CN115085209B - 一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置，通过设置硅整流桥堆、谐波电压监测自动投切单元和至少一个稳压蓄电池组，从而能够将电网中的谐波分量进行提取，并通过稳压蓄电池中的放电组和逆变器将谐波电源转为工频50Hz电源；此外，稳压蓄电池组分别经投切开关与硅整流桥堆的输出端相连接，且同时，逆变器的输入端分别经投切开关与稳压蓄电池组的输出端相连接，从而使得硅整流桥堆所在电路与逆变器所在电路完全电气隔离，避免谐波谐振影响逆变器的正常工作。本发明解决电网中的谐波污染问题，大大提高电容器运行的安全性，并且还能够将谐波源转换利用，变害(废)为宝。
Description
技术领域
本发明属于电网电能质量管理及节能降损技术领域，尤其涉及一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置。
背景技术
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的50Hz频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。
通常意义一个周期电气量中频率为大于1整数倍f＝50Hz基波频率的正弦谐波分量。由于谐波频率高于基波频率，谐波也称为高次谐波。通常将谐波中频率较高者为高次谐波，频率低者为低次谐波。
现有电容器无功补偿系统中，大部份以滤波工作方式来截取相应频段的谐波功率，其中的谐波仍然存在于电容器柜的回路中，这样长期运行将会影响电力电容器组和电抗器的工作的寿命，并对安全运行造成影响。
(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的故障，大量的3次以上的谐波流过中线时会使线路设备产生过热甚至发生过电压及火灾。
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。
现有技术中对谐波的治理通常选用无源LC调谐滤波器方式，即电容器无功补偿系统和有源电力滤波器两种方式。
1、采用LC无源滤波器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振，补偿效果也不甚理想。
2、采用有源电力滤波器(Active Power Filter—APF)是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛应用。在消谐过程中又要消耗新的能源，对节能不利，同时投资过大，价格昂贵。
专利文献CN106374471A所公开的户外型高压有源电力滤波装置以及CN204517404U所公开的一种谐波能量提取系统，所需设备成本高，取电效能低下，无法大规模推广应用。
在现有电容器无功补偿系统中，例如专利文献CN201733098U所公布的一种具有谐波滤除作用的无功补偿装置，基本上是采用滤波回路将谐波吸取在L-C回路中，并没有将谐波分量提取出来，这样对电容器装置与系统危害是很大的。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中存在的不足，提供一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：
一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述电网谐波取能式电容器无功补偿装置包括：
-硅整流桥堆，所述硅整流桥堆的输入端并联接至处于三相中任意一相的电抗器的两端；
-谐波电压监测自动投切单元，所述谐波电压监测自动投切单元并联至硅整流桥堆的输出端，所述谐波电压监测自动投切单元用于当监测到硅整流桥堆的输出端的输出电压值大于工频分量值时，投切开关以使得硅整流桥堆的输出端的两端分别与稳压蓄电池组相连接；
-至少一个稳压蓄电池组，所述稳压蓄电池组分别经投切开关与硅整流桥堆的输出端相连接并用于存储电网中的谐波能量；
-逆变器，所述逆变器的输入端分别经投切开关与稳压蓄电池组的输出端相连接，所述逆变器用于将稳压蓄电池组输出的直流电压转换成三相交流基波工频电压而实现自动并网；或者是单相工频电压进行自动并网；
-隔离变压器，所述隔离变压器的初级线圈并联至逆变器的输出端，所述隔离变压器的次级线圈分别与负荷端，所述隔离变压器的初级线圈与次级线圈之间形成高压电位隔离。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述谐波电压监测自动投切单元包括多个分压电阻、电压监测智能继电器和直流执行继电器，所述分压电阻之间串联且整体并联至硅整流桥堆的输出端，所述电压监测智能继电器与其中一个分压电阻相并联；所述直流执行继电器依据电压监测智能继电器所监测得到的硅整流桥堆的输出电压值达到设定阈值后进行投切执行。
作为本发明的优选技术方案：所述谐波电压监测自动投切单元的设定阀值为硅整流桥堆的输出电压值≥1.5～3工频分量值。
作为本发明的优选技术方案：所述稳压蓄电池组为具有多档位抽头的蓄电池组，所述稳压蓄电池组用于依据谐波电压监测自动投切单元监测到的硅整流桥堆输出电压值，以切换对应的蓄电池输入电压档位。
作为本发明的优选技术方案：所述稳压蓄电池组按照运行中所需的功能性划分为两种工作状态，分别为充电组和放电组，并由自动开关进行轮回切换充电组和放电组之间电气隔离。
作为本发明的优选技术方案：所述硅整流桥堆的输入端前并联基波低阻抗L-C支路。
作为本发明的优选技术方案：所述基波低阻抗L-C支路在基工频下的阻抗值呈现值为电抗器上X2工频环境下的阻抗值的1/3～1/2。
作为本发明的优选技术方案：所述稳压蓄电池组的输入端还并联有电容以用于缓冲硅整流桥堆的输出电压波动，以保护后级稳压蓄电池。
本发明提供一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置，通过设置硅整流桥堆、谐波电压监测自动投切单元和至少一个稳压蓄电池组，从而能够将电网中的谐波分量进行提取，并通过稳压蓄电池中的放电组和逆变器将谐波电源转为工频50Hz电源；此外，稳压蓄电池组分别经投切开关与硅整流桥堆的输出端相连接，且同时，逆变器的输入端分别经投切开关与稳压蓄电池组的输出端相连接，从而使得硅整流桥堆所在电路与逆变器所在电路完全电气隔离，避免谐波谐振影响逆变器的正常工作。本发明解决电网中的谐波污染问题，大大提高电容器运行的安全性，并且还能够将谐波源转换利用，变害(废)为宝。
附图说明
图1为本发明所提供的电网谐波取能式电容器无功补偿装置的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，在电容器C1与电抗器DK(也即是电感L1)串联接线，连接于交流三相电网或者直流电网，将基波低阻抗L-C支路(呈感性，也即是支路1-1，包含电感L2和电容C2)并联于电抗器DK的两端，同时将硅整流桥堆CD的交流输入端连接于电抗器DK两端，硅整流桥堆CD为耐高压硅整流电力电子器件，其额定电压与电抗器DK上采集的最高谐波电压值相匹配，并设置2.5倍的可靠系数，由于电网中的谐波分量会在电抗器DK中产生较大的电压降落，这是由于XL＝2πfL(在感抗计算公式中：交流电的频率f(Hz)和线圈的电感L(H))，而电抗器相电压为U＝IeXL＝2πf·Ie·L，若是电抗器设为5％的阻抗值时，对于10KV母线系统，则当无谐波污染时，电抗器两端的电压(工频分量值)为：
由于并联了一组基波低阻抗L-C支路(也即是支路1-1，包含电感L2和电容C2)，电压仅呈现水平，/>
当有谐波污染时，由于U＝2πf·Ie·L谐波的频率值f高于50Hz，因此在电抗器两端的电压将大大高于在工频中产生的电压值，且随着谐波分量的加大而电压升高。本装置设计将硅整流桥堆将工频电压和谐波电压均转换为直流的电源，在硅整流桥堆输出端并联一谐波电压监测自动投切单元，其目的是当硅整流桥堆输出电压U仅为工频分量值的大小如Ug时，谐波电压监测自动投切单元不输出电源至稳压蓄电池组，即不产生输出量。当电网中谐波分量较大时，硅整流桥堆的输出电压值如达到Ux时，此处设定的投切阈值为Ux≥1.5～3Ug时，此时装置输出电源至储能1#、2#蓄电池组，将谐波能量存储至蓄电池组中。
谐波电压监测自动投切单元包括串联的多个分压电阻R，与分压电阻中的其中之一Rn并联的电压监测智能继电器Y以及执行继电器DJ，执行继电器DJ(包括DJ，DJ1、DJ2、DJ3等)分别串联在桥堆的直流输出的正、负极线路上，依据电压监测智能继电器Y监测到的硅整流桥堆输出电压值至设定阈值后，如Ux＞Ug时，投切执行继电器DJ，使装置输出电源至稳压蓄电池组。
如图1所示，稳压蓄电池组为多档位带抽头的电池组，选型为铅酸蓄电池、锂电池或者是其它免维护蓄电池，其电压值与硅整流桥堆中的输出电压相匹配，由电压监测智能继电器Y将硅整流桥堆输出的电压值自动切换调整到相应的电压档位，例如图1中的档位1、2或者3，此电压档位与后端的稳压蓄电池组的电压档位数进行匹配，即由硅整流桥堆的直流电源对稳压蓄电池进行充电，此时的电能按启动条件，可将电网中的谐波能量转换到蓄电池中，存储至蓄电池组中的电量也包含了一定成份的基波含量，通过加装并联基波低阻抗L2-C2支路(1-1)，则会使基波的成份比例变小，因此在电压监测智能继电器Y监测到的硅整流桥堆输出电压值Ux≥1.5～3Ug，投切执行继电器DJ，使装置输出电源至蓄电池组，从而保证蓄电池组吸收的能量绝大部分为谐波能量。
逆变器，如图中NB所指示，为常规的宽电压直流电源输入(输入电压为800～1200V)，由三相式交流工频或者单相输出的可实现自并网功能的电力电子逆变装置，其输入端连接于稳压蓄电池输出端上，输入电压值与稳压蓄电池组的输出端电压(600～1000V)相匹配，并对稳压蓄电池组输出的电压进行频率的转换，这样就将蓄电池中的直流转换成三相电的基波工频电源。
由于在逆变器NB的输出电压中，系统仍处于10KV的高压电位中，为了安全使用该工频电源，需要用高压绝缘隔离变压器B进行安全隔离，隔离变压器为高压绝缘等级的电力变压器，其初级线圏，即输入端和次级线圈(即输出端)具有高电压绝缘能力，绝缘等级与前端的电容器补偿装置的电压等级相匹配，经隔离变压器的输出后的电源，即可接上负载fH消纳或者是进行并网发电均可以。
当电压为10kV时，若电容器组设置容量为Q＝3600kVAR时(三相)，此时，单相的电容器容量
每相电容器组的参数为C＝172μF，电抗器阻抗为XDK＝5％×XC＝0.925Ω，电感量DK：L＝0.00295H＝2.95mH，电容器回路中额定电压工频时，电抗器DK两端电压为UM＝I·XC＝328×0.925＝303V。当在电抗器DK两端并联上基波低阻抗L-C支路(呈感性)(1-1)时，将有部份基波电流被L-C支路(1-1)分流，并电压值下降，L-C支路的电容、电感取值为呈现/>左右水平的阻抗值，取DK：XL＝0.925Ω时，L＝2.95mH。L-C支路中，电感L2＝6mH时，XL2＝1.88428Ω，取XC＝1.1Ω时，C2＝2893.8μF。此时，将有/>的工频电流被L-C支路分流了。但是，在5次谐波时，Z＝9.18Ω，而此时XL1五次＝2πfL1＝6.28×250×2.95×10-3＝4.63Ω，但是，不加基波低阻抗L-C支路(呈感性)(1-1)，也即是L2-C2支路，亦属于本发明的保护范围。基波低阻抗L2-C2支路(图中1-1支路)(呈感性)起到工频时转换的电能少，谐波时抬高电压的作用。
1、基波低阻抗L-C支路(1-1)，设计呈感性状态，选用型号为电容器组，耐压为2500V，C2电容量为3000μF，电感即电抗器L2，选用型号：CKSC-45/10-6，参数为L＝6mH，耐压为10kV绝缘水平。
2、硅整流桥堆选用，选用型号为2CL3KV/100A大功率高压二极管，4只组成桥式整流器接线，厂家为辽宁省鞍山术立电子有限公司。
3、分压式电压监测回路，分压电阻25W/100KΩ的水泥电阻器10只串联，其中电压继电器型号为JSZD-1B直流电压继电器，生产厂家为上海约瑟电器有限公司。
4、直流执行继电器DJ，型号为CCZ38/C20，工作电压为1500V，电流100～200A。
5、稳压蓄电池组采用通用的铅蓄电池组式，分为1#组和2#组，1#组和2#组的两端均设置单刀双掷开关以在硅整流桥堆的输出端、逆变器的输入端之间切换连接(参照图1)，使得1#组和2#组之间独立进行充电、放电工作，充、放电电路独立，切断电气联系，防止谐波谐振。若是设计的容量按电容器柜体中在电抗器上谐波的截取容量来配置。蓄电池容量通常取12V/10A～30A，100节蓄电池串联，以达到端电压在600～1000V水平，型号为BP-10-12，密闭阀控式蓄电池，生产厂家为北京盛世君诚科技有限公司。当然也可以仅采用一组稳压蓄电池组，且改组稳压蓄电池组在充电和放电状态下来回独立切换。
6、逆变器，采用逆变器输入电压为800～1200V，输出电压为400V，三相交流电f＝50HZ功率值与电抗器上截取的谐波功率匹配。本例中可选送变器5～10KV的水平。选用逆变器型号HNN-1000-9-3KW，生产厂家为山东航能电气设备有限公司。
本实施例中，虽然仅示出了在三相电中的C相电抗器并联接入硅整流桥堆的输入端，但在其他实施例中，也可以在A相或者B相电抗器分别并联接入一个硅整流桥堆的输入端，当然也可以在任意两相或者三相的单相电抗器都分别并联接入一个硅整流桥堆的输入端，且均落入至本发明的保护范围内。
此外，在本实施例中，虽然示出了两组电池组，通过投切开关来回投切，以实现硅整流桥堆装置对充电组蓄电池组的充电，以及放电组蓄电池组向逆变器后端的负载进行的放电，当然在其他的实施例中，也可以仅设置一组蓄电池组，通过投切开关的来回投切，使得该蓄电池组只实现充电功能或者只是放电功能，即只选择其中一种的运行工况。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述电网谐波取能式电容器无功补偿装置包括：
- 硅整流桥堆，所述硅整流桥堆的输入端并联接至处于三相中任意一相的电抗器的两端；
- 谐波电压监测自动投切单元，所述谐波电压监测自动投切单元并联至硅整流桥堆的输出端，所述谐波电压监测自动投切单元用于当监测到硅整流桥堆的输出端的输出电压值大于工频分量值时，投切开关以使得硅整流桥堆的输出端的两端分别与稳压蓄电池组相连接；
- 至少一个稳压蓄电池组，所述稳压蓄电池组分别经投切开关与硅整流桥堆的输出端相连接并用于存储电网中的谐波能量；
- 逆变器，所述逆变器的输入端分别经投切开关与稳压蓄电池组的输出端相连接，所述逆变器用于将稳压蓄电池组输出的直流电压转换成三相交流基波工频电压；或者是单相工频电压以及
- 隔离变压器，所述隔离变压器的初级线圈并联至逆变器的输出端，所述隔离变压器的次级线圈分别与负荷端，所述隔离变压器的初级线圈与次级线圈之间形成高压电位隔离；
所述谐波电压监测自动投切单元包括多个分压电阻、电压监测智能继电器和直流执行继电器，所述分压电阻之间串联且整体并联至硅整流桥堆的输出端，所述电压监测智能继电器与其中一个分压电阻相并联；所述直流执行继电器依据电压监测智能继电器所监测得到的硅整流桥堆的输出电压值达到设定阈值后进行投切执行。
2.根据权利要求1所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述谐波电压监测自动投切单元的设定阀值为硅整流桥堆的输出电压值≥1.5~3工频分量值。
3.根据权利要求1所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述稳压蓄电池组为具有多档位抽头的蓄电池组，所述稳压蓄电池组用于依据谐波电压监测自动投切单元监测到的硅整流桥堆输出电压值，以切换对应的蓄电池输入电压档位。
4.根据权利要求1所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述稳压蓄电池组按照运行中所需的功能性划分为两种工作状态，分别为充电组和放电组，并由自动开关进行轮流切换充电组和放电组实现电气隔离。
5.根据权利要求1所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述硅整流桥堆的输入端前并联基波低阻抗L-C支路。
6.根据权利要求5所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述基波低阻抗L-C支路在基工频下的阻抗值呈现值为电抗器上X2工频环境下的阻抗值的1/3~1/2。
7.根据权利要求1所述的电网谐波取能式电容器无功补偿装置，其特征在于：所述稳压蓄电池组的输入端还并联有电容以用于缓冲硅整流桥堆的输出电压波动，以保护后级稳压蓄电池。
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