CN113471983A - 一种抑制谐波式智能综合补偿装置 - Google Patents

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CN113471983A CN202110764404.8A CN202110764404A CN113471983A CN 113471983 A CN113471983 A CN 113471983A CN 202110764404 A CN202110764404 A CN 202110764404A CN 113471983 A CN113471983 A CN 113471983A
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Abstract

本发明公开了一种抑制谐波式智能综合补偿装置，包括无源模块和有源模块，所述无源模块包括若干组晶闸管投切电容器，单组所述晶闸管投切电容器由补偿电容器和晶闸管构成，若干组所述晶闸管投切电容器通过接触器与电网实现并联连接；所述有源模块包括三相全桥逆变器，所述三相全桥逆变器输出端通过第一电感与电网连接；当工作时，由无源模块自动分级的补偿无功，剩余少量无功可由有源模块进行补偿，无源模块用以滤除负载上的谐波电流，并使得电网电流仅含有与电网电压相同相位的基波正序分量。本发明采用有源模块和无源模块的联动运行，具有更高的稳态精度和动态响应速度，提高电力系统稳定性，优化电能质量。

Description

一种抑制谐波式智能综合补偿装置
技术领域
本发明涉及电力电容补偿装置技术领域，特别涉及一种抑制谐波式智能综合补偿装置。
背景技术
现代电力系统中，电力电子技术发展迅速，使得电力系统中电力电子器件的应用呈现越来越普及的现象。在电力电子设备工作时，均会对电力系统造成谐波污染，功率因数降低等电能质量问题。另外，各种电力整流、换流设备等大量非线性和具有时变特性负荷的广泛应用，造成电力系统中的无功功率和谐波显著增加，严重影响电网电压质量，造成网络损耗的加大，能源浪费严重，电能的生产、传输和利用效率降低，还使电气设备过热，易与系统产生谐振，威胁电气设备的正常运行，给电力用户带来极大的危害。
电网电压与无功密切相关，大量谐波注入电网很大程度的影响电力系统正常运行。为了动态补偿无功功率和谐波，传统方法就是采用晶闸管投切控制的LC调谐滤波器(TSF)。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想，同时容易造成无功功率过补或欠补。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抑制谐波式智能综合补偿装置，用于解决上述技术问题，采用有源模块和无源模块的联动运行，具有更高的稳态精度和动态响应速度，提高电力系统稳定性，优化电能质量。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种抑制谐波式智能综合补偿装置，包括无源模块和有源模块，所述无源模块包括若干组晶闸管投切电容器，单组所述晶闸管投切电容器由补偿电容器和晶闸管构成，若干组所述晶闸管投切电容器通过接触器与电网实现并联连接；所述有源模块包括三相全桥逆变器，所述三相全桥逆变器输出端通过第一电感与电网连接；当工作时，由无源模块自动分级的补偿无功，剩余少量无功可由有源模块进行补偿，无源模块用以滤除负载上的谐波电流，并使得电网电流仅含有与电网电压相同相位的基波正序分量。
所述无源模块内的晶闸管投切电容器组数为3组，三组所述晶闸管投切电容器采用三角形连接结构。
所述无源模块内中两组呈反向并联的晶闸管用以判读是否将补充电容器并入电网。
任意一组的晶闸管投切电容器与电网之间串联有第二电感。
所述补充电容器为固定电容器。
所述无源模块采用开环控制方式，所述有源模块采用滞环控制方式。
所述有源模块和无源模块的指令电流信号的获取是采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得。
还包括指令电流运算电路，所述指令电流运算电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得指令信号，并完成电流控制信号输出。
电流控制信号输入至电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路结合PWM控制器实现信号控制和放大，从而产生开关驱动信号，利用驱动电路控制无源模块的通断得到补偿滤波电流，并与负载电流中的谐波电流分量。
无源模块的通断得到补偿滤波电流和负载电流中的谐波电流幅值大小相等，且方向相反，实现相互抵消，使得电网电流中只含基波电流。
本发明与现有技术相比具有如下突出优点和效果：本发明采用有源模块和无源模块的联动运行，具有更高的稳态精度和动态响应速度，提高电力系统稳定性，优化电能质量。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的单独运行无源模块负载侧功率因数曲线示意图；
图2为本发明的单独运行无源模块交流侧功率因数曲线示意图；
图3为本发明的联合运行负载侧功率因数曲线示意图；
图4为本发明的联合运行负载网侧功率因数曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图所示，本发明提供了一种抑制谐波式智能综合补偿装置，包括无源模块和有源模块，无源模块包括若干组晶闸管投切电容器，单组晶闸管投切电容器由补偿电容器和晶闸管构成，若干组晶闸管投切电容器通过接触器与电网实现并联连接；优选的，无源模块内的晶闸管投切电容器组数为3组，三组晶闸管投切电容器采用三角形连接结构，可以降低晶闸管的电流容量，还能保证电源电压的稳定，避免中线电流，并且确保对负载的无功进行有级补偿。
其中，有源模块包括三相全桥逆变器，三相全桥逆变器输出端通过第一电感与电网连接，外接并联设有固定电容器，采用多组开关管构成H桥型连接，其工作原理为要求同相的开关组中保持一个是连通的；交流侧电网电压与主电路直流侧电容电压的差值传输给第一电感；当工作时，由无源模块自动分级的补偿无功，剩余少量无功可由有源模块进行补偿，无源模块用以滤除负载上的谐波电流，并使得电网电流仅含有与电网电压相同相位的基波正序分量。
其中，无源模块内中两组呈反向并联的晶闸管用以判读是否将补充电容器并入电网；任意一组的晶闸管投切电容器与电网之间串联有第二电感，第二电感用以抑制补充电容器投入过程中对整体造成电流冲击，采用晶闸管投切电容器可以根据实际需求来投切，并且发出的是连续可调的动态无功功率。
其中，补充电容器为固定电容器。
其中，无源模块优优选采用开环控制方式，有源模块选采用滞环控制方式；通常，有源模块内的晶闸管投切电容器的控制方式可以分为开环控制、闭环控制和复合控制，其中开环控制可以快速跟踪负荷变化并准确的进行控制，但是其维持电压或功率因素等参数的功能相对较差；闭环控制具有控制精确度高的特性，但是其存在响应速度较慢的问题；复合控制则是将开环控制和闭环控制相互结合使用，即可以使得补偿电容器快速的跟踪负荷电流的变化，也可以使得负荷的功劳因素维持在给定值。
在整个智能综合补偿装置中，晶闸管投切电容器对无功进行大容量的分级补偿，无源模块用来对负载和晶闸管投切电容器的无功级差进行补充，并且改善整个装置的动态和稳态性能，因此，为了实现有源模块和无源模块的联动运行，避免产生稳定性的问题，晶闸管投切电容器采用开环控制更为优选，其可以保证无源模块和有源模块联合运行后不会影响稳定性，实现同时工作，且晶闸管投切电容器电抗率相较小时，检测网测电流时采用闭合控制会存在不稳定现象。
无源模块的控制方式包括现有技术中的常见的三角载波控制、滞环电流控制，其均具有较为广泛的应用和成熟的控制方法，同时还不断涌现了模糊控制、神经网络控制等多种智能控制方法；对于整个装置在考虑无源模块和有源模块独立正常工作的同时，还需要兼顾联动运行过程中的各种稳定性问题，且在本装置中有源模块是用来对负载和无源模块进行无级差补偿，因此采用现有技术中的滞环控制方式，其更为稳定有效。
本实施例中，无源模块会自动分级对变化的无功进行补充，各级件完不成的部分由有源模块进行再次补偿，有源模块会实现快速准确的对谐波电流进行抑制。
优选的，有源模块是以负载电流的有效值作为指令信号，指令信号的获取是采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得；利用ip-iq运算检测法，可以同时计算得到有源模块和无源模块的电流信号，其具有算法简单快速的优点；当负载不含谐波，则只需对无功进行补偿时，可以省去ip-iq运算检测法中的低通滤波器，其可以消除延时。
本实施例中，晶闸管投切电容器是以负载电流的有效值IL作为指令信号，其中：
Figure BDA0003150523600000051
经过无偿模块滤波后得到的直流分量为：
Figure BDA0003150523600000052
包其中I+1为基波正序分量的有效值部分，
Figure BDA0003150523600000053
为电压电流相位差，得：
Figure BDA0003150523600000054
优选的，本实施例中包括了指令电流运算电路，指令电流运算电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得指令信号，并完成电流控制信号输出；电流控制信号输入至电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路结合PWM控制器实现信号控制和放大，从而产生开关驱动信号，利用驱动电路控制无源模块的通断得到补偿滤波电流，并与负载电流中的谐波电流分量。
优选的，本实施例中无源模块的通断得到补偿滤波电流和负载电流中的谐波电流幅值大小相等，且方向相反，实现相互抵消，使得电网电流中只含基波电流。
本发明采用有源模块和无源模块的联动运行，具有更高的稳态精度和动态响应速度，提高电力系统稳定性，优化电能质量。
基于上述实施例，选取电网交流侧电压380V，有功负载20KW，依次投入感性负载L1、L2、L3，单独运行无源模块，利用电能质量分析仪上得到功率曲线图为图1和图2所示。
结合图1和图2所示，负载侧功率因数与电感负载呈波动，当晶闸管投切电容器开始自动分级投切补偿无功后，功率因数逐渐恢复；交流侧的功率因数变化大体趋势与负载侧相同，从晶闸管投切电容器开始自动分级投切补偿无功后，逐步恢复，无源模块运行后整个装置的功率因数得到明显的提高。
基于上述实施例，选取电网交流侧电压380V，有功负载20KW，依次投入感性负载L1、L2、L3，联合运行有源模块和无源模块，利用电能质量分析仪上得到功率曲线图为图3和图4所示。
结合图3和图4所示，在无源模块和有源模块联动运行后，实现共同补偿感性无功的同时，有源模块还实现吸收谐波，网测功率因数稳定在一定的正常范围内，负载侧功率因数变化幅度相对稳定。
基于上述实施例，选取电网交流侧电压380V，有功负载20KW，投入感性负载L3，晶闸管投切电容器的电抗率为零，使得电网电流、无源模块电流、有源模块电流、负载电流曲线图均接近于正弦波，说明智能综合补偿装置不仅可以补偿系统无功，且可以解决谐波污染问题，且联合运行稳定。
上述实施例中，L1、L2、L3的感性负载参数
电感负载KW 额定电压V 电感量mH 无功容量kvar 每相无功电流A
L1 220 50 9.2 14
L2 220 100 4.6 7
L3 220 200 2.3 3.5
总和 / / 16.1 24.5
上述实施例中，补偿电容器参数
Figure BDA0003150523600000061
Figure BDA0003150523600000071
上述实施例中，三相全桥逆变器负载参数张工，输入电压为380V、电感量200mh、电阻10Ω、无功容量28mh、谐波频率次数为6K±1(K＝1、2、3…)。
智能综合补偿装置针对复杂多变的电力系统内的无功和谐波问题，无源模块可以有级的进行大容量的无功补偿，有源模块可以实现无功的连续双向补偿，其可以抑制谐波问题，有效降低晶闸管投切电容器串联电抗的电抗率，使得整体的联合运行更为稳态精准和动态响应高速，提高了电力系统稳定性，优化电能质量。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种抑制谐波式智能综合补偿装置，包括无源模块和有源模块，其特征在于：所述无源模块包括若干组晶闸管投切电容器，单组所述晶闸管投切电容器由补偿电容器和晶闸管构成，若干组所述晶闸管投切电容器通过接触器与电网实现并联连接；所述有源模块包括三相全桥逆变器，所述三相全桥逆变器输出端通过第一电感与电网连接；当工作时，由无源模块自动分级的补偿无功，剩余少量无功可由有源模块进行补偿，无源模块用以滤除负载上的谐波电流，并使得电网电流仅含有与电网电压相同相位的基波正序分量。
2.根据权利要求1所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：所述无源模块内的晶闸管投切电容器组数为3组，三组所述晶闸管投切电容器采用三角形连接结构。
3.根据权利要求2所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：所述无源模块内中两组呈反向并联的晶闸管用以判读是否将补充电容器并入电网。
4.根据权利要求3所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：任意一组的晶闸管投切电容器与电网之间串联有第二电感。
5.根据权利要求1所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：所述补充电容器为固定电容器。
6.根据权利要求1所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：所述无源模块优采用开环控制方式，所述有源模块采用滞环控制方式。
7.根据权利要求1所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：所述有源模块和无源模块的指令电流信号的获取是采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得。
8.根据权利要求7所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：还包括指令电流运算电路，所述指令电流运算电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算检测法获得指令信号，并完成电流控制信号输出。
9.根据权利要求8所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：电流控制信号输入至电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路结合PWM控制器实现信号控制和放大，从而产生开关驱动信号，利用驱动电路控制无源模块的通断得到补偿滤波电流，并与负载电流中的谐波电流分量。
10.根据权利要求9所述的一种抑制谐波式智能综合补偿装置，其特征在于：无源模块的通断得到补偿滤波电流和负载电流中的谐波电流幅值大小相等，且方向相反，实现相互抵消，使得电网电流中只含基波电流。
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