CN106998147B - 一种节能型多功能模拟用电负载装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种节能型多功能模拟用电负载装置及其控制方法，由能馈滤波单元、待测设备接入单元、能量转换单元、多功能电子负载单元、中央控制单元组成。能馈滤波单元将电网侧交流电整流为直流电；多功能电子负载单元将能量转换单元提供的直流电压转换为交流电流；通过中央控制单元改变多功能电子负载单元输出的交流电流的峰值、相位以及频率，以输出用于待测设备接入单元测试的交流电流。本发明提出的有效地解决了现有技术中没有专门的节能型多功能模拟用电负载装置，在电气设备试验中存在的测试精度低，电能浪费严重、负载采用有级调节难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子测试实验领域，特别是一种节能型多功能模拟用电负载装置及其控制方法。
背景技术
科技的发展，现代各种电力电器、民用电器以及非线性负荷大量接入电网，造成大量的无功电流、谐波电流注入到电网当中，电网的工作环境错综复杂，相互影响相互干扰。这些影响不但造成了电网输电的损耗大大增加，而且让各类用电设备工作失常。而且，现有技术中没有专门的节能型多功能模拟用电负载检测系统，在电气设备试验中，负载往往采用 RLC 阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，这种方法不仅测试精度低，电能浪费严重、负载采用有级调节难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等技术问题。目前市面上还没有一种装置可以针对以上问题同时进行测试的系统平台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能型多功能模拟用电负载装置及其控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种节能型多功能模拟用电负载装置，包括：能馈滤波单元、待测设备接入单元、能量转换单元、多功能电子负载单元以及中央控制单元；所述待测设备接入单元分别与所述能馈滤波单元以及所述多功能电子负载单元相连；所述能馈滤波单元以及所述多功能电子负载单元分别与所述中央控制单元相连；所述能量转换单元分别与所述能馈滤波电源、所述多功能电子负载单元以及所述中央控制单元相连。
在本发明一实施例中，所述能馈滤波单元包括：电流互感器CT、进线开关K1、进线交流接触器KM1、进线预充电接触器KM2、进线预充电电阻R1、进线滤波电容C1、进线滤波电感L1、第一三电平I型IGBT模块T1、第二三电平I型IGBT模块T2以及第三三电平I型IGBT模块T3；所述进线开关K1一端连接电网三相电压输入端，另一端与所述第一进线交流接触器KM1一端以及所述进线预充电接触器KM2的一端连接；所述进线预充电接触器KM2的另一端与所述进线预充电电阻R1一端相连；所述进线预充电电阻R1的另一端与所述进线交流接触器KM1的另一端相连，并经所述进线滤波电容C1一端，连接至所述进线滤波电感L1一端；所述进线滤波电容C1的另一端与所述电网的N导线相连；所述进线滤波电感L1的另一端分别连接至所述第一三电平I型IGBT模块T1、所述第二三电平I型IGBT模块T2以及所述第三三电平I型IGBT模块T3。
在本发明一实施例中，所述多功能电子负载单元包括三相隔离变压器TA、出线开关K2、出线交流接触器KM3、出线预充电接触器KM4、出线预充电电阻R2、出线滤波电容C2、出线滤波电感L2、第四三电平I型IGBT模块T4、第五三电平I型IGBT模块T5以及第六三电平I型IGBT模块T6；所述三相隔离变压器TA三相进线端连接至电网三相电压输入端，三相出线端连接至所述出线开关K2的进线端；所述出线开关K2的出线端分别与所述出线交流接触器KM3的一端以及所述出线预充电接触器KM4的一端连接；所述出线预充电接触器KM4的另一端与所述出线预充电电阻R2的一端相连；所述出线预充电电阻R2的另一端与所述出线交流接触器KM3的另一端相连，并经所述出线滤波电容C2的一端，连接至所述出线滤波电感L2的一端；所述出线滤波电感L2的另一端还与所述三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连；所述出线滤波电感L2分别连接至所述第四三电平I型IGBT模块T4、所述第五三电平I型IGBT模块T5以及所述第六三电平I型IGBT模块T6。
在本发明一实施例中，所述能量转换单元包括：第一直流电容器CD1、第二直流电容器CD2、第三直流电容器CD3、第四直流电容器CD34、放电直流接触器KM5以及放电电阻R3；所述放电直流接触器KM5的一端接直流母排的正极，另一端接所述放电电阻R3的一端；所述放电电阻R3的另一端接所述直流母排的负极；所述第一直流电容器CD1的正极接直流母排的正极，负极接所述第二直流电容器CD2的正极，所述第二直流电容器CD2的负极接所述直流母排的负极；所述第三直流电容器CD3的正极接所述直流母排的正极，负极接所述第四直流电容器CD4的正极；所述第四直流电容器CD4的负极接所述直流母排的负极；所述第二直流电容器CD2的正极还与所述能馈滤波单元中的电网的N导线相连；所述第四直流电容器CD4的正极还与所述多功能电子负载单元中的三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连。
在本发明一实施例中，所述待测设备接入单元包括测试开关K3以及测试交流接触器KM6；所述测试开关K3的一端连接电网三相电压输入端，另一端与所述测试交流接触器KM6一端连接；所述测试交流接触器KM6的另一端接入待测设备的接入点。
在本发明一实施例中，所述中央控制单元包括：DSP电路以及分别与该DSP电路相连的信号采样与调理电路、IGBT模块驱动电路、接触器控制输出电路、接触器工作状态信号输入电路及保护电路。
在本发明一实施例中，所述DSP电路中采用TMS320F28335。
在本发明一实施例中，还包括一与所述DSP电路相连的嵌入式一体化触摸屏。
进一步的，还提供一种节能型多功能模拟用电负载装置的控制方法，所述能馈滤波单元将电网侧交流电整流为直流电；所述多功能电子负载单元将所述能量转换单元提供的直流电压转换为测试所需要的交流电流，并反馈到交流电网中；所述中央控制单元用于控制所述多功能电子负载单元输出的交流电流的峰值、相位以及频率；通过所述中央控制单元改变所述多功能电子负载单元输出的交流电流的峰值、相位以及频率，以输出用于待测设备接入单元测试的交流电流，并反馈到交流电网中。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
（1）解决了现有技术中没有专门的节能型多功能模拟用电负载装置，在电气设备试验中，负载往往采用RLC 阻抗负载箱进行能耗放电的方式进行，不仅测试精度低，电能浪费严重、负载采用有级调节难以满足不同工况连续调节能力、功率较小易造成器件老化和烧毁、热稳定性差、负载形式单一等技术问题。
（2）能实现但不限于根据电压或者功率因数判据检测出低压无功补偿设备的无功补偿功能；能检测智能电容、SVC、SVG等无功补偿装置产品。
（3）能实现检测三相不平衡治理装置的三相不平衡调节度；三相不平衡治理装置产品功能等；
（4）能实现低压配网的节能降损评估功能；实现检测滤波设备的谐波功能，检测APF产品的功能等。
（5）可用于各类科研机构，教学机构中，产生可控的无功、有功电流，谐波电流，主要应用于科研院所及电能质量测试机构、电源相关企事业单位。
（6）可以模拟低压配电网中不同的负载类型，建立了配电网一次设备能效测试分析平台，可分析不同负载条件、谐波环境、三相不平衡度等对配电网一次设备能效的影响，获取各种电气设备的耗能曲线，建立电气设备试验数据库，对于新型低耗能配电设备的开发具有较好的指导和实用价值。
（7）可用以评测各种实际应用或新型配电设备、用电设备及测量设备的能耗参数，为制定配电设备、用电设备、测量设备的准入标准，建立淘汰高耗能产品的规划、管理制度和管理办法等提供理论依据及试验数据，具有十分重要的指导意义和推广价值。
附图说明
图1为本发明中一种节能型多功能模拟用电负载装置的结构图。
图2为本发明中一种节能型多功能模拟用电负载装置的原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供一种节能型多功能模拟用电负载装置，如图1所示，包括：能馈滤波单元、待测设备接入单元、能量转换单元、多功能电子负载单元、中央控制单元及它们之间相连接的导线。
进一步的，如图2所示，能馈滤波单元包括电流互感器CT、进线开关K1、进线交流接触器KM1、进线预充电接触器KM2、进线预充电电阻R1、进线滤波电容C1、进线滤波电感L1、第一三电平I型IGBT模块T1、第二三电平I型IGBT模块T2以及第三三电平I型IGBT模块T3；进线开关K1一端连接电网三相电压输入端，另一端与第一进线交流接触器KM1一端以及进线预充电接触器KM2的一端连接；进线预充电接触器KM2的另一端与进线预充电电阻R1一端相连；进线预充电电阻R1的另一端与进线交流接触器KM1的另一端相连，并经进线滤波电容C1一端，连接至进线滤波电感L1一端；进线滤波电容C1的另一端与电网的N导线相连；进线滤波电感L1的另一端分别连接至第一三电平I型IGBT模块T1、第二三电平I型IGBT模块T2以及第三三电平I型IGBT模块T3。
进一步的，能量转换单元包括第一直流电容器CD1、第二直流电容器CD2、第三直流电容器CD3、第四直流电容器CD34、放电直流接触器KM5以及放电电阻R3；放电直流接触器KM5的一端接直流母排的正极，另一端接放电电阻R3的一端；放电电阻R3的另一端接直流母排的负极；第一直流电容器CD1的正极接直流母排的正极，负极接第二直流电容器CD2的正极，第二直流电容器CD2的负极接直流母排的负极；第三直流电容器CD3的正极接直流母排的正极，负极接第四直流电容器CD4的正极；第四直流电容器CD4的负极接直流母排的负极；第二直流电容器CD2的正极还与能馈滤波单元中的电网的N导线相连；第四直流电容器CD4的正极还与多功能电子负载单元中的三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连。
进一步的，待测设备接入单元包括测试开关K3以及测试交流接触器KM6；测试开关K3的一端连接电网三相电压输入端，另一端与测试交流接触器KM6一端连接；测试交流接触器KM6的另一端接入待测设备的接入点。
进一步的，多功能电子负载单元包括三相隔离变压器TA、出线开关K2、出线交流接触器KM3、出线预充电接触器KM4、出线预充电电阻R2、出线滤波电容C2、出线滤波电感L2、第四三电平I型IGBT模块T4、第五三电平I型IGBT模块T5以及第六三电平I型IGBT模块T6；三相隔离变压器TA三相进线端连接至电网三相电压输入端，三相出线端连接至出线开关K2的进线端；出线开关K2的出线端分别与出线交流接触器KM3的一端以及出线预充电接触器KM4的一端连接；出线预充电接触器KM4的另一端与出线预充电电阻R2的一端相连；出线预充电电阻R2的另一端与出线交流接触器KM3的另一端相连，并经出线滤波电容C2的一端，连接至出线滤波电感L2的一端；出线滤波电感L2的另一端还与三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连；出线滤波电感L2分别连接至第四三电平I型IGBT模块T4、第五三电平I型IGBT模块T5以及第六三电平I型IGBT模块T6。
进一步的，中央控制单元以 双DSP控制核心，DSP对应型号为TMS320F28335，DSP控制芯片用来完成整个系统的控制工作。中央控制单元主要包括 ：CPU 及其外围电路、信号采样与调理电路、IGBT模块驱动电路、接触器控制输出电路、接触器工作状态信号输入电路及保护电路 ；其中，信号采样与调理单元主要完成强弱电隔离，电平转换和信号放大及滤波等功能，以满足 DSP控制器对各路信号电平范围和信号质量的要求。
进一步的，人机操作显示部分可采用嵌入式一体化触摸屏。人机操作显示部分：能够设置读取设备参数，将装置的各类数据，告警信号时时显示在液晶屏上。
进一步的，能馈滤波单元和多功能电子负载单元均采用拓补结构相同的三电平I型结构的 PWM 电路组成，并以能量转换单元的直流母线支撑电容为连接元件，能量转换单元设有直流放电电路KM5放电直流接触器、R3放电电阻组成。
进一步的，该节能型多功能模拟用电负载装置采用 AC-DC-AC 结构，其工作结构主要包括能馈滤波单元、多功能电子负载单元和能量转换单元的直流母线支撑电容，能馈滤波单元主要实现将电网侧交流电整流为直流电（AC-DC）, 多功能电子负载单元主要实现将能量转换单元的直流电压转换为测试所需要的交流电流反馈到交流电网中（DC-AC）。多功能电子负载单元产生的交流电流的峰值、相位、频率大小受中央控制单元的控制。改变该交流电流的峰值、相位、频率，多功能模拟用电负载装置就可以作为输出可控的有功电流、感性无功电流、容性无功电流、含有多次谐波的谐波电流的综合性用电负载的装置。该多功能电子负载能同时输出5种以上不同大小的谐波电流值。输出无功的功率因数变化范围为-1~+1之前任意可调。
进一步的，该节能型多功能模拟用电负载装置工作时，闭合进线开关K1与出线开关K2，中央控制器发出预充电的控制指令，KM2进线预充电接触器与KM4出线预充电接触器吸合，直流电容器组CD1~CD4上充得直流电压升到电网电压的峰值，中央控制器发出升压的控制指令，进线交流接触器KM1与出线交流接触器KM3吸合，通过三电平I型IGBT模块T1~T3进行斩波升压到直流母线电压到760V升压完成。通过人机操作显示部分下发测试所需的电流值，经过多功能电子负载单元的三电平I型IGBT模块T4~T6输出含有高频的电流，经过出线滤波电感L2与出线滤波电容C2滤除高频信号，经过三相隔离变压器TA输出交流电网。
进一步的，在本实施例中，当对待测电气设备进行测试时，只需在工作前将被测的电气设备接入测试交流接触器KM6的出线端，然后通过中央控制单元的人机操作设置系统工作参数即可对该电气设备进行测试，测试完毕后，系统控制主站即可完成对待测设备的可靠性分析以及能效测试，并且可靠性分析和能效测试准确，精度高。
进一步的，待测设备为无功补偿装置时，多功能电子负载单元输出感性无功电流，待测设备无功补偿装置输出容性的无功电流进行无功补偿，中央控制单元通过电流互感器CT采样待测设备补偿后的电流，多功能电子负载单元输出无功电流就能计算出无功补偿装置的补偿效果，当待测设备无功补偿装置补偿效果不好时，能馈侧滤波单元进行再次无功补偿到功率因数为1。当检测智能电容、SVC、SVG、APF、三相不平衡装置时，采用测试原理同上。通过该多功能模拟用电负载装置达到了节省电能的目的，可应用于科研院所及电能质量测试机构、电源相关企事业单位。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，包括：能馈滤波单元、待测设备接入单元、能量转换单元、多功能电子负载单元以及中央控制单元；所述待测设备接入单元分别与所述能馈滤波单元以及所述多功能电子负载单元相连；所述能馈滤波单元以及所述多功能电子负载单元分别与所述中央控制单元相连；所述能量转换单元分别与所述能馈滤波电源、所述多功能电子负载单元以及所述中央控制单元相连；所述能馈滤波单元包括：电流互感器CT、进线开关K1、进线交流接触器KM1、进线预充电接触器KM2、进线预充电电阻R1、进线滤波电容C1、进线滤波电感L1、第一三电平I型IGBT模块T1、第二三电平I型IGBT模块T2以及第三三电平I型IGBT模块T3；所述进线开关K1一端连接电网三相电压输入端，另一端与所述进线交流接触器KM1一端以及所述进线预充电接触器KM2的一端连接；所述进线预充电接触器KM2的另一端与所述进线预充电电阻R1一端相连；所述进线预充电电阻R1的另一端与所述进线交流接触器KM1的另一端相连，并经所述进线滤波电容C1一端，连接至所述进线滤波电感L1一端；所述进线滤波电容C1的另一端与所述电网的N导线相连；所述进线滤波电感L1的另一端分别连接至所述第一三电平I型IGBT模块T1、所述第二三电平I型IGBT模块T2以及所述第三三电平I型IGBT模块T3；所述多功能电子负载单元包括三相隔离变压器TA、出线开关K2、出线交流接触器KM3、出线预充电接触器KM4、出线预充电电阻R2、出线滤波电容C2、出线滤波电感L2、第四三电平I型IGBT模块T4、第五三电平I型IGBT模块T5以及第六三电平I型IGBT模块T6；所述三相隔离变压器TA三相进线端连接至电网三相电压输入端，三相出线端连接至所述出线开关K2的进线端；所述出线开关K2的出线端分别与所述出线交流接触器KM3的一端以及所述出线预充电接触器KM4的一端连接；所述出线预充电接触器KM4的另一端与所述出线预充电电阻R2的一端相连；所述出线预充电电阻R2的另一端与所述出线交流接触器KM3的另一端相连，并经所述出线滤波电容C2的一端，连接至所述出线滤波电感L2的一端；所述出线滤波电感L2的另一端还与所述三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连；所述出线滤波电感L2分别连接至所述第四三电平I型IGBT模块T4、所述第五三电平I型IGBT模块T5以及所述第六三电平I型IGBT模块T6；所述能量转换单元包括：第一直流电容器CD1、第二直流电容器CD2、第三直流电容器CD3、第四直流电容器CD4；所述能馈滤波单元实现将电网侧交流电整流为直流电，所述多功能电子负载单元实现将能量转换单元的直流电压转换为测试所需的交流电流反馈到交流电网中，多功能电子负载单元产生的交流电流的峰值、相位、频率大小受中央控制单元的控制，通过改变多功能电子负载单元产生的交流电流的峰值、相位、频率，所述装置即能够作为输出可控的有功电流、感性无功电流、容性无功电流、含有多次谐波的谐波电流的综合性用电负载的装置，输出无功的功率因数变化范围为-1~+1之间任意可调，当待测设备测试时，中央控制单元基于待测设备输出的电流判断补偿效果，进而通过能馈侧滤波单元调整功率因数；所述装置工作时，闭合进线开关K1与出线开关K2，中央控制单元发出预充电的控制指令，KM2进线预充电接触器与KM4出线预充电接触器吸合，直流电容器组CD1~CD4上充得直流电压升到电网电压的峰值，中央控制单元发出升压的控制指令，进线交流接触器KM1与出线交流接触器KM3吸合，通过三电平I型IGBT模块T1~T3进行斩波升压；通过中央控制单元的人机操作显示部分下发测试所需的电流值，经过多功能电子负载单元的三电平I型IGBT模块T4~T6输出含有高频的电流，经过出线滤波电感L2与出线滤波电容C2滤除高频信号，经过三相隔离变压器TA输出交流电网。
2.根据权利要求1所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，所述能量转换单元还包括放电直流接触器KM5以及放电电阻R3；所述放电直流接触器KM5的一端接直流母排的正极，另一端接所述放电电阻R3的一端；所述放电电阻R3的另一端接所述直流母排的负极；所述第一直流电容器CD1的正极接直流母排的正极，负极接所述第二直流电容器CD2的正极，所述第二直流电容器CD2的负极接所述直流母排的负极；所述第三直流电容器CD3的正极接所述直流母排的正极，负极接所述第四直流电容器CD4的正极；所述第四直流电容器CD4的负极接所述直流母排的负极；所述第二直流电容器CD2的正极还与所述能馈滤波单元中的电网的N导线相连；所述第四直流电容器CD4的正极还与所述多功能电子负载单元中的三相隔离变压器TA输出端的N1导线相连。
3.根据权利要求1所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，所述待测设备接入单元包括测试开关K3以及测试交流接触器KM6；所述测试开关K3的一端连接电网三相电压输入端，另一端与所述测试交流接触器KM6一端连接；所述测试交流接触器KM6的另一端接入待测设备的接入点。
4.根据权利要求1所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，所述中央控制单元包括：DSP电路以及分别与该DSP电路相连的信号采样与调理电路、IGBT模块驱动电路、接触器控制输出电路、接触器工作状态信号输入电路及保护电路。
5.根据权利要求4所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，所述DSP电路中采用TMS320F28335。
6.根据权利要求4所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置，其特征在于，还包括一与所述DSP电路相连的嵌入式一体化触摸屏。
7.一种基于根据权利要求1~6任一项所述的一种节能型多功能模拟用电负载装置的控制方法，其特征在于，所述能馈滤波单元将电网侧交流电整流为直流电；所述多功能电子负载单元将所述能量转换单元提供的直流电压转换为测试所需要的交流电流，并反馈到交流电网中；所述中央控制单元用于控制所述多功能电子负载单元输出的交流电流的峰值、相位以及频率；通过所述中央控制单元改变所述多功能电子负载单元输出的交流电流的峰值、相位以及频率，以输出用于待测设备接入单元测试的交流电流，并反馈到交流电网中。
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