CN108879711B - 一种低压单相无功功率连续调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无功功率补偿技术领域，涉及一种低压单相无功功率连续调节装置及方法，包括断路器、以及通过断路器并入到电网中的电容器组、整流模块、逆变模块、电力变压器以及逆变控制模块。本发明利用断路器将电容器和相对应的控制模块并入到电网中，利用整流模块将将电网中的交变电整流为直流电，利用逆变控制模块采集线路上的电压电流的数据信息并输出PWM控制信号，利用逆变模块将直流电压逆变为交流电并使得逆变后的交流电与电网中的交流电保持同步，利用电力变压器将交流电施加于电容器组上，用于调节电容器组两端电压，达到补偿电网无功功率的目的，解决了现有技术中因采用分相分组投切的电容器组的方式而造成无功功率补偿不精确的缺陷。

Description

一种低压单相无功功率连续调节装置及方法

技术领域

本发明涉及无功功率补偿技术领域，更具体地说，涉及一种低压单相无功功率连续调节装置及方法。

背景技术

由于低压配电网运行中各相负荷的功率及性质各异，会造成电网无功功率分布不平衡，故需要一种可以分相、准确进行无功功率补偿的装置。而目前国内大多采用的低压无功补偿装置往往采用分相分组投切的电容器组的方式进行无功补偿，但由于电容器容量的级差，无法细微调节所需补偿的无功功率大小，可能会出现多投一组过补，少投一组欠补的情况。并且，现有技术中的电网无功功率补偿中的补偿电容两端的电压都是固定的，只能通过分相分组投切的电容器组的方式进行无功补偿。

在电力电子技术中，整流和逆变两种电路通过背靠背的连接方式可组成交-交(ACAC)电路，即可实现变幅、变频等功能，这类电路的负载包括阻感负载、电阻负载或阻容负载。此外，相对于机械式投切型电路而言，电力电子电路具有开关速度高，对电网冲击性小等优点。

因此，针对低压电网中，能否实现无功功率分相连续调节，成为本领域需要解决的一个重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低压单相无功功率连续调节装置及方法，解决现有技术中因采用分相分组投切的电容器组的方式而造成无功功率补偿不精确的缺陷。

本发明公开了一种低压单相无功功率连续调节装置，包括断路器和电容器组，还包括有整流模块、逆变模块、电力变压器以及逆变控制模块；其中，所述断路器的两端分别与输电线路及整流模块的输入端电性连接，用于控制线路连接；所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端电性相连，作为直流源；所述逆变模块的输出端与电力变压器的一次侧电性连接，产生变化正弦交流电；所述电容器组的两端分别与电力变压器的二次侧及断路器电性连接，用于补偿调节线路无功功率；所述逆变控制模块的输出端与逆变模块的控制端电性连接，用于检测线路电压电流数据，调制PWM脉冲，驱动逆变模块。

作为本发明的优选方案，该整流模块包括桥式整流电路和滤波电容，该桥式整流电路的输入端与断路器电性连接，用于将断路器上的线路电流Is整流成波动的直流电流Id；该桥式整流电路的输出端通过滤波电容与所述逆变模块的输入端电性连接，用于滤波输出稳定的直流电压Ud。

作为本发明的优选方案，该逆变模块包括桥式逆变电路和LC低通滤波电路，该桥式逆变电路的输入与整流模块的输出端连接，该桥式逆变电路的输出端与LC低通滤波电路的输入端连接，用于将直流电压Ud逆变成周期为0.02s的交变脉冲电压；该LC低通滤波电路的输出端与电力变压器的一次侧电性连接，用于滤除逆变产生的纹波。

作为本发明的优选方案，该LC低通滤波电路包括有电感L和电容C1，所述电感L串联在电力变压器的一次侧线路上，所述电容C1并联在电力变压器的一次侧于所述电感L的末端线路上。

作为本发明的优选方案，该LC低通滤波电路的转折频率的计算公式为：

其中，f_n为转折频率；π为圆周率，取值3.14。

作为本发明的优选方案，该逆变控制模块包括PLL锁相单元、PWM逆变驱动单元、中央处理器单元；所述PLL锁相单元的输入端与输入线路电连接，用于对输入线路进行电压采样；所述中央处理器单元的输入端与PLL锁相单元的输出端电连接，用于根据电压采样信息产生PWM脉冲信号；所述PWM逆变驱动单元的输入端与中央处理器单元的输出端电连接，所述PWM逆变驱动单元的输出端与逆变模块的控制端电连接，用于产生高频控制信号驱动逆变模块工作。

本发明还具体公开了一种低压单相无功功率连续调节方法，包括以下步骤：

S1、将电容器组并入到输入线路，并对输入线路进行电压和电流采样；

S2、根据电压和电流采样信息，产生高频控制信号；

步骤S2的具体过程为：

S21、利用PLL锁相单元收集电压和电流采样信息；

S22、利用无功补偿控制策略确定逆变电压的幅值及相位，产生PWM脉冲信号；

S23、根据PWM脉冲信号，产生高频控制信号；

在步骤S22中，所述无功补偿控制策略具体为：

S221、计算补偿无功功率△Q：计算出负荷所需的无功功率为Q，输入线路所提供的无功功率为Q'，则需要补偿无功功率△Q＝Q-Q'；

S222、确定PWM脉冲信号的相位：若补偿无功功率△Q大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位一致；若补偿无功功率△Q不大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位相反；

S223、确定PWM脉冲信号的幅值：利用电容无功功率计算公式计算出相对应的PWM脉冲信号的幅值，该电容无功功率差计算公式为：

其中，f＝50Hz，

为电容器组的尾端电压，

为电容器组的首端电压(即输入线路的电压)；π为圆周率，取值3.14；

S3、利用高频控制信号调节控制加载在电容器组的电压。

步骤S3的具体过程为：

S31、整流：利用整流单元对输入线路的交流电压进行整流成直流电压；

S32、逆变：根据高频控制信号，利用逆变单元，将直流电压逆变成交流电压，其中，该交流电压的相位与PWM脉冲信号的相位相同，幅值为

S33、隔离：利用电力变压器，将交流电压加载到电容器组的尾端。

从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果为：

本发明利用断路器将电容器和相对应的控制模块并入到电网中，利用整流模块将将电网中的交变电整流为直流电，利用逆变控制模块采集线路上的电压电流的数据信息并根据采集的数据信息输出相对应的PWM控制信号到逆变模块中，利用逆变模块将直流电压逆变为交流电并依据PWM控制信号使得逆变后的交流电频率与电网中的交流电频率保持一致，利用电力变压器将逆变后的交流电施加于电容器组上，用于调节电容器组两端电压，达到补偿电网无功功率的目的，克服了现有技术中因电容器组两端电压无法调节而只能采取分相分组投切电容器组方式的难题；并且由于逆变控制模块可以实时采集线路上的电压电流的数据信息并根据采集的数据信息实时输出相对应的PWM控制信号来控制逆变模块的运行，使得电容器组两端电压实时随着线路上的电压波动而改变，实现了无功功率分相连续调节的目的，解决了现有技术中因采用分相分组投切的电容器组的方式而造成无功功率补偿不精确的缺陷，从而达到提高无功功率补偿精确度的要求。

附图说明

图1是本发明所提供的一种低压单相无功功率连续调节装置及方法的原理接线图。

图2是本发明所提供的一种低压单相无功功率连续调节装置及方法中整流模块的原理接线图。

图3是本发明所提供的一种低压单相无功功率连续调节装置及方法中逆变模块的原理接线图。

图4是本发明所提供的一种低压单相无功功率连续调节装置及方法的工作流程图。

图中：1-断路器；2-整流模块；21-桥式整流电路；22-滤波电容；3-逆变模块；31-桥式逆变电路；32-LC低通滤波电路；4-电力变压器；5-电容器组；6-逆变控制模块；61-PLL锁相单元；62-中央处理器单元；63-PWM逆变驱动单元。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所述的附图作简单地介绍，显而易见，下面的描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明公开了一种低压单相无功功率连续调节装置，包括断路器1和电容器组5，还包括有整流模块2、逆变模块3、电力变压器4以及逆变控制模块6；其中，所述断路器1的两端分别与输电线路及整流模块2的输入端电性连接，用于控制线路连接；所述整流模块2的输出端与逆变模块3的输入端电性相连，作为直流源；所述逆变模块3的输出端与电力变压器4的一次侧电性连接，产生变化正弦交流电；所述电容器组5的两端分别与电力变压器4的二次侧及断路器1电性连接，用于补偿调节线路无功功率；所述逆变控制模块6的输出端与逆变模块3的控制端电性连接，用于检测线路电压电流数据，调制PWM脉冲，驱动逆变模块3。

具体地，该整流模块2包括桥式整流电路21和滤波电容22，该桥式整流电路21的输入端与断路器1电性连接，用于将断路器1上的线路电流Is整流成波动的直流电流Id；该桥式整流电路21的输出端通过滤波电容22与所述逆变模块3的输入端电性连接，用于滤波输出稳定的直流电压Ud；该逆变模块3包括桥式逆变电路31和LC低通滤波电路32，该桥式逆变电路31的输入与整流模块2的输出端连接，该桥式逆变电路31的输出端与LC低通滤波电路32的输入端连接，用于将直流电压Ud逆变成周期为0.02s的交变脉冲电压；该LC低通滤波电路32的输出端与电力变压器4的一次侧电性连接，用于滤除逆变产生的纹波；该LC低通滤波电路32包括有电感L和电容C1，所述电感L串联在电力变压器4的一次侧线路上，所述电容C1并联在电力变压器4的一次侧于所述电感L的末端线路上；该LC低通滤波电路32的转折频率的计算公式为：

其中，f_n为转折频率；π为圆周率，取值3.14；该逆变控制模块6包括PLL锁相单元61、PWM逆变驱动单元63、中央处理器单元62；所述PLL锁相单元61的输入端与输入线路电连接，用于对输入线路进行电压采样；所述中央处理器单元62的输入端与PLL锁相单元61的输出端电连接，用于根据电压采样信息产生PWM脉冲信号；所述PWM逆变驱动单元63的输入端与中央处理器单元62的输出端电连接，所述PWM逆变驱动单元63的输出端与逆变模块3的控制端电连接，用于产生高频控制信号驱动逆变模块3工作。

在本发明实施例中，如图2所示的整流模块2包括桥式整流电路21和滤波电容22，整流模块2产生的直流电压是线路交流电压的0.9倍。在本发明实施例中，如图3所示的逆变模块3包括桥式逆变电路31、LC低通滤波电路32，桥式逆变电路31优选耐压值较高的IGBT管，LC低通滤波电路32

(

f_c一般取开关频率的0.04——0.1倍)。在本发明实施例中，无功补偿流程如图4所示。开始时，断路器1合闸投入补偿装置，逆变控制模块6实时采样输电线路的电压、电流，然后分析判断负荷无功功率的状态，进而驱动逆变模块3及电力变压器4产生与线路电压

同频的可调电压

在线路电压

与

的共同作用下，电容器组5产生的无功功率为

逆变控制模块6再次采样计算判断此功率是否满足需求，若满足则保持此状态，否则重新开始补偿流程。

在本实施例中，所述逆变控制模块6的主要结构包括有PLL锁相单元61、PWM逆变驱动单元63、中央处理器单元62，其中，该中央处理器单元62包括有幅值控制单元、相位控制单元、脉冲控制单元以及PI控制单元；该逆变控制模块6的工作原理为：所述PLL锁相单元61实时采集线路中的电压和电流信息，然后PI控制单元根据电压和电流信息，通过幅值控制单元来调节PWM信号的占空比来达到实时控制调节电压幅值的目的，通过相位控制单元来调节PWM信号的发生位置变化来达到实时控制调节电压方向的目的，然后通过PWM逆变驱动单元63将调节幅值和相位后的PWM控制信号输入到逆变模块3的控制端上，从而达到实时采集线路电压和电流信息，并实时输出相对应PWM控制信号的目的。

因此，本实施例所公开的低压单相无功功率连续调节装置的工作过程为：利用断路器1将电容器和相对应的控制模块并入到电网中，利用整流模块2将将电网中的交变电整流为直流电，利用逆变控制模块6采集线路上的电压电流的数据信息并根据采集的数据信息输出相对应的PWM控制信号到逆变模块3中，利用逆变模块3将直流电压逆变为交流电并依据PWM控制信号使得逆变后的交流电频率与电网中的交流电频率保持一致，利用电力变压器4将逆变后的交流电施加于电容器组5上，用于调节电容器组5两端电压，达到补偿电网无功功率的目的，克服了现有技术中因电容器组5两端电压无法调节而只能采取分相分组投切电容器组5方式的难题；并且由于逆变控制模块6可以实时采集线路上的电压电流的数据信息并根据采集的数据信息实时输出相对应的PWM控制信号来控制逆变模块3的运行，使得电容器组5两端电压实时随着线路上的电压波动而改变，实现了无功功率分相连续调节的目的，解决现有技术中因采用分相分组投切的电容器组5的方式而造成无功功率补偿不精确的缺陷，从而达到提高无功功率补偿精确度的要求。

此外，本发明还具体公开了一种低压单相无功功率连续调节方法，包括以下步骤：

S1、将电容器组5并入到输入线路，并对输入线路进行电压和电流采样；

S2、根据电压和电流采样信息，产生高频控制信号；

步骤S2的具体过程为：

S21、利用PLL锁相单元61收集电压和电流采样信息；

S22、利用无功补偿控制策略确定逆变电压的幅值及相位，产生PWM脉冲信号；

S23、根据PWM脉冲信号，产生高频控制信号；

在步骤S22中，所述无功补偿控制策略具体为：

S221、计算补偿无功功率△Q：计算出负荷所需的无功功率为Q，输入线路所提供的无功功率为Q'，则需要补偿无功功率△Q＝Q-Q'；

S222、确定PWM脉冲信号的相位：若补偿无功功率△Q大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位一致；若补偿无功功率△Q不大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位相反；

S223、确定PWM脉冲信号的幅值：利用电容无功功率计算公式计算出相对应的PWM脉冲信号的幅值，该电容无功功率差计算公式为：

其中，f＝50Hz，

为电容器组5的尾端电压，

为电容器组5的首端电压(即输入线路的电压)；π为圆周率，取值3.14；

S3、利用高频控制信号调节控制加载在电容器组5的电压。

步骤S3的具体过程为：

S31、整流：利用整流单元对输入线路的交流电压进行整流成直流电压；

S32、逆变：根据高频控制信号，利用逆变单元，将直流电压逆变成交流电压，其中，该交流电压的相位与PWM脉冲信号的相位相同，幅值为

S33、隔离：利用电力变压器4，将交流电压加载到电容器组5的尾端。

因此，本实施例所公开的一种低压单相无功功率连续调节方法，主要是利用电容无功功率差计算公式

通过改变加载到电容器组5末端的电压值，使得电容器组5两端的电压差实时改变，使得接入到电网中的电容器组5两端的电压得以连续实时发生变化，从而使得电容器组5接入到电网中的无功功率实时改变，解决了现有技术中因采用分相分组投切的电容器组5的方式而造成无功功率补偿不精确的缺陷，实现了无功功率的无缝连续调节，达到提高无功功率补偿精度的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种低压单相无功功率连续调节装置，包括断路器和电容器组，其特征在于：还包括有整流模块、逆变模块、电力变压器以及逆变控制模块；其中，所述断路器的两端分别与输电线路及整流模块的输入端电性连接，用于控制线路连接；所述整流模块的输出端与逆变模块的输入端电性相连，作为直流源；所述逆变模块的输出端与电力变压器的一次侧电性连接，产生变化正弦交流电；所述电容器组的两端分别与电力变压器的二次侧及断路器电性连接，用于补偿调节线路无功功率；所述逆变控制模块的输出端与逆变模块的控制端电性连接，用于检测线路电压电流数据，调制PWM脉冲，驱动逆变模块；

所述整流模块包括桥式整流电路和滤波电容，该桥式整流电路的输入端与断路器电性连接，用于将断路器上的线路电流Is整流成波动的直流电流Id；该桥式整流电路的输出端通过滤波电容与所述逆变模块的输入端电性连接，用于滤波输出稳定的直流电压Ud；所述逆变模块包括桥式逆变电路和LC低通滤波电路，该桥式逆变电路的输入与整流模块的输出端连接，该桥式逆变电路的输出端与LC低通滤波电路的输入端连接，用于将直流电压Ud逆变成周期为0.02s的交变脉冲电压；该LC低通滤波电路的输出端与电力变压器的一次侧电性连接，用于滤除逆变产生的纹波。

2.如权利要求1所述的一种低压单相无功功率连续调节装置，其特征在于，所述LC低通滤波电路包括有电感L和电容C1，所述电感L串联在电力变压器的一次侧线路上，所述电容C1并联在电力变压器的一次侧于所述电感L的末端线路上。

3.如权利要求2所述的一种低压单相无功功率连续调节装置，其特征在于，所述LC低通滤波电路的转折频率的计算公式为：

其中，f_n为转折频率；π为圆周率，取值3.14。

4.如权利要求1所述的一种低压单相无功功率连续调节装置，其特征在于，所述逆变控制模块包括PLL锁相单元、PWM逆变驱动单元、中央处理器单元；所述PLL锁相单元的输入端与输入线路电连接，用于对输入线路进行电压采样；所述中央处理器单元的输入端与PLL锁相单元的输出端电连接，用于根据电压采样信息产生PWM脉冲信号；所述PWM逆变驱动单元的输入端与中央处理器单元的输出端电连接，所述PWM逆变驱动单元的输出端与逆变模块的控制端电连接，用于产生高频控制信号驱动逆变模块工作。

5.一种低压单相无功功率连续调节方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种低压单相无功功率连续调节装置，所述方法包括以下步骤：

S1、将电容器组并入到输入线路，并对输入线路进行电压和电流采样；

S2、根据电压和电流采样信息，产生高频控制信号；

S3、利用高频控制信号调节控制加载在电容器组的电压。

6.如权利要求5所述的一种低压单相无功功率连续调节方法，其特征在于，

步骤S2的具体过程为：

S21、利用PLL锁相单元收集电压和电流采样信息；

S22、利用无功补偿控制策略确定逆变电压的幅值及相位，产生PWM脉冲信号；

S23、根据PWM脉冲信号，产生高频控制信号。

7.如权利要求6所述的一种低压单相无功功率连续调节方法，其特征在于，

在步骤S22中，所述无功补偿控制策略具体为：

S221、计算补偿无功功率△Q：计算出负荷所需的无功功率为Q，输入线路所提供的无功功率为Q'，则需要补偿无功功率△Q＝Q-Q'；

S222、确定PWM脉冲信号的相位：若补偿无功功率△Q大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位一致；若补偿无功功率△Q不大于0，则补偿无功功率的相位与输入线路的相位相反；

S223、确定PWM脉冲信号的幅值：利用电容无功功率计算公式计算出相对应的PWM脉冲信号的幅值，该电容无功功率差计算公式为：

其中，f＝50Hz，

为电容器组的尾端电压，

为电容器组的首端电压；π为圆周率，取值3.14。

8.如权利要求7所述的一种低压单相无功功率连续调节方法，其特征在于，

步骤S3的具体过程为：

S31、整流：利用整流单元对输入线路的交流电压进行整流成直流电压；

S32、逆变：根据高频控制信号，利用逆变单元，将直流电压逆变成交流电压，其中，该交流电压的相位与PWM脉冲信号的相位相同，幅值为

S33、隔离：利用电力变压器，将交流电压加载到电容器组的尾端。

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