CN104600723A - 一种电能质量调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能质量调节系统，包括有源滤波器、动态无功补偿装置和晶闸管电容器投切装置，以及位于三相电源线的用户负载侧的调压器，以及位于三相电源线的电网侧的有载调容变压器，所述晶闸管电容器投切装置上设有N组电容器；所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别连接所述三相电源线；所述有源滤波器上设有主控制器，所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别通过CAN总线连接所述主控器，所述主控制器与三相电源线的电网侧之间设有电压测量互感器和电流测量互感器。

Description

一种电能质量调节系统

技术领域

本发明涉及电力电子领域的一种电能质量调节系统。

背景技术

目前，低压配电系统中用于改善电能质量的智能装置主要包括：动态无功补偿装置、用于静止无功补偿的晶闸管电容器投切装置、谐波治理装置、三相负载不平衡补偿装置、调压器等。

无功补偿方面，用于静止无功补偿的晶闸管电容器投切装置，补偿速度慢、冲击大、补偿精度差、欠补和过补严重、阶梯式补偿、智能性差。而动态无功补偿器SVG的成本和功耗偏高，并且无法在三相电源线上依据用户负载的情况，按最大值分别配置谐波和无功的治理容量，造成了容量浪费。

在低压电网三相四线系统中的，三相电源线上，用户负载分配不均匀问题，三相负载不平衡补偿装置可以使低压配电系统中性线电流减小到零，同时三相四线系统相电流基本平衡。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种电能质量调节系统，其能保证在对三相电源线的电流进行精确的无功补偿的情况下，实现对于三相电源上谐波的治理。

实现上述目的一种技术方案是：一种电能质量调节系统，包括有源滤波器、动态无功补偿装置和晶闸管电容器投切装置，以及位于三相电源线的用户负载侧的调压器，以及位于三相电源线的电网侧的有载调容变压器，所述晶闸管电容器投切装置上设有N组电容器；

所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别连接所述三相电源线；

所述有源滤波器上设有主控制器，所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别通过CAN总线连接所述主控器，所述主控制器与三相电源线的电网侧之间设有电压测量互感器和电流测量互感器。

进一步的，其还包括三相负载不平衡补偿装置，所述三相负载不平衡补偿装置连接三相电源线，并通过CAN总线连接所述有源滤波器上的主控制器。

再进一步的，所述动态无功补偿装置2通过改变其输出以使三相电源线上的电压和电流到达稳定工作点后，仅对三相电源线上的电压进行无功平滑动态调节。

再进一步的，若三相电源线上的无功需求范围为[-Q_Cmax,Q_Lmax]，其中Q_Cmax，Q_Lmax分别表示所需的最大容性无功和最大感性无功，且Q_Cmax大于Q_Lmax，所述动态无功补偿装置的容量为Q_STATmax，所述晶闸管电容器投切装置的容量为Q_SVCmax*N，所述晶闸管电容器中每组电容器的容量为Q_SVCmax，则所述晶闸管电容器投切装置的投入容量为：

((Q_Cmax+Q_Lmax)/Q_SVCmax)×Q_SVCmax，

所述动态无功补偿装置2的投入的容量为：

(Q_Cmax+Q_Lmax)-((Q_Cmax+Q_Lmax)/Q_SVCmax)×Q_SVCmax。

再进一步的，所述有源滤波器上的主控制器，根据三相电源线上电流和电压，确定所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置的投切时序和时刻，以减小所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置投切对于三相电源线上电流和电压的扰动。

再进一步的所述有源滤波器上的主控制器监测所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置的运行时间。

再进一步的，所述有源滤波器上的主控制器在所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置中任意一个发生故障时将其隔离。

采用了本发明的一种电能质量调节系统的技术方案，包括有源滤波器、动态无功补偿装置和晶闸管电容器投切装置，以及位于三相电源线的用户负载侧的调压器，以及位于三相电源线的电网侧的有载调容变压器，所述晶闸管电容器投切装置上设有N组电容器；所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别连接所述三相电源线；所述有源滤波器上设有主控制器，所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别通过CAN总线连接所述主控器，所述主控制器与三相电源线的电网侧之间设有电压测量互感器和电流测量互感器。其技术效果是：其能保证在对三相电源线的电流进行精确的无功补偿的情况下，实现对于三相电源上谐波的治理。

附图说明

图1为本发明的一种电能质量调节系统的结构示意图。

图2为本发明的一种电能质量调节系统的瞬时无功功率和瞬时有功功率计算示意图。

图3为本发明的一种电能质量调节系统的无功补偿和谐波滤除策略示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

本发明的一种电能质量调节系统包括如下组成部分：

集成了主控制器的有源滤波器1，简称APF，动态无功补偿装置2，简称SVG；用于静止无功补偿的晶闸管电容器投切装置3，简称TSC；以及三相负载不平衡补偿装置4，以及对三相电源线的用户负载的出线电压进行动态精准调节的调压器5。其中，有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3以及三相负载不平衡补偿装置4分别连接三相电源线，动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3以及三相负载不平衡补偿装置4分别通过CAN总线连接有源滤波器1上的主控制器。三相电源线的电网侧设有有载调容变压器6。

本发明的一种电能质量调节系统包括有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4和调压器5。有源滤波器1上的主控制器为最高级别控制单元，协调有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4，控制电能质量调节系统中所有有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4和调压器5通过CAN总线和有源滤波器上1上的主控制器交换信息，有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4和调压器5的投入或切除、输出容量的大小和时序都通过所述主控制器下发指令协调完成。有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4和调压器5的投切时序，可有多种组合方式，可以最大限度的满足不同现场的不同需求，达到系统配置的最优化。

对于谐波影响比较大的工作场合，优先考虑谐波的治理。谐波的治理主要由有源滤波器1来完成，在完成谐波治理的前提下，有源滤波器1的剩余的容量可以协助动态无功补偿装置2完成快速无功补偿。

对于小容量无功波动比较频繁的工作场合，系统优先考虑快速动态无功补偿，快速动态无功补偿主要由动态无功补偿装置2来完成，同时分配有源滤波器1的一定容量用于快速动态无功补偿。

对于无功比较大，功率因数比较低的工作场合，系统优先考虑大容量、静止无功补偿设备，即晶闸管电容器投切装置3。配备有源滤波器1和动态无功补偿装置2。

对于主要考虑谐波治理，同时伴有小容量的三相负载不平衡的工作场合，可以不安装单独的三相负载不平衡补偿装置4，由有源滤波器1分配一定的容量，来完成三相负载不平衡的补偿。

对于谐波、快速无功波动、三相负载不平衡都比较严重的工作场合，需要整体考虑有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4和调压器5的容量，优化设计运行参数。有源滤波器1在保证谐波治理的前提下，冗余容量可以灵活的用于快速动态无功补偿或三相负载不平衡补偿。

本发明的一种电能质量调节系统，无功补偿和谐波治理控制策略为：

有源滤波器1的主控制器与三相电源线的电网侧之间设有电压测量互感器和电流测量互感器，有源滤波器1的主控制器通过电压测量互感器和电流测量互感器，测量经过有载调容变压器6变压后的瞬时电流和电压，使用瞬时功率计算法，计算三相电源线上的瞬时无功功率和瞬时谐波。公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{af}}\\ i_{\mathrm{bf}}\\ i_{\mathrm{cf}}\end{array}\right]={C_{\mathrm{\α\β}}}^T{D_{\mathrm{\α\β}}}^{-1}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{P}\\ \stackrel{\‾}{q}\end{array}\right]=\frac{1}{u_{\mathrm{\α}}^2+u_{\mathrm{\β}}^2}\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{u}_{\mathrm{\α}}& u_{\mathrm{\β}}\\ u_{\mathrm{\β}}& {-u}_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{p}\\ \stackrel{\‾}{q}\end{array}\right]$

其中，i_af、i_bf、i_cf为三相电源线上的瞬时电流，和为有源滤波器1滤波后的瞬时有功功率和瞬时无功功率，u_α和u_β为经过αβ变换后瞬时电压在α和β轴上的分量_，i_α和i_β在为经过αβ变换后瞬时电流在α和β轴上的分量，i_a、i_b和i_c为三线电源线上的瞬时电流，u_a、u_b和u_c为三线电源线上的瞬时电压，p和q为有源滤波器1滤波前的无功功率和有功功率。为相位角，E为电压，I为电流，如图2所示。

动态无功补偿装置2在其可调范围内，可看作一个快速可控的无功源，不但可对接入点电压进行稳态调整，还可以抵消晶闸管电容器投切装置3扰动导致的快速和偶然电压波动，改善电网动态性能，所以本系统的基本策略为：允许动态无功补偿装置2快速改变其输出以应付可能的暂态扰动，提高系统动态性能，但当扰动导致电网进入新的稳定工作点后，动态无功补偿装置2不再承担大部分的无功需求输出，动态无功补偿装置2仅进行小部分无功平滑动态调节，以确保动态无功补偿装置2的动态可控无功容量得以储备。

图3中，线Ⅰ代表晶闸管电容器投切装置3的补偿曲线,线Ⅱ代表动态无功补偿装置2的补偿曲线,线Ⅲ代表负载的变化曲线。ΔU代表补偿前后有功电压的变化。

设某电网节点的无功需求范围为[-Q_Cmax,Q_Lmax]，其中Q_Cmax，Q_Lmax分别表示所需的最大容性无功和最大感性无功，且它们不相等，电网中实际情况多为Q_Cmax大于Q_Lmax，本发明的一种电能质量调节系统中，动态无功补偿装置2的容量为Q_STATmax，晶闸管电容器投切装置3的容量为Q_SVCmax×N，即晶闸管电容器投切装置3上设有N组电容器，每组电容器的容量为Q_SVCmax，则晶闸管电容器投切装置3的投入容量为：

动态无功补偿装置2的投入的容量为：

当电网无功需求瞬间发生重大变化时，有源滤波器1上的主控制器首先通过CAN总线启动动态无功补偿装置2进行补偿，然后逐步投入晶闸管电容器投切装置3，最终使动态无功补偿装置2进行无功补偿的容量达到最小。

同时有源滤波器1上的主控制器根据瞬时谐波电流的各次谐波THD值，计算滤除的谐波次数和容量，对相对固定、较大容量的谐波投入电感器和电容器进行滤除，较小容量和变化快速度的谐波投入有源滤器1进行滤除。动态无功补偿装置2还具有部分容量的谐波滤除辅助功能，当其对电网无功补偿后有剩余容量，所述主控制器根据95％概率值计算，决定动态无功补偿装置2投入相应的容量给予谐波滤除；有源滤波器1在主要进行谐波滤除的功能下，也具有部分容量的无功补偿辅助功能，当对电网谐波滤除后有剩余容量，所述主控制器根据95％概率值计算，决定有源滤波器1投入相应的容量给予无功补偿。

电力电子设备在投入或切除时对电网有一定扰动，而多组电力电子设备同时在一处运行会将这种影响进一步放大，严重的会造成电网异常和设备损坏，本发明的一种电能质量调节系统中，所述主控制器根据电网和设备的检测情况确定有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4投入或切除时序后，还会计算各有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4的投入或切除时刻，以减小多组电力电子单元投入或切除对电网的影响。

所述主控制器监测有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4的总运行时间，根据电网检测情况和有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4的总运行时间，优化分配有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4的运行，以最大限度延长本发明的一种电能质量调节系统的使用寿命。

所述主控制器检测到有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4中任意一个出现故障，会对其进行隔离；当所述主控制器自身发生故障时，有源滤波器1、动态无功补偿装置2、晶闸管电容器投切装置3、三相负载不平衡补偿装置4各自独立根据基本控制策略进行无功补偿和谐波滤除，使故障影响减小到最小。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种电能质量调节系统，其特征在于：包括有源滤波器、动态无功补偿装置和晶闸管电容器投切装置，以及位于三相电源线的用户负载侧的调压器，以及位于三相电源线的电网侧的有载调容变压器，所述晶闸管电容器投切装置上设有N组电容器；

所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别连接所述三相电源线；

所述有源滤波器上设有主控制器，所述动态无功补偿装置和所述晶闸管电容器投切装置分别通过CAN总线连接所述主控器，所述主控制器与三相电源线的电网侧之间设有电压测量互感器和电流测量互感器。

2.根据权利要求1所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：其还包括三相负载不平衡补偿装置，所述三相负载不平衡补偿装置连接三相电源线，并通过CAN总线连接所述有源滤波器上的主控制器。

3.根据权利要求1所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：所述动态无功补偿装置通过改变其输出以使三相电源线上的电压和电流到达稳定工作点后，仅对三相电源线上的电压进行无功平滑动态调节。

4.根据权利要求2所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：若三相电源线上的无功需求范围为[-Q_Cmax,Q_Lmax]，其中Q_Cmax，Q_Lmax分别表示所需的最大容性无功和最大感性无功，且Q_Cmax大于Q_Lmax，所述动态无功补偿装置的容量为Q_STATmax，所述晶闸管电容器投切装置的容量为Q_SVCmax*N，所述晶闸管电容器中每组电容器的容量为Q_SVCmax，则所述晶闸管电容器投切装置的投入容量为：

((Q_Cmax+Q_Lmax)/Q_SVCmax)×Q_SVCmax，

所述动态无功补偿装置2的投入的容量为：

(Q_Cmax+Q_Lmax)-((Q_Cmax+Q_Lmax)/Q_SVCmax)×Q_SVCmax。

5.根据权利要求2所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：所述有源滤波器上的主控制器，根据三相电源线上电流和电压，确定所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置的投切时序和时刻，以减小所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置投切对于三相电源线上电流和电压的扰动。

6.根据权利要求2所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：所述有源滤波器上的主控制器监测所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置的运行时间。

7.根据权利要求2所述的一种电能质量调节系统，其特征在于：所述有源滤波器上的主控制器在所述有源滤波器、所述动态无功补偿装置、所述晶闸管电容器投切装置和所述三相负载不平衡补偿装置中任意一个发生故障时将其隔离。