CN106899025A - 一种综合补偿型交流稳压电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种综合补偿型交流稳压电源，设置动态电压补偿回路、动态电流补偿回路、电网与负载侧电压电流及功率因数的实时检测与动态电压与电流补偿回路的输出控制单元，在负荷入口端和电网之间串联接入动态电压补偿回路，在负载入口端并联动态电流补偿回路，通过实时检测电网端和负载端的电压电流及功率因数，调整电压补偿回路输出的电压和电流补偿回路输出的电流，分别对负载供电电压和电流进行补偿，实现稳定负荷侧电压并提高电网侧功率因数，减少谐波干扰，提高电网输电效率调压效果好、功率因数高，响应速度快；采用电压电流双闭环控制，控制简单；电压和电流补偿回路可以采用不同补偿单元组成，按需设计，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及可同时进行电压和电流动态补偿的交流稳压技术，具体涉及一种综合补偿型交流稳压电源。
背景技术
目前城乡电网的建设滞后于电力需求的增长，导致城乡电网特别是部分长供电线路在用电高峰期线路损耗大，线路传输能力下降，末端电压过低，电气设备不能正常工作，严重影响城乡居民的正常工作和生活，甚至造成“电压崩溃”，威胁电力系统的稳定性。
对于城乡电网用户的低电压治理问题，国内外普遍采用的技术与装置有两类：一类是电压调节型，通过各种动态调压装置提高负载侧电压；一种是无功补偿型，通过补偿负载侧无功电流，减少供电线路上的无功电流损耗，来提高负载电压。但以上各种技术均存在不足：
电压调节型有调节自耦变压器触点、控制输出变压器输出抽头、无触点投切补偿变压器等方式。负载侧所接负载一般为感性负载，且自然功率因数不高，供电线路上需传输大量无功电流，随着变频设备和开关电源等负载大量使用，供电线路上电流谐波也很严重。负载侧电压升高后，负载电流包括无功电流和谐波电流都会增大，如电网侧电压为110V调压到负载侧220V，线路上电流会上升一倍，供电线路上损耗相应增大，电网供电电压会进一步下降。部分线路因线路传输能力的限制，当电流超过供电线路最大载流时，线路上保护装置就会动作。因此电压调节型设备仅调节负载侧电压难以到达设定稳定电压，且线路损耗较大。
无功补偿型有静止投切电容器、静止无功发生器等方式，通过补偿无功电流，减小供电线路上无功电流造成的损耗，有一定的提高供电电压作用。但电压调节范围窄。
城乡电网长供电线路末端电压低，主要是由线路上电流损耗造成，而负载一般为感性负载，自然功率因数不高，供电线路上传输了大量的无功电流，随着变频设备和开关电源等负载大量使用，供电线路上电流谐波也很严重，要提高对负载的供电电压仅仅进行电压或无功电流补偿都不能取得很好的效果，为了解决城乡电网低电压治理的问题，迫切需要一种同时进行电压、无功电流和谐波电流补偿的调压电源，既能到达调压效果，又能提高功率因数减少线路损耗，降低谐波干扰，本发明提供了一种综合补偿型交流稳压电源。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种用于低电压治理，能提高供用电可靠性和电能利用效率，成本低，具有安全、环保、节能和增效特点的综合补偿型交流稳压电源。
本发明采用如下技术方案：
一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，包括动态电压补偿回路以及动态电流补偿回路；所述动态电压补偿回路一端连接电网，另一端连接负荷侧；动态电流补偿回路并联在负载两端；动态补偿检测与控制单元的两组输入分别接入电网侧电压电流互感器和负载侧电压电流互感器；动态补偿检测与控制单元的输出同时连接动态电压补偿回路的输入和动态电流补偿回路的输入。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述动态电压补偿回路由一组动态投切的电压补偿单元和一组可连续无极调压补偿单元串联；所述电压补偿单元包括一个补偿变压器和两组反并联的晶闸管模块，补偿变压器二次侧串联在火线中，其一次侧并联一个晶闸管模块，一端接火线，另一端串联一个晶闸管模块接零线；所述可连续无极调压补偿单元包括一个补偿变压器、两组IGBT模块、一个滤波电感器和一个滤波电容器，补偿变压器二次侧串联在火线中，滤波电容器和滤波电感器组成阻容吸收电路并联在补偿变压器一次侧，补偿变压器一次侧并联一个IGBT模块，一端连接火线，另一端串联一个IGBT模块连接零线。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述动态电压补偿回路包括多组串联的分级动态投切的电压补偿单元组成，各组电压补偿单元补偿电压按二进制编码124进行配置；其中，每组分级动态投切的电压补偿单元结构相同，均包括一个补偿变压器和两组反并联的晶闸管模块，补偿变压器二次侧串联在火线中，其一次侧并联一个晶闸管模块，一端接火线，另一端串联一个晶闸管模块接零线。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述动态电流补偿回路包括依次并联的一组动态投切的电容器组TSC、一组可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器SVG和一组可连续无极调节补偿谐波电流的有源滤波器APF；所述动态投切的电容器组TSC包括一个晶闸管模块、一个电容器、一个电抗器和一个熔断保护，电容器、电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间；所述可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器SVG包括一组IGBT桥、一个接入电抗器、一组电容器和一个熔断保护，IGBT桥交流侧通过接入电抗器、熔断保护并联接入火线零线之间，其直流侧接电容器；所述可连续无极调节补偿谐波电流的有源滤波器APF包括一组IGBT桥、一个接入电抗器、一组电容器和一个熔断保护，IGBT桥交流侧通过接入电抗器、熔断保护并联接入火线零线之间，其直流侧接电容器。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述动态电流补偿回路包括依次并联的多组动态投切的电容器组、多组无源滤波器；所述多组动态投切的电容器组结构相同，均包括一个晶闸管模块、一个电容器、一个电抗器和一个熔断保护，电容器、电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间；所述多组无源滤波器组结构相同，均包括一个晶闸管模块、一个滤波电容器、一个滤波电抗器和一个熔断保护，滤波电容器、滤波电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述动态补偿检测与控制单元由DSP芯片、ARM芯片、AD模块、光耦、驱动电路、显示模块、通信模块构成；采用ARM芯片和DSP芯片双CPU，DSP芯片负责实时数据计算，AD模块采用16位同步8通道模数转换集成电路AD7606，负责对输入信号进行采样；DSP芯片采用TMS320C2812芯片，负责对电网侧和负载侧电压和电流采样数据进行实时计算，获得实时的电压偏差、负载无功电流和负载谐波电流；ARM芯片部分采用STM32F103芯片，负责输出至显示模块和通信模块；所述通信模块、显示模块、DSP芯片、光耦与ARM芯片连接；AD模块与DSP芯片连接；驱动电路输入连接光耦，输出与电压补偿单元连接。
在上述的一种综合补偿型交流稳压电源，所述ARM芯片根据DSP芯片计算的实时数据采用电压电流双闭环控制策略，通过输出光耦输出控制信号控制驱动电路驱动各个补偿单元的电力电子开关器件开闭，分别控制电压补偿回路和电流补偿回路各补偿单元的投入和输出状态，使输出的补偿电压ΔU＝UIN-UOUT,输出补偿电流实现电压电流的综合补偿。
本发明通过电压补偿回路和电流补偿回路分别对负载供电电压和电流进行补偿，与现有的交流稳压电源相比，具有以下优点：1、无谐波干扰，调压效果好、功率因数高：响应速度快，响应时间10ms以内，调节精度高，调压范围内无极连续可调；2、既可以有效稳定负荷侧电压，又可以提高电网侧功率因数、减少谐波干扰、降损节能；提高线路传输效率和电气设备的工作效率：减小了供电线路上传输无功电流和谐波电流，减少相应的线路损耗；3、采用电压电流双闭环控制，控制简单；4、电压和电流补偿回路可以采用不同补偿单元组成，按需设计，在满足调压效果的同时，使调压成本远低于现有的调压技术及装置
本发明为低电压问题、无功缺额问题与谐波问题严重的负荷侧提供交流稳压电源，可提高电网侧功率因数，减少供电线路上的损耗，降低谐波干扰；保证负荷侧电压指标达标，提高供电可靠性和电能利用效率。对于大功率稳压电源，本发明可以配置多组动态投切的电压补偿单元和一组可连续无极调压的电压补偿单元串联，来降低成本。在三相交流系统中，仅需在三相火线与零线间各接入一台本发明，即可实现综合补偿型三相交流稳压电源。
附图说明
图1为本发明结构框图。
图2为一种可无极连续调压电压补偿单元原理图。
图3为动态电压补偿回路原理图之一。
图4为动态电压补偿回路原理图之二。
图5为动态电流补偿回路原理图之一。
图6为动态电流补偿回路原理图之二。
图7为检测与控制单元原理图。
具体实施方式
下面参照附图详述本发明。
参照图1，以容量为10kVA，稳压范围为220V±50％，负载为感性功率因数0.8，负载谐波电流总畸变率10％的交流稳压电源为例。电源由动态电压补偿回路1、动态电流补偿回路2、电网和负载端电压电流及功率因数的电压电流实时检测与动态电压与电流补偿回路的输出控制单元3组成。
动态电压补偿回路1串联在电路中，一端连接电网，另一端连接负荷侧。动态电流补偿回路2并联在负载两端。检测与控制单元3的两组输入分别接入电网侧电压电流互感器和负载侧电压电流互感器。检测与控制单元3的输出连接动态电压补偿回路1和动态电流补偿回路2的输入。
动态电压补偿回路由一组或多组电压补偿单元串联组成。电压补偿单元可以由可连续无极调压的电压补偿单元或分级投切的电压补偿单元或两种组合而成。
电压补偿单元可以由可连续无极调压的电压补偿单元或固定电压补偿单元或两种组合而成。
参照图2，可无极连续调压电压补偿单元基于交流斩波调压原理，由补偿变压器、电力电子开关、滤波电容器和滤波电抗器组成。采用PWM脉宽调制技术控制电力电子开关的通断，调节PWM脉冲的占空比D可以动态调节补偿变压器一次侧的输入电压U1＝DUOUT,补偿变压器二次侧的输出电压U2＝nDUOUT，n为变压器变比。根据基尔霍夫电压定律，输出电压可以通过公式UOUT＝UIN+U2＝UIN/(1-nD)计算，通过改变PWM脉冲的占空比D即可实现0～2UIN电压范围内连续无极调压。滤波电容和电抗器组成滤波电路，滤除高次谐波。此调压电路较逆变电路具有控制简单，谐波容易滤除，成本低等优点。
参照图3，动态电压补偿回路由一组动态投切的电压补偿单元T1和一组可连续无极调压补偿单元T2串联。根据电源功率和稳压范围，两组电压补偿单元各补偿电压为55V，功率为5kVA。两组电压补偿单元的补偿电压设为稳压电源调压范围的一半，即ΔU1＝ΔU2＝ΔUmax/2。当电压偏差小于ΔUmax/2时，只投入可连续无极调压补偿单元T2进行电压补偿。当电压偏差大于ΔUmax/2时，同时投入两个电压补偿单元，由动态投切的电压补偿单元T1补偿固定电压值ΔUmax/2，电压偏差减去ΔUmax/2的差值由可连续无极调压补偿单元进行补偿。结合无极连续调压补偿单元其补偿电压无极连续可调且响应速度快的优点和分级投切的电压补偿单元控制简单低成本的优势，用较低的成本实现大范围的快速无极调节负载电压。
可连续调压电压补偿单元基于交流斩波调压原理，由补偿变压器、电力电子开关、滤波电容器和滤波电抗器组成。
电流补偿单元可以由可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器或分级补偿无功电流的静止投切电容器或无源滤波或有源滤波或以上四种组合而成。结合静止无功发生器其补偿无功电流无极连续可调且响应速度快的优点和静止无功补偿器控制简单低成本的优势，有源滤波补偿谐波电流无极连续可调且响应速度快的优点和无源滤波控制简单低成本的优势，用较低的成本实现大范围的快速无极调节系统无功电流和谐波电流。
参照图4，当负载功率大，调压要求不高，不需要无极调节电压，且需降低成本时，动态电压补偿回路也可以由多组分级动态投切的电压补偿单元T1、T2、T3串联组成。各组电压补偿单元补偿电压按二进制编码124进行配置，即第一组电压补偿单元补偿电压为ΔUmax/7，第二组电压补偿单元补偿电压为第一组补偿电压的2倍，第三组电压补偿单元补偿电压为第一组补偿电压的4倍，通过动态控制各组补偿单元的投切即可实现电压分级补偿。
动态电流补偿回路由一组或多组电流补偿单元并联组成。电流补偿单元可以由可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器或分级补偿无功电流的静止投切电容器或无源滤波或有源滤波或以上四种组合而成。结合静止无功发生器其补偿无功电流无极连续可调且响应速度快的优点和静止无功补偿器控制简单低成本的优势，有源滤波补偿谐波电流无极连续可调且响应速度快的优点和无源滤波控制简单低成本的优势，用较低的成本实现大范围的快速无极调节系统无功电流和谐波电流。
参照图5，动态电流补偿回路一般配置为一组动态投切的电容器组TSC、一组可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器SVG和一组可连续无极调节补偿谐波电流的有源滤波器APF并联。两组无功电流补偿单元补偿的无功电流设为负载最大无功电流的一半，即ΔI1＝ΔI2＝ΔIQmax/2。当负载无功电流小于ΔIQmax/2，退出固定补偿容量的TSC，由SVG补偿负载无功电流；当负载无功电流大于ΔIQmax/2，投入固定补偿容量的TSC，由SVG补偿负载无功电流与ΔIQmax/2的差额。有源滤波器APF按负载谐波电流容量进行配置。结合静止无功发生器其补偿无功电流无极连续可调且响应速度快的优点和静止无功补偿器控制简单低成本的优势，用较低的成本实现大范围的快速无极调节系统无功电流。
根据负载功率因数0.8，可以计算得在220V额定电压下无功电流约为30A，动态投切的电容器组和静止无功发生器容量设计为各3kVar。根据负载谐波电流总畸变率10％，设计有源滤波器补偿电流为5A。
参照图6，对于大功率稳压电源，且负载功率因数低，动态电流补偿回路可以配置多组动态投切的电容器、一组可连续无极调节的静止无功发生器和一组有源滤波器并联，来降低成本。对于不需要无极补偿无功电流的负载，动态电流补偿回路也可以配置多组分级动态投切的电容器和多组无源滤波器，以进一步降低成本。多组分级动态投切的电容器的补偿容量按二进制编码1248进行配置，即第一组电容器补偿单元的补偿无功电流为ΔIQmax/15，第二组电容补偿单元补偿无功电流为第一组补偿无功电流的2倍，第三组电容补偿单元补偿无功电流为第一组补偿无功电流的4倍，第四组电容补偿单元补偿无功电流为第一组补偿无功电流的8倍，通过动态控制各组补偿电容的投切即可实现负载无功电流分级补偿。无源滤波器组根据负载的谐波电流进行配置，一般由3次谐波、5次谐波、7次谐波和高通滤波器组成。
对于容性负载，上述电流补偿回路中的动态投切电容器组应改用动态投切电抗器。
电网和负载端电压电流及功率因数的电压电流实时检测由电网侧和负载侧的电压电流互感器和运放电路组成，通过运放电路将电网侧和负载侧的电压电流信号进行整形和放大，作为检测与控制单元的输入。
参照图7，检测与控制单元由DSP、ARM、AD、光耦、驱动电路、人机界面、通信等构成。采用ARM和DSP双CPU，DSP负责实时数据计算，AD部分采用16位同步8通道模数转换集成电路AD7606，负责对输入信号进行采样。DSP采用TMS320C2812芯片，负责对电网侧和负载侧电压和电流采样数据进行实时计算，获得实时的电压偏差、负载无功电流和负载谐波电流。ARM部分采用STM32F103芯片，负责输出控制、人机界面和通信等。ARM芯片根据DSP芯片计算的实时数据采用电压电流双闭环控制策略，通过输出光耦输出控制信号控制驱动电路驱动各个补偿单元的电力电子开关器件开闭，分别控制电压补偿回路和电流补偿回路各补偿单元的投入和输出状态，使输出的补偿电压ΔU＝UIN-UOUT,输出补偿电流实现电压电流的综合补偿。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，包括动态电压补偿回路以及动态电流补偿回路；所述动态电压补偿回路一端连接电网，另一端连接负荷侧；动态电流补偿回路并联在负载两端；动态补偿检测与控制单元的两组输入分别接入电网侧电压电流互感器和负载侧电压电流互感器；动态补偿检测与控制单元的输出同时连接动态电压补偿回路的输入和动态电流补偿回路的输入。
2.根据权利要求1所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述动态电压补偿回路由一组动态投切的电压补偿单元和一组可连续无极调压补偿单元串联；所述电压补偿单元包括一个补偿变压器和两组反并联的晶闸管模块，补偿变压器二次侧串联在火线中，其一次侧并联一个晶闸管模块，一端接火线，另一端串联一个晶闸管模块接零线；所述可连续无极调压补偿单元包括一个补偿变压器、两组IGBT模块、一个滤波电感器和一个滤波电容器，补偿变压器二次侧串联在火线中，滤波电容器和滤波电感器组成阻容吸收电路并联在补偿变压器一次侧，补偿变压器一次侧并联一个IGBT模块，一端连接火线，另一端串联一个IGBT模块连接零线。
3.根据权利要求1所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述动态电压补偿回路包括多组串联的分级动态投切的电压补偿单元组成，各组电压补偿单元补偿电压按二进制编码124进行配置；其中，每组分级动态投切的电压补偿单元结构相同，均包括一个补偿变压器和两组反并联的晶闸管模块，补偿变压器二次侧串联在火线中，其一次侧并联一个晶闸管模块，一端接火线，另一端串联一个晶闸管模块接零线。
4.根据权利要求1所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述动态电流补偿回路包括依次并联的一组动态投切的电容器组TSC、一组可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器SVG和一组可连续无极调节补偿谐波电流的有源滤波器APF；所述动态投切的电容器组TSC包括一个晶闸管模块、一个电容器、一个电抗器和一个熔断保护，电容器、电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间；所述可连续无极调节补偿无功电流的静止无功发生器SVG包括一组IGBT桥、一个接入电抗器、一组电容器和一个熔断保护，IGBT桥交流侧通过接入电抗器、熔断保护并联接入火线零线之间，其直流侧接电容器；所述可连续无极调节补偿谐波电流的有源滤波器APF包括一组IGBT桥、一个接入电抗器、一组电容器和一个熔断保护，IGBT桥交流侧通过接入电抗器、熔断保护并联接入火线零线之间，其直流侧接电容器。
5.根据权利要求1所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述动态电流补偿回路包括依次并联的多组动态投切的电容器组、多组无源滤波器；所述多组动态投切的电容器组结构相同，均包括一个晶闸管模块、一个电容器、一个电抗器和一个熔断保护，电容器、电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间；所述多组无源滤波器组结构相同，均包括一个晶闸管模块、一个滤波电容器、一个滤波电抗器和一个熔断保护，滤波电容器、滤波电抗器晶闸管模块和熔断保护依次串联后并联在火线零线之间。
6.根据权利要求2或3所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述动态补偿检测与控制单元由DSP芯片、ARM芯片、AD模块、光耦、驱动电路、显示模块、通信模块构成；采用ARM芯片和DSP芯片双CPU，DSP芯片负责实时数据计算，AD模块采用16位同步8通道模数转换集成电路AD7606，负责对输入信号进行采样；DSP芯片采用TMS320C2812芯片，负责对电网侧和负载侧电压和电流采样数据进行实时计算，获得实时的电压偏差、负载无功电流和负载谐波电流；ARM芯片部分采用STM32F103芯片，负责输出至显示模块和通信模块；所述通信模块、显示模块、DSP芯片、光耦与ARM芯片连接；AD模块与DSP芯片连接；驱动电路输入连接光耦，输出与电压补偿单元连接。
7.根据权利要求6所述的一种综合补偿型交流稳压电源，其特征在于，所述ARM芯片根据DSP芯片计算的实时数据采用电压电流双闭环控制策略，通过输出光耦输出控制信号控制驱动电路驱动各个补偿单元的电力电子开关器件开闭，分别控制电压补偿回路和电流补偿回路各补偿单元的投入和输出状态，使输出的补偿电压ΔU＝UIN-UOUT,输出补偿电流实现电压电流的综合补偿。
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