CN203630258U - 节能型多功能电力测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种节能型多功能电力测试系统，包括控制器、升压变压器、高压阻抗模拟器、降压变压器、低压阻抗模拟器、负载模拟器、第一数据采集单元和第二数据采集单元，升压变压器、高压阻抗模拟、降压变压器、低压阻抗模拟器和负载模拟器顺次连接，升压变压器的输入端连接有三相电，负载模拟器的输出端与升压变压器的输入端相连，负载模拟器包括整流模块及逆变模块；本实用新型能真实模拟输配电系统中电能质量参数以及各种极端条件，可以在各种模拟负载的情况下在线监控各输配电设备电能损耗，用以真实的反应出各输配电设备的节能效果及工作特性，以及在不同输电设备的影响下，电网的能量损耗度及变压器的经济运行。

Description

节能型多功能电力测试系统

技术领域

本实用新型涉及输配电系统中电能质量测试技术领域，尤其涉及一种适用于中低压输配电系统的节能型多功能电力测试系统。

背景技术

发电系统发出干净的电能经由输电系统的输送，最后由配电系统分配到各个用户的电子负载上，这一过程中，存在着各种输电设备如变压器、输电线路等的影响，也存在着各种配电设备如空调、热水器和输电线路等影响，而且各种输电设备及配电设备的型号、规格等不同也对电能的输送产生不同的影响。因此，输电系统和配电系统中易产生各次谐波、低功率因素、三相电流不平衡等电能质量问题，当某一或多种电能质量问题严重时，将导致供电设备或用电设备不能正常工作，甚至会影响电网的供电安全。如何模拟输配电系统中输配电设备的运行参数及输配电设备对电能质量的影响，对并入电网的供电设备及二次检测设备进行入网检验显得尤为关键。

然而，我国目前主要采用开环测试方式，也就是采用单一变量，其它参数在额定的情况下，对输电设备的一些性能或是设备的二次回路进行检测，如，仅测试系统内谐波的含量，或仅测试系统内三相不平衡度等等，上述测试中，谐波和三相不平衡度是单一变量，而其它的功率因素等均处于额定范畴内。然后，输配电系统中往往是谐波、功率因素、三相电流不平衡等因素共存的，上述方法的检测及监测结果均过于理想，检测的数据也难以满足输配电系统实际的需求，更难以真正模拟到输配电系统的现场运行环境。

另一方面，在现有技术中，用于输配电系统中电能质量改善的各种节能设备，有进行单功能补偿，如对系统内谐波的含量进行吸收，或仅测试系统内三相不平衡度进行补偿等等，也有进行多项补偿的，如同时对系统内谐波的含量和三相不平衡度进行调节的，但是，现有的检测系统只能采用单一变量，其它参数在额定的情况下进行检测，或直接使用理论数据，但却难以真实的评估节能设备对电网质量的真实改善效果。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种用于真实模拟输配电系统中电能质量参数及在线监控各输配电设备电能损耗的节能型多功能电力测试系统。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案是：

一种节能型多功能电力测试系统，所述测试系统包括控制器、升压变压器、用于模拟高压线阻抗的高压阻抗模拟器、降压变压器、用于模拟低压线阻抗的低压阻抗模拟器、用于模拟负载能量损耗的负载模拟器、用于高压线上电流和电压采样的第一数据采集单元和用于低压线上电流和电压采样的第二数据采集单元，升压变压器、高压阻抗模拟、降压变压器、低压阻抗模拟器和负载模拟器顺次连接，控制器分别与高压阻抗模拟器、低压阻抗模拟器、负载模拟器、第一数据采集单元和第二数据采集单元相连，第一数据采集单元连接在升压变压器与高压阻抗模拟器的连接处，第二数据采集单元连接在低压阻抗模拟器与负载模拟器的连接处，所述升压变压器的输入端连接有三相电，负载模拟器的输出端与升压变压器的输入端相连，所述负载模拟器包括用于产生电流和谐波的整流模块及用于电流和谐波反馈的逆变模块，整流模块与逆变模块相连；

三相电经升压变压器升压后进入高压阻抗模拟器，降压变压器接收高压阻抗模拟器输出的三相电进行降压，降压后的三相电经低压阻抗模拟器输出到负载模拟器的整流模块中整流，整流后的三相电输出到逆变模块进行有源逆变，逆变后的三相电返回到升压变压器中。

其中，控制器接收第一数据采集单元电流电压数据并进行处理，控制器接收第二数据采集单元采集的电流电压数据并进行处理后输出到负载模拟器中，负载模拟器接收控制器输出的控制信号，并输出相应的负载能量损耗。

相比较于现有技术，本实用新型的节能型多功能电力测试系统能真实模拟输配电系统中电能质量参数以及各种极端条件，可以在各种模拟负载的情况下在线监控各输配电设备电能损耗，用以真实的反应出各输配电设备的节能效果及工作特性，以及在不同输电设备的影响下，电网的能量损耗度及变压器的经济运行，也有利于中低压配电网电能质量治理措施研制。

优选地，所述整流模块内设有用于产生有功电流的有功电流整流单元、用于产生无功电流的无功电流整流单元和用于产生谐波电流的谐波电流整流单元，逆变模块内设有用于吸收有功电流整流单元产生的有功电流的有功电流逆变单元、用于吸收无功电流整流单元产生的无功电流的无功电流逆变单元和用于吸收谐波电流整流单元产生的谐波电流的谐波电流逆变单元，有功电流逆变单元与有功电流整流单元相连，无功电流逆变单元与无功电流整流单元相连，谐波电流逆变单元与谐波电流整流单元相连。

整流模块能够模拟出电网中同时存在的有功电流、无功电流、谐波电流和三相不平衡度，也可以模拟出电网中的各种极限条件，用于检测电网中的各种条件对输配电设备的影响，并且通过逆变模块对整流模块产生的有功电流、无功电流和谐波电流进行能量回收，对三相不平衡度进行补偿，避免了有功电流、无功电流和谐波电流等接入电网，能量回收率高，节能环保。

优选地，所述有功电流整流单元包括顺次相连的三相四线开关S1、四相电抗器L1和整流器MK1，三相四线开关S1分别与三相线和中性线相连，所述有功电流逆变单元包括顺次相连的三相四线开关S2、四相电抗器L2和整流器MK2，三相四线开关S2分别与三相线和中性线相连，整流器MK1与整流器MK2的直流侧共用一个电容器C，所述整流器MK1和整流器MK2为电压型半桥式PWM整流器；所述无功电流整流单元和谐波电流整流单元共用有功电流整流单元的电路，所述无功电流逆变单元和谐波电流逆变单元共用有功电流逆变单元的电路。

优选地，所述整流器MK1和整流器MK2均包括A相整流器、B相整流器、C相整流器和N相整流器，各相整流器分别包括两个桥臂，每个桥臂均包括一个绝缘栅双极型晶体管和反向并联在绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极之间的整流二级管，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极为控制端。

优选地，所述低压阻抗模拟器与负载模拟器之间并联有用于改善电能质量的节能产品，节能产品连接在第二数据采集单元与低压阻抗模拟器的连接处与负载模拟器之间，节能产品与控制器相连。节能产品用于改善电网的电能质量，通过本系统可以对节能产品的节能效果进行有效评估，在负载模拟器模拟出多种如有功电流、无功电流、谐波电流和三相不平衡度等的情况，对节能产品一个或多个节能功能可以同时进行有效评估，同时，负载模拟器也可以模拟出电网中的各种极限条件，来检测节能产品的节能特性曲线，有利于规范现有市场各种质量参差不齐的节能产品。

优选地，所述节能产品为无功补偿装置、三相不平衡调整装置、谐波治理装置和电能质量综合治理装置中的一种，电能质量综合治理装置包括无功补偿装单元、三相不平衡调整单元和谐波治理单元中的三种或任意两种。测试系统可以同时对节能产品的多个功能进行检测，大大提高了检测数据的准确性与可靠性。

优选地，所述测试系统还包括远程控制器，远程控制器与控制器有线或无线连接。

优选地，所述升压变压器和降压变压器为实际接入电网的变压器设备。对实际接入电网的变压器进行损耗特性检测，有利于了解每个变压器的真实工作情况，有利于电网布线的设计，更加提高了变压器经济运行的程度，另一方面，系统能更加真实的模拟出电网的电能质量。

优选地，所述控制器内设有参数存储单元，参数存储单元内保存有用于计算高压阻抗的高压参数和用于计算低压阻抗的低压参数，高压阻抗模拟器和低压阻抗模拟器分别接收控制器传送的高压参数和低压参数并输出相应的高压阻抗和低压阻抗。

优选地，所述高压参数为高压线长度和高压线型号，低压参数为低压线长度和低压线型号。

附图说明

图1是本实用新型节能型多功能电力测试系统的电路原理框图。

图2是本实用新型节能型多功能电力测试系统中负载模拟器的电路原理框图。

图3是本实用新型节能型多功能电力测试系统中负载模拟器的电路图。

图4是本实用新型节能型多功能电力测试系统结合节能产品的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型，但本实用新型的保护范围并不限于此。

参照图1，本实用新型的节能型多功能电力测试系统，包括控制器、升压变压器、用于模拟高压线阻抗的高压阻抗模拟器、降压变压器、用于模拟低压线阻抗的低压阻抗模拟器、用于模拟负载能量损耗的负载模拟器、用于高压线上电流和电压采样的第一数据采集单元和用于低压线上电流和电压采样的第二数据采集单元，升压变压器、高压阻抗模拟、降压变压器、低压阻抗模拟器和负载模拟器顺次连接，控制器分别与高压阻抗模拟器、低压阻抗模拟器、负载模拟器、第一数据采集单元和第二数据采集单元相连，第一数据采集单元连接在升压变压器与高压阻抗模拟器的连接处，第二数据采集单元连接在低压阻抗模拟器与负载模拟器的连接处，所述升压变压器的输入端连接有三相电，负载模拟器的输出端与升压变压器的输入端相连，所述负载模拟器包括用于产生电流和谐波的整流模块及用于电流和谐波反馈的逆变模块，整流模块与逆变模块相连。所述测试系统还包括远程控制器，远程控制器与控制器有线或无线连接，用于实现远程在线监控和系统设置。

所述控制器内设有参数存储单元，参数存储单元内保存有用于计算高压阻抗的高压参数和用于计算低压阻抗的低压参数，高压阻抗模拟器和低压阻抗模拟器分别接收控制器传送的高压参数和低压参数并输出相应的高压阻抗和低压阻抗。其中，高压参数为高压线长度和高压线型号，低压参数为低压线长度和低压线型号，高压参数和低压参数为预先设置或测量的值，也可以根据实际输配线的需要进行调节。

第一数据采集单元采集经过升压变压器后的电流和电压，控制器接收第一数据采集单元的电流电压数据并进行处理，控制器根据第一数据采集单元采集到的电流电压数据计算出升压变压器的损耗值，实时的数据采集和计算用于检测研究升压变压器的有功功率、无功功率、功率因素、谐波、三相不平衡度以及变压器的铁损、铜损和涡流损耗，实现升压变压器能量损耗的在线监测。第二数据采集单元采集经过降压变压器和低压阻抗模拟器后的电流和电压，控制器接收第一数据采集单元的电流电压数据并进行处理，控制器根据第二数据采集单元采集到的电流电压数据，计算出降压变压器的损耗值，实时的数据采集和计算用于检测研究降压变压器的有功功率、无功功率、功率因素、谐波、三相不平衡度以及变压器的铁损、铜损和涡流损耗，实现降压变压器能量损耗的在线监测。也可在测试系统不同地方增加更多电流电压采集单元，可以更加精准的计算出各种输配电设备的能量损耗。其中，升压变压器和降压变压器为实际接入电网的变压器设备，如降压变压器可以选择如下型号100kVA（DYn11）和100kVA（YYn0），也可根据实际的需要进行其它选择。

所述控制器接收第二数据采集单元采集的电流电压数据并进行处理后输出到负载模拟器中，负载模拟器接收控制器输出的控制信号，通过控制器内部的运算后，输出相应的负载能量损耗。参照图2，整流模块内设有用于产生有功电流的有功电流整流单元、用于产生无功电流的无功电流整流单元和用于产生谐波电流的谐波电流整流单元。谐波电流整流单元输出的谐波电流次数及谐波含量连续可调，负载谐波范围为1-25次，可以研究谐波对输配电设备产生影响的机理及治理措施。逆变模块内设有有功电流逆变单元、无功电流逆变单元和谐波电流逆变单元，有功电流逆变单元用于吸收有功电流整流单元产生的有功电流，无功电流逆变单元用于吸收无功电流整流单元产生的无功电流，谐波电流逆变单元用于吸收谐波电流整流单元产生的谐波电流，有功电流逆变单元与有功电流整流单元相连，无功电流逆变单元与无功电流整流单元相连，谐波电流逆变单元与谐波电流整流单元相连。

参照图3，有功电流整流单元包括顺次相连的三相四线开关S1、四相电抗器L1和整流器MK1，三相四线开关S1分别与三相线a、b、c和中性线n相连，各相上的电压在图2中分别标记为Ua、Ub、Uc和Un，四相电抗器L1为交流侧所附加的电抗器，在整流器MK1的电路中起到平衡电压、支撑无功功率的作用。所述有功电流逆变单元包括顺次相连的三相四线开关S2、四相电抗器L2和整流器MK2，三相四线开关S2分别与三相线a′、b′、c′和中性线n′相连，各相上的电压在图2中分别标记为Ua′、Ub′、Uc′和Un′，整流器MK1与整流器MK2的直流侧共用一个电容器C，电容器C为整流器MK1与整流器MK2之间的支撑电容，所述整流器MK1和整流器MK2为电压型半桥式PWM整流器。整流器MK1包括A相整流器K01、B相整流器K02、C相整流器K03和N相整流器K04，整流器MK2包括A相整流器K11、B相整流器K12、C相整流器K13和N相整流器K14，各相整流器分别包括两个桥臂，每个桥臂均包括一个绝缘栅双极型晶体管IGBT和反向并联在绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极之间的整流二级管，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极为控制端。

其中，无功电流整流单元和谐波电流整流单元共用有功电流整流单元的电路，即有功电流整流单元的电路同时完成有功电流、无功电流和谐波电流的整流，无功电流逆变单元和谐波电流逆变单元共用有功电流逆变单元的电路，即有功电流逆变单元的电路同时完成有功电流、无功电流和谐波电流的逆变。

电子负载以三相四线接入系统，也可以将电子负载安装可控制温度和湿度的空间呢，用于不同温度和湿度情况的负载模拟。本实用新型的能量反馈型电子负载在工作时，由控制器实时监测电网电流、电压信号，将第二数据采集单元采集的电流电压数据进行处理，并产生控制信号到负载模拟器中，控制整流模块产生有功电流、无功电流和谐波电流，并以脉宽调制信号形式对每个绝缘栅双极型晶体管IGBT进行控制。负载模拟器在运行过程中，桥臂的交流输入端Ua和Ub就会产生PWM波Uab，PWM波Uab中含有与输入正弦信号波同频率且幅值成比例的基波分量，以及与三角载波有关的频率很高的谐波。PWM波Uab与电网电压Us共同作用于四相电抗器L1上，即产生了正弦输入电流Is。当电网电压Us一定时，正弦输入电流Is的幅值与相位仅由PWM波Uab决定，通过控制整流模块交流侧的电压Uab的幅值与相位，就可以得到所需大小和相位的输入电流Is。

当正弦输入电流Is与电网电压Us同相时，电路作为整流运行，反之，电路作为逆变运行。整流器MK1和整流器MK2具有能量双向传输功能的AC/DC转换功能，当整流器从电网吸取能量时，该整流器运行于整流工作状态，而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变工作状态。本实用新型中整流器MK1作为电子负载主要工作在整流器模式，根据需求实现各种电流波形，包括有功电流、无功电流、谐波电流等的产生。整流器MK2主要工作在有源逆变模式，其主要工作是将整流器MK1吸收的能量回馈到电网，与此同时，滤除进入电网的谐波电流，从而实现能量循环利用。

本实用新型的测试系统处于工作状态时，三相电经升压变压器升压，此时，第一数据采集单元采集高压线上电流和电压用于升压变压器的损耗特性检测；经升压后的三相电进入高压阻抗模拟器，降压变压器接收高压阻抗模拟器输出的三相电进行降压，降压后的三相电经低压阻抗模拟器输出到负载模拟器的整流模块中整流；此时第二数据采集单元采集经过经过降压变压器和低压阻抗模拟器后的电流和电压，用于降压变压器的损耗特性检测，另一方面，第二数据采集单元实时采集的电流和电压输入到控制器中，控制器接收第一数据采集单元电流电压数据并进行处理，控制器接收第二数据采集单元采集的电流电压数据并进行处理后输出到负载模拟器中，负载模拟器接收控制器输出的控制信号，并输出相应的负载能量损耗。

在控制器的控制下，整流模块中的有功电流整流单元、无功电流整流单元和谐波电流整流单元分别产生用于测试用电设备的有功电流、无功电流和谐波电流并输入到用电设备中，用于检测测试系统在不同有功电流、无功电流和谐波电流下输配电设备的损耗特性。整流模块输出的有功电流、无功电流和谐波电流会对整个测试系统内的所有输配电设备产生影响，即可以研究在不同的有功电流、无功电流和谐波电流下，输配电设备的在线损耗。

在控制器的控制下，逆变模块根据整流模块中产生的有功电流、无功电流和谐波电流，输出相应的电流以抵消整流模块产生的有功电流、无功电流和谐波电流，经过滤后的三相电循环反馈到电网中。具体为在控制器的控制下，有功电流逆变单元产生反向的有功电流，无功电流逆变单元产生反向的无功电流，谐波电流逆变单元产生反向的谐波电流，使有功电流整流单元产生的有功电流与反向的有功电流相抵消，无功电流整流单元产生的无功电流与反向的无功电流相抵消，谐波电流整流单元产生的谐波电流与反向的谐波电流相抵消。逆变模块可以将整流模块产生的谐波电流和无功功率进行有源滤波和无功补偿并且加以回收，再将回收的能量逆变后返回到电网，经测试整个系统的能量回收率在95%以上，功率因数≥0.99，电流的谐波畸变率低。

参照图4，利用本实用新型的节能型多功能电力测试系统还可以实现对中低压配电网节能产品的节能效果测评及其性能测试，节能产品是用于改善电能质量，节能产品为无功补偿装置、三相不平衡调整装置、谐波治理装置和电能质量综合治理装置中的一种，电能质量综合治理装置包括无功补偿装单元、三相不平衡调整单元和谐波治理单元中的三种或任意两种。

将节能产品并入电网，在低压阻抗模拟器与负载模拟器之间并联节能产品，节能产品连接在第二数据采集单元与低压阻抗模拟器的连接处与负载模拟器之间，节能产品与控制器相连。由于本实用新型的负载模拟器在控制器的控制下，可以产生并调节负荷大小、三相负荷不平衡、谐波、负序、系统电压和功率因数等，因此，在接入节能产品时，测试系统可以在多个因素同时存在的基础上，对节能产品进行节能效果测评，及其性能测试，从而对相应的抑制或补偿措施并加以验证。也可将节能产品放入独立封闭的空间，同时控制该空间的温度和湿度，以测试节能产品在在不同环境下的节能效果。

综上所述，利用本实用新型的节能型多功能电力测试系统，可以用于中低压配电网电力产品的性能测试，中低压配电网电力产品的性能测试，中低压配电网节能产品的节能效果测评及其性能测试，负荷大小、三相负荷不平衡、谐波、负序、系统电压、功率因数等对配电网损耗的影响研究，中低压配电网技术降损措施研制，中低压配电网电能质量治理措施研制及产品性能测试；智能微网相关产品性能测试及技术研究等。

上述说明中，凡未加特别说明的，均采用现有技术中的技术手段。

Claims (10)

1.一种节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述测试系统包括控制器、升压变压器、用于模拟高压线阻抗的高压阻抗模拟器、降压变压器、用于模拟低压线阻抗的低压阻抗模拟器、用于模拟负载能量损耗的负载模拟器、用于高压线上电流和电压采样的第一数据采集单元和用于低压线上电流和电压采样的第二数据采集单元，升压变压器、高压阻抗模拟、降压变压器、低压阻抗模拟器和负载模拟器顺次连接，控制器分别与高压阻抗模拟器、低压阻抗模拟器、负载模拟器、第一数据采集单元和第二数据采集单元相连，第一数据采集单元连接在升压变压器与高压阻抗模拟器的连接处，第二数据采集单元连接在低压阻抗模拟器与负载模拟器的连接处，所述升压变压器的输入端连接有三相电，负载模拟器的输出端与升压变压器的输入端相连，所述负载模拟器包括用于产生电流和谐波的整流模块及用于电流和谐波反馈的逆变模块，整流模块与逆变模块相连；

三相电经升压变压器升压后进入高压阻抗模拟器，降压变压器接收高压阻抗模拟器输出的三相电进行降压，降压后的三相电经低压阻抗模拟器输出到负载模拟器的整流模块中整流，整流后的三相电输出到逆变模块进行有源逆变，逆变后的三相电返回到升压变压器中。

2.根据权利要求1所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述整流模块内设有用于产生有功电流的有功电流整流单元、用于产生无功电流的无功电流整流单元和用于产生谐波电流的谐波电流整流单元，逆变模块内设有用于吸收有功电流整流单元产生的有功电流的有功电流逆变单元、用于吸收无功电流整流单元产生的无功电流的无功电流逆变单元和用于吸收谐波电流整流单元产生的谐波电流的谐波电流逆变单元，有功电流逆变单元与有功电流整流单元相连，无功电流逆变单元与无功电流整流单元相连，谐波电流逆变单元与谐波电流整流单元相连。

3.根据权利要求2所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述有功电流整流单元包括顺次相连的三相四线开关S1、四相电抗器L1和整流器MK1，三相四线开关S1分别与三相线和中性线相连，所述有功电流逆变单元包括顺次相连的三相四线开关S2、四相电抗器L2和整流器MK2，三相四线开关S2分别与三相线和中性线相连，整流器MK1与整流器MK2的直流侧共用一个电容器C，所述整流器MK1和整流器MK2为电压型半桥式PWM整流器；所述无功电流整流单元和谐波电流整流单元共用有功电流整流单元的电路，所述无功电流逆变单元和谐波电流逆变单元共用有功电流逆变单元的电路。

4.根据权利要求3所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述整流器MK1和整流器MK2均包括A相整流器、B相整流器、C相整流器和N相整流器，各相整流器分别包括两个桥臂，每个桥臂均包括一个绝缘栅双极型晶体管和反向并联在绝缘栅双极型晶体管的发射极和集电极之间的整流二级管，每个绝缘栅双极型晶体管的栅极为控制端。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述低压阻抗模拟器与负载模拟器之间并联有用于改善电能质量的节能产品，节能产品连接在第二数据采集单元与低压阻抗模拟器的连接处与负载模拟器之间，节能产品与控制器相连。

6.根据权利要求5所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述节能产品为无功补偿装置、三相不平衡调整装置、谐波治理装置和电能质量综合治理装置中的一种，电能质量综合治理装置包括无功补偿装单元、三相不平衡调整单元和谐波治理单元中的三种或任意两种。

7.根据权利要求1所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括远程控制器，远程控制器与控制器有线或无线连接。

8.根据权利要求1所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述升压变压器和降压变压器为实际接入电网的变压器设备。

9.根据权利要求1所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述控制器内设有参数存储单元，参数存储单元内保存有用于计算高压阻抗的高压参数和用于计算低压阻抗的低压参数，高压阻抗模拟器和低压阻抗模拟器分别接收控制器传送的高压参数和低压参数并输出相应的高压阻抗和低压阻抗。

10.根据权利要求9所述的节能型多功能电力测试系统，其特征在于，所述高压参数为高压线长度和高压线型号，低压参数为低压线长度和低压线型号。

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