CN204992577U - 带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，主要包括变压器、主控制器、一体化单元、电流传感器、电压传感器、晶闸管触发模块、晶闸管监测模块、采样信号调理模块、逆变器。本实用新型所述带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，可自动跟踪负荷大小和电压偏移情况，自行调容和调压，当负荷变为小容量时由电流传感器测得负荷电流逐渐减少，当负荷电流趋于稳定并低于大容量工作要求，进入小容量工作的区域时，由主控制器发出控制调容开关指令，触发晶闸管控制电路，实现调容调压变压器高低压绕组联结方式的改变。

Description

带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，具体的说是一种带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置。

背景技术

我国农村电网的负荷具有用电集中，季节性负荷变化大，峰谷差异及年平均负载率低的特点，为了防止小容量负载时的“大马拉小车”和大容量负荷的过载现象，使用有载调容调压变压器，既可以使变压器在轻载时处于经济运行状态，又能够确保变压器在用电高峰时的供电容量充裕，最终达到降低变压器综合电能损耗的效果。有载调容调压变压器有自动输出电压和自动输出容量的特点，同时有着防窃电独特结构，在输出电压的数值上更具其他节能设备没有的独特之处，因此适合在农村电网中的广泛推广。同时随着经济的发展，农村生活水平日益提高，家用电器的普遍使用，产生大量的谐波与无功电流，造成三相电网严重不平衡，中线电流急剧增大，线路损耗数倍增加，变压器的铜损、铁损亦增大，降低变压器的出力，引起线路电压跌落，降低电能质量，同时当中线电流过大时会烧断中线，影响变压器及负载的安全运行。具有谐波消除、无功功率补偿和三相不平衡优化作用的有源电力滤波器可以解决上述电能质量问题，但是农村电网分布广泛、容量大、大容量使用有源电力滤波器使得成本急剧上升。因此，提出一种带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置（RCVT-BPF—RegulatedCapacityandVoltagetransformer—BalancedPowerFactorFilter），可以综合解决配电变压器的使用效率和配电变压器低压侧前端的低电压、谐波、无功和三相不平衡的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，解决农村电网中配电变压器的使用效率低下，呈现季节性、时段性和大量单相负荷的特点，单独安装有源滤波和无功补偿设备无法解决低压侧电压跌落，三相不平衡和谐波无功问题，同时还解决投资成本高、安装空间受限，使其设备维护难度增大，安装难度大。

本实用新型的目的通过以下技术方案来具体实现：

带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，主要包括变压器、主控制器、一体化单元、电流传感器、电压传感器、晶闸管触发模块、晶闸管监测模块、采样信号调理模块、逆变器，其中所述变压器的输入端与一体化单元连接，所述一体化单元的输入端与晶闸管触发模块连接，一体化单元的输出端与晶闸管监测模块连接，所述晶闸管触发模块、晶闸管监测模块与主控制器连接，所述变压器的输出端与电流传感器和电压传感器连接，所述电流传感器和电压传感器与采样信号调理单元连接，所述采样信号调理单元与主控制器连接，所述主控制器与逆变器连接。

所述主控制器由A/D采集单元、CPU中央处理单元、调容调压输出单元组成，其中所述A/D采集单元接收采样信号调理单元的信号，并传送给CPU中央处理单元，所述CPU同时与I/O电路接口连接，通过I/O电路接口与所述晶闸管监测模块连接，所述CPU中央处理单元的输出端与调容调压开关输出模块连接，所述调容调压开关输出模块与所述晶闸管触发模块连接。

主控制器中采集单元部分采样变压器低压侧负荷的电压及电流信号，送至中央处理单元，同时采样逆变器输出电流，分解出谐波、无功及三相不平衡部分，根据负荷电流判断容量的大小，脉冲触发单元给出调压调容开关信号量控制晶闸管触发监测模块，改变变压器高低压侧绕组方式，优化变压器的容量，调整变压器的输出电压。在提高变压器低压侧首端电压的同时消除谐波，补偿无功和三相不平衡。

所述一体化单元包括有载调容开关和有载调压开关，所述有载调容开关和有载调压开关并联接入电路中。通过控制端子引出控制变压器的调载调容开关，便于本实用新型的安装。

进一步的，所述主控制器还包括通信单元，所述通信单元与所述CPU中央处理单元连接。

进一步的，还包括HMI液晶屏和监控终端，所述HMI液晶屏和监控终端与所述主控制器的通信单元连接。所述主控制器的通信单元部分连接有HMI操作屏；HMI操作屏用于实时显示电网电压、电流的有效值、调容调压控制命令、功率因数、电流畸变率以及装置运行状态，使本实用新型的使用状态和装置的运行状态更清晰直观，使本实用新型便于使用。

在所述主控制器与所述晶闸管触发模块之间连接切换模块，所述切换模块与所述主控制器的调容调压开关输出单元连接。

所述电压传感器和所述电流传感器并联连接后与采样信号调理模块串联组成采样单元。

所述变压器优选为有载调容调压变压器。

进一步的，所述变压器包括内置的高压绕组和低压绕组。

所述主控制器包括由美国TI公司的TMS320F28335浮点型DSP芯片、Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144I7芯片及与其各自相连接的时钟电路、电源电路、JTAG接口、外设I/O电路、显示通信电路构成；外设电路包括电压电流采样电路、晶闸管脉冲信号电路。

逆变器包括二极管箝位三电平电容中点分裂的三相四线拓扑桥结构，该拓扑结构的逆变器能够有效解决三相不对称无功电流、三相不对称有功电流以及谐波电流，从而提高首端线路功率因素，消除谐波与三相不平衡，保证低压400V侧首端电压质量与电流质量。

本实用新型所述带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，可自动跟踪负荷大小和电压偏移情况，自行调容和调压，当负荷变为小容量时由电流传感器测得负荷电流逐渐减少，当负荷电流趋于稳定并低于大容量工作要求，进入小容量工作的区域时，由主控制器发出控制调容开关指令，触发晶闸管控制电路，实现调容调压变压器高低压绕组联结方式的改变。

同时主控制器从负荷电流中提取谐波及无功电流，补偿变压器低压侧的谐波、无功和三相不平衡。该优化装置在低压侧电网电压发生跌落时由主控制器检测系统负荷电压、电流，发出指令使得有载调容调压变压器进行升压，同时计算出系统中的谐波、无功和零序电流并发出电流进行补偿，从而提供农村电网前端电压不稳定，谐波、无功及三相不平衡的完美电能质量解决方案。

本实用新型具有以下有益效果：

（1）本实用新型中主控制器同时对二极管箝位三电平三相四线电容中点分裂桥和变压器调载调容统一控制，便于操作与管理；减少了电子元件的使用，使本实用新型不仅易于实现易维护、高精度和实时性好的调载调容、谐波治理、无功补偿、三相不平衡功能，且易于实现补偿速度快。

（2）本实用新型可根据现场安装环境，可壁挂也可装柜。

（3）本实用新型中晶闸管脉冲信号通过晶闸管触发与监测模块发出，使本实用新型的工作可靠性更高。

（4）本实用新型中逆变器输出LCL滤波器会抑制尖峰和高次谐波，变压器的负载损耗，提高本实用新型的的使用效率。

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的系统控制图。

图2为输出逆变器拓扑结构图。

图3为有载调容调压变压器调容调压原理图。

图3（a）是大容量绕组原理图。

图3（b）是小容量绕组原理图。

图4为本实用新型的整体框架图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例所述带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，主要包括变压器、主控制器、一体化单元、电流传感器、电压传感器、晶闸管触发模块、晶闸管监测模块、采样信号调理模块、逆变器，其中所述变压器的输入端与一体化单元连接，所述一体化单元的输入端与晶闸管触发模块连接，一体化单元的输出端与晶闸管监测模块连接，所述晶闸管触发模块、晶闸管监测模块与主控制器连接，所述变压器的输出端与电流传感器和电压传感器连接，所述电流传感器和电压传感器与采样信号调理单元连接，所述采样信号调理单元与主控制器连接，所述主控制器与逆变器连接。

进一步的，带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置还包括HMI液晶屏和监控终端，所述HMI液晶屏和监控终端与所述主控制器的通信单元连接。所述主控制器的通信单元部分连接有HMI操作屏；HMI操作屏用于实时显示电网电压、电流的有效值、调容调压控制命令、功率因数、电流畸变率以及装置运行状态，使本实用新型的使用状态和装置的运行状态更清晰直观，使本实用新型便于使用。

晶闸管触发模块、晶闸管监测模块用于控制调容调压变压器的容量和电压优化；主控制器采集变压器低压侧负荷电压、负荷电流与二极管箝位三电平三相四线桥单元输出电流，进行谐波和无功检测，优化变压器低压侧电压、实时性的治理谐波、无功和三相不平衡。

如图2所示，逆变器拓扑结构为三电平电容中点分裂的三相四线桥单元，输出通过LCL滤波，滤除高频纹波和高次谐波电流，使得逆变器的输出不含对电网污染的标准电流。

如图3所示，并结合图3（a）、图3（b），有载调容调压变压器通过改变高压侧和低压侧的绕组来优化输出容量，通过电力电子开关元件作为调压开关来优化变压器的输出电压。调容的原理为变压器低压绕组由少数线匝Ⅰ段、多数线匝线Ⅱ、Ⅲ段组成。变压器三相高压绕组在大容量时接成三角形，小容量时接成星形。大容量时Ⅱ、Ⅲ段并联再与Ⅰ段串联，小容量时Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段全部串联。

由大容量调为小容量时，低压绕组匝数增加，高压绕组变为Y接法。变压器调压的原理为采用晶闸管器件有载无弧调压开关。图中所有开关均为晶闸管。假定变压器初始运行位置为W1，此时A0、K21和K22处于导通状态，现需要将接头W1切换到W2，则切换过程为：①断开A0，则电阻R接入电路。②断开K21，接通K31，此时分接头W1与W2之间有环流。③断开K22，合上K32，合上A0，切换过程结束。此时接头W2的电流通过K32与A0的串联支路以及晶闸管K31，切换过程同样无弧。该电路拓扑中的晶闸管K32与K31可互为冗余，每个器件的通态电流为绕组电流的一半，有效降低器件通态损耗，可提高电路可靠性但晶闸管数量增加一倍。

变压器低压侧负荷电压和负荷电流传送给主控制器，用于实现电网谐波和无功计算，设备输出电流和直流侧电压信号用于单相全桥单元内部直流侧电压与设备输出补偿电流的双闭环控制。

逆变器中二极管箝位三电平电容中点分裂三相四线桥单元实时接收主控制器发出的PWM信号，发出谐波、无功和零序电流，从而精确补偿电网谐波、无功电流及三相不平衡。

如图4所示，优化装置可自动跟踪负荷大小和电压偏移情况，自行调容和调压，主控制器从负载电流中提取谐波及无功电流，补偿变压器低压侧的谐波、无功和三相不平衡。该优化装置在低压侧电网电压发生跌落时由主控制器检测系统负荷电压、电流，发出指令使得有载调容调压变压器进行升压，同时计算出系统中的谐波、无功和零序电流并发出电流进行补偿，有载调容调压开关信号和谐波、无功及三相不平衡补偿电流信号由主控制系统产生，主控制系统包含主控制器（A/D采集单元、CPU中央处理单元、通信单元、调容调压输出单元），逆变器，调容调压一体单元和HMI显示操控单元。主控制器中采集单元部分采样变压器低压侧负荷的电压及电流信号，送至CPU中央处理单元，同时采样逆变器输出电流，分解出谐波、无功及三相不平衡部分，根据负荷电流判断容量的大小，脉冲触发单元给出调压调容开关信号量控制晶闸管触发监测模块，改变变压器高低压侧绕组方式，优化变压器的容量和输出电压。稳定变压器低压侧首端电压的同时消除谐波，补偿无功和三相不平衡。逆变器包括二极管箝位三电平电容中点分裂的三相四线拓扑桥结构，该拓扑结构的逆变器能够有效解决三相不对称无功电流、三相不对称有功电流以及谐波电流，从而提高首端线路功率因素，消除谐波与三相不平衡，保证低压400V侧首端电压质量与电流质量。电压电流采样电路用于采集变压器低压侧负荷电压、电流、同时检测装置自身输出电流和直流侧电压；为实现二极管箝位三电平电容中性点分裂的三相四线拓扑结构中直流侧电容均压，输出电流的双闭环控制提供了保证。

主控制器为BPF主控制器，具体包括由美国TI公司的TMS320F28335浮点型DSP芯片、Altera公司Cyclone系列的EP1C6T144I7芯片及与其各自相连接的时钟电路、电源电路、JTAG接口、外设I/O电路、显示通信电路构成；外设电路包括电压电流采样电路、晶闸管脉冲信号电路。

按照上述实施例，便可很好地实现本实用新型。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本实用新型上做出的一些无实质性的改动，所采用的技术方案的实质仍然与本实用新型一样，故其也应当在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，主要包括变压器、主控制器、一体化单元、电流传感器、电压传感器、晶闸管触发模块、晶闸管监测模块、采样信号调理模块、逆变器，其特征在于，所述变压器的输入端与一体化单元连接，所述一体化单元的输入端与晶闸管触发模块连接，一体化单元的输出端与晶闸管监测模块连接，所述晶闸管触发模块、晶闸管监测模块与主控制器连接，所述变压器的输出端与电流传感器和电压传感器连接，所述电流传感器和电压传感器与采样信号调理单元连接，所述采样信号调理单元与主控制器连接，所述主控制器与逆变器连接。

2.如权利要求1所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述主控制器由A/D采集单元、CPU中央处理单元、调容调压输出单元组成，其中所述A/D采集单元接收采样信号调理单元的信号，并传送给CPU中央处理单元，所述CPU同时与I/O电路接口连接，通过I/O电路接口与所述晶闸管监测模块连接，所述CPU中央处理单元的输出端与调容调压开关输出模块连接，所述调容调压开关输出模块与所述晶闸管触发模块连接。

3.如权利要求1所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述一体化单元包括有载调容开关和有载调压开关，所述有载调容开关和有载调压开关并联接入电路中。

4.如权利要求2所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述主控制器还包括通信单元，所述通信单元与所述CPU中央处理单元连接。

5.如权利要求4所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

还包括HMI液晶屏和监控终端，所述HMI液晶屏和监控终端与所述主控制器的通信单元连接。

6.如权利要求5所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

在所述主控制器与所述晶闸管触发模块之间连接切换模块，所述切换模块与所述主控制器的调容调压开关输出单元连接。

7.如权利要求1所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述电压传感器和所述电流传感器并联连接后与采样信号调理模块串联组成采样单元。

8.如权利要求1所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述变压器为有载调容调压变压器。

9.如权利要求8所述的带有载调容调压的集中式数字化电能质量优化装置，其特征在于，

所述变压器包括内置的高压绕组和低压绕组。