CN110783930A - 一种台区电能质量治理装置及系统 - Google Patents

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胡盛
董博
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裘哲峰
王思谨
孙益辉
周剑伦
严青
胡宏盛
许耀杰
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Abstract

本发明公开了一种台区电能质量治理装置，包括箱体，箱体内设有控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路，电流互感器、功率变换器驱动电路分别与控制器电连接，电流互感器套设于三相线，功率变换器驱动电路与三相桥式逆变电路电连接，箱体内设有过温保护电路和低温启动加热电路，过温保护电路、低温启动加热电路分别与控制器电连接；同时公开了一种台区电能质量治理系统，包括监控终端以及与监控终端通讯连接的台区电能质量治理装置。本发明有效且综合地解决了配电台区功率因数低、三相负荷不平衡、系统谐波含量超标和末端低电压等电能质量问题，提高电能质量，从而提高供电可靠性。

Description

一种台区电能质量治理装置及系统
技术领域
本发明涉及电网监控技术领域，尤其涉及一种台区电能质量治理装置及系统。
背景技术
我国的低压输电线路多为三相制供电网络，由于大量单相电力用户众多且分散，导致多数配电台区存在不同程度的三相负荷不平衡问题。随着国民经济水平的提高，基层用电量增加，低压电网的三相负荷不平衡矛盾日益突出。
低压配电系统中，电流通过导线必然产生电能损耗，其损耗与电流平方成正比。当三相负荷不平衡运行时，中性线就会有电流通过，这样不仅相线有损耗，中性线也会产生损耗。配电变压器由于三相不平衡产生零序磁通不能被抵消，只能由配电变压器的油箱壁及其它钢铁构件中通过，从而在油箱壁中发热产生额外的铁耗，因此配变的损耗也相应增加。
台区运行于三相负荷不平衡时，接于重载相的单相负荷用户易出现电压偏低、电灯不亮、电器效能低等问题，而接于轻载相的单相用户易出现电压偏高，可能造成电器绝缘击穿、缩短电器使用寿命，极大地影响用电用户的体验。
配电变压器在生产时，其绕组结构是按三相平衡的工况设计的。配变的最大出力受每相额定容量的限制，配电如在三相不平衡工况下运行，轻载相就会有富余容量，从而使配电出力减小，降低设备利用率。
低压供电系统在三相负荷不平衡时，会在中性线上产生电压降落，因此中性点的电位会发生偏移，破坏供电系统平衡。由于中性点电位不为零，影响了该低压供电系统所有接中性线保护的设备用电安全。
台区三相不平衡、低电压、低功率因数以及变压器效率的降低通过人工来检测分析性带来了新的难题，加上带电检测技术人材的严重匮乏，极大地制约了对电能质量的及时、高效进行，影响了供电的可靠性。
发明内容
本发明提出一种台区电能质量治理装置及系统以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种台区电能质量治理装置，包括箱体，所述箱体内设有控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路，所述电流互感器、功率变换器驱动电路分别与控制器电连接，电流互感器套设于电网和三相不平衡负载之间的三相线，所述功率变换器驱动电路与三相桥式逆变电路电连接，所述三相桥式逆变电路包括三个功率变换器支路以及与功率变换器支路并联的电容支路；所述功率变换器支路包括两个串接的功率变换器，每个功率变换器支路中两个功率变换器的连接点为中间点，每个功率变换器支路的中间点分别通过电阻和开关连接至对应的三相线，三个功率变换器支路的中间点均连接至中性线，功率变换器驱动电路与功率变换器连接并在控制器的控制下驱动功率变换器工作；所述箱体内设有过温保护电路和低温启动加热电路，所述过温保护电路、低温启动加热电路分别与控制器电连接。
作为优选，所述功率变换器支路为两个串接的IGBT，所述功率变换器驱动电路为IGBT驱动电路，每个IGBT上并接有一个二极管，IGBT的门极与所述功率变换器驱动电路连接。
作为优选，所述控制器和功率变换器驱动电路之间采用光纤隔离。
作为优选，所述箱体内设有电压传感器，所述电压传感器与控制器电连接，用于电路电压的采样。
作为优选，所述的箱体连接有用于将台区电能质量治理装置搭载于电线杆上的杆体支撑架。
作为优选，所述的箱体上方设有顶盖，所述箱体的侧边设有通风口和进线口。
作为优选，所述箱体内设有辅助电源电路，所述辅助电源电路用于外部电源停电时为控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路供电。
作为优选，所述箱体内设有用于远程通讯的无线通信模块，所述无线通信模块与控制器电连接。
作为优选，所述无线通信模块为GPRS模块、3G模块、4G模块、5G模块或WIFI模块。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种台区电能质量治理系统，包括监控终端，以及如上所述的台区电能质量治理装置，所述台区电能质量治理装置与所述监控终端通讯连接。
与现有技术相比较，本发明使用方便，结构简单，可靠性高，能调节箱体内的温度，有效且综合地解决了配电台区功率因数低、三相负荷不平衡、系统谐波含量超标和末端低电压等电能质量问题，提高电能质量，从而提高供电可靠性。
附图说明
图1为本发明台区电能质量治理装置内部电路的一种电路示意图；
图2为本发明台区电能质量治理装置箱体结构的结构示意图一；
图3为本发明台区电能质量治理装置箱体结构的结构示意图二。
图中，1-电网，2-三相不平衡负载，3-控制器，4-功率变换器驱动电路，5-电流互感器，11-箱体，12-顶盖，13-通风口，15-杆体支撑架，20-电线杆。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
如图1所示，一种台区电能质量治理装置，包括箱体11，所述箱体11内设有控制器3、电流互感器5、功率变换器驱动电路4、三相桥式逆变电路，所述电流互感器5、功率变换器驱动电路分别与控制器3电连接，电流互感器5套设于电网1和三相不平衡负载2之间的三相线，所述功率变换器驱动电路4与三相桥式逆变电路电连接，所述三相桥式逆变电路包括三个功率变换器支路以及与功率变换器支路并联的电容支路；所述功率变换器支路包括两个串接的功率变换器，每个功率变换器支路中两个功率变换器的连接点为中间点，每个功率变换器支路的中间点分别通过电阻和开关连接至对应的三相线，三个功率变换器支路的中间点均连接至中性线，功率变换器驱动电路与功率变换器连接并在控制器的控制下驱动功率变换器工作。
本实施例中，功率变换采用电压型三相半桥逆变器结构，功率变换器采用Infineon公司的IGBT模块，功率变换器的驱动器采用瑞士进口Concept驱动。如此，功率变换器支路为两个串接的IGBT，功率变换器驱动电路4为IGBT驱动电路，每个IGBT上并接有一个二极管，IGBT的门极与所述功率变换器驱动电路连接。电容支路可以为两个电容串联构成，每个电容分别与单个的功率变换器并联，两个电容的中间节点与每个功率变换器支路中两个功率变换器的中间点连通。
为了保证箱体11内温度在可控范围内，所述箱体11内设有过温保护电路和低温启动加热电路，所述过温保护电路、低温启动加热电路分别与控制器电连接，在箱体11内温度过高时启动过温保护，在箱体11内温度过低时启动加热以升温。
为提高设备的可靠性，控制器3和功率变换器驱动电路4之间可采用光纤隔离。控制器3可以采用TI生产的300MHz的TMS320C28346高性能DSP芯片，支持15路16位高达200K的AD采样支持18路PWM发波、支持6路驱动故障反馈、支持10路光耦隔离DI输入、支持10路继电器DO输出、支持6路NTC、支持1路485通讯、支持1路以太网通讯、支持1路CAN通讯等。
用加装于三相线外部的电流互感器5实时采样负载电流，并将负载电流信号传递给控制器3，控制器3分析判定是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后通过功率变换器驱动电路4驱动IGBT动作，将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相，最后达到三相平衡状态。
此时，还可进行无功补偿，即装置开启后通过电流互感器5实时检测负载电流，并通过控制器3计算来分析负载电流的无功含量，然后根据设置值来控制PWM信号发生器发出控制信号给IGBT，使逆变器产生满足要求的无功补偿电流，最终实现动态无功补偿的目的。
箱体11内可设有电压传感器，电压传感器与控制器3电连接，用于电路电压的采样。如此，可通过电压支撑原理进行电压补偿，对补偿点各相的电压进行采样，将电压信息传递给控制器3，以判断补偿点电压是否超过设定值。当某相的电压超过调压上限(Umax)时，三相桥式逆变电路向该相输出感性电流，降低电压；当某相的电压低于调压下限(Umin)时，三相桥式逆变电路向该相输出容性电流，提升电压，最终使各相电压稳定在正常范围内，实现三相平衡。
要实现户外安装，箱体11的防水、防尘、防腐、防雷等功能和散热性能很关键，户外安装要考虑台风暴雨、昼夜温差等恶劣环境影响，故采用密闭式箱体。如图2所示，所述的箱体11上方设有顶盖12，通风口13和进线口设置于箱体11的侧边。为便于搭载于电线杆20上，如图3所示，箱体11连接有用于将台区电能质量治理装置的杆体支撑架15。特别的，杆体支撑架15可以具有用于调节箱体11高度的升降机构，方便箱体11的维护与更换。
为避免外部电源停电时箱体11内各元件停止工作，所述箱体11内设有辅助电源电路，所述辅助电源电路用于外部电源停电时自动启动为控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路供电。
为便于远程通讯，所述箱体11内设有无线通信模块，所述无线通信模块与控制器电连接。这里的无线通信模块可以为GPRS模块、3G模块、4G模块、5G模块或WIFI模块的一个或多个的组合。
本发明在前述内容基础上提出了一种台区电能质量治理系统，包括监控终端，以及如上所述的台区电能质量治理装置，所述台区电能质量治理装置与所述监控终端通讯连接。
本发明有效且综合地解决了配电台区功率因数低、三相负荷不平衡、系统谐波含量超标和末端低电压等电能质量问题，提高电能质量，从而提高供电可靠性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由本申请的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种台区电能质量治理装置，其特征在于，包括箱体，所述箱体内设有控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路，所述电流互感器、功率变换器驱动电路分别与控制器电连接，电流互感器套设于电网和三相不平衡负载之间的三相线，所述功率变换器驱动电路与三相桥式逆变电路电连接，所述三相桥式逆变电路包括三个功率变换器支路以及与功率变换器支路并联的电容支路；所述功率变换器支路包括两个串接的功率变换器，每个功率变换器支路中两个功率变换器的连接点为中间点，每个功率变换器支路的中间点分别通过电阻和开关连接至对应的三相线，三个功率变换器支路的中间点均连接至中性线，功率变换器驱动电路与功率变换器连接并在控制器的控制下驱动功率变换器工作；所述箱体内设有过温保护电路和低温启动加热电路，所述过温保护电路、低温启动加热电路分别与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述功率变换器支路为两个串接的IGBT，所述功率变换器驱动电路为IGBT驱动电路，每个IGBT上并接有一个二极管，IGBT的门极与所述功率变换器驱动电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述控制器和功率变换器驱动电路之间采用光纤隔离。
4.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述箱体内设有电压传感器，所述电压传感器与控制器电连接，用于电路电压的采样。
5.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述的箱体上方设有顶盖，所述箱体的侧边设有通风口和进线口。
6.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述的箱体连接有用于将台区电能质量治理装置搭载于电线杆上的杆体支撑架。
7.根据权利要求1所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述箱体内设有辅助电源电路，所述辅助电源电路用于外部电源停电时为控制器、电流互感器、功率变换器驱动电路、三相桥式逆变电路供电。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述箱体内设有用于远程通讯的无线通信模块，所述无线通信模块与控制器电连接。
9.根据权利要求8所述的一种台区电能质量治理装置，其特征在于，所述无线通信模块为GPRS模块、3G模块、4G模块、5G模块或WIFI模块。
10.一种台区电能质量治理系统，其特征在于，包括监控终端，以及权利要求1至9任意一项所述的台区电能质量治理装置，所述台区电能质量治理装置与所述监控终端通讯连接。
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