CN208094195U - 一种低压配电网电能质量控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压配电网电能质量控制系统，包括电能质量有源补偿单元、系统控制器、无源无功补偿单元、换相开关组；其中电能质量有源补偿单元具备谐波治理、无功补偿以及三相不平衡调节功能；无源无功补偿单元实现无功补偿以及一定程度的三相不平衡治理功能；换相开关组具备避免相间发生短路的低压配电网规律性的三相不平衡的规律常态调节；系统控制器实现有电能质量有源补偿单元、无功补偿无源单元及换相开关组的有序高效运行。本实用新型能够有效解决低压配电网多种电能质量问题，在保证治理效果的同时尽可能实现系统损耗最小的目标要求。

Description

一种低压配电网电能质量控制系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术，具体涉及一种低压配电网电能质量控制系统。

背景技术

在低压配电网，尤其是在农网低压配电网系统，用电负荷多为单相负荷，由于用电时间差异性等因素影响，三相不平衡问题客观实时存在，三相不平衡问题严重制约变压器出力以及电压质量问题，造成低压配电线路损耗的增大；而且随着经济发展，非线性负荷越来越多，谐波以及无功问题也越来越突出；电力电子技术对于低压配电网电能质量问题治理，具有绝对的技术优势，但是基于电力电子技术的电能质量优化治理系统损耗大，在优化低压配电网电能质量问题的同时，造成了低压配电网系统损耗率的增大，这是配电网所不允许的，存在技术缺陷。

申请号为201710279465.9的中国专利提出一种采用电能质量有源补偿单元与换相开关解决配电网电能质量问题，电能质量有源补偿单元主要解决谐波问题以及无功问题，电能质量有源补偿单元容量相对较大，满足低压配电网的无功补偿以及谐波的需求，系统的损耗将会较大。

申请号为201610622366.1的中国专利提出一种通过补偿无功以及换相开关调节实现低压配电线路末端低电压问题，针对感性无功以及三相不平衡治理从而解决低电压问题。但是随着分布式新能源大规模接入配电网，造成低压配电网电压频繁波动，既存在高电压问题又存在低电压问题。所以采用传统无功补偿以及换相开关难以有效应对新能源接入的新型有源配电网的电压问题。

发明内容

为解决现有低压配电网电能质量治理系统或损耗大或治理效果不好的技术问题，本实用新型提供一种低压配电网电能质量控制系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种低压配电网电能质量控制系统，其特殊之处在于：

包括电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元、换相开关组、系统控制器、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；

所述电能质量有源补偿单元及无源无功补偿单元均与负载并联设置,其中的电能质量有源补偿单元通过电流采样单元与电网连接，用于采集电网的电流；

所述换相开关组与负载串联设置；

所述系统控制器通过电流采样单元及电压采样单元与电网连接，用于采集电网的电流与电压；

所述系统控制器通过通讯单元分别与电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组连接，用于控制各单元的运行。

进一步地，所述电压采样单元为三相电压互感器或电压差分采样电路，所述电流采样单元为三相电流互感器。

进一步地，所述通讯单元为微功率无线通讯单元。

进一步地，所述通讯单元为电力载波通讯单元。

进一步地，为了提高综合治理的效果，减少功耗，所述系统控制器包括运算单元、时序逻辑单元及控制单元，

所述运算单元用于根据电网的电流、电压及各换相开关组负荷数据计算低压配电网的三相不平衡度、功率因数及谐波畸变率；

所述时序逻辑单元用于将三相不平衡度、功率因数及谐波畸变率与预设值进行比较，判断三相不平衡度、功率因数及谐波畸变率是否合格；

所述控制单元用于根据时序逻辑单元的判断结果控制电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组的运行；并依据电网的电流及每个换相开关组负荷数据运算得出各换相开关组的开关动作逻辑。

同时，本实用新型还提供了一种基于上述低压配电网电能质量控制系统进行电能质量控制的方法，其特殊之处在于：

1)采集电网的电流及电压，计算低压配电网的三相不平衡度；

2)判断三相不平衡度是否超标，如果不超标执行步骤5)，如果超标，执行步骤3)；

3)依据系统电流，再依据每个换相开关组负荷数据，运算得出各换相开关组开关动作逻辑，各换相开关组投入运行；

4)再次采集电网的电流及电压，计算低压配电网的三相不平衡度及功率因数；判断三相不平衡度是否超标，如果超标执行步骤8)，如果合格执行步骤5)；

5)判断系统功率因数是否合格，如果不合格，无源无功补偿单元投入运行，如果合格，执行步骤7)；

6)再次采集电网的电流、电压，计算系统功率因数及谐波畸变率，判断功率因数是否合格，如果不合格，执行步骤8)，如果合格执行步骤7)；

7)判断谐波畸变率是否超标，如果合格，返回步骤2)；如果不合格，执行步骤8)；

8)电能质量有源补偿单元投入运行。

本实用新型与现有技术相比，优点是：

本实用新型提供的低压配电网电能质量综合优化控制系统及方法，该控制系统及方法能够综合利用电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及及换相开关组的优势，避其弱势，在保证治理效果的同时尽可能实现系统损耗最小的目标要求，解决了低压配电网多种电能质量问题。

附图说明

图1为本实用新型实施例低压配电网电能质量控制系统的结构框图；

图2为本实用新型实施例低压配电网电能质量控制系统的工作逻辑图；

图3为本实用新型实施例电能质量有源补偿单元的电路结构图；

图4为本实用新型实施例无源无功补偿单元的电路结构图；

图5为本实用新型实施例换相开关组的开关投切单元电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型做详细说明。

如图1所示，本实用新型的低压配电网电能质量综合优化控制系统及方法，包括电能质量有源补偿单元、系统控制器、无源无功补偿单元、换相开关组、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；电能质量有源补偿单元基于电力电子技术高功率密度小体积便携式模块，具备谐波治理、无功补偿以及三相不平衡调节功能，有源功能模块容量为30kVA；系统控制器为协调控制电能优化系统的核心单元，实现电能质量有源补偿单元、无功补偿无源单元、换相开关组的有序高效运行；无源无功补偿单元由共补电容器、分补电容器、相间补偿电容器以及电抗器构成无源网络，实现无功补偿以及一定程度的三相不平衡功能；换相开关组采用晶闸管和继电开关构成，智能换相开关具备避免相间短路发生的低压配网规律常态的三相不平衡调节。

本实用新型的系统控制器是整个系统的核心控制器，协调控制各功能单元的协调控制运作。系统控制器包含时序逻辑单元、运算单元及控制单元；采样单元通过三相互感器采集系统三相电流及电压实时数据，换相开关组通过通讯单上传负荷数据；运算单元将各数据量进行计算，得出不平衡度、功率因数、各次谐波等相关参量；时序逻辑单元用于将三相不平衡度、功率因数及谐波畸变率与预设值进行比较，判断三相不平衡度、功率因数及谐波畸变率是否合格；通讯单元主要是通过微功率方式实现系统控制器与各功能系统进行数据通讯以及控制策略参数的下发和指令下发；控制单元用于根据时序逻辑单元的判断结果控制电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组的运行；并依据电网的电流及每个换相开关组负荷数据运算得出各换相开关组的开关动作逻辑，在优化治理系统电能质量问题的前提下，实现系统的高效节能目标。

如图2所示，基于本实用新型的优化控制系统进行电能质量控制的方法，包括以下步骤；

1)采集电网的电流及电压，计算低压配电网的三相不平衡度；

2)判断三相不平衡度是否超标，如果不超标执行步骤5)，如果超标，执行步骤3)；

3)依据电网电流，再依据每个换相开关组负荷数据，运算得出各换相开关组开关动作逻辑，各换相开关组投入运行；

4)再次采集电网的电流及电压，计算低压配电网的三相不平衡度及功率因数；判断三相不平衡度是否超标，如果超标执行步骤8)，如果合格执行步骤5)；

5)判断系统功率因数是否合格，如果不合格，无源无功补偿单元投入运行，如果合格，执行步骤7)；

6)再次采集电网的电流、电压，计算系统功率因数及谐波畸变率，判断功率因数是否合格，如果不合格，执行步骤8)，如果合格执行步骤7)；

7)采集电网的电流、电压，计算谐波畸变率，判断谐波畸变率是否超标，如果合格，返回步骤2)；如果不合格，执行步骤8)；

8)电能质量有源补偿单元投入运行。

本实用新型中的电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组本身都有较为成熟的原理，各单元的控制也都比较成熟。其中换相开关组的补偿策略由系统控制器制定，电能质量有源补偿单元的补偿策略是通过采集电网电流信息，自己确定自身的补偿策略，无源无功补偿单元的补偿策略由系统控制器制定或由电能质量有源补偿单元控制。图3-5给出了现有的电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组的相关结构图。

如图3所示，电能质量有源补偿单元，包含二极管钳位三电平三相桥式功率变换单元，直流母线中点与电网系统N线连接，三电平三相桥式功率变换单元连接逆变电感器以及滤波电感器并网连接低压400V配电网，在并网端形成LCL型滤波网络，在滤波支路与电容器串联有阻尼电阻，不仅可以有效滤除开关纹波，而且避免与系统发生谐振风险。该电能质量有源补偿单元可以治理三相不平衡、无功、谐波等多种电能质量问题。电能质量有源补偿单元接受由系统控制器下发的运行控制使能信号，同时上传运行状态和故障信号。

电感器L1、L2、L3一端与电网连接，另外一端连接逆变电感器L4、L5、L6；电阻器R1、R2、R3分别与电容器C1、C2、C3串联连接，电感器L7、L8、L9与电容器C7、C8、C9分别连接，电阻与电容串联单元与电感器与电容器的串联单元并联连接；电容器的另外一端连接N线，电阻器的另外一端连接两个串联电感器的中点；电感器L4、L5、L6另外一端与三电平逆变器中点连接；电容器组C5x、C6x分别是多个电容器并联构成的电容器组，C5x与C6x串联，电容器组的另外一端分别于逆变器的正负直流母线连接；每个三电平逆变桥臂由IGBT单管Tv1、Tv2、Tv3、Tv4串联构成，二极管T1、T2串联两端分别跨接于Tv1与Tv2的中点以及Tv3与Tv4的中点，形成二极管钳位型三电平逆变电路。

如图4所示，无源无功补偿单元主要包括电抗器(依据需求可配置)、分补电容器、共补电容器、相间补偿电容器以及投切控制单元，通过分补电容器以及相间补偿电容器可以补偿无功，同时可以有效治理三相不平衡。无源无功补偿单元接受系统控制器的投切控制信号，同时上传投切状态和故障信号。

系统控制器依据系统三相不平衡度，以及各相无功功率、有功功率，优先投切相间电容器，根据投入相间电容器容量可以调度有功电流，确定相间电容投切策略；再根据各相无功功率确定投入的共补电容器以及相间电容器的策略，三相无功功率的公约数确定共补电容器的投入策略；最后再根据无功需求确定分补电容器的投入策略。

换相开关组内部包括采样单元、运算单元、开关投切单元、控制单元及通讯单元，采集单元通过三相电流互感器采集线路负荷电流数据，本地运算单元与系统控制器协调，实现最优的控制策略；开关投切单元由电子开关与继电开关并联，缩短开关动作时间，避免后级负荷出现停电事故；控制单元将本地采样数据以及系统控制器系统负荷数据协调控制，确定最优控制策略执行指令，换相开关与系统控制器之间通过微功率通讯。

如图5所示，开关投切单元包括串联入每相电路的换相开关单元(反并联的晶闸管电子开关以及继电机械开关并联构成)，每相电路的换相开关单元的一端并接在一起与后级低压负荷端的三相电路接线；A、B、C三相串联的换相开关单元同时只有一相处于导通状态，其余两相的换相开关均处于断开状态。系统控制器根据A、B、C各相电流，以及各分支线路的换相开关组的负荷各相电流值，确定每个换相开关组的投切方式，每个换相开关组只能将其中两相的负荷投到其它一相，优先投切最远端负荷开关。

换相开关单元导通逻辑是：首先晶闸管电子开关导通，其次并联的继电机械开关导通，最后晶闸管电子开关断开；换相开关关断逻辑：首先晶闸管电子开关导通，其次并联的继电机械开关关断，最后晶闸管电子开关断开；以上晶闸管的投切采用过零点投切。

Claims (4)

1.一种低压配电网电能质量控制系统，其特征在于：

包括电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元、换相开关组、系统控制器、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；

所述电能质量有源补偿单元及无源无功补偿单元均与负载并联设置,其中的电能质量有源补偿单元通过电流采样单元与电网连接，用于采集电网的电流；

所述换相开关组与负载串联设置；

所述系统控制器通过电流采样单元及电压采样单元与电网连接，用于采集电网的电流与电压；

所述系统控制器通过通讯单元分别与电能质量有源补偿单元、无源无功补偿单元及换相开关组连接，用于控制各单元的运行。

2.根据权利要求1所述的低压配电网电能质量控制系统，其特征在于：

所述电压采样单元为三相电压互感器或电压差分采样电路，所述电流采样单元为三相电流互感器。

3.根据权利要求1所述的低压配电网电能质量控制系统，其特征在于：所述通讯单元为微功率无线通讯单元。

4.根据权利要求1所述的低压配电网电能质量控制系统，其特征在于：所述通讯单元为电力载波通讯单元。