CN102810864A - 低压配网电能质量综合治理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及低压配电网中具有零序滤波、无功补偿、低压防雷功能的低压配网电能质量综合治理装置，包括零序滤波电抗器，通过连接变压器接入配电网，用于对配电网中产生的零序电流进行滤波；无功补偿模块，通过连接变压器接入配电网，用于对配电网中的无功功率进行补偿；以及，分别连接在变压器与大地之间、所述零序滤波电抗器与大地之间、所述无功补偿模块与大地之间的低压防雷模块，用于将雷电流泄入大地，保护配电网中设备不受雷电冲击。本发明降低了配电变压器和配电网线路的电能损耗，提高了配电网的电能质量，具有针对配电网无功变化的跟踪响应速度快、增强设备的可靠性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统电力电子技术领域，具体涉及低压配电网中具有零序滤波、无功补偿、低压防雷功能的低压配网电能质量综合治理装置。
技术背景
在低压配电网系统中，三相四线制供电方式是最主要的供电方式。随着城市化的快速发展，出现了大量的大型商厦和写字楼，在这些建筑中存在着大量的个人计算机等办公自动化设备、变频空调等家用电器、照明电源及不间断电源等。这些设备都会在电网中产生大量的零序谐波电流，即使它们的单台功率较小，但因其总数庞大，所带来的谐波污染是极其严重的。零序谐波电流，特别是三次谐波电流在中线上会相互叠加，使得中线电流中的谐波状况异常严重。电力系统谐波一方面使得中性线中的电流大大超过了它的设计值，造成中线故障；另一方面还会使得公用配电变压器噪声和有功损耗增加，加速绝缘老化，使故障隐患增大。电力系统谐波同时还会影响电网的电压质量，谐波电流流过系统阻抗时会产生谐波电压降，从而使电压波形发生畸变，进而影响其它用户的电力设备，并且谐波电流与各次谐波电压还会形成谐波有功和谐波无功，占用电力线路和电力设备的容量，降低供电系统的功率因素，同时随着电力电子技术发展和电力电子产品推广应用，配电网系统中不断出现大量谐波，对系统造成的危害逐年增加。
在配电网线路中安装无功补偿电容器是补偿无功功率的重要手段，其中用接触器投切电力电容器，去补偿用户无功功率，得到了普及。但是由于接触器投切电力电容器时，由于合闸涌流和关断过电压的存在，现在已经不合适宜了；并且在配电网线路中，由于谐波的存在，当谐波作用于电力电容器时，一方面，将造成电力电容器的谐波过电流、过电压和过负荷，引发电力电容器局部放电强度增大、绝缘老化、温度升高而过热，缩短电力电容器寿命和极板的机械谐波，导致电力电容器损坏；另一方面，电力电容器在谐波的作用下，将造成谐波谐振和谐波放大，给电网和电力电容器造成危害，进而降低了电力电子设备的使用寿命，严重时将毁坏整个电力电子设备。因此，在补偿电网无功功率的同时，抑制电网谐波也是无功补偿装置必需实现的一个重要功能。
另外，随着极端气候的频繁出现，雷电活动频繁，以及用户操作过电压等，低压配电网的二次防雷任务也相当重要。伴随雷电所产生的雷电电磁脉冲以及开关动作或接地短路等故障造成的过电压、过电流对电子设备将产生严重的危害。这也说明，单靠传统的避雷针、避雷带等外部避雷设施已不足以防护雷电、操作过电压对电子设备的冲击。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种集成零序滤波、无功补偿、低压防雷三大功能为一体，将注入低压配网系统侧的零序谐波电流最大限度减小，并能够针对配电网无功变化的跟踪快速响应，实现实时动态无功补偿，同时通过结合二次防雷技术提高低压配电网中的各类装置可靠性，优化配电网的电能质量的低压配网电能质量综合治理装置。
为了实现上述目的，本发明提供的低压配网电能质量综合治理装置，包括零序滤波电抗器，通过连接变压器接入配电网，用于对配电网中产生的零序电流进行滤波；无功补偿模块，通过连接变压器接入配电网，用于对配电网中的无功功率进行补偿；以及，分别连接在变压器与大地之间、所述零序滤波电抗器与大地之间、所述无功补偿模块与大地之间的低压防雷模块，用于将雷电流泄入大地，保护配电网中设备不受雷电冲击。
进一步地，所述零序滤波电抗器包括三根平行设置的铁心柱，所述三根铁心柱在空间中呈品字形布置，三根铁心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形，每根铁心柱上设有两组匝数相同的绕组，三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性连接。
进一步地，所述无功补偿模块包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器，以及控制器、二极管、可控硅和电容器组，所述电流互感器的一次侧与配电网输电线路连接，所述电流互感器的二次侧与控制器，所述控制器与可控硅的触发端连接，所述可控硅与二极管反向并联，所述电容器组与所述二极管的阴极连接。
再进一步地，所述控制器包括测量单元、同步触发单元和推动单元，所述测量单元的输入端与电流互感器的二次侧连接，所述测量单元的输出端与同步触发单元的输入端连接，所述同步触发单元的输出端与推动单元的输入端连接，所述推动单元的输出端与可控硅的触发端连接。
更进一步地，所述测量单元包括与所述电流互感器的二次侧连接输出端连接的运算放大器、与运算放大器输出端连接的编码器，所述编码器的输出端连接同步触发单元，所述推动单元包括与同步触发单元输出端相连接的光耦合器、与光耦合器输出端相连接的脉冲变压器，所述脉冲变压器的输出端与可控硅的触发端连接。
优选地，所述低压防雷模块为三相电源电涌保护器。
本发明所述的三根铁心柱的两组绕组顺次反极性连接，是指A、B、C三根铁心柱中，A根铁心柱上的两组绕组A1、A2，B根铁心柱上的两组绕组B1、B2，C根铁心柱上的两组绕组C1、C2，其中：A1的负极与B2的正极连接，B1的负极与C2的正极连接，C1的负极与A2的正极连接。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、本发明提供的零序滤波电抗器基于曲折移相零序滤波的设计思路，不仅保留了无源滤波器投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，而且使零序滤波特性不受电网参数影响、对其它谐波产生无放大作用、避免了失谐问题，具有成本低廉、工作可靠、过载能力强的优点。
2、本发明提供的零序滤波电抗器实现了基波零序的低阻通道，对单相负载造成的严重不平衡具有明显的负载平衡作用，同时降低了配变和配电网线路的电能损耗，提高了配电网的电能质量。
3、本发明提供的无功补偿模块具有高可靠性、无触点的结构特点，避免了因投切过程涌流大、操作过电压高，接触器触头烧损严重弊病，具有使用寿命长，安全可靠性的优点。
4、本发明提供的无功补偿模块，通过采样配电网上的无功电流，能实时跟踪无功电流以快速自动投切电容器，相应速度快。
5、本发明提供的低压防雷模块，通过二次防雷，极大地提高了零序滤波装置和无功补偿装置的可靠性，实现无触点、无涌流、无电弧、无操作过电压的特性，具有降低电损、改善供电质量的优点。
本装置适用于低压10KV配电网，能够有效改善配电网供电的电能质量，提高配电网供电效率。
附图说明
图1是本发明低压配网电能质量综合治理装置的原理图；
图2是本发明零序滤波电抗器（1）的原理图；
图3是本发明零序滤波电抗器（4）的结构图；
图4是本发明无功补偿模块（2）的接入低压配电网的原理图；
图5是本发明无功补偿模块（2）的电路原理图；
图6是本发明控制器（6）的原理框图；
图7是本发明控制器（6）的测量单元（6.1）的电路原理图；
图8是本发明控制器（6）的同步触发单元（6.2）的电路原理图；
图9是本发明控制器（6）的推动模块单元（6.3）的电路原理图；
图10是本发明控制器（6）投切电容器（9）的波形图；
图11是本发明低压防雷模块（3）的原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所示的低压配网电能质量综合治理装置，包括零序滤波电抗器1、无功补偿模块2和低压防雷模块3，其中，零序滤波电抗器1通过连接变压器11接入配电网，用于对配电网中产生的零序电流进行滤波；无功补偿模块2，通过连接变压器11接入配电网，用于对配电网中的无功功率进行补偿；在变压器11与大地之间、零序滤波电抗器1与大地之间、无功补偿模块2与大地之间分别连接低压防雷模块3，用于将雷电流泄入大地，保护配电网中设备不受雷电冲击。
零序滤波电抗器1包括三根平行设置的铁心柱，如图2所示，三根铁心柱在空间中呈品字形布置，三根铁心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形，每根铁心柱上设有两组匝数相同的绕组，铁芯采用了导磁性能好、涡流损耗小的材料，绕组线圈采用扁铜线绕制，三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性连接，其结构如图3所示（图3中箭头表示零序电流的方向），三相绕组并联在配电网的三相交流电路中，对配电网中负载产生的基波不平衡、三倍频高次谐波电流及配电网中的其它零序电流进行滤波。
零序滤波电抗器1的工作原理如图2所示，当零序滤波电抗器1接入电路，由于零序电流矢量总是大小相等、方向相同，当零序谐波电流通过零序滤波电抗器1时，一个线圈在一个心柱内产生的零序磁通将被绕在同一个心柱上的另外一个线圈产生的零序磁通抵消，这就使得装置呈现出的零序阻抗很小，因此零序滤波电抗器1的零序阻抗基本等于绕组的电阻非常小，零序滤波电抗器1可引导负载的零序谐波电流就近形成回路以避免注入系统，扩大影响范围。
参阅图5所示，无功补偿模块2包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器12，以及控制器6、二极管7、可控硅8和电容器组9，电流互感器12的一次侧与配电网输电线路连接，电流互感器12的二次侧与控制器6，控制器6与可控硅8的触发端连接，可控硅8与二极管7反向并联，电容器组9与二极管7的阴极连接。
无功补偿模块2接入低压配电网的原理如图4所示，无功补偿模块2通过电流互感器12跟踪配电网系统的无功电流，将其传输到控制器6，控制器6实时动态的快速自动投切电容器，对系统无功功率进行补偿，而且在投切电容器组9时能够做到响应快，极短小过渡过程，可靠性高，无涌流和过电压。无功补偿模块2采用全数字紧凑型装置，主要针对低压如380V交流配电网，装在配电变压器低压侧，根据无功电流的变化按权重可编码设定自动投切电容器组9，对用户侧进行三相无功补偿，直至变压器最大负荷时其高压侧功率因数不低于0.9。
控制器6为全硬件设计，抗干扰能力强，极稳定，包括测量单元6.1、同步触发单元6.2和推动单元6.3（其原理分别参阅图7、图8、图9），测量单元6.1的输入端与电流互感器12的二次侧连接，测量单元6.1的输出端与同步触发单元6.2的输入端连接，同步触发单元6.2的输出端与推动单元6.3的输入端连接，推动单元6.3的输出端与可控硅8的触发端连接。
测量单元6.1包括与电流互感器12的二次侧连接输出端连接的运算放大器6.1.1、与运算放大器6.1.1输出端连接的编码器6.1.2，编码器6.1.2的输出端连接同步触发单元6.2，测量单元6.1通过电流互感器12采集配电网系统无功电流数据，并进行编码，将编码的数据发送给同步触发单元6.2，推动单元6.3包括与同步触发单元6.2输出端相连接的光耦合器6.3.1、与光耦合器6.3.1输出端相连接的脉冲变压器6.3.2，脉冲变压器6.3.2的输出端与可控硅8的触发端连接，同步触发单元6.2将编码的数据进行处理，产生A、B、C三相在相应可控硅两端电压为零时刻的同步信号，并将此同步信号发送给推动单元6.3。推动单元6.3将接收的同步信号经过光耦合器6.3.1处理后，将信号发送给脉冲变压器6.3.2，通过脉冲变压器6.3.2发出触发脉冲至可控硅8的触发端。
无功补偿模块2的工作过程中 ，流过电力电容器的电流Ic及加在电力电容器两端的电压Vc如图10所示，电流超前电压90°。显然，在电容器一端加上一电力电子开关，只要它足够快，只有在电流为零的时刻投切电容，才可能作到无涌流，也即在图10中电压周期中的90°及270°的时刻。此时，如图10所示，如果电容器是放完电的状态，也即此开关的一端接电容，是零电压；另一端接电源，此时是交流电的峰值电压。由于开关两端电压不为零，如果接通则有极大涌流。本控制器采用组合固体开关投切电力电容器，通过将电力电容器进行预充电或者预放电，可以消除合闸涌流及关断过电压。组合固体开关由一个二极管7、一个可控硅8和一个控制器6组成，二极管7与可控硅8反向并联，在控制器6未加触发脉冲时，可控硅8关断，二极管7是处于充电状态，电容器组9通过二极管7被预充电至系统电压，造成可控硅8导通前两端电压差为0。当控制器6跟踪无功电流决定进行补偿时，触发脉冲的起点位于可控硅8两端电压差为0的时刻，脉冲周期与电网电压一致，并联电容投入电网，输出无功。补偿完毕，停止触发，则在电流为0时，可控硅8自然关断，电容器组9重新充电，准备下次补偿。无功补偿模块2直接采样无功电流，而非功率因数，故能实时跟踪无功电流以快速自动投切电容器；在双零状态时投切电容器，在投切电容器时做到响应快—极短过渡过程，可靠性高，无涌流和过电压，消除了过载的可能。
由无功补偿原理可知，在得到开信号，接通的延时不会超过一个周波；关断时也不会超过一个周波。也就是说控制可控硅8关断的开关速度小于20ms，进一步给无功补偿模块2的测量和控制带来了极大的变化。
如图11所示，低压防雷模块3采用三相电源电涌保护器10可保证在遭受系统过电压和雷击时能有效保护用户电源和低压配电网电能质量治理装置；同时，在配电网系统电源有较大谐波分量时，防雷系统不会发生误动作。
本发明通过零序滤波器1实现了基波零序的低阻通道，对单相负载造成的严重不平衡具有明显的负载平衡作用，同时降低了配电变压器和配电网线路的电能损耗，提高了配电网的电能质量；无功补偿模块2采用高可靠性的无触点低压配电网动态无功补偿技术，克服了以往采用交流接触器投切电容器组，投切过程涌流大，操作过电压高，接触器触头烧损严重等弊病，同时针对配电网无功变化的跟踪响应速度快；低压防雷模块3作为配电网中的二次防雷，保护用户电源安全，减少用电纠纷，同时兼顾提高零序滤波器1和无功补偿模块2的过电压防护水平，增强设备的可靠性，从而达到了有效降低电损、改善供电质量的目的。
Claims (6)
1.一种低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：包括
零序滤波电抗器（1），通过连接变压器（11）接入配电网，用于对配电网中产生的零序电流进行滤波；
无功补偿模块（2），通过连接变压器（11）接入配电网，用于对配电网中的无功功率进行补偿；
以及，分别连接在变压器（11）与大地之间、所述零序滤波电抗器（1）与大地之间、所述无功补偿模块（2）与大地之间的低压防雷模块（3），用于将雷电流泄入大地，保护配电网中设备不受雷电冲击。
2.根据权利要求1所述的低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述零序滤波电抗器（1）包括三根平行设置的铁心柱，所述三根铁心柱在空间中呈品字形布置，三根铁心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形，每根铁心柱上设有两组匝数相同的绕组，三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性连接。
3.根据权利要求1或2所述的低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述无功补偿模块（2）包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器（12），以及控制器（6）、二极管（7）、可控硅（8）和电容器组（9），所述电流互感器（12）的一次侧与配电网输电线路连接，所述电流互感器（12）的二次侧与控制器（6），所述控制器（6）与可控硅（8）的触发端连接，所述可控硅（8）与二极管（7）反向并联，所述电容器组（9）与所述二极管（7）的阴极连接。
4.根据权利要求3所述的低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述控制器（6）包括测量单元（6.1）、同步触发单元（6.2）和推动单元（6.3），所述测量单元（6.1）的输入端与电流互感器（12）的二次侧连接，所述测量单元（6.1）的输出端与同步触发单元（6.2）的输入端连接，所述同步触发单元（6.2）的输出端与推动单元（6.3）的输入端连接，所述推动单元（6.3）的输出端与可控硅（8）的触发端连接。
5.根据权利要求4所述的低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述测量单元（6.1）包括与所述电流互感器（12）的二次侧连接输出端连接的运算放大器（6.1.1）、与运算放大器（6.1.1）输出端连接的编码器（6.1.2），所述编码器（6.1.2）的输出端连接同步触发单元（6.2），所述推动单元（6.3）包括与同步触发单元（6.2）输出端相连接的光耦合器（6.3.1）、与光耦合器（6.3.1）输出端相连接的脉冲变压器（6.3.2），所述脉冲变压器（6.3.2）的输出端与可控硅（8）的触发端连接。
6.根据权利要求1或2所述的低压配网电能质量综合治理装置，其特征在于：所述低压防雷模块（3）为三相电源电涌保护器（10）。
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