CN201726143U - 无功谐波综合补偿装置 - Google Patents

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谭光慧
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Abstract

无功谐波综合补偿装置，它涉及电力自动化设备领域，它解决了现有电能质量控制器所存在的精度低、可靠性低和成本高的问题。它包括检测单元、控制单元和补偿单元；检测单元电信号输出端连控制单元模拟测量电信号输入端，补偿单元控制信号输入端连控制单元控制信号输出端。还包括保护单元保护信号输入输出端连控制单元保护信号输入输出端。还包括人机交互单元输入输出端连控制单元输入输出端。补偿单元包括晶闸管控制的电容型无源补偿器和IGBT控制的有源补偿器。本实用新型的无功谐波综合补偿装置(TAPF)通过负载电流的检测，由基于晶闸管和IGBT的补偿单元产生与负载电流大小相等、方向相反的电流，实现无功和谐波的动态综合补偿。

Description

无功谐波综合补偿装置
技术领域
本实用新型涉及电力自动化设备领域，具体涉及一种电能质量控制装置。
背景技术
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。
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。
有源电力滤波器（APF）是进行无功和谐波补偿的有效方法，它可产生与负载电流中无功和谐波相反的电流，克服了TSF的缺点，补偿和滤波效果好，但由于所有的无功和谐波容量全部由基于IGBT逆变器的APF承担，其成本高、散热难、噪声大、可靠性差等问题非常突出，限制了大面积的应用。
因此，迫切需要寻求一个低成本、高精度、高可靠性的无功和谐波综合补偿解决方案。
发明内容
本实用新型为了解决现有电能质量控制器所存在的精度低、可靠性低和成本高的问题，而提出了一种无功谐波综合补偿装置。
本实用新型无功谐波综合补偿装置(TAPF)包括检测单元、控制单元和补偿单元；所述检测单元的电信号输出端与控制单元的模拟测量电信号输入端连接，所述补偿单元的控制信号输入端与控制单元的控制信号输出端连接。无功谐波综合补偿装置(TAPF)还包括保护单元，所述保护单元的保护信号输入输出端与控制单元的保护信号输入输出端连接。无功谐波综合补偿装置(TAPF)还包括人机交互单元，所述人机交互单元的输入输出端与控制单元的输入输出端连接。
所述的补偿单元包括晶闸管控制的电容型无源补偿器和IGBT控制的有源补偿器，所述的晶闸管控制的电容型无源补偿器为了满足大容量补偿和补偿精度的要求，根据需要设置多组电容支路，通过电容支路的投切控制，进行容性无功的分组投切，实现无功功率补偿；所述的IGBT控制的有源补偿器基于电压源型逆变器，通过对各个IGBT的快速通断控制，发出所需要的无功和谐波电流，其中所述的投切控制和通断控制由控制单元来控制。
本实用新型的无功谐波综合补偿装置(TAPF)通过负载电流的检测，由基于晶闸管和IGBT的补偿单元产生与负载电流大小相等、方向相反的电流，实现无功和谐波的动态综合补偿。
本实用新型的无功谐波综合补偿装置(TAPF)优点是：
（1）可对无功和谐波同时进行动态补偿。
（2）无源补偿器进行无功功率补偿，有源补偿器进行谐波电流抑制，可发挥各自优势，取长补短。
（3）有源补偿器还可提供无源补偿器不能补偿到位的剩余无功，实现功率因数全程接近为1。
（4）二者的结合解决了大容量、成本、补偿精度和可靠性的矛盾，为配电网电能质量控制提供了全新的思路。
附图说明
图1为无功谐波综合补偿装置的结构示意图；图2为无功谐波综合补偿装置的控制单元2的结构示意图；图3至图15为补偿单元3中的晶闸管控制的电容型无源补偿器的结构示意图，图3是三相三线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器的结构示意图，图4是三相三线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器的结构示意图，图5是三相三线制、角接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器的结构示意图，是6是三相三线制、角接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器的结构示意图，图7是三相三线制、电容器角接方式、两晶闸管反并联在角外结构无源补偿器的结构示意图，图8是三相三线制、电容器角接方式、晶闸管与二极管反并联在角外结构无源补偿器的结构示意图，图9是三相三线制、电容器星接方式、两相可控结构无源补偿器的结构示意图，图10是三相三线制、电容器角接方式、两相可控结构无源补偿器的结构示意图，图11和图12是三相三线制、晶闸管角接、电容器在角外结构无源补偿器的结构示意图，图13是三相四线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器的结构示意图，图14是三相四线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器的结构示意图，图15是具体实施方式七的结构示意图；图16至图20为补偿单元3中的IGBT控制的有源补偿器的结构示意图，图16是三相三线制、三相全桥结构有源补偿器的结构示意图，图17是三相四线制、分裂电容结构有源补偿器的结构示意图，图18是三相四线制、四桥臂结构有源补偿器的结构示意图，图19是三电平结构有源补偿器的结构示意图，图20是链式结构有源补偿器的结构示意图；图21至图22为补偿单元3的接线示意图；图23为无功谐波综合补偿装置的工作原理示意图；图24至图31为进行补偿的波形图，图24是仅采用无源补偿器进行补偿的A相系统电压波形图，图25是仅采用无源补偿器进行补偿的A相负载电流波形图，图26是仅采用无源补偿器进行补偿的补偿后A相系统电流波形图，图27是仅采用无源补偿器进行补偿的A相补偿电流波形图，图28是采用本实用新型进行补偿的A相系统电压波形图，图29是采用本实用新型进行补偿的A相负载电流波形图，图30是采用本实用新型进行补偿的补偿后A相系统电流波形图，图31是采用本实用新型进行补偿的A相补偿电流波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：    结合图1说明本实施方式，本实施方式包括检测单元1、控制单元2和补偿单元3；括检测单元1、控制单元2和补偿单元3；所述检测单元1的电信号输出端与控制单元2的模拟测量电信号输入端连接，所述补偿单元3的控制信号输入端与控制单元2的控制信号输出端连接。
检测单元1，用于检测电网电压和负载电流，并将所述电网电压和负载电流分别转换模拟测量电信号传递给控制单元2。
控制单元2，用于对接受到的模拟测量电信号进行计算得到负载电流中的无功谐波电流，并发送补偿电流控制信号给补偿单元3。
补偿单元3，用于根据控制单元2发出的补偿电流控制信号来发送与负载电流中无功谐波相反的电流，以抵消负载电流中的无功谐波电流，使系统电流中只含有正弦有功电流分量。
具体实施方式二：    结合图3至图22说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述的补偿单元3包括晶闸管控制的电容型无源补偿器和IGBT控制的有源补偿器，所述的晶闸管控制的电容型无源补偿器为了满足大容量补偿和补偿精度的要求，根据需要设置多组电容支路，通过电容支路的投切控制，进行容性无功的分组投切，实现无功功率补偿；所述的IGBT控制的有源补偿器基于电压源型逆变器，其输出经交流滤波器接入电网，通过对各个IGBT的快速通断控制，发出所需要的无功和谐波电流，其中所述的投切控制和通断控制由控制单元来控制。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：    结合图3至图14说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于晶闸管控制的电容型无源补偿器为下述十一种结构无源补偿器中的任意一种：
三相三线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、角接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、角接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、两晶闸管反并联在角外结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、晶闸管与二极管反并联在角外结构无源补偿器，
三相三线制、电容器星接方式、两相可控结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、两相可控结构无源补偿器，
三相三线制、晶闸管角接、电容器在角外结构无源补偿器，
三相四线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相四线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器；
其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：    结合图15说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于晶闸管控制的电容型无源补偿器中的晶闸管开关由多个晶闸管单元串联构成晶闸管阀组，用于中高压系统中。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：    结合图16至图18说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于IGBT控制的有源补偿器为下述三种结构有源补偿器中的任意一种：
三相三线制、三相全桥结构有源补偿器，
三相四线制、分裂电容结构有源补偿器，
三相四线制、四桥臂结构有源补偿器；
其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。
具体实施方式六：    结合图19和图20说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式五不同点在于三种结构有源补偿器中的任意一种为三电平结构有源补偿器或链式结构有源补偿器，用于中高压系统中。其它组成和连接方式与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：    结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六不同点在于还包括保护单元4，所述保护单元4的保护信号输入输出端与控制单元2的保护信号输入输出端连接，用于过压过流保护。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
具体实施方式八：    结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式七不同点在于还包括人机交互单元5，所述人机交互单元5的输入输出端与控制单元2的输入输出端连接，用于设置控制指令和显示运行状态。其它组成和连接方式与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：    结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式八不同点在于控制单元2包括模拟信号调理电路21、数字端口缓冲电路22、通讯接口电路23、脉冲宽度调制电路24和数字信号处理电路25；数字信号处理电路25通过三条高速外设总线分别与模拟信号调理电路21、数字端口缓冲电路22和脉冲宽度调制电路24连接，数字信号处理电路25通过一条慢速外设总线与通讯接口电路23连接，模拟信号调理电路21的输入端为控制单元2的模拟测量电信号输入端，数字端口缓冲电路22的输入输出端为控制单元2的保护信号输入输出端，通讯接口电路23的输入输出端为控制单元2的输入输出端，脉冲宽度调制电路24的输出端为控制单元2的控制信号输出端。为了保证数据的实时处理和快速响应，控制单元2采用基于数字信号处理电路，配合前向模拟信号调理电路、数字端口缓冲电路和通讯接口电路，数字信号处理电路可以构建一个完整的高性能数字控制系统硬件平台，这使得控制系统的硬件电路设计在简洁性、可靠性以及性价比等方面得到了良好的平衡。其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。
本实用新型内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现实用新型的目的。
图21和图22为无功谐波综合补偿装置(TAPF)的接线示意图，图21和图22分别给出了三相三线和三相四线的接线图，所述补偿装置可以是图3至图15所示无源补偿器和图16至图20所示有源补偿器结构的任意组合。
图24至图31为进行补偿的波形图，图24至图27为仅采用无源补偿器进行补偿的波形图，由图可知，无源补偿器吸收了大部分无功，同时也吸收了部分低次谐波；结合图23，得到图28至图31为采用本实用新型无功谐波综合补偿装置(TAPF)进行补偿的波形图，由图可知，无功和谐波都进行了很好的补偿。

Claims (9)

1.无功谐波综合补偿装置，其特征在于它包括检测单元(1)、控制单元(2)和补偿单元(3)；所述检测单元(1)的电信号输出端与控制单元(2)的模拟测量电信号输入端连接，所述补偿单元(3)的控制信号输入端与控制单元(2)的控制信号输出端连接。
2.根据权利要求1所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于所述的补偿单元(3)包括晶闸管控制的电容型无源补偿器和IGBT控制的有源补偿器。
3.根据权利要求2所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于晶闸管控制的电容型无源补偿器为下述十一种结构无源补偿器中的任意一种：
三相三线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、角接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、角接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、两晶闸管反并联在角外的结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、晶闸管与二极管反并联在角外的结构无源补偿器，
三相三线制、电容器星接方式、两相可控的结构无源补偿器，
三相三线制、电容器角接方式、两相可控的结构无源补偿器，
三相三线制、晶闸管角接、电容器在角外的结构无源补偿器，
三相四线制、星接方式、两晶闸管反并联结构无源补偿器，
三相四线制、星接方式、晶闸管与二极管反并联结构无源补偿器。
4.根据权利要求3所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于晶闸管控制的电容型无源补偿器中的晶闸管开关由多个晶闸管单元串联构成晶闸管阀组。
5.根据权利要求2所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于IGBT控制的有源补偿器为下述三种结构有源补偿器中的任意一种：
三相三线制、三相全桥结构有源补偿器，
三相四线制、分裂电容结构有源补偿器，
三相四线制、四桥臂结构有源补偿器。
6.根据权利要求5所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于所述三种结构有源补偿器中的任意一种为三电平结构有源补偿器或链式结构有源补偿器。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于它还包括保护单元(4)，所述保护单元(4)的保护信号输入输出端与控制单元(2)的保护信号输入输出端连接。
8.根据权利要求7所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于它还包括人机交互单元(5)，所述人机交互单元(5)的输入输出端与控制单元(2)的输入输出端连接。
9.根据权利要求8所述的无功谐波综合补偿装置，其特征在于控制单元(2)包括模拟信号调理电路(21)、数字端口缓冲电路(22)、通讯接口电路(23)、脉冲宽度调制电路(24)和数字信号处理电路(25)；数字信号处理电路(25)通过三条高速外设总线分别与模拟信号调理电路(21)、数字端口缓冲电路(22)和脉冲宽度调制电路(24)连接，数字信号处理电路(25)通过一条慢速外设总线与通讯接口电路(23)连接，模拟信号调理电路(21)的输入端为控制单元(2)的模拟测量电信号输入端，数字端口缓冲电路(22)的输入输出端为控制单元(2)的保护信号输入输出端，通讯接口电路(23)的输入输出端为控制单元(2)的输入输出端，脉冲宽度调制电路(24)的输出端为控制单元(2)的控制信号输出端。
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