CN106058868A - 一种配变谐平装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种配变谐平装置，包括分别相连且接入低压配电网的混合型有源滤波器，用于对各次谐波消除线路中的谐波污染进行补偿；三相供补智能电容，用于对电路中的无功进行补偿；逆变电流反馈器，用于配变输出端对有功功率不平衡进行治理；ARM控制保护模块，用于保护整个装置；数据采集测试终端，用于采集电能质量数据并进行传输。本发明的一种配变谐平装置针对谐波、无功、三相不平衡采取针对性综合性治理，将对低压配电网的电能质量达到有效的治理，提高供电质量，保障供电设备的运行安全，避免生产事故的发生，提高供电效率，降低电网损耗，对于电网运行的经济性，实现节能减排、降本增效，提高电能质量及电网安全运行。

Description

一种配变谐平装置
技术领域
本发明涉及电学电路领域，具体涉及一种配变谐平装置。
背景技术
低压电网大多是经10/0.4kV变压器降压后，以三相四线制向用户供电的，是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。在装接单相用户时，供电部门原则上应该将单相负载均衡地分接在A、B、C三相上，但在实际工作及运行中，由于单相用户不可控的增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等因素，都造成了三相负载的不平衡，不光是有用功率的不平衡、谐波、无功每相上的情况都不同。随着电网规模的不断扩大，用户的不断增加，造成电网电能质量也越来越差，这样将直接危害到系统的安全运行，产生的谐波、无功、电流不平衡造成，对采集通信系统造成影响，占用配变变压器的功率，漏磁增加和局部过热、电网线损增大及各种保护和自动装置误动等。因此，有效的提高低压配电系统电能质量需要同时治理谐波、无功、三相电流不平衡。
目前，国外对电能质量的治理问题一直都在进行分析解决，但主要是在中高压方面，比如电气化铁路、地铁等单相供电线路三相不平衡现象比较严重，主要采用SCOTT(斯科特)变压器，但该变压器为三相变两相接法，对单相牵引的平衡作用有限或采用牵引变压器轮流换相的办法，但由于牵引负荷具有较大的随机性，这种办法也不能使三相负荷得到理想的平衡。也有文献提及采用快速可调的非对称阻抗构成负序电流和无功功率补偿器与原来的LC滤波器并接于牵引变压器低压侧。当电气牵引负荷增加时，它可以吸收负序电流和发出无功电流，当电气牵引负荷降低时，它可以吸收不对称的无功电流，从而保证牵引变压器负荷侧电流为纯有功的对称电流。主要是分别以TCR并联电容器式可控电抗和变耦式可控电抗来构成实现补偿装置(《电气化铁道负序无功补偿器型式和容量的确定》)，其使用也有局限性。
国内也有关于电能质量治理的研究，主要以跨相间无功补偿及谐波补偿为主。但对其产品整体效果、对电网的质量影响等应用方面的研究很少，因 其依靠电网的功率因数进行投切电容，受局限性很大而且效果不是很理想。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种配变谐平装置，能有效解决常见的谐波、无功及三相不平衡问题。
本发明的一种配变谐平装置，包括分别相连且接入低压配电网的
混合型有源滤波器，用于对各次谐波消除线路中的谐波污染进行补偿；
三相供补智能电容，用于对电路中的无功进行补偿；
逆变电流反馈器，用于配变输出端对有功功率不平衡进行治理；
ARM控制保护模块，用于保护整个装置；
数据采集测试终端，用于采集电能质量数据并进行传输。
本申请中，混合型有源滤波器采用无源滤波器与并联型有源滤波器相结合的方式补偿各次谐波消除线路中的谐波污染。三相供补智能电容采用智能电容跨接各相中，使用三相供补的方式对电路中无功进行补偿，消除无功占用功率的问题。逆变电流反馈器采用逆变电路的原理，将负载较小的相，经过电流反馈器的逆变移向，直接将电能补充到负荷较大的相上。做到配变输出端对于有功功率的不平衡的一个治理。ARM控制保护模块通过与混合型并联有源滤波器、三相供补智能电容、逆变电流反馈器的控制及数据采集判断对整个装置进行保护。数据采集测试终端采集电能质量的各项数据，通过GPRS网络将数据传输到主站，由低压电能质量治理软件通过上传的数据进行分析处理，显示电能质量各项指标。
进一步的，所述混合型有源滤波器包括无源型滤波器和并联型有源滤波器；所述无源型滤波器用于吸收消除谐波，所述并联型有源滤波器为并联接入低压配电网中，该并联型有源滤波器通过桥臂电路对零线的谐波电流进行补偿。见图1。
本技术方案中，无源滤波主要就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波，其工作原理见图2。
无源型滤波器由电容电抗和电阻组成，根据电容电阻固有的阻抗特性，对某一特定频率的谐波呈低阻抗，为负载谐波电流提供较低的阻抗通道，与 电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，而不流入电网。
与无源型滤波器相比，有源滤波器的滤波具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其特点有：滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
尽管有源滤波器有着无源型滤波器所不具备的巨大技术优势，但是对于大电流的谐波还是使用无源型滤波器比较容易实现，所以对于谐波治实现有效滤除，采用无源和有源相结合的方式，混合型有源滤波器，利用无源型滤波器降低3、5、7、9次大电流谐波，再用并联型有源滤波器降低谐波所产生的零序电流，将其他次谐波降低到完全符合电力要求的范围，降低电流波形畸变，包括高频电流在电路和电气设备中的损耗，实现节能目的。
进一步的，所述三相供补智能电容包括均接入低压配电网的控制单元、三相同步投切开关、保护装置和低压自愈式电力电容器，所述三相同步投切开关、保护装置和低压自愈式电力电容器依次相连并由三相同步投切开关接入低压配电网，所述控制单元与三相同步投切开关、低压自愈式电力电容器均相连并接入低压配电网，见图3。
本技术方案中，采用三相供补智能电容就是采用跨接电容方式，利用智能电容器进行投切，将感性负载调整到竟似阻性负载实现无功补偿。
进一步的，所述逆变电流反馈器包括均接入低压配电网并相互相连的反馈控制单元和若干电流反馈装置，所述电流反馈装置包括Zigzag变压器和逆变器，所述逆变器的电路调整电流是50A。
本技术方案中，采用逆变电流反馈，利用负载电流较轻的相通过逆变电流反馈器将功率转换给负载较重相，到达平衡三相电流的平衡，转换通过相位转换不会有失电现象的产生，见图4。
逆变分补的方式是通过采集三相的电流电压，反馈控制单元通过电流反馈器将负载较小的电流相通过电流反馈器内部一个逆变电路将交流相位移相调整为负载较大的电流相功率输出。通过各相电流的一个判断，实时的将各相电流反馈器的反馈电流进行调整，达到在配变输出端的三相电流动态平衡 的状态。达到实时控制、实时反馈。但是逆变的调整功率是有限制的，现设计的各相逆变电流为50A，如果功率不够可以通过并接逆变电流反馈器加大调整功率的能力。
电流反馈装置设计采用单相逆变动态调节零序阻抗思路进行设计，主要由Zigzag变压器和逆变器构成，如图5，利用电力电子技术对ZigZag变压器进行改进，通过算法等效增加了电源侧的零序阻抗，增强了其零序电流的旁路能力，减少相邻不平衡负荷对本装置的影响，从而也就有效增强该装置的可控性，在本质上提高了该装置的运行安全、稳定性以及延长了装置的使用寿命。
图6为逆变电流反馈器拓扑结构连接的仿真图，初步验证了装置设计的有效性，A、B、C三相负载为均为单相整流负载，由于负载电流三次谐波较大，造成仿真系统中性线上为各单相负载三次谐波的叠加，中性线电流相当大，加装装置后，中性线电流由120A降低为3.4A，系统三相电流也得到了显著的平衡，效果相当明显。通过仿真效果图(图7-图10)可以看出，逆变电流反馈器对零序电流的抑制是非常明显的，这样可以通过负序补偿及逆变电流反馈器结合使用达到更好的零序电流抑制效果，并且补偿到A、B、C相中去，更好的达到三相平衡的效果。
进一步的，所述ARM控制保护模块包括ARM处理器，所述ARM处理器与数据采集测试终端远程相连。
本技术方案中，ARM控制保护模块的保护电路采用高速的32位ARM处理器可以对采集的各种电能质量数据实时的进行快速处理，并控制各个相应的单元模块进行动态控制，控制响应速度ms级，对装置实现电流速断保护、缺相保护、过流保护等各种保护。实现整个装置的智能化控制，通过ARM处理器与终端的实时通讯，将远程的控制平台与现场数据有机的链接到一起。
本发明一种配变谐平装置及方法的有益效果为：针对谐波、无功、三相不平衡采取针对性综合性治理，将对低压配电网的电能质量达到有效的治理，提高供电质量，保障供电设备的运行安全，避免生产事故的发生，提高供电效率，降低电网损耗，对于电网运行的经济性，实现节能减排、降本增效，提高电能质量及电网安全运行。
附图说明
图1为本发明中谐波治理原理框图；
图2为本发明中无源滤波工作原理图；
图3为本发明中无功治理原理框图；
图4为本发明中三相不平衡电流治理原理框图；
图5为本发明中电流反馈装置构成图；
图6为本发明中逆变电流反馈器拓扑结构连接的仿真图；
图7为本发明中中性线电流(逆变电流反馈器未投入)仿真结果图；
图8为本发明中中性线电流(逆变电流反馈器投入)仿真结果图；
图9为本发明中三相电流(逆变电流反馈器未投入)仿真结果图；
图10为本发明中三相电流(逆变电流反馈器投入)仿真结果图；
图11为本发明中低压配电网电能质量治理原理框图；
图12为本发明中逆变电流反馈器接入供电系统补偿效果图；
图13为加入本发明的一种配变谐平装置的设备开、关前后电流曲线图；
图14为加入本发明的一种配变谐平装置的设备开、关前后电压曲线图。
图15为矢量图理论推导相量图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
由图11所示，本实施例的一种配变谐平装置，包括分别相连且接入低压配电网的
混合型有源滤波器1，用于对各次谐波消除线路中的谐波污染进行补偿；包括无源型滤波器1-1和并联型有源滤波器1-2；其中无源型滤波器1-1用于吸收消除谐波，并联型有源滤波器1-2为并联接入低压配电网中，该并联型有源滤波器1-2通过桥臂电路对零线的谐波电流进行补偿；
三相供补智能电容2，用于对电路中的无功进行补偿；包括均接入低压配电网的控制单元2-1、三相同步投切开关2-2、保护装置2-3和低压自愈式电力电容器2-4，三相同步投切开关2-2、保护装置2-3和低压自愈式电力电容器2-4依次相连并由三相同步投切开关2-2接入低压配电网，控制单元2-1与三相同步投切开关2-2、低压自愈式电力电容器2-4均相连并接入低压配 电网；
逆变电流反馈器3，用于配变输出端对有功功率不平衡进行治理；包括均接入低压配电网并相互相连的反馈控制单元3-1和若干电流反馈装置3-2，电流反馈装置3-2包括Zigzag变压器3-3和逆变器3-4，逆变器3-4的电路调整电流是50A；
ARM控制保护模块4，用于保护整个装置，包括ARM处理器，ARM处理器与数据采集测试终端远程相连；
数据采集测试终端5，用于采集电能质量数据并进行传输。
低压配电网变压器接入逆变电流反馈器前后次级铜损理论推导，见图12的逆变电流反馈器接入供电系统补偿效果图：
(1)通过公式推导：
设：三相次级电流相位互差120°，每相绕组的电阻为R线，三相次级电流为IA＝IB＝NIC，N为倍数。
三相变压器的次级铜损
中线电流IN＝IA-IC＝(N-1)IC
在接入零序补偿器后每相回流的中线电流
根据余弦定理可得，
同理，I′B＝I′A
接入回流中线电流后，三相变压器次级的铜损，
根据要求，必须P′＜P
化简得N2-2N+1＞0解得N≠1，除三相电流大小相等，无中线电流外全部成立。即P′＜P。且三相电流相差越大，N越大，减小次级铜损的效果越明显。
(2)通过矢量图推导：
设：三相次级电流相位互差120°，变压器每相次级绕组的电阻为R线，三相次级电流分别为IA＝240A，IB＝200A，IC＝120A相位互差120°。
应用电脑软件作相量图(图15)，可得
P(损耗)＝IA2R线+IB2R线+IC2R线＝(2402+2002+1202)×R线
＝112000R线
P\(损耗)＝IA \2R线+IB \2R线+IC \2R线
＝(219.5032+196.5512+146.9772)×R线
≈108416R线
P(节)＝P(损耗)-P\(损耗)＝3584R线
将本实施例的一种配变谐平装置接入电路中，通过主站软件采集的数据，设备开、关前后电流、电压曲线图见图13和图14，图中为电压、电流曲线图，运行时三相电压、电流比较一致差距不大，但是装置停止运行后，三相电压、电流就比较发散，各相电压、电流差距就比较大。说明补偿器在运行后对平衡三相电压及电流起到很大的作用。
使用本实施例的一种配变谐平装置开关各一天对比降低变压器损耗的效果，及使用高压表与低压表的对比变压器的效率及降损值，具体数值见表1。
表1为变压器损耗、效率及降损值对比表
本实施例的一种配变谐平装置的有益效果为：针对谐波、无功、三相不平衡采取针对性综合性治理，将对低压配电网的电能质量达到有效的治理，提高供电质量，保障供电设备的运行安全，避免生产事故的发生，提高供电效率，降低电网损耗，对于电网运行的经济性，实现节能减排、降本增效，提高电能质量及电网安全运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本 发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种配变谐平装置，其特征在于：包括分别相连且接入低压配电网的混合型有源滤波器，用于对各次谐波消除线路中的谐波污染进行补偿；
三相供补智能电容，用于对电路中的无功进行补偿；
逆变电流反馈器，用于配变输出端对有功功率不平衡进行治理；
ARM控制保护模块，用于保护整个装置；
数据采集测试终端，用于采集电能质量数据并进行传输。
2.根据权利要求1所述的一种配变谐平装置，其特征在于：所述混合型有源滤波器包括无源型滤波器和并联型有源滤波器；所述无源型滤波器用于吸收消除谐波，所述并联型有源滤波器为并联接入低压配电网中，该并联型有源滤波器通过桥臂电路对零线的谐波电流进行补偿。
3.根据权利要求1所述的一种配变谐平装置，其特征在于：所述三相供补智能电容包括均接入低压配电网的控制单元、三相同步投切开关、保护装置和低压自愈式电力电容器，所述三相同步投切开关、保护装置和低压自愈式电力电容器依次相连并由三相同步投切开关接入低压配电网，所述控制单元与三相同步投切开关、低压自愈式电力电容器均相连并接入低压配电网。
4.根据权利要求1所述的一种配变谐平装置，其特征在于：所述逆变电流反馈器包括均接入低压配电网并相互相连的反馈控制单元和若干电流反馈装置，所述电流反馈装置包括Zigzag变压器和逆变器，所述逆变器的电路调整电流是50A。
5.根据权利要求1所述的一种配变谐平装置，其特征在于：所述ARM控制保护模块包括ARM处理器，所述ARM处理器与数据采集测试终端远程相连。
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