箱体顶板上设有照明灯；箱体内侧底板上安装散热器，两侧板上分别安装电容器组；散热器上的IGBT功率补偿模块与电容器组之间通过层叠母排相连；数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA、CPLD接口处理单元、电抗器组和真空断路器分别设置在IGBT功率补偿模块的上方。

在本发明一实施例中，还包括一与SVG控制器连接的触摸屏；触摸屏作为整个补偿系统的人机界面，实时显示SVG 控制器通过互感器采样获得的参数和补偿系统的整体控制状况。

本发明还提供一种基于上述的适用于预装式变电站的无功补偿装置的工作方法,其特征在于，包括以下步骤：电压互感器PT1、PT2、PT3用于采集10KV电网系统中的各相电压信号，并将采集到的相电压传输给电压信号调理电路；电流传感器CT1、 CT2、CT3用于采集10KV电网系统中的各相电流信号，并将采集到的电流信号传输给电流信号调理电路；通过对应的信号调理电路将电压互感器和电流传感器采集到的电压信号转换为数字信号处理器DSP可接受的0～3V电压信号后，输出给数字信号处理器DSP；DSP数字信号处理器将10KV电网系统中的电压电流及其他模拟数据采集处理后进行SVG无功补偿算法的运算处理生成三相正弦基波，数据通过并行总线传输给FPGA现场可编程逻辑门阵列，并置低一根IO口线通知FPGA现场可编程逻辑门阵列取数据，FPGA现场可编程逻辑门阵列内部采用了双口RAM数据缓冲机制，当FPGA现场可编程逻辑门阵列收到DSP数字信号处理器的置低状态信号后就去数据缓冲区读取数据，将数据进行误码检测处理后得到的三相基波数据与内部的三角波进行比较生成多路PWM波信号，生成的PWM波信号通过数据扁平电缆传输给CPLD接口处理单元；CPLD接口处理单元内部集成有光耦隔离驱动元件；CPLD接口处理单元对PWM波信号进行防直通处理并加入死区处理然后输出给其内部的光耦隔离驱动元件，光耦隔离驱动元件对IGBT功率补偿模块进行驱动；使IGBT功率补偿模块输出相应的补偿量；IGBT功率补偿模块输出的补偿量经过电抗器组滤除其中的谐波成分后，通过变流器进行耦合，由变流器输出无功补偿量直接作用于10KV电网系统进行无功补偿；电抗器组与变流器之间的真空断路器用于保护和控制补偿主线路；电抗器组与真空断路器之间并接的避雷器用于释放雷电和释放电力系统操作过电压能量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1）本发明提供的适用于预装式变电站的无功补偿装置电路结构简单、成本低，采用SVG控制器可同时对谐波和无功功率进行补偿，实时性强，相应时间快，采用避雷器对电路进行控制隔离，可有效保障电网系统的正常运行。

2）SVG控制器采用数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA与光耦隔离驱动元件CPLD接口处理单元一起构成产生PWM驱动信号的硬件平台，可实现IGBT功率补偿模块控制过程的高速度、高精度要求，同时还具备较强的抗干扰能力。

3）SVG控制器、IGBT功率补偿模块、电抗器组和真空断路器合理布置在设有散热装置的控制箱体内，减小了SVG无功补偿装置的体积，提高了SVG无功补偿装置的抗干扰能力和散热能力。

4）控制箱体侧部设有百叶式散热窗，进一步加强了SVG无功补偿装置的散热性能，另外，散热装置由主控制器、温度传感器、散热风机和散热器共同组成，可根据控制箱体内部的温度控制散热风机的输出功率，可更好地管理控制箱体内部的温度。

5）控制箱体内设有照明灯，便于在黑暗环境中对控制箱体进行检修。

附图说明

图1为本发明的无功补偿装置整体结构示意图。

图2为本发明一实施例的数据采集装置与SVG控制器的连接示意图。

图3为本发明一实施例的SVG控制器与IGBT功率补偿模块的连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释说明。

本发明提供的适用于预装式变电站的无功补偿装置的整体结构示意图如图1所示。无功补偿装置通过变流器与10KV电网相连，该无功补偿装置包括依次连接的数据采集装置、SVG控制器、电抗器组和变流器；所述数据采集装置的输入端与10KV电网相连，变流器的二次侧输出端与10KV电网相连；所述SVG控制器与远程控制装置连接；数据采集装置、SVG控制器和电抗器组均安装在控制箱体内。

数据采集装置的结构如图2所示：包括分别连接A相电流传感器CT1输出端、A相电压互感器PT1输出端、B相电流传感器CT2输出端、B相电压互感器PT2输出端、C相电流传感器CT3输出端和C相电压互感器PT3输出端的六个信号调理电路；

六个信号调理电路的输出端分别与数字信号处理器DSP的输入端相连；

A相电流传感器CT1输入端、A相电压互感器PT1输入端、B相电流传感器CT2输入端、B相电压互感器PT2输入端、C相电流传感器CT3输入端和C相电压互感器PT3输入端分别与10KV电网相连。

如图3所示，所述SVG控制器包括依次连接的数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA、CPLD接口处理单元及IGBT功率补偿模块。

六个信号调理电路、数字信号处理器DSP、现场可编程逻辑门阵列FPGA和CPLD接口处理单元共同集成在同一电路板上；电路板、IGBT功率补偿模块和电抗器组均安装在控制箱体内。

控制箱体内还设置有散热装置，散热装置包括主控制器、温度传感器、散热风机和散热器；IGBT功率补偿模块安装在散热器上，主控制器分别连接温度传感器和散热风机；散热风机口对准散热器；采用吸风散热方式，IGBT功率补偿模块安装在散热器进风口处50mm 的地方，散热效果好，风机安装维修方便。

散热装置可通过温度传感器对箱体内部温度进行监测，并根据箱体内部温度控制散热风机的功率，从而使箱体温度维持在最佳温度下。

控制箱体包括长方形的箱体和安装在箱体上的箱门，箱门与箱体通过合页转动连接，方便打开或关闭箱体；箱体一侧设有散热口和出线母排，散热口为百叶式散热口，可加强箱体内的散热速度；出线母排用于控制箱体内部器件与外部器件之间的连接；其顶板上设有照明灯，方便在黑暗环境中对设备进行检修。

箱体内侧底板上安装散热器，两侧板上分别安装电容器组；散热器上的IGBT功率补偿模块与电容器组之间通过层叠母排相连；SVG控制器、电抗器组和真空断路器分别设置在IGBT功率补偿模块的上方；布置合理美观，体积小。

如图1所示：IGBT功率补偿模块包括第一IGBT功率补偿模块和第二IGBT功率补偿模块；第一IGBT功率补偿模块和第二IGBT功率补偿模块均包括六个反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT；每两个绝缘栅双极型晶体管IGBT组成一个单相桥臂；每个单相桥臂的两端分别与另外两个单相桥臂的两端相连后并联电容器组；每个绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极均与CPLD接口处理单元的PWM信号输出接口相连；每个单相桥臂中两个绝缘栅双极型晶体管的中间连接端与电抗器组相连。

电抗器组与变流器之间还串接有真空断路器，电抗器组与真空断路器之间还并接有避雷器。

数字信号处理器DSP通过RS485线缆与控制箱体外的触摸屏相连；触摸屏12 作为整个补偿系统的人机界面，能实时显示SVG 控制器通过互感器采样获得的参数和补偿系统的整体控制状况。

较佳的，数字信号处理器DSP还连接有远程控制装置，远程控制装置包括设于控制箱体内的信号发射装置和设于箱体外的信号接收装置；信号发射装置与数字信号处理器DSP通过通信线相连，并与信号接收装置无线连接。通过远程控制装置可对SVG无功补偿装置进行远程管理，同时还能对电网中的电流电压等信息进行远程监控，出现故障时，进行远程报警；使系统更加安全可靠。

本发明还提供一种基于上述的适用于预装式变电站的无功补偿装置的工作方法：

电压互感器PT1、PT2、PT3用于采集10KV电网系统中的各相电压信号，并将采集到的相电压传输给电压信号调理电路；电流传感器CT1、 CT2、CT3用于采集10KV电网系统中的各相电流信号，并将采集到的电流信号传输给电流信号调理电路；

通过对应的信号调理电路将电压互感器和电流传感器采集到的电压信号转换为数字信号处理器DSP可接受的0～3V电压信号后，输出给数字信号处理器DSP；

DSP数字信号处理器将10KV电网系统中的电压电流等模拟数据采集处理后进行SVG无功补偿算法的运算处理生成三相正弦基波，数据通过并行总线传输给FPGA现场可编程逻辑门阵列，并置低一根IO口线通知FPGA现场可编程逻辑门阵列取数据，FPGA现场可编程逻辑门阵列内部采用了双口RAM数据缓冲机制，当FPGA现场可编程逻辑门阵列收到DSP数字信号处理器的置低状态信号后就去数据缓冲区读取数据，将数据进行误码检测处理后得到的三相基波数据与内部的三角波进行比较生成多路PWM波信号，生成的PWM波信号通过数据扁平电缆传输给CPLD接口处理单元；CPLD接口处理单元内部集成有光耦隔离驱动元件；CPLD接口处理单元对PWM波信号进行防直通处理并加入死区处理然后输出给其内部的光耦隔离驱动元件，光耦隔离驱动元件对IGBT功率补偿模块进行驱动；使IGBT功率补偿模块输出相应的补偿量。

IGBT功率补偿模块输出的补偿量经过电抗器组滤除其中的谐波成分后，通过变流器进行耦合，由变流器输出无功补偿量直接作用于10KV电网系统进行无功补偿，提高电网质量。

电抗器组与变流器之间的真空断路器起到保护和控制补偿主线路的作用。电抗器组与真空断路器之间并接的避雷器起到释放雷电和释放电力系统操作过电压能量的作用。电容器组由直流电容器组成，构成SVG无功补偿装置的重要组成部分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。