CN204651924U - 一种低压高性能电能质量治理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种低压高性能电能质量治理装置，该装置包括由IGBT模块组成的功率单元、控制单元、高通支路单元、散热单元、进线避雷器和断路器，其特征在于：IGBT模块组成的功率单元分别与控制单元相连；控制单元是由FPGA芯片和驱动部分组成；高通支路单元是由低损耗电抗器和抗谐波电容器组成；散热单元由铝合金散热器和轴流风机组成。本实用新型装置对各次谐波均能有效抑制，补偿特性不受电网阻抗的影响，可同时补偿无功功率包括动态无功功率，消除负序电流，抑制闪变，调节平衡三相不平衡电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电能质量治理装置，尤其涉及一种高性能低压电能质量优化控制及治理装置。
背景技术
电网用户需要处理的电能质量问题，主要是功率因数问题、谐波问题以及电压瞬变问题。针对这些问题的治理手段有好几种，比如电容补偿、调谐补偿、动态投切补偿、无源滤波、有源滤波等等。每种手段主要针对某个方面的问题治理，但同时会影响到其他方面，或者会产生不利影响，或者会有顺带的帮助作用。所以，治理电能质量问题，应该把几个方面一起考虑，免得分别治理的时候彼此产生干扰冲突，或者重复浪费。
产生谐波的原理和不同谐波源谐波的危害：线性负载，例如纯电阻负载，其工作电流的波形与输入电压的正弦波形完全相同，非线性负载，例如斩波直流负载，其工作电流是非正弦波形。传统的线性负载的电流/电压只含有基波（50Hz），没有或只有极小的谐波成分，而非线性负载会在电力系统中产生可观的谐波。谐波与电力系统中基波叠加，造成波形的畸变，畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。非线性负载产生陡峭有脉冲型电流，而不是平滑的正弦波电流，这种脉冲中的谐波电流引起电网电压畸变，形成谐波分量，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流。计算机是此类非线性负载之一，像绝大多数办公室电子设备一样，计算机装有一个二级管/电容型的供电电源，这类供电电源仅在交流正弦波电压的峰值处产生电流，因此产生大量的三次谐波电流（150Hz）。其它产生谐波电流的设备主要有：电动机变频调速器，固态回热器，和其它一些产生非正弦变化电流的设备。
荧光灯照明系统也是一个重要的谐波源，在普通的电磁整流器灯光电路中，三次谐波的典型值约为基波（50Hz）值的13%-20%，而在电子整流器灯光电路中，谐波分量甚至高达80%。非线性负载所产后的谐波电流会影响电力系统的多个工作环节，包括变压器，中性线，还有电动机，发电机和电容器等。谐波电流会导致变压器，电动机和备用发电机的运行温度（K参数）严重升高。中性线上的过电流（由谐波和不平衡引起）不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热。无功补偿电容器会因电网电压谐波畸变而产生过热，谐波将导致严重过流；另外，电容器还会与电力系统中的电感性无件形成谐振电路，这将导致电容器两端的电压明显升高，引致严重故障。照明装置的启辉电容器对于由高频电流引起的过热也是十分敏感的，启辉电容器的频繁损坏显示了电网中存在谐波的影响。谐波还会引起配电线路的传输效率下降，损耗增大，并干扰电力载波通讯系统的工作，如电能管理系统（EMS）和时钟系统。而且，谐波还会使电力测量表计，有功需量表和电度表的计量误差增大。
有鉴于此，本实用新型提供一种低压高性能电能质量治理装置，以满足实际应用需要。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种低压高性能电能质量治理装置，该装置能够从被补偿对象中检测出谐波电流，然后通过电力电子开关器件，采用脉宽调制，产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而消除电网中的谐波，使之只含有基波分量。
本实用新型所采用的技术方案是：一种低压高性能电能质量治理装置，该装置包括由IGBT模块组成的功率单元、控制单元、高通支路单元、散热单元、进线避雷器和断路器，其特征在于：IGBT模块组成的功率单元分别与控制单元相连；控制单元是由FPGA芯片和驱动部分组成；高通支路单元是由低损耗电抗器和抗谐波电容器组成；散热单元由铝合金散热器和轴流风机组成。
如上所述的低压高性能电能质量治理装置，其特征在于：控制单元的FPGA芯片采用美国xilinx芯片；驱动部分采用瑞士concopt公司中大功率控制器，该驱动具有以下特点：开关频率从DC到大于100kHZ；占空比从0到100%；能抗dv/dt大于100V。
如上所述的低压高性能电能质量治理装置，其特征在于：散热单元的铝合金散热器采用超导技术；轴流风机采用德国EBM风机。
本实用新型的有益效果是：本实用新型装置对各次谐波均能有效抑制，补偿特性不受电网阻抗的影响，可同时补偿无功功率包括动态无功功率，消除负序电流，抑制闪变，调节平衡三相不平衡电压。是未来解决谐波污染的最重要途径。
该装置的产品特点及先进性体现在：
1）滤除的谐波次数范围广，可滤除2～50次谐波。既可滤波除特征谐波，也可滤除非特征谐波；
2）谐波滤除率高。在额定功率下，谐波电流滤除率可高达95％；
3）响应速度快。谐波补偿电流完全响应时间小于10ms；
4）可单相动态注入补偿电流，改善系统三相不平衡；
5）兼具滤波及无功补偿（感性或容性）功能，亦可单独设置为滤波或补偿功能；
6）可设定输出或最大100％限流输出，保证装置长期稳定运行，无设备过载之忧；
7）自动消除谐振，无与系统产生谐振之忧，保障设备及系统安全运行；
8）设计选型简单，安装、操作和维护简单；
9）模块化设计，易于扩展；
10）保护措施完善，具有系统电压过压保护、欠压保护；输出过流保护；过热保护；控制电压欠压保护等；
11）采用标准通讯接口。
附图说明
图1为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的工作原理图。
图2为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的外部结构示意图。
图3为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的组成结构示意图。
图4为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的控制单元内部结构图。
图5为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的功率单元外形结构图。
图6为本实用新型的低压高性能电能质量治理装置的功率单元安装接线示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。
下面结合附图和实施例对本实用新型一种低压高性能电能质量治理装置作进一步描述。
该装置利用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术，研制而成的新型电力滤波治理设备。其原理图如图1所示。
通过实时检测补偿对象的电压和电流，将模拟信号通过高精度、高性能专用硬件运算主电路，将负载电流中谐波分离出来，经主电路计算电流变化值，下达补偿电流的指令信号，并送入高速数字型号处理器（DSP）对指令型号进行处理，并以脉宽调制（PWM）信号形式向变流器（IGBT驱动电路）送出驱动指令，电流器生成与电网需要补偿的谐波及无功电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，主动与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的基波电流。
如图2所示，从外形结构上来讲，该装置主要由母线室、开关室和模块室组成。母线室是用于大电流引流的铜母排组成。开关室是用于安装开断模块投切的大电流断路器。模块室是安装功率单元模块，对电流进行滤波和补偿的作用。
如图3所示，该装置是由若干IGBT模块组成的功率单元、控制单元、高通支路单元、散热单元、进线避雷器和断路器组成，主要元器件的功能如下：
1）IGBT模块，采用进口原装IGBT模块，最新第四代IGBT控制技术，开关损耗和通态损耗大大降低，温度周次和功率周次大大提高，有效延长了模块的使用寿命。
2）直流电容，采用日本东丽进口金属薄膜，能承载不规则波纹电流，耐压能力提升，设计使用寿命可达到20年，且损耗低。
3）控制单元，控制单元是由FPGA和驱动系统组成，FPGA芯片采用美国xilinx，该产品用于航空级军用系统，性能稳定；驱动部分采用瑞士库珀（concopt）公司中大功率控制器，该公司为行业的领先水平，从事IGBT研发、生产近50年的历史。该驱动具有以下特点：长寿命、高可靠性；开关频率从DC到大于100kHZ；占空比从0到100%；能抗dv/dt大于100V。
4）高通支路单元，该单元是由低损耗电抗器和抗谐波电容器组成，能有效降低系统谐波畸变对控制单元的影响，提高系统的稳定性。
5）散热单元，该单元由铝合金散热器和轴流风机组成，铝合金散热器采用超导技术，降低IBGT运行过程中热量的散发；轴流风机采用德国EBM风机，该风机能在高压条件下以极低的噪音运行；外转子具有良好的散热效果；能适合与各种恶劣条件下的稳定运行。
6）光纤，采用美国Avago光纤产品，该光纤适用于工业控制总线系统通讯传输，具有传输带宽高，抗干扰性能强，信号稳定等特点。
如图4所示，为控制单元内部结构图。控制单元内部主要用于模块放置，固定，采用格层便于安装和检修。
如图5及图6所示，功率单元外形结构及安装接线示意图。该装置主要有独立的功率单元控制回路组成，通过电流传感器接入电源侧交流电参数，由控制系统进行分析，给滤波补偿系统反馈，实现滤波和补偿功能。
本实用新型的装置性能如下：
相/线数：三相三线制或三相四线制；
额定系统电压：AC380V±15%；
额定频率：50/60Hz±15%；
额定补偿电流（有效值）：50～150A；
运行方式：单台或多台并联运行；
冷却方式：强迫风冷；
安装方式：室内落地安装，底部进线；
显示方式：液晶触摸人机界面。
该装置安装尺寸如下表所示。
| 电压等级V | 装置容量A | 尺寸（宽×深×高）mm | 进线方式 |
| 400 | 50 | 800*800*1600 | 下进线 |
| 400 | 100 | 800*800*1600 | 下进线 |
| 400 | 120 | 800*800*2260 | 下进线 |
| 400 | 150 | 800*1000*2260 | 下进线 |
本实用新型装置的补偿方式为：根据各种配电系统运作的差异状况及客户需要达到的个性化治理效果，该装置具备综合补偿、部分补偿和就地补偿三种方式。
综合补偿适用于混合型配电系统，非线性负载数量庞大、分散，并且单台非线性负载谐波含量小，可在电网的接入端安装该装置，对配电系统的所有谐波综合治理。
部分补偿适用于非线性负载集中在某几条支路的配电系统，可在这几条支路的上端安装该装置，确保谐波不流入电网污染其它负载。
就地补偿适用于非线性负载集中且单台谐波含量较大的配电系统，在此负载的前端安装该装置可达到理想治理效果。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本实用新型的，本领域普通技术人员可在不脱离本实用新型的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本实用新型的发明范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。
Claims (3)
1. 一种低压高性能电能质量治理装置，该装置包括由IGBT模块组成的功率单元、控制单元、高通支路单元、散热单元、进线避雷器和断路器，其特征在于：IGBT模块组成的功率单元分别与控制单元相连；控制单元是由FPGA芯片和驱动部分组成；高通支路单元是由低损耗电抗器和抗谐波电容器组成；散热单元由铝合金散热器和轴流风机组成。
2. 根据权利要求1所述的低压高性能电能质量治理装置，其特征在于：控制单元的FPGA芯片采用美国xilinx芯片；驱动部分采用瑞士concopt公司中大功率控制器，该驱动具有以下特点：开关频率从DC到大于100kHZ；占空比从0到100%；能抗dv/dt大于100V。
3. 根据权利要求1所述的低压高性能电能质量治理装置，其特征在于：散热单元的铝合金散热器采用超导技术；轴流风机采用德国EBM风机。
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