*CN203071583U*
(10)授权公告号(10)授权公告号 CN 203071583 U(45)授权公告日 2013.07.17
(12)实用新型专利
(21)申请号 201320080704.5(22)申请日 2013.02.21
(73)专利权人安徽天沃电气技术有限公司
地址230031 安徽省合肥市高新区永和路
99号(72)发明人李瑜
(74)专利代理机构安徽汇朴律师事务所 34116
代理人方荣肖(51)Int.Cl.
H02J 3/18(2006.01)
权利要求书1页 说明书7页 附图3页权利要求书1页 说明书7页 附图3页
(54)实用新型名称
低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置(57)摘要
本实用新型涉及一种低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其包括：两采样点无功算法控制器，其包括电流采样输入端、电压采样输入端及多个投切电平输出端，电流采样输入端与低压母线电性连接，电压采样输入端与低压母线电性连接；多个晶闸管开关，每个晶闸管开关包括控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其中，该控制端电性连接于一个该投切电平输出端，该第一、第二输入端均电性连接于该低压母线；多个扼流圈，其一端分别电性连接于多个第二输出端；多个电容，其一端分别电性连接该多个扼流圈的另一端，且还分别电性连接于多个第一输出端，该多个电容的另一端电性接地。本实用新型的优点在于：响应速度较佳。CN 203071583 UCN 203071583 U
权 利 要 求 书
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1.一种低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其特征在于，其包括：两采样点无功算法控制器，其包括电流采样输入端、电压采样输入端、以及多个投切电平输出端，其中，电流采样输入端与低压母线电性连接而采样该低压母线的电流，电压采样输入端与低压母线电性连接而采样该低压母线的电压；
多个晶闸管开关，每个晶闸管开关包括控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其中，该控制端电性连接于一个该投切电平输出端，该第一、第二输入端均电性连接于该低压母线；
多个扼流圈，其一端分别电性连接于多个第二输出端；多个电容，其一端分别电性连接该多个扼流圈的另一端，且还分别电性连接于多个第一输出端，该多个电容的另一端电性接地。
2.如权利要求1所述的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其特征在于，每个晶闸管开关包括同步电路以及双向可控硅，该同步电路上设置有相应的控制端、相应的第一输入端、相应的第一输出端，该同步电路还电性连接于相应的双向可控硅的控制极，该第二输入端与该第二输出端分别为相应的双向可控硅的输入与输出。
3.如权利要求2所述的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其特征在于，该同步电路包括过零电路、发光二极管以及触发可控硅，该过零电路的输入、输出以及采样分别电性连接于相应的触发可控硅的输入、控制极以及输出，该发光二极管的阳极电性连接于电源，该发光二极管的阴极与相应的投切电平输出端电性连接，该发光二极管在发光时触发相应的触发可控硅，该触发可控硅的输入为相应的第一输入端，该触发可控硅的输出为相应的第一输出端且还电性连接于相应的双向可控硅的控制极。
4.如权利要求2或3所述的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其特征在于，该同步电路采用过零触发芯片。
5.如权利要求1所述的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其特征在于，该两采样点无功算法控制器包括电压与电流采样电路、模数整形电路以及处理器，该处理器设置有模数转换接口、HMI接口以及DO接口，该电压与电流采样电路一端与低压母线连接，该电压与电流采样电路的另一端经由该模数整形电路电性连接于该模数转化后接口，该DO接口电性连接于多个控制端。
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说 明 书
低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置
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技术领域
[0001]
本实用新型涉及无功补偿控制系统，尤其涉及低压无功补偿晶闸管投切电容补偿
装置。背景技术
传统的TSC（晶闸管投切电容）无功补偿系统的无功算法方法仍停留在早期的均
方根算法上，先进一点的用移相算法方法，近年也有采用傅式算法的，而这些算法方法至少都需要一个周波且算法复杂，占用控制系统资源多，因此响应时间慢，在无功频繁突变环境下补偿速度达不到要求（如弧光焊机等）。为了提高响应速度有的TSC（晶闸管投切电容）控制器往往采用价格不菲的DSP控制芯片以及高端的16位或32位单片机来设计TSC（晶闸管投切电容）控制器，这样又增加了成本和维护难度并且制造困难。
[0002]
实用新型内容
[0003] 有鉴于此，本实用新型有必要提供一种响应速度较佳的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置。
[0004] 本实用新型是这样实现的，一种低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置，其包括：
[0005] 两采样点无功算法控制器，其包括电流采样输入端、电压采样输入端、以及多个投切电平输出端，其中，电流采样输入端与低压母线电性连接而采样该低压母线的电流，电压采样输入端与低压母线电性连接而采样该低压母线的电压；[0006] 多个晶闸管开关，每个晶闸管开关包括控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出端，其中，该控制端电性连接于一个该投切电平输出端，该第一、第二输入端均电性连接于该低压母线；[0007] 多个扼流圈，其一端分别电性连接于多个第二输出端；[0008] 多个电容，其一端分别电性连接该多个扼流圈的另一端，且还分别电性连接于多个第一输出端，该多个电容的另一端电性接地。[0009] 作为上述方案的进一步改进，每个晶闸管开关包括同步电路以及双向可控硅，该同步电路上设置有相应的控制端、相应的第一输入端、相应的第一输出端，该同步电路还电性连接于相应的双向可控硅的控制极，该第二输入端与该第二输出端分别为相应的双向可控硅的输入与输出。[0010] 优选地，该同步电路包括过零电路、发光二极管以及触发可控硅，该过零电路的输入、输出以及采样分别电性连接于相应的触发可控硅的输入、控制极以及输出，该发光二极管的阳极电性连接于电源，该发光二极管的阴极与相应的投切电平输出端电性连接，该发光二极管在发光时触发相应的触发可控硅，该触发可控硅的输入为相应的第一输入端，该触发可控硅的输出为相应的第一输出端且还电性连接于相应的双向可控硅的控制极。
[0011]
优选地，该同步电路采用过零触发芯片。
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作为上述方案的进一步改进，该两采样点无功算法控制器包括电压与电流采样电
路、模数整形电路以及处理器，该处理器设置有模数转换接口、HMI接口以及DO接口，该电压与电流采样电路一端与低压母线连接，该电压与电流采样电路的另一端经由该模数整形电路电性连接于该模数转化后接口，该DO接口电性连接于多个控制端。[0013] 本实用新型可实现算法且控制响应时间在一个周波以内，提高TSC（晶闸管投切电容）控制器性价比和无功补偿系统动态响应时间以及稳定性。附图说明
图1为本实用新型较佳实施方式提供的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的结构示意图。
[0015] 图2为图1中低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的两采样点无功算法控制器的结构示意图。
[0016] 图3为图1中低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的晶闸管开关的结构示意图。
[0017] 图4为图1中低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的指针定义图。[0018] 图5为图1中低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的采样曲线示意图。[0019] 主要符号说明：两采样点无功算法控制器1、晶闸管开关2、扼流圈3、电容4、低压母线5、电压与电流采样电路11、模数整形电路12、处理器13、模数转换接口14、HMI接口15、DO接口16、同步电路21、双向可控硅22、过零电路210、发光二极管211、触发可控硅212。
[0014]
具体实施方式
[0020] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。[0021] 请参阅图1，其为本实用新型较佳实施方式提供的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置的结构示意图，低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置包括两采样点无功算法控制器1、晶闸管开关2、扼流圈3、电容4。晶闸管开关2、扼流圈3、电容4的数量相对应，可以为多个，本实施方式中，为了便于说明均以一个为例进行举例说明。[0022] 两采样点无功算法控制器1包括电流采样输入端、电压采样输入端、以及多个投切电平输出端，其中，电流采样输入端与低压母线5电性连接而采样该低压母线5的电流，电压采样输入端与低压母线5电性连接而采样该低压母线5的电压。[0023] 请结合图2，两采样点无功算法控制器1包括电压与电流采样电路11、模数整形电路12（AD整形电路）以及处理器13。该处理器13设置有模数转换接口14（AD转换12Bit）、HMI接口15以及DO接口16。该电压与电流采样电路11的一端与低压母线5连接，构成电流采样输入端、电压采样输入端，该电压与电流采样电路11的另一端经由该模数整形电路12电性连接于该模数转化后接口14。该DO接口16电性连接于晶闸管开关2，构成投切电平输出端，晶闸管开关2为多个时，该DO接口16就有多个投切电平输出端与多个晶闸管开关2连接。HMI接口15主要是菜单显示和键盘输入，起到人机交互的作用。
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晶闸管开关2包括控制端、第一输入端、第二输入端、第一输出端以及第二输出
端，其中，该控制端电性连接于该投切电平输出端，该第一、第二输入端均电性连接于该低压母线5。
[0025] 扼流圈3的一端电性连接于该第二输出端；电容4的一端电性连接该扼流圈3的另一端，且还电性连接于该第一输出端，该电容4的另一端电性接地。[0026] 在本实施方式中，该晶闸管开关2包括同步电路21以及双向可控硅22，该控制端、该第一输入端、第一输出端分别设置在该同步电路21上，该同步电路21还电性连接于该双向可控硅22的控制极，该第二输入端与该第二输出端分别为该双向可控硅22的输入与输出。
[0027] 该同步电路21可采用过零触发芯片，如过零触发芯片MOC3083。当然也可以采用等效电路进行设计，如图3所示。如图3中，该同步电路21包括过零电路210、发光二极管211以及触发可控硅212。该过零电路210的输入、输出以及采样分别电性连接于该触发可控硅212的输入、控制极以及输出，该发光二极管211的阳极电性连接于电源（图未示），该发光二极管211的阴极与该投切电平输出端电性连接，该发光二极管211在发光时触发该触发可控硅212，该触发可控硅212的输入为该第一输入端，该触发可控硅212的输出为该第一输出端且还电性连接于该双向可控硅22的控制极。[0028] 目前在电能质量无功补偿算法中，采用补偿无功的算法有均方根公式算法、数字移相法、傅式算法（Fourior）、和现在流行的瞬时无功算法等，下面分别列出这些算法的采样点计算公式：
[0029]
1）、均方根公式算法：； ；；
S=UI；。这种算法耗时占有资源多，有误差，实际中很少用。
[0030] 2）、移相算法：。即滞后90°的电压与第K次电流的乘
积。目前常用的算法，采样次数是4的整数倍，至少一个周波。
[0031]
3）、傅式算法：
；；
；；
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说 明 书
；
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。很繁琐，占
用很多资源，有源滤波（APF）和无功发生器（SVG）有应用。
[0032]
4）、瞬时无功算法：
。其中Ea、Eb、Ec是经过CLAK—PARK变换得到的值，在无功发生器（SVG）上有应用。
[0033] 本实用新型的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置采用两采样点无功算法于两采样点无功算法控制器1：Q=ukik+1-uk+1ik。通过以上列出的无功（Q）计算公式，可以看到两采样点无功算法计算简明扼要，且计算公式意思明了，电压（U）和电流（I）下坠K和K+1就是指电压和电流前后两次的采样点。[0034] 一、两采样点算法的理论推导：
[0035] 假设电压和电流表达式为u=Umsinωt；i=Imsin(ωt-θ)；则第K次和第K+1次采样电压、电流分别为uk= Umsinωtk；ik= Imsin(ωtk-θ)；[0036] uk+1= Umsinωtk+1= Umsin(ωtk+ωTs)；ik+1= Imsin(ωtk+1-θ)= Imsin(ωtk+ωTs-θ)；然后将第K次采样电压与第K+1次采样电流相乘得：
[0037]
；将第K+1次采样电压与第K次
采样电流相乘得：有：与tk相关项，
[0038]
；将这两个相乘式消去
（1式）；
[0039] [0040]
（2式）；
通过以上变换，根据电网的单相有功功率是P= UmImcosθ；无功功率是Q=UmImsinθ。所以（1式）和（2式）可以写成：
（3式）；
（4式）。
[0041] [0042]
为了使计算更加简单，令ωTs=π/2时，这样cosωTs=0,sinωTs=1，有功和无功计算公式即（3式）和（4式）就变成：[0043] P=ukik+uk+1ik+1；Q=ukik+1+uk+1ik（5式）。这样（5式）就是最终两采样点计算无功的算法公式。
[0044] 综上所述，两采样点无功算法控制器1根据第K次和第K+1次采样电压、电流，就
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可以算出无功功率补偿量Q，两采样点无功算法控制器1控制一个或多个投切电平输出发出电平信号，控制一个或多个电容导通，实现相应的无功功率补偿量Q。[0045] 二、两采样点无功算法的软件实现：[0046] 为了做到（5式）的计算方法，实际应用中只需将当前的采样点与1/4周期的采样点两点进行计算即可，这在实际中也容易实现。下面一种具体实现方法程序如下：定义一个存放采样数据的数组SampPoint[50]，这是24次取样，采样点是25个，存放2个周波的数据，采样点就是50个，所以数组长度是50。再定义两个指针一个是当前采样点指针CurrentPointPtr指向采样数组SampPiont[50]的中间段，一个是采样数组指针SampPointPtr指向采样数组。如图4所示。
[0047] 每次采样一个数据SampPointPtr和CurentPointPtr指针值增加一，采样24次以后指针值还原到原来的位置。当计算无功量（Q）时，利用当前的CurrentPointPtr指向的数组值，与CurrentPointPtr-6向前移动24/2=6个采用点指向的值进行计算。对于一个正弦周波用24次采样，向前移动6个采样点正好是移相π/2（90°）如图5所示。[0048] 下面就以一个三相电网中的A相单电源为例，采样24次，将采样的电压电流数据存入SampPoint数组中，假设先采样电压，再采样电流，以U表示电压，I表示电流，则数组存放24次采样数据如表所示：
[0049] U0[0050]
I0
U1
I1
。。。。。。。
U24
I24
U0、I0表示第一次采样值，U1、I1表示第二次采样值 ….. U24、I24表示第24次按此数组存放数据格式实现的C代码如下：
采样值。
[0051] [0052]
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因为程序中的电压（U）和电流（I）是最大值相乘的结果，而标准公式中的无功（Q）
是电压（U）和电流（I）的有效值相乘，所以实际值无功（Q）=Q/2，从而算出当前电网的无功量。
[0054] 本实用型对TSC（晶闸管投切电容）无功补偿装置原理与实现作进一步的详细介绍。
[0055] 两采样点无功算法控制器1通过低压母线5上的电流电压采样，经过两采样点无功算法控制器1计算出需要补偿的无功量，循环查找最佳的电容4组合投切，然后两采样点无功算法控制器1输出投切电平控制晶闸管开关2的导通，将补偿电容4与低压母线5连通或断开，达到补偿低压母线5无功量的目的。下面详细介绍一下TSC（晶闸管投切电容）系统工作原理与结构。[0056] 1、晶闸管开关与扼流圈和电容部分[0057] 晶闸管开关2、扼流圈3、和电容4是TSC（晶闸管投切电容）补偿系统的主动部分，主要作用是提供电网系统需要补偿的无功容量。晶闸管开关2是一种过零投切开关，根据两采样点无功算法控制器送出的触发电平高低在电网波形过零点处投上或切除，扼流圈是
[0053]
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遏制投切瞬间对电容4的电流冲击，电容4是提供补偿容量。[0058] 其中，晶闸管开关2包括过零触发芯片MOC3083（红色方框）和西门康的双向可控硅22。晶闸管开关2的工作原理是：过零触发芯片（MOC3083）内部的触发可控硅212两端分别接上低压母线端电压和电容端电压且内部的过零电路采样电压也来自这两端的电压，这样保证晶闸管开关2控制触发电平在接收到控制器送出的信号时在电压的零点处导通或关断，避免了大电流对电容的冲击。[0059] 2、两采样点无功算法控制器部分
[0060] 电压与电流采样电路11主要由电流互感器和电压互感器组成采样电路，互感器均采用耀华德昌公司的电流型互感器TV19E和TA12，使用TV19E采样电压信号，使用TA12采样电流信号，两个互感器输入电流范围是0—5MA，输出最大电压是2.5v。AD整形电路是将互感器的输出电压抬升2.5v变成0—5V的信号，以满足单片机内部AD的参数要求，主要使用TL064运放芯片完成该功能。处理器13采用低端的8位C51内核的SILICON公司的C8051F580单片机，AD转换使用该单片机自带的12位AD转换器。该单片机工作时钟最高达50MHZ，采样频率最高达3MHZ，单片机完成两采样点无功算法计算出当前需要补偿的无功量，然后根据计算的当前无功量单片机采用循环选择电容的方法进行投切电容，达到补偿电网无功的目的。DO接口16模块总共提供18路输出端口，为了提高驱动能力采用了达灵顿管UN2003芯片提供接口输出，并输出12V的电压信号。HMI接口15模块主要是菜单显示和键盘输入，起到人机交互的作用。总之整个两采样点无功算法控制器设计方案在控制快速和稳定的前提下与市场上已有的控制器比较有硬件简单明了，软件算法简单，成本低廉，性价比高的特点。[0062] 显然，本领域的技术人员可以对本实用新型的低压无功补偿晶闸管投切电容补偿装置进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若对本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
[0061]
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