CN107528327A - 一种电网电能质量控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电能质量控制设备。所述电网电能质量控制设备包括智能控制单元、动态无功补偿模块、静止无功发生器和有源滤波器；所述智能控制单元与所述动态无功补偿模块电连接；所述智能控制单元与所述静止无功发生器电连接；所述智能控制单元与所述有源滤波器电连接；结构简单，性能稳定可靠，滤波效果好，动态响应特性好，对电网无功功率补偿效果优良。

Description

一种电网电能质量控制设备

技术领域

本发明涉及一种电网电能质量控制设备。

背景技术

电网的无功补偿和谐波滤除在用户电力系统中，广泛使用着感性设备和非线性负荷(变频、整流)，它们需要从电网中吸收大量的无功功率来实现自己的功能，也会产生多次谐波电流注入系统，这些不仅降低了功率因数、增加了额外的能量损耗，也影响着用户的电能质量及危害电网稳定。因此，研究无功补偿及谐波治理是非常必要的。静止无功发生器(Static Var Generato-SVG)，具有传统无功补偿装置所没有的优势；而有源滤波器(Active Power Filter-APF)可以达到传统滤波装置达不到的滤波效果，也是迄今系统谐波治理的最佳选择；两种技术趋势是今后用户电力系统、负荷无功补偿和谐波治理的发展方向。

目前，无功补偿主要采取传统的动态无功补偿装置，其采用分组投切、分组输出，存在无功补偿盲区，容易出现过补或欠补，功率因数补偿效果只能达到0.95左右，曲线波动范围极大，且只能针对特定的特征谐波进行滤除，滤除效果一般，补偿范围窄，动态响应特性差，且运行和维护成本高，对电网无功功率补偿的效果不佳。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种电网电能质量控制设备。

本发明的技术方案为：一种电网电能质量控制设备包括智能控制单元、动态无功补偿模块、静止无功发生器和/或有源滤波器；所述智能控制单元与所述动态无功补偿模块电连接；所述智能控制单元与所述静止无功发生器电连接和所述智能控制单元与所述有源滤波器电连接；使用时，所述智能控制单元与电网连接，所述动态无功补偿模块与电网连接，所述静止无功发生器与电网连接，所述有源滤波器与电网连接；当所述智能控制单元检测到所述电网中需要无功补偿时，所述智能控制单元控制动态无功补偿模块和所述静止无功发生器配合工作，对电网进行无功无级补偿；当所述智能控制单元检测到所述电网中有谐波，所述智能控制单元控制所述有源滤波器滤除电网中谐波。

进一步的，所述动态无功补偿模块包括投切开关、串联电抗器和并联电容器。

进一步的，所述静止无功发生器为基于IGBT的静止无功发生器。

进一步的，所述智能控制单元与所述静止无功发生器通过RS-485通信连接。

进一步的，所述有源滤波器包括电流互感器，所述电流互感器用于检测电网中的电流信号。

进一步的，所述有源滤波器基于IGBT；所述电流互感器将所述电流信号经DSP计算，提取出电网电流中的谐波成分。

进一步的，所述谐波成分反变换后发送PWM信号到所述有源滤波器的IGBT。

进一步的，所述有源滤波器包括控制逆变器；所述控制逆变器产生和所述谐波电流大小相等，方向相反的抵消电流；所述抵消电流输入电网并与电网中的谐波抵消。

本发明的有益效果在于：结构简单，性能稳定可靠，滤波效果好，动态响应特性好，对电网无功功率补偿和滤除谐波效果优良。

附图说明

图1为一种电网电能质量控制设备结构示意图；

图2为无功需求示意图；

图3为智能控制单元控制流程图；

图4为动态无功补偿模块控制流程图；

图5为静止无功发生器控制流程图；

图6为有源滤波器控制流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术方案，下面将本发明的技术方案结合具体实施例作进一步详细的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种电网电能质量控制设备100包括智能控制单元20、动态无功补偿模块30、静止无功发生器40和有源滤波器50；所述智能控制单元20为SLC控制器模块，所述动态无功补偿模块30为SFM动态无功补偿模块；所述静止无功发生器40为SVG式静止无功发射器模块；所述有源滤波器50为APF有源滤波器模块；所述智能控制单元20集成检测、控制及显示为一体的综合控制器，控制静止无功发生器40和有源滤波器50输出及动态无功补偿模块30投切运行同时监测整个设备的运行数据功能，是整个装置的核心部分；所述动态无功补偿模块30将保护器件、投切开关、串联电抗器、并联电容器集成在一起，构成一个独立的补偿支路，承担大部分无功补偿；所述静止无功发生器40具有连续可调的补偿输出特点，主要用于动态无功补偿模块30有级补偿中盲点覆盖，通过RS-485通信接受智能控制单元20输出，提高功率因数，达到改善电网电能质量的目的；所述有源滤波器50在优先滤除谐波剩余的容量亦可输出连续补无功，通过RS-485通信接受智能控制单元20输出，用于滤除系统谐波和动态无功补偿模块30有级补偿中盲点覆盖，滤除系统谐波、提高功率因数，实现电网电能质量的智能控制；

所述智能控制单元20与所述动态无功补偿模块30电连接；所述智能控制单元20与所述静止无功发生器40电连接，所述智能控制单20与所述有源滤波器50电连接；使用时，所述智能控制单元20与电网连接，所述动态无功补偿模块30与电网连接，所述静止无功发生器40与电网连接，所述有源滤波50与电网连接；当所述智能控制单元20检测到所述电网中需要无功补偿时，所述智能控制单元20控制动态无功补偿模块30，所述动态无功补偿模块30对所述电网进行无功补偿，所述静止无功发生器40对电网进行无功补偿；当所述智能控制单元20检测到所述电网中有谐波，所述智能控制单元20控制所述有源滤波器50滤除电网中谐波；现代无功补偿技术已发展到IGBT(IGBT，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT双极型三极管和MOS绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点)全控时代，静止无功发生器40是一种基于现代电力电子技术的新型无功补偿设备，具有优越的动态无功功率补偿性能，能够快速的跟踪和补偿电网的无功功率，还能实现从感性到容性的全范围无功功率的补偿；动态无功补偿装置补偿效果、响应时间明显比静止无功发生器40要差，补偿范围较静止无功发生器40小。而有谐波治理波则是通过一定电抗率的电抗器和固定次数滤波电容器的组合形成可吸收固定次数的谐波回路接入系统，对滤波次数和效果有着局限性；有源滤波器50具有谐波补偿、无功补偿和三相不平衡补偿功能；采用标准的通讯接口和通讯协议；故障报警和记录功能，可多达500条报警记录；还有完整有效的各类保护措施，如过压保护、欠压保护、短路保护、逆变桥反向保护、过补偿保护等。所述电网电能质量控制设备100采用成熟三电平技术，模块化设计，高功率密度，双DSP+FPGA架构(DSP架构，digital signal processor，即数字信号处理器是一种专用于实时的数字信号处理的微处理器。架构包含CPU/ALU、程序存储器、数据存储器等。其常见架构类型包括增强型DSP、VLIW结构、超标量体系结构和SIMD结构混合结构；FPGA架构即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点)，专业三重保护逻辑设计，确保系统的稳定可靠性；结构简单，性能稳定可靠，滤波效果好，动态响应特性好，对电网无功功率补偿效果优良。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述动态无功补偿模块30包括投切开关、串联电抗器和并联电容器。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述静止无功发生器40为基于IGBT的静止无功发生器。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述智能控制单元20与所述静止无功发生器40通过RS-485通信连接。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述有源滤波器50包括电流互感器，所述电流互感器用于检测电网中的电流信号。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，所述有源滤波器50基于IGBT；所述电流互感器将所述电流信号经DSP计算，提取出电网电流中的谐波成分；所述谐波成分反变换将发送PWM信号到所述有源滤波器50的IGBT；所述有源滤波器50包括控制逆变器；所述控制逆变器产生和所述谐波电流大小相等，方向相反的抵消电流；所述抵消电流输入电网并与电网中的谐波抵消。

无功计算方法：

所述智能控制单元20采样三相电源中一相电流(如A相)与另外两线的电压(如BC相)之间的相位差，通过一定的运算，得到当前电网的实时功率因数。在三相供电中，我们假设三相的相电压分别为Ua、Ub、Uc，A相电流为Ia则有Ua＝Usin(ωt)，Ub＝Usin(ωt+120°)，Uc＝Usin(ωt+240°)，从而得到BC间的线电压为Ubc＝Ub-Uc＝Usin(ωt-90°)

若A相负载为纯阻性，则A线电流Ia与A相电压Ua同相，Ia超前Ubc的角度为90°；

若A相负载为感性，则A相电流Ia滞后A相电压Ua角度为φ(0°≤φ≤90°)，Ia超前Ubc的角度为90°-φ；

若A相负载为容性，则A相电流Ia超前A相电压Ua角度为φ(0°≤φ≤90°)，Ia超前Ubc的角度为90°+φ。

实际中，为了计算的方便，我们电流相位的采样为电压采样的第二个周期，即若没有相位差Ia滞后Ua的角度为360°。假设我们检测到Ia滞后Ubc的角度为α，根据以上的分析得知：

若180°<α<270°电路为容性负载，COSφ＝COS(270°-α)

若α＝270°，则电路为纯阻性负载，COSφ＝1

若270°<α<360°，则电路为感性负载COSφ＝COS(α-270°)

所述的控制量为无功型的投切逻辑判断，其主要通过控制器设置一无功稳定区间(如图2)，当前无功为容性时，切除动态无功补偿模块30或者减少容性无功输出；当前无功为感性时，若无功小于稳定区间值则控制器无动作，当大于稳定区间则投入动态无功补偿模块30或者增加静止无功发生器40输出容性无功。

无级投切容量选择及输出控制(如图2)

若当前电网无功落在切除区间即当前功率因数性质为容性则控制器需要切除电容或者减少容性无功输出，如图中需切除-当前cosφ所在点。此种情况下存在两种可能：可能一是当前静止无功发生器40输出容性无功绝对值大于或者等于当前电网无功绝对值，此时只需减少静止无功发生器40容性无功输出，使当前cosφ降低至假使SVG输出为0时的cosφ2与1之间；可能二是当前输出静止无功发生器40输出容性无功绝对值小于当前电网无功绝对值，此时需要动态无功补偿模块30和静止无功发生器40共同完成，即使静止无功发生器40输出为0，同时查找满足Qmin需补偿-切1到Qmax需补偿-切1之间的动态无功补偿模块30输出容量并控制投切操作。

若当前电网无功落在稳定区间，则智能控制单元20不需要动作。

若当前电网无功落在投入区间，智能控制单元20需要投入电容或者增加SVG容性无功输出。当静止无功发生器40输出为0，则计算功率因数点为需投入-假使SVG输出为0的cosφ点，那么当前需补偿无功最大最小值(如图2)Qmax需补偿-投、Qmin需补偿-投。智能控制单元20查找满足该范围的动态无功补偿模块30，不足的由静止无功发生器40输出。

滤波计算法：

当设备配置的动态无功补偿模块30和有源滤波器50功率模块的时候，动态无功补偿模块30投切亦按在无功计算方法计算输出无功，而有源滤波器50通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后反变换发送PWM信号给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

以上是本发明的较佳实施例，不用于限定本发明的保护范围。应当认可，本领域的技术人员在理解了本发明技术方案后所做的非创造性改变和变形，应当也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电网电能质量控制设备，其特征在于：所述电网电能质量控制设备包括智能控制单元、动态无功补偿模块、静止无功发生器和有源滤波器；

所述智能控制单元与所述动态无功补偿模块电连接；所述智能控制单元与所述静止无功发生器电连接；所述智能控制单元与所述有源滤波器电连接；

使用时，所述智能控制单元与电网连接，所述动态无功补偿模块与电网连接，所述静止无功发生器与电网连接，所述有源滤波器与电网连接；当所述智能控制单元检测到所述电网中需要无功补偿时，所述智能控制单元控制动态无功补偿模块和所述静止无功发生器配合工作，对电网进行无功无级补偿；当所述智能控制单元检测到所述电网中有谐波，所述智能控制单元控制所述有源滤波器滤除电网中谐波。

2.根据权利要求1所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述动态无功补偿模块包括投切开关、串联电抗器和并联电容器。

3.根据权利要求1所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述静止无功发生器为基于IGBT的静止无功发生器。

4.根据权利要求1所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述智能控制单元与所述静止无功发生器通过RS-485通信连接。

5.根据权利要求1所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述有源滤波器包括电流互感器，所述电流互感器用于检测电网中的电流信号。

6.根据权利要求5所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述有源滤波器基于IGBT；

所述电流互感器测得的所述电流信号经DSP计算，提取出电网电流中的谐波成分。

7.根据权利要求6所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述谐波成分反变换后发送PWM信号到所述有源滤波器的IGBT。

8.根据权利要求7所述的电网电能质量控制设备，其特征在于：所述有源滤波器包括控制逆变器；

所述控制逆变器产生和所述谐波电流大小相等，方向相反的抵消电流；所述抵消电流输入电网并与电网中的谐波抵消。