CN117674178B - 一种改善电网环境的装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电网治理技术领域，具体提供一种改善电网环境的装置，所述装置包括无功补偿功率单元，所述无功补偿功率单元的交流侧连接电网，所述无功补偿功率单元的直流侧连接直流滤波单元；该装置还包括DSP控制器和IGBT驱动单元；DSP控制器通过IGBT驱动单元与无功补偿功率单元连接；该装置还包括与DSP控制器连接的用于采集负载侧电压电流信息的负载信息采集单元；DSP控制器根据负载信息采集单元的采集信息通过控制IGBT驱动单元来控制无功补偿功率单元和直流滤波单元的工作。DSP控制器产生电流注入电网，两种幅值相等、极性相反的电流处于电网中时，两者之间相互抵消，起到消除谐波的作用。

Description

一种改善电网环境的装置

技术领域

本发明涉及电网治理技术领域，具体涉及一种改善电网环境的装置。

背景技术

在电力系统中，无功功率和电网谐波完全是两个不同的概念。无功功率是一种不能直接转换为机械功率或有用功率的功率形式，常常存在于电力系统的传输和分配中；电网谐波是电网交流电压和电路中流过的电流都是正弦波，对电网中的周期性非正弦交流量进行分解得到的大于基波频率（50Hz）整数倍的各次分量。在电力传输过程中，无功功率会导致电流与电压的相位差，进而会增加输电线路的电阻损耗；谐波会增加电网内的杂波含量，危害用电设备的正常运行。

由于无功功率和电网谐波的存在，会对电力系统的运行效率和电力质量产生不利影响。用电设备不但要从电源取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场，这些用电设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备端的电压就要下降，从而影响用电设备的正常运行，而且电网内如果存在大量谐波，用电设备的运行过程中会导致绝缘降低、设备过热、震动加剧，加速设备的老化和损坏。因此进行无功补偿和治理谐波是势在必行的。

发明内容

针对电网内如果存在大量谐波，用电设备的运行过程中会导致绝缘降低、设备过热、震动加剧，加速设备的老化和损坏的问题，本发明技术方案提供一种改善电网环境的装置。

本发明技术方案提供一种改善电网环境的装置，包括无功补偿功率单元，所述无功补偿功率单元的交流侧连接电网，所述无功补偿功率单元的直流侧连接直流滤波单元；该装置还包括DSP控制器和IGBT驱动单元；

DSP控制器通过IGBT驱动单元与无功补偿功率单元连接；

该装置还包括与DSP控制器连接的用于采集负载侧电压电流信息的负载信息采集单元；

DSP控制器根据负载信息采集单元的采集信息通过控制IGBT驱动单元来控制无功补偿功率单元和直流滤波单元的工作。

作为本发明技术方案的优选，DSP 控制器根据负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的无功电流数据；并将无功电流数据作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生满足要求的无功补偿电流，实现动态无功补偿。

作为本发明技术方案的优选，DSP 控制器负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的谐波电流数据；并将各次谐波电流作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网来主动消除电力谐波。

作为本发明技术方案的优选，DSP 控制器包括DSP控制芯片和AD采样模块；AD采样模块与负载电压电流采集单元连接；DSP控制芯片通过GPIO口与AD采样模块连接获取电压电流数据，并将采集到的多个同属性的数据先让各自本身相乘然后将每个数据相加求平均值，最后将平均值开平方得到所需要的电压电流值。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制芯片内预设一个电压的缓存数组；先将一个周期内采集到的数据各自本身相乘；将各自本身相乘后的数据求和，将求和得到的数值除以缓存数组的长度求平均值，将平均值开平方得到所需要的电压电流值。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制芯片，还用于将电压电流采集到之后，根据电压电流利用傅里叶变换计算有功功率、无功功率、各次谐波含量；并通过有功功率和无功功率计算功率因数。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制器，还用于根据电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、各次谐波含量设置补偿门限值控制电容补偿或者谐波电流输出。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制器，用于通过判断功率因数是否小于投入门限，来判断电网系统是否处于需要补偿的状态；还用于通过判断功率因数是否小于切除门限来判断电容补偿之后是否出现过补偿；当电容投入运行之后，若功率因数大于切除门限，判定出现过补偿，控制将电容退出运行状态。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制器，用于在控制在投切过程，对相同容量电容，按无功容量决定投切，按动作次数的多少选取电容实行均衡投切；对不同容量电容，按无功量大小自动选择匹配电容逐个投入和切除并兼顾动作次数；对既有不同容量电容，又有相同容量电容情况，先按无功量大小自动选择匹配电容容量，再根据动作次数对相同容量电容实行均衡投切。

作为本发明技术方案的优选，DSP控制器还包括与DSP控制芯片连接的片上flash、定时器、USART串口；

该装置还包括与DSP控制器连接的显示模块用于显示采集信息以及投切控制状态信息。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：计算分析得到负载电流的谐波电流数据；各次谐波电流作为DSP控制器的参考值，DSP控制器实时驱动 IGBT驱动单元产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，当两种幅值相等、极性相反的电流处于电网中时，两者之间相互抵消，起到消除谐波的作用。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

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需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。

图1是本发明一个实施例的装置的示意性框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

电网输出功率包括有功功率和无功功率两种功率，有功功率是直接消耗电能，将电能转换为其它形式的能量，利用转换后的能量做功保证用电设备的正常运行；无功功率不消耗电能，将电能转换为其他形式的能量，这部分能量作为电气设备能够作功的必备条件，在电网中与电能进行周期性转换，但是最终这部分能量是不对外作功的。把具有容性功率负荷的装置与感性功率负荷并接在同一电路，当容性负荷释放能量时，感性负荷吸收能量，而感性负荷释放能量时，容性负荷吸收能量，能量在两种负荷之间交换，如图1所示，本发明实施例提供一种改善电网环境的装置，包括无功补偿功率单元，所述无功补偿功率单元的交流侧连接电网，所述无功补偿功率单元的直流侧连接直流滤波单元；该装置还包括DSP控制器和IGBT驱动单元；

DSP控制器通过IGBT驱动单元与无功补偿功率单元连接；

该装置还包括与DSP控制器连接的用于采集负载侧电压电流信息的负载信息采集单元；

DSP控制器根据负载信息采集单元的采集信息通过控制IGBT驱动单元来控制无功补偿功率单元和直流滤波单元的工作。通过无功补偿和滤除谐波，可以实现电流与电压的同相，减少电网谐波含量，这样不仅能够降低电力系统的能耗，还可以减少环境压力，达到节能减排的目的。

需要说明的是，DSP 控制器根据负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的无功电流数据；并将无功电流数据作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生满足要求的无功补偿电流，实现动态无功补偿。

DSP 控制器负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的谐波电流数据；并将各次谐波电流作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网来主动消除电力谐波。

无功补偿、滤波作用：提高发电机有功功率的输出，提高输、变电设备的供电能力，降低线路电压损失和电能损耗，提高功率因数，使电气设备容量能够得到充分发挥，提高系统的安全性、稳定性及可靠性，抑制谐波，消除谐波对设备的影响。

无功补偿、滤波效果：可有效避免电力系统出现过电压、欠电压问题。无功功率是造成线路电能损耗的主要原因之一，无功补偿可以有效的减少无功功率的影响，从而降低线路损耗。功率因数是衡量电力质量的主要指标之一，无功补偿可以提高电力系统的功率因数，改善电力质量。减少谐波对电气设备的影响，增加电气设备运行稳定性。消除谐波在电网中形成的电磁干扰，影响敏感的电子设备，避免一些采集计量设备数据传输错误。提高终端电压，提升电能质量。

连接检定装置总电源时，无功补偿、滤波对检定装置总电源的好处：延长设备寿命。改善功率因数后线路总电流减少，线路和设备容量负荷降低，可以降低温升增加寿命。减少用电损耗，在使用电容提高功率因数后，总电流降低，可降低供电端和用电端的电力损耗。在三相负载不平衡时，可对三相视在功率起到平衡作用，改善电压稳定性，降低电网损耗，优化电力质量。使检定装置总电源功耗降低，检定装置工作电压稳定，减少电压对装置的损耗。消除谐波对装置总电源的影响，避免引起电源电气参数变化和失衡，导致电源发生故障和安全隐患，例如发生电弧、爆炸等事故。提高检定装置总电源的运行效率。提高检定装置总电源的稳定性和可靠性。

在有些实施例中，DSP 控制器包括DSP控制芯片和AD采样模块；AD采样模块与负载电压电流采集单元连接；DSP控制芯片通过GPIO口与AD采样模块连接获取电压电流数据，并将采集到的多个同属性的数据先让各自本身相乘然后将每个数据相加求平均值，最后将平均值开平方得到所需要的电压电流值。DSP控制器还包括与DSP控制芯片连接的片上flash、定时器、USART串口。

该装置还包括与DSP控制器连接的显示模块用于显示采集信息以及投切控制状态信息。

DSP控制芯片内预设一个电压的缓存数组；先将一个周期内采集到的数据各自本身相乘；将各自本身相乘后的数据求和，将求和得到的数值除以缓存数组的长度求平均值，将平均值开平方得到所需要的电压电流值。

DSP控制芯片，还用于将电压电流采集到之后，根据电压电流利用傅里叶变换计算有功功率、无功功率、各次谐波含量；并通过有功功率和无功功率计算功率因数。

DSP控制器，还用于根据电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、各次谐波含量设置补偿门限值控制电容补偿或者谐波电流输出。

DSP控制器，用于通过判断功率因数是否小于投入门限，来判断电网系统是否处于需要补偿的状态；还用于通过判断功率因数是否小于切除门限来判断电容补偿之后是否出现过补偿；当电容投入运行之后，若功率因数大于切除门限，判定出现过补偿，控制将电容退出运行状态。

在有些实施例中，DSP控制器，用于在控制在投切过程，对相同容量电容，按无功容量决定投切，按动作次数的多少选取电容实行均衡投切；对不同容量电容，按无功量大小自动选择匹配电容逐个投入和切除并兼顾动作次数；对既有不同容量电容，又有相同容量电容情况，先按无功量大小自动选择匹配电容容量，再根据动作次数对相同容量电容实行均衡投切。

具体实施时，在硬件的支持下首先要采集数据，即通过DSP控制器的GPIO口采集电压电流数据，由于电网电压使用的是50Hz的交流电，并且没有负值的情况，这里为了保证数据的稳定性，可以将采集到的多个同属性的数据先让各自本身相乘然后将每个数据相加求平均值，最后将平均值开平方。比如：定义一个电压的缓存数组UA[128]，先将一个周期内（1/50秒）采集到的128个数据各自本身相乘，即UA[0]* UA[0]，UA[1]* UA[1]……UA[127]*UA[127]，这样做是为了将采集到的负数转换为正数，然后将UA[0]²+ UA[1]² + ……UA[127]²,然后将求和得到的数值除以128求平均值，但是目前得到的数值是一个平方值，最后将平均值开平方就会得到所需要的电压电流值。

将电压电流采集到之后还需要根据电压电流计算出来有功功率、无功功率和各次谐波含量，由于电压电流是交流，利用傅里叶变换计算出来有功功率、无功功率、各次谐波含量，通过有功功率和无功功率计算出来功率因数。

将所需要的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、各次谐波含量这些数据得到之后，下一步就是通过控制装置内部设置的一些补偿门限值控制电容补偿或者谐波电流输出。控制装置内部主要的参数有：电流变比、投入门限、切除门限、投入延时、切除延时、投切间隔、谐波限流、通讯参数以及一些保护参数。

投切逻辑：

无功补偿的控制逻辑所需要的数据有：有功功率、无功功率、功率因数，所需要的参数有：投入门限、切除门限、投入延时、切除延时、投切间隔。

电网运行过程中会有四种情况出现，即所谓的四象限。第一象限有功功率P>0、无功功率Q>0，第二象限有功功率P<0、无功功率Q>0，第三象限有功功率P<0、无功功率Q<0，第四象限有功功率P>0、无功功率Q<0。在正常情况下的负载有功功率P都是>0的，只有在负载有光伏、充电桩这些发电设备的情况下有功功率P才有<0的情况。

在正常负载的情况下，电容投入有两个判断条件：①采集到的功率因数＜投入门限；②电容投入之后功率因数＜切除门限。这两个条件同时满足之后才能正常投入，首先功率因数＜投入门限，这是一个判断条件，这个条件主要是为了判断系统是否处于需要补偿的状态，其次功率因数＜切除门限，这是为了在电容补偿之后防止过补偿情况的出现，当电容投入运行之后如果出现过补偿，即功率因数>切除门限，此时就会将电容退出运行状态，这样的话会造成电容一直处于投入、切除状态，形成投切震荡，这样的话对电容本身有损耗，而且严重的话会造成电网电压波动，影响设备正常运行。电容切除的话只要功率因数>切除门限，电容就会开始切除。

在投切过程中需要遵循以下逻辑：对同容量电容，按无功容量决定投切，按动作次数的多少选取电容实行均衡投切；对不同容量电容，按无功量大小自动选择匹配电容逐个投入和切除并兼顾动作次数，不会出现投切振荡；对既有不同容量电容，又有等容量电容情况，可先按无功量大小自动选择匹配电容容量，再根据动作次数对相同容量电容实行均衡投切。可以实现电容组合投切，以最少的电容组数实现最佳的电容控制。

投入延时、切除延时，这两个参数是为了防止负载变化比较频繁引起电容反复投切，投切间隔这个参数是电容在退出运行之后直到可以再次投入的延时时间，是为了电容能够充分的放电，防止放电不充分导致再次投入时产生涌流，损耗设备。

DSP 控制器实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的谐波电流数据；各次谐波电流作为控制器的参考值，控制器实时驱动 IGBT 产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，当两种幅值相等、极性相反的电流处于电网中时，两者之间相互抵消，起到消除谐波的作用。

需要说明的是，无功补偿功率单元包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；

每个桥臂的中点通过一个电感与电网的一相连接。每个桥臂都包括第一开关管和第二开关管；第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接，且连接点为桥臂的中点，每个桥臂中第一开关管的漏极连接后连接直流滤波单元的一端，每个桥臂中第二开关管的源极连接后连接直流滤波单元的另一端；直流滤波单元包括串联连接的两个储能电容。无功补偿功率单元输出正方向的电流时，通过控制开关管的通断实现向储能电容转移能量实现高频电压抑制单元吸收功率的过程；储能电容通过导通的开关管向解耦电感转移能量，此时直流滤波单元输出到外部的电流为0；解耦电感通过开关管的续流二极管向无功补偿功率单元释放能量，以抑制波动功率。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

本发明实施例中改善电网环境的装置是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种改善电网环境的装置，其特征在于，包括无功补偿功率单元，所述无功补偿功率单元的交流侧连接电网，所述无功补偿功率单元的直流侧连接直流滤波单元；该装置还包括DSP控制器和IGBT驱动单元；

DSP控制器通过IGBT驱动单元与无功补偿功率单元连接；

该装置还包括与DSP控制器连接的用于采集负载侧电压电流信息的负载信息采集单元；

DSP控制器根据负载信息采集单元的采集信息计算分析得到负载电流的无功电流数据和负载电流的谐波电流数据，根据计算结果控制IGBT驱动单元来控制无功补偿功率单元和直流滤波单元的工作；

DSP 控制器包括DSP控制芯片和AD采样模块；AD采样模块与负载电压电流采集单元连接；DSP控制芯片通过GPIO口与AD采样模块连接获取电压电流数据，并将采集到的多个同属性的数据先让各自本身相乘然后将每个数据相加求平均值，最后将平均值开平方得到所需要的电压电流值；

DSP控制芯片内预设一个电压的缓存数组；先将一个周期内采集到的数据各自本身相乘；将各自本身相乘后的数据求和，将求和得到的数值除以缓存数组的长度求平均值，将平均值开平方得到所需要的电压电流值；

DSP控制芯片，还用于将电压电流采集到之后，根据电压电流利用傅里叶变换计算有功功率、无功功率、各次谐波含量；并通过有功功率和无功功率计算功率因数、根据各次谐波含量设置补偿门限值控制电容补偿或者谐波电流输出；

DSP控制器设置有投切参数，投切参数包括投入门限和切除门限，通过判断功率因数是否小于投入门限，来判断电网系统是否处于需要补偿的状态；还用于通过判断功率因数是否小于切除门限来判断电容补偿之后是否出现过补偿；当电容投入运行之后，若功率因数大于切除门限，判定出现过补偿，控制将电容退出运行状态；

DSP控制器，用于在控制在投切过程，对相同容量电容，按无功容量决定投切，按动作次数的多少选取电容实行均衡投切；对不同容量电容，按无功量大小自动选择匹配电容逐个投入和切除并兼顾动作次数；对既有不同容量电容，又有相同容量电容情况，先按无功量大小自动选择匹配电容容量，再根据动作次数对相同容量电容实行均衡投切。

2. 根据权利要求1所述的改善电网环境的装置，其特征在于，DSP 控制器根据负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的无功电流数据；并将无功电流数据作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生满足要求的无功补偿电流，实现动态无功补偿。

3. 根据权利要求2所述的改善电网环境的装置，其特征在于，DSP 控制器负载信息采集单元采集信息实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的谐波电流数据；并将各次谐波电流作为DSP 控制器的参考值，实时驱动 IGBT驱动单元产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网来主动消除电力谐波。

4.根据权利要求3所述的改善电网环境的装置，其特征在于，DSP控制器还包括与DSP控制芯片连接的片上flash、定时器、USART串口；

该装置还包括与DSP控制器连接的显示模块用于显示采集信息以及投切控制状态信息。