CN103840469A

CN103840469A - 一种单相节电器及其控制方法

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Publication number: CN103840469A
Application number: CN201210472419.8A
Authority: CN
Inventors: 李木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明涉及一种节电器，尤其涉及一种兼具静止无功发生与有源滤波功能的单相节电器及其控制方法。本发明的单相节电器包括主控部分、节电变流电路、检测电路，各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分，各组成部分彼此分别电气连接，节电变流电路交流侧与单相交流负载直接并行电气连接或经隔离变压器间接并行电气连接。该系统的控制方法为：节电变流电路通过实时检测负载侧电能参数，提供与之匹配的无功功率，同时对负载产生的谐波进行滤除。本发明既能提高电力传输线路上的功率因数，还能滤除负载产生的谐波、优化电能质量，因此可以降低能量的损耗达到节电的目的。

Description

一种单相节电器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种节电器，尤其涉及一种单相节电器及其控制方法。

背景技术

随着现代工业的发展，全球电力能源的需求逐年增长，而随之而来的是产生电能的不可再生资源频频告急，价格也不断攀升，能源的节省是摆在人类面前的关乎子孙万代的重要课题。

当今，电力负载中有为数不少的以电动机为代表的感性负载，这类负载在工作时，电网不仅仅提供有功功率，还必须同时提供一定量的无功功率，这就导致了网侧功率因数的降低，这种情况大大降低了能量在电网中的传输效率，并且因为负载在高电压大电流的状态下长时间运行，增加了电能在传输过程中的损耗，也降低了用电设备的使用寿命。

除了上述弊端之外，当今的大量负载都会产生各种谐波，这些谐波不仅降低系统的使用寿命，还使电能的损耗大幅增加，甚至影响一些高精密仪器、设备的正常工作。

现在，在很多功率因数不高、谐波污染严重的用电场合，电力供应部门都给予惩罚性电价，用户在高昂电费的压力之下多采用如下方案：

1. 采用电容器、TSC、SVC、SVG等独立的无功补偿装置；

2. 采用独立的滤波装置；

3. 同时采用彼此独立的无功补偿装置与滤波装置。

上述第1种和第2种“头痛医头，脚痛医脚”的方案都没有完全解决能源浪费的问题，常常发现：在补偿无功时发现谐波含量大幅增加；滤波时发现功率因数大幅降低。

第3种方案中，无功补偿装置与滤波装置彼此独立，设计之初往往借鉴于历史运行数据，把无功消耗的最大值作为无功补偿装置的最小容量；谐波功率的最大值作为滤波装置的最小容量，这使得两种彼此独立的节电装置长期处于容量浪费的境地，过高的组合造价使用户望而却步。更严重的情况在于，运行时常常发生无功补偿装置向滤波装置注入谐波、滤波装置产生无功消耗等现象，功能上互有抵消，使得整个节电效果大打折扣。

发明内容

本发明的单相节电器，能克服上述缺点，把静止无功发生与有源滤波的功能有机结合在一个电力电子变流装置中，无功发生与谐波滤除在功能容量上动态调节分配，使电能得到节省的同时，大幅降低节电系统本身的制造成本。

本发明的单相节电器包括主控部分、节电变流电路、检测电路，各组成部分彼此分别电气连接，其中节电变流电路交流侧与单相交流负载直接并行电气连接或经隔离变压器间接并行电气连接，各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分。

本发明的主控部分包含微处理器、微控制器中的一种或多种，负责整个系统的信息采集、分析处理、决策输出等核心任务，是整个节电器的控制核心。其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

节电变流电路包含若干个变流桥臂或集成功率模块。

对于包含变流桥臂的情况：每个桥臂由多个全控开关器件串联构成，每个全控开关器件都反并联一个续流二极管。该全控开关器件指既能控制开通又能控制关断的电力电子开关器件，类型包括但不限于晶体管、IGBT、MOSFET、IGCT、IEGT、GTO、SET。

对于包含集成功率模块的情况：集成功率模块的类型包括但不限于IPM功率模块。

本发明的检测电路包括但不限于：位于节电变流电路与交流负载的并行联接点与电网之间的一个或多个电流传感器、位于负载与电网之间的一个或多个电压传感器。

节电变流电路采用的拓扑结构的电平数为2或大于2的奇数，其中大于2的奇数个电平的拓扑结构的类型包括但不限于单元级联型、飞跨电容型、二极管嵌位型。

本发明的节电器可具有静止无功发生的功能，采用控制方法如下：通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率以及无功功率，通过控制实现：电网只提供负载需求的有功功率；节电变流电路提供负载需求的无功功率。

本发明的节电器可具备有源滤波的功能，采用控制方法如下：通过检测电路实时获得负载侧电流的瞬时值，经分析计算可得负载电流中所含的各次谐波的频率、幅值及相位等参数，通过控制使节电变流电路发出与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波，抑制波与谐波相抵消，从而实现了对谐波的滤除。

本发明的节电器还可同时具有静止无功发生与有源滤波的功能，采用控制方法如下：通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，通过控制实现：电网只提供负载需求的有功功率；节电变流电路向负载发出无功功率以及与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的各次抑制波，这样就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除。并且，在主控部分的实时调节下，对于无功发生功能与滤波功能的实现，在节电变流电路的容量上按预先设定的权重动态调节分配，使电能得到节省的同时，大幅降低了节电系统的装设容量，节省了用户投入资金。

另外，在电网侧电压波动较大时，本发明的单相节电器依然能够实现无功补偿与谐波滤除两种功能。

附图说明

图1为本发明实施例的一次侧电气结构示意图。

图2为本发明实施例的检测与驱动电路功能结构示意图。

图3为本发明实施例的主控部分电路原理图。

图4为本发明实施例的三电平节电变流电路原理图。

具体实施方式

以下实施例属于本发明具体形式中的一种，给出的目的是更详细的描述本发明，而不是限制本发明的范围，也不是限定本发明的应用形式。

本实施例如图1～图4所示。

本实施例包括主控部分、节电变流电路、检测电路，各组成部分彼此分别电气连接，其中节电变流电路交流侧与单相交流负载直接并行电气连接。本实施例的一次侧电气结构示意图如图1所示。

本实施例的检测电路包括：位于节电变流电路与交流负载的并行联接点与电网之间的1个电流传感器、位于负载与电网之间的1个电压传感器。本实施例的检测与驱动电路功能结构示意图如图2所示。

本实施例的主控部分电路原理图如图3所示，U1是微控制器，对系统的运行进行精确控制，并对传感器数据进行实时分析并决策；U17是为微控制器提供精准时钟的晶体振荡器；U11是用于存储数据的存储器；主控部分通过J11、J12、J13、J15、J20、J21、J31、J32、J45等端口分别与外部功能模块进行信息交换，其中J11为开关量输入端口，包含但不限于系统发出的过压保护、欠压保护、过流保护、过温保护、超载等开关量信息；J12为开关量输出接口，主控部分的开关量控制信息经此端口发出；J13为串行通信接口；J15是微控制器编程接口；J21是用于并行通信的数据/地址总线接口；J31是SPI通信接口；J32是SCI通信接口；J45是网络通信接口；微控制器精确计算出实时脉宽信息，并经J20接口输出PWM脉冲。

本实施例的节电变流电路原理图如图4所示，该节能变流电路采用单相两电平的拓扑结构，含有两个结构完全相同的变流桥臂，每个变流桥臂由两组并联有续流二极管的IGBT串联而成，该节能变流电路交流侧串联有电抗Ls，直流侧并联有支撑电容Cd11。

本实施例同时具有静止无功发生与有源滤波的功能。在电网侧单相电压波动较大时，依然能够实现无功补偿与谐波滤除两种功能。本实施例采用具体控制方法如下：检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，发送给主控部分，主控部分经计算分析可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，按预先设定的权重动态调节分配节电器的有限容量，执行如下具体控制策略：

1.电网只提供负载需求的有功功率；

2.节电变流电路向负载发出与之匹配的无功功率；

3.节电变流电路向负载发出与检测到的各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波。

这样，本实施例就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除，既实现了能量利用率的明显提高，又让损耗大幅降低，并使谐波的污染得到根本抑制，还延长了系统的使用寿命。

更显著的优势在于：本实施例在一个单相桥式电路中实现了无功发生与滤波功能的有机组合，二者在容量分配上由主控部分统一调度，按预先设定的权重动态分配节电器的有限容量，使电能得到节省的同时，大幅降低了节电系统的装设容量，减少了节电器的装设成本，节省了用户的资金投入。

本发明在节能减排领域具有较高的推广价值。

Claims

1.一种单相节电器，其特征在于：包括主控部分、节电变流电路、检测电路，各组成部分彼此分别电气连接，节电变流电路交流侧与单相交流负载直接并行电气连接或经隔离变压器间接并行电气连接，各组成部分在功能或结构上可以合并或拆分。

2.根据权利要求1所述的单相节电器，其特征在于主控部分包含微处理器、微控制器中的一种或多种，其中微控制器的类型包括但不限于单片机、DSP、CPLD、FPGA、PLC。

3.根据权利要求2所述的单相节电器，其特征在于节电变流电路包含若干个变流桥臂或集成功率模块，对于包含变流桥臂的情况，每个桥臂由多个全控开关器件串联构成，每个全控开关器件都反并联一个续流二极管，该全控开关器件指既能控制开通又能控制关断的电力电子开关器件，类型包括但不限于晶体管、IGBT、MOSFET、IGCT、IEGT、GTO、SET；对于包含集成功率模块的情况，集成功率模块的类型包括但不限于IPM功率模块。

4.根据权利要求3所述的单相节电器，其特征在于检测电路包括但不限于：位于节电变流电路与交流负载的并行联接点与电网之间的电流传感器、位于负载与电网之间的电压传感器。

5.根据权利要求4所述的单相节电器，其特征在于节电变流电路采用的拓扑结构的电平数为2或大于2的奇数，其中大于2的奇数个电平的拓扑结构的类型包括但不限于单元级联型、飞跨电容型、二极管嵌位型。

6.根据权利要求5所述的单相节电器，其特征在于包含静止无功发生功能，采用的控制方法为：通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率以及无功功率，通过控制实现节电变流电路提供负载需求的无功功率，电网只提供负载需求的有功功率。

7.根据权利要求5所述的单相节电器，其特征在于包含有源滤波功能，采用的控制方法为：通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载电流中所含的各次谐波的频率、幅值及相位等参数，通过控制使节电变流电路发出与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波，抑制波与谐波相抵消，从而实现了对谐波的滤除。

8.根据权利要求5所述的单相节电器，其特征在于同时具有静止无功发生与有源滤波的功能，采用的控制方法为：通过检测电路实时获得负载侧电压、电流的瞬时值，经分析计算可得负载实时需求的有功功率、无功功率以及负载电流中各次谐波的含量及其特性参数，通过控制实现：电网只提供负载需求的有功功率；节电变流电路向负载发出无功功率以及与各次电流谐波频率、幅值相等但相位相反的抑制波，这样就同时实现了无功功率的补偿与谐波的滤除。

9.根据权利要求1～权利要求8所述的单相节电器，其特征在于：在电网侧电压波动较大时，该节电器依然能够实现无功补偿与谐波滤除两种功能。