可控串聯電容補償動態模擬裝置的制作方法

專利名稱：可控串聯電容補償動態模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種可控串聯電容補償動態模擬裝置，屬于電氣自動化設備技術領域。
可控串聯補償(以下簡稱可控串補)是屬于柔性交流輸電系統的一項重要技術，它是在常規固定串補的進一步發展。柔性交流輸電系統由美國電力科學研究院的N.G.Hingorani博士于1986年首先提出，是綜合電力電子、微處理機和微電子技術、通信技術和控制技術而形成的用于控制交流輸電的新技術領域。這個領域是當今國際電工技術發展最快、最熱門的前沿領域，是一個將對電力系統輸配電自動化產生重大影響的大型自動化技術領域。
可控串補作為該技術領域的一員，是電網經濟運行、大電網聯網、長距離輸電以及減輕電網對環境破壞的重要自動化技術。由于它的原理相對較清晰、結構較簡單，因此發展最快、應用最多，所以也就成為了這一領域最具工業價值的技術。
近年在美國和巴西投入運行的幾個可控串補裝置，都取得了良好的經濟效益和社會效益。1992年在美國西北電氣公司Kayenta站一套由德國西門子公司制造的可控串補裝置投入運行。該裝置將320km的230kv輸電線的輸電容量提高了100MW，不到三年時間，就收回了建設投資，取得了巨大的經濟效益。
但是，雖然在科技雜志上可以找到有關可控串補的基本原理的論述，但有關實際裝置的開發、裝置性能、關鍵技術與核心領域的內容都是西門子等相關國際大公司保密的要點，即沒有論文報道，也沒有申請相關專利。同時，由于這些大公司的技術壟斷，一套可控串補工業裝置價格高達幾千萬，十分昂貴。
本發明的目的是設計一種可控串聯電容補償動態模擬裝置，該裝置可以提供給其它科研院、所能夠深入地研究可控串補技術在增加系統阻尼、提高暫態穩定性、提高輸電線傳輸功率作用，進行各種動態模擬試驗。為這一技術在我國電力系統中應用提供基礎數據與設計經驗，為其它單位的研究提供良好的條件。也可以提供給其它大專院校進行各種教學試驗，演示可控串補裝置對電力系統性能的影響。
本發明設計的可控串聯電容補償動態模擬裝置，包括可控串補電路與可控串補控制系統，可控串補控制系統對可控串補電路進行控制；其中的可控串補電路由可控串補和固定串補兩個部分組成，固定串補與可控串補串聯后，與一個旁路保護開關并聯；其中的可控串補控制系統由一臺監控器、脈沖發生電路、共享存儲電路、觸發控制電路、同步電路、保護電路、模數轉換電路和采樣保持電路組成，脈沖發生電路根據來自監控器的指令，用同步電路得到同步信號作時序基準，產生與主回路可控硅電壓精確同步的觸發脈沖，傳遞給觸發控制電路，觸發控制電路將脈沖發生電路產生的觸發脈沖放大功率，形成驅動脈沖，驅動可控串補電路的晶閘管門極，調節裝置等效電感，同步電路通過測量主電路電容電壓或者線路電流的過零點，產生電壓/電流同步信號，傳遞給脈沖發生電路，作為觸發脈沖的時序基準，保護電路根據監控器的指令以及從主電路測量到的電壓、電流信號，判斷主電路是否出現過電壓、過電流，在故障時迅速發出信號，使可控串補電路的旁路保護開關跳閘，將整個裝置退出運行。
上述裝置的可控串補電路中，固定串補包括氧化鋅壓敏電阻和電容器，可控串補包括氧化鋅壓敏電阻、電容器、電感、兩個晶閘管、電壓傳感器和三個電流傳感器，其中兩個晶閘管互相反并聯，與電感串聯后，再與電容器、氧化鋅壓敏電阻并聯，電壓傳感器檢測電容器到大地的電壓，電流傳感器分別檢測電容支路、電感支路、輸電線支路的電流，固定串補與可控串補串聯后，與一個旁路保護開關并聯，整個裝置與輸電線串聯，接入電力系統。
上述裝置的觸發控制電路中，電阻R1、R2、光電隔離器U1進行光電隔離，與非門U2B疊加高頻脈沖，與非門U2A、U2C增強驅動能力，電阻R3、R4、三極管BG1、BG2、二極管D1放大輸出的功率。
上述裝置的同步電路中，電阻R1、電容C1降低輸入電壓，二極管D1、D2反并聯防止過電壓，電阻R2、R3、R4、放大器U1檢測信號過零點，電阻R5、R6、光電隔離器U2進行光電隔離。
上述裝置的保護電路中，觸發器U1接受保護啟動和復位信號，電阻R1、R2、發光二極管L1、三極管BG1指示是否為保護狀態，二極管D1、電阻R3、R4、R5、三極管BG2、繼電器J1放大功率，驅動可控串補電路旁路保護開關。
本發明設計的可控串聯電容補償動態模擬裝置，其主要性能指標如下1、額定電壓為720V，額定容量15Kvar。
2、高精度的脈沖發生器，驅動脈沖精度為0.1°。
3、保護域值可調的電壓、電流保護，確保裝置安全運行。
4、穩態基頻等效阻抗為3.6歐，最大阻抗7.2歐，即調節能力為2倍。
5、裝置采用模塊化設計，一次線路由三相可控串補模塊組成，各模塊有獨立的檢測、控制、保護和脈沖觸發電路。整體可靠性高，易于管理和維護。
6、監控器程序采用Visual C++開發的圖形界面，交互式改變控制模式和參數，多路實時顯示信號曲線。
7、采用不對稱分相控制算法，可以在系統不對稱時保證可控串補的可靠運行。
同時，可以用該裝置來研究包括不對稱故障等運行條件下，可控串補在暫態穩定方面的作用。
本發明的裝置將最新的電力電子技術應用引入了實驗室，能夠模擬安裝有現代電力電子裝置的大型交流電力系統運行。為在實驗室進一步研究電力電子技術、可控串補工業裝置的開發及其在電力系統應用提供了良好的基礎。


圖1是可控串補的原理圖。
圖2是可控串補調節模式的向量圖，其中圖2(a)為容性調節模式，圖2(b)為感性調節模式。
圖3是本發明設計的可控串聯電容補償動態模擬裝置的結構框圖。
圖4是本發明裝置中的可控串補電路圖。
圖5是可控串補觸發控制電路。
圖6是可控串補控制系統中的同步電路。
圖7是可控串補控制系統中的保護電路。
圖8是可控串補控制系統中的監控器工作流程圖。
下面結合附圖詳細介紹本發明的內容。
可控串聯電容補償技術是在已經很成熟的常規固定串補技術上發展起來的，是由常規固定串補電容器和晶閘管控制的電抗器并聯而成，具有常規固定串補電容器所無法比擬的一些優點。
如圖1所示，一對反并聯的晶閘管與電感串聯，再和串聯電容器并聯，就構成了可控串補的基本電路。
為了便于理解可控串補的各種運行模式，將晶閘管控制的電感支路看作一個可變電感，這樣可控串補電路就是一個串聯電容和一個可變電感相并聯。通過改變觸發角，可以控制晶閘管的開通情況，從而使可控串補分別工作在三種運行模式晶閘管阻斷模式，晶閘管旁路模式和調節模式。
1．晶閘管阻斷模式當晶閘管完全阻斷時，晶閘管支路相當于開路，可以看成一個電感值趨于無窮大的電感，此時全部電流通過電容器，可控串補的阻抗就等于電容的容抗。
2．晶閘管旁路模式當晶閘管持續導通時，晶閘管支路相當于小電感，大部分線路電流經晶閘管支路流過，可控串補的阻抗近似為小電感的感抗，可控串補工作在晶閘管旁路模式。
3．調節模式當晶閘管部分導通時，可控串補工作在調節模式，這又可以分為容性調節模式和感性調節模式。
當晶閘管較低程度地導通時，各電量的向量圖如圖2(a)，線路電流和電容電流同相位，可控串補中的環流增加了電容電流，從而提高了電容器上的電壓，可控串補裝置呈現比電容本身更大的容抗，這就是容性調節模式，也是可控串補正常工作的模式。改變晶閘管的觸發角，能靈活改變可控串補的容抗，因而靈活調節線路阻抗。
當晶閘管導通程度較高時，線路電流和晶閘管支路的電流同相位，各電量的向量圖如圖2(b)，可控串補裝置呈現感性，此時為感性調節模式。
通過調節可控串補工作于各種模式，使整個裝置等效的阻抗快速的改變，根據需要靈活的、大范圍的補償輸電線路的長度。因此，相對常規固定串補的規定補償方式，可控串補性能更加優越。同時，它還有下面一系列常規固定串補所沒有的優點靈活而平滑地控制線路輸送的功率；提高電力系統的安全穩定性；阻尼輸送功率振蕩；抑制次同步振蕩；減小故障時的短路電流等。
本發明設計的可控串聯電容補償動態模擬裝置包括可控串補控制系統和可控串補電路兩個部分，可控串補控制系統對可控串補電路進行控制，如圖3所示。可控串補電路部分與常規固定串補串聯后與一個旁路保護開關并聯，然后與輸電線串聯，接入電力系統，如圖4所示。下面，分別說明可控串補各個部分的結構與功能。
如圖3所示，可控串補控制系統主要包括一臺監控器、脈沖發生電路、共享存儲電路、觸發控制電路、同步電路、保護電路、模數轉換電路和采樣保持電路幾個部分。
監控器采用奔騰200工業微機，由自主開發的可控串補監控程序控制。監控器完成數據處理、數據查詢、參數計算、曲線繪制等功能，并協調控制系統其它部分完成32路模擬信號采集、裝置保護及實時控制等功能，監控器采用計算機自帶的標準擴展總線插槽(包括數據、地址與控制總線)與控制系統其它部分交換數據，發送各種控制命令。
脈沖發生電路、共享存儲電路、觸發控制電路和同步電路四個部分在監控器的協調下完成對可控串補電路的控制。通過總線插槽與監控器通信，執行監控器的各種指令。
脈沖發生電路是以8031單片機芯片為主體的應用電路，共享存儲電路是DS1609芯片為主體的應用電路，這兩部分電路的結構與原理都為公知公用技術。
脈沖發生電路根據從監控器的指令，用同步電路得到同步信號作時序基準，產生與主回路可控硅電壓精確同步的觸發脈沖，傳遞給觸發控制電路。
脈沖發生電路與監控器通過共享存儲電路通信，構成了一個多微機系統。由于系統是以標準擴展總線和共享存儲方式互聯，監控器與脈沖發生電路可以同時讀寫共享存儲電路，因而耦合程度高，通信速度快。
觸發控制電路如圖5所示，該電路將脈沖發生電路產生的觸發脈沖放大功率，形成驅動脈沖，驅動可控串補電路的晶閘管門極，調節裝置等效電感。
同步電路如圖6所示，它通過測量主電路電容電壓或者線路電流的過零點，產生電壓/電流同步信號，傳遞給脈沖發生電路，作為觸發脈沖的時序基準。
保護電路的電路原理如圖7所示。這個電路根據監控器的指令以及從主電路測量到的電壓、電流信號，判斷主電路是否出現過電壓、過電流，在故障時迅速發出信號，使可控串補電路的旁路保護開關跳閘，將整個裝置退出運行。
采樣保持電路和模數轉換電路在監控器的控制下共同完成對可控串補電路中電容對地電壓、電容電流、電感電流、輸電線電流信號的采集，為減少開發的工作量，采用了市場上很容易購買到的可以擦在監控器擴展總線插槽內的采樣保持卡與模數轉換卡，主電路的參數經過采樣保持和模數轉換卡轉變成數字信號，通過標準擴展總線送到監控器進行各種運算與處理。
可控串補電路由三相可控串補模塊組成，與固定串補模塊串聯，結構如圖4所示(單相圖)。通過改變它們中電容器組的接線方式，可以重新分配固定串補和可控串補兩個模塊中的電容值。從而改變裝置的等效電抗值，實現對輸電線路的多種補償度。
每相可控串補由電容器和可控電感并聯構成。電容器采用400V,15kVar(XC=10.7Ω，C=298μF)規格的單相干式電力電容器通過串、并聯來實現。晶閘管參數為額定電壓1000V，額定電流50A。電感L取4.63mH。為防止電感線圈過熱，在電感器下都加裝了風扇。在電容器兩端并聯氧化鋅壓敏電阻作為可控串補裝置的保護。
在可控串補電路中的輸電線、電容支路、電感支路，都安裝了電壓/電流傳感器，測量到的信號被送到控制系統進行處理；控制系統根據處理后的數據，依照電力系統安全與穩定的要求，發出各種控制指令，改變主電路的運行狀態。從而實現了裝置的自動運行。
可控串補監控器控制系統采用Visual C++5.0軟件開發，監控系統的運行平臺是奔騰200監視器，監控系統的結構如圖8，在監控系統主程序的控制下完成實時監控模塊、數據采集模塊、數據管理模塊、通信控制模塊。
調度人員從人機界面發出本地命令或者從遠方發出控制命令，監控系統主程序直接接受或者通過通信模塊接受這些命令，根據這些調度要求以及事先確定的控制方式，向各模塊發出相應的操作指令。
實時監控模塊根據指令可以通過計算機ISA標準總線接口向脈沖發生電路發出操作指令，完成繼電器控制、可控串補觸發、發電機電動機勵磁控制等功能。
數據采集模塊根據指令向采用保持電路與模數轉換電路發出操作指令，進行數據采集，同時將這些數據傳送給數據管理模塊。
數據管理模塊根據指令從數據采集模塊得到并且處理相應的數據，實現對實時數據和歷史數據的檢索和查詢，將相應數據以曲線的形式顯示出來，用戶可以非常方便地訪問相應數據。
通信控制模塊接受遠方的控制命令并傳遞給監控系統主程序，同時可以根據主程序的操作指令將數據庫管理模塊得到的數據傳遞給遠方其它設備。
權利要求
1.一種可控串聯電容補償動態模擬裝置，其特征在于該裝置包括可控串補電路與可控串補控制系統，可控串補控制系統對可控串補電路進行控制；其中的可控串補電路由可控串補和固定串補兩個部分組成，固定串補與可控串補串聯后，與一個旁路保護開關并聯；其中的可控串補控制系統由一臺監控器、脈沖發生電路、共享存儲電路、觸發控制電路、同步電路、保護電路、模數轉換電路和采樣保持電路組成，脈沖發生電路根據來自監控器的指令，用同步電路得到同步信號作時序基準，產生與主回路可控硅電壓精確同步的觸發脈沖，傳遞給觸發控制電路，觸發控制電路將脈沖發生電路產生的觸發脈沖放大功率，形成驅動脈沖，驅動可控串補電路的晶閘管門極，調節裝置等效電感，同步電路通過測量主電路電容電壓或者線路電流的過零點，產生電壓/電流同步信號，傳遞給脈沖發生電路，作為觸發脈沖的時序基準，保護電路根據監控器的指令以及從主電路測量到的電壓、電流信號，判斷主電路是否出現過電壓、過電流，在故障時迅速發出信號，使可控串補電路的旁路保護開關跳閘，將整個裝置退出運行。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于其中固定串補包括氧化鋅壓敏電阻和電容器，可控串補包括氧化鋅壓敏電阻、電容器、電感、兩個晶閘管、電壓傳感器和三個電流傳感器，其中兩個晶閘管互相反并聯，與電感串聯后，再與電容器、氧化鋅壓敏電阻并聯，電壓傳感器檢測電容器到大地的電壓，電流傳感器分別檢測電容支路、電感支路、輸電線支路的電流，固定串補與可控串補串聯后，與一個旁路保護開關并聯，整個裝置與輸電線串聯，接入電力系統。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于其中的觸發控制電路中，電阻R1、R2、光電隔離器U1進行光電隔離，與非門U2B疊加高頻脈沖，與非門U2A、U2C增強驅動能力，電阻R3、R4、三極管BG1、BG2、二極管D1放大輸出的功率。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于其中的同步電路中，電阻R1、電容C1降低輸入電壓，二極管D1、D2反并聯防止過電壓，電阻R2、R3、R4、放大器U1檢測信號過零點，電阻R5、R6、光電隔離器U2進行光電隔離。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于其中的保護電路中，觸發器U1接受保護啟動和復位信號，電阻R1、R2、發光二極管L1、三極管BG1指示是否為保護狀態，二極管D1、電阻R3、R4、R5、三極管BG2、繼電器J1放大功率，驅動可控串補電路旁路保護開關。
全文摘要
本發明涉及一種可控串聯電容補償動態模擬裝置,包括可控串補電路與可控串補控制系統,其中的可控串補控制系統中,脈沖發生電路產生與主回路可控硅電壓精確同步的觸發脈沖,觸發控制電路觸發脈沖放大功率,形成驅動脈沖,驅動可控串補電路的晶閘管門極,同步電路產生電壓/電流同步信號,傳遞給脈沖發生電路,保護電路在故障時迅速發出信號,將整個裝置退出運行。本裝置能夠模擬安裝有現代電力電子裝置的大型交流電力系統運行。
文檔編號H02J3/24GK1303159SQ0110394
公開日2001年7月11日 申請日期2001年2月16日 優先權日2001年2月16日
發明者葛俊, 郭春林, 耿俊成, 童陸園, 莫昕 申請人:清華大學