專利名稱：電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器屬于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償和無功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)對(duì)電能質(zhì)量水平的要求就越高，電能質(zhì)量問題不僅會(huì)給工業(yè)界帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，如停工和再啟動(dòng)導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，損壞反應(yīng)靈敏設(shè)備，報(bào)廢半成品，降低產(chǎn)品質(zhì)量等，而且也會(huì)危害電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，美國電力研究院(EPRI)研究顯示，電能質(zhì)量問題每年導(dǎo)致美國工業(yè)在數(shù)據(jù)，材料和生產(chǎn)力上的損失達(dá)300億美元，隨著我國高科技工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量水平的要求也越來越高，電壓陷落是其中的主要問題，電壓陷落不僅會(huì)引起電力系統(tǒng)的穩(wěn)定問題，也會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作，電力系統(tǒng)故障，大型電機(jī)啟動(dòng)，支路電路短路等都會(huì)引起電壓陷落，電壓陷落的特征是電源電壓驟然下降至10％到90％的正常電壓值并持續(xù)0.5到50個(gè)周期，串聯(lián)型的電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器利用電壓陷落時(shí)剩余的系統(tǒng)電壓，有效地解決了電壓陷落問題；而隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長，用電負(fù)荷迅速增加，用戶無功需求大幅度提高，從而帶來無功網(wǎng)絡(luò)損耗日益嚴(yán)重又影響了電壓水平，這給本已缺電非常嚴(yán)重的我國電網(wǎng)系統(tǒng)帶來更加嚴(yán)重的問題，因此如何降損節(jié)能顯得更加迫切，采用并聯(lián)電容器的方法可解決無功網(wǎng)損問題，對(duì)并聯(lián)共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)投切，從而降低了無功損耗，提高了電壓水平；當(dāng)相間無功不平衡時(shí)，通過對(duì)并聯(lián)分補(bǔ)電容器的分相投切控制，解決了相間無功不平衡的問題；目前國內(nèi)外有單獨(dú)設(shè)計(jì)的電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器和靜止無功補(bǔ)償器，本設(shè)計(jì)首次提出了研發(fā)和設(shè)計(jì)電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器；本發(fā)明提出的電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器是一種串并聯(lián)設(shè)計(jì)，在正常工作下，逆變器正橋臂同時(shí)導(dǎo)通或負(fù)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，這樣串聯(lián)可控硅和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電，提高了可靠性且效率也高，即使可控硅發(fā)生開路時(shí)也能保證負(fù)載不受影響，當(dāng)電壓陷落時(shí)，由逆變器輸出相應(yīng)的正弦波以補(bǔ)償所需的電壓量，輸出的正弦波和系統(tǒng)電壓串聯(lián)在一起，使用戶端電壓正常，從而使用戶設(shè)備不受電壓陷落影響，保證了用戶設(shè)備的正常運(yùn)行；當(dāng)用戶無功需求過大時(shí)，引起無功網(wǎng)絡(luò)損耗增大而影響了電壓水平，這時(shí)將并聯(lián)的共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)投入以補(bǔ)償無功，降低了無功損耗；而當(dāng)用戶無功需求為負(fù)而影響了電壓水平時(shí)，這時(shí)將并聯(lián)的共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)切除，通過補(bǔ)償無功改善了電壓水平，當(dāng)相間無功不平衡時(shí)，通過對(duì)并聯(lián)分補(bǔ)電容器的分相投切控制，解決了相間無功不平衡的問題；串并聯(lián)設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器，既解決了電力系統(tǒng)中交流電壓陷落(瞬間下降)問題，又進(jìn)行補(bǔ)償無功，降低了無功網(wǎng)損的問題，改善了電壓水平；其特點(diǎn)如下1.既能解決電壓陷落問題提高了電能質(zhì)量，又能通過無功補(bǔ)償降低了無功網(wǎng)損，進(jìn)一步改善電壓水平；2.串并聯(lián)設(shè)計(jì)；3.對(duì)電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償進(jìn)行綜合控制；4.串聯(lián)可控硅和逆變器并聯(lián)運(yùn)行，高可靠性且高效率；本發(fā)明的特征在于它是一種串并聯(lián)的三相電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器，含有測(cè)量和控制電路，包含DSP即數(shù)據(jù)信號(hào)處理器；相互串接的電源電壓互感器即PT和濾波電路，所述電源電壓互感器的輸入端與電源電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的電源電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電壓互感器即PT和濾波電路，所述負(fù)載電壓互感器的輸入端與負(fù)載電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的負(fù)載電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電流互感器即CT和濾波電路，所述負(fù)載電流互感器的輸入端是負(fù)載電流信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的負(fù)載電流測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的電壓傳感器和濾波電路，所述電壓傳感器的輸入端是直流電壓信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的直流電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；串聯(lián)可控硅，每相由兩個(gè)可控硅反并聯(lián)構(gòu)成，三相共有三組反并聯(lián)可控硅，它們串接于三相電源與負(fù)載回路中，它們的控制端與所述DSP的串聯(lián)可控硅控制信號(hào)輸出端相連；儲(chǔ)能支路，由儲(chǔ)能蓄電池串接而成，三相由三組獨(dú)立的儲(chǔ)能支路構(gòu)成，每相儲(chǔ)能支路兩端與下述該相逆變器直流側(cè)兩端相并連；逆變器，三相共有三組獨(dú)立的逆變器，每相逆變器由四個(gè)絕緣門柵極晶閘管即IGBT組成H型全控橋式結(jié)構(gòu)，所述的每相逆變器和該相儲(chǔ)能蓄電池相并聯(lián)；各個(gè)絕緣門柵極晶閘管即IGBT的控制端與上述DSP的控制IGBT信號(hào)輸出端相連；
濾波電路，每相濾波電路由交流濾波電感和電容組成，該濾波電感和濾波電容之間的連接點(diǎn)與該相串聯(lián)可控硅和負(fù)載相連的那個(gè)接點(diǎn)相連；濾波電感的另一端與上述逆變器的交流輸出端相連，濾波電容的另一端與上述逆變器的交流輸入端相連；并聯(lián)共補(bǔ)可控硅，與下述并聯(lián)共補(bǔ)電容器一起組成電容器共補(bǔ)電路，可由3級(jí)或多至12級(jí)構(gòu)成，每級(jí)各有兩組反并聯(lián)可控硅，兩組反并聯(lián)可控硅分別串接在和負(fù)載相連的A、C相與下述并聯(lián)共補(bǔ)電容器之間，并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的控制端與上述DSP的控制并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的信號(hào)輸出端相連；并聯(lián)共補(bǔ)電容器，為三角形即 接法，其兩端分別與上述并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的對(duì)應(yīng)端相連；另一端直接與負(fù)載相連的B相相連；并聯(lián)分補(bǔ)可控硅，與下述并聯(lián)分補(bǔ)電容器一起組成電容器分補(bǔ)電路，可由1級(jí)或多級(jí)構(gòu)成，每級(jí)各有三組反并聯(lián)可控硅，三組反并聯(lián)可控硅串接在和負(fù)載相連的A、B、C三相與下述并聯(lián)分補(bǔ)電容器之間，并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的控制端與上述DSP的控制并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的信號(hào)輸出端相連；并聯(lián)分補(bǔ)電容器，為星形即Y接法，其三端分別與上述并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的對(duì)應(yīng)端相連，公共端與中性點(diǎn)相連。
在所述的串聯(lián)可控硅和電源負(fù)載之間各串接著一個(gè)隔離開關(guān)，在電源和負(fù)載之間串接著一個(gè)旁路開關(guān)。
本發(fā)明直接串并聯(lián)在電壓低壓即380伏一側(cè)，在正常工作下，通過可控硅和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電，可靠性高且效率也高；而在電壓陷落時(shí)，可保護(hù)用電設(shè)備；當(dāng)無功過大時(shí)，分級(jí)投入三相共補(bǔ)電容器以達(dá)到有效補(bǔ)償無功的目的，進(jìn)一步降低網(wǎng)損，當(dāng)無功為負(fù)時(shí)，分級(jí)退出三相共補(bǔ)電容器以達(dá)到有效補(bǔ)償無功的目的，進(jìn)一步提高系統(tǒng)電壓水平；當(dāng)三相無功不平衡時(shí)，投切三相分補(bǔ)電容器以達(dá)到有效平衡無功的目的，從而改善系統(tǒng)電壓。


圖1.電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器電路原理框圖。
圖2.測(cè)量和控制電路原理框圖。
圖3.帶旁路開關(guān)的電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器電路原理框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1虛框內(nèi)為電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器20的設(shè)計(jì)原理圖，補(bǔ)償期間每相所需的能量分別由儲(chǔ)能蓄電池7、8、9提供，每相獨(dú)立補(bǔ)償，這樣延長了蓄電池的壽命，在正常工作下，串聯(lián)可控硅和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電，這樣具有了高可靠性，同時(shí)效率也高；
如圖1虛框20內(nèi)所示，電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器20由串聯(lián)可控硅1、2、3，逆變器4、5、6，儲(chǔ)能蓄電池7、8、9，交流濾波電感10、12、14，交流濾波電容11、13、15，并聯(lián)共補(bǔ)可控硅16，并聯(lián)共補(bǔ)電容器17，并聯(lián)分補(bǔ)可控硅18，并聯(lián)分補(bǔ)電容器19，及測(cè)量和控制電路24(見圖2)構(gòu)成，以下詳細(xì)介紹各個(gè)組成部分1、2、3是三組反并聯(lián)的串聯(lián)可控硅，正常工作時(shí)，電源電壓主要通過它們提供給負(fù)載，它們和逆變器并聯(lián)運(yùn)行，電壓陷落時(shí)，串聯(lián)可控硅斷開；4、5、6是三個(gè)獨(dú)立逆變器，每個(gè)逆變器由四個(gè)IGBTs(絕緣門柵極晶體管)組成H型全控橋結(jié)構(gòu)，正常工作時(shí)，逆變器正橋臂同時(shí)導(dǎo)通或負(fù)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，這樣和串聯(lián)可控硅并聯(lián)向負(fù)載供電，提高了可靠性，當(dāng)電源電壓瞬間變化超過設(shè)定值時(shí)，根據(jù)所需的電壓量，逆變器輸出相應(yīng)的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)；7、8、9是獨(dú)立的三組蓄能電池，用來儲(chǔ)存能量以便補(bǔ)償時(shí)所需；10、12、14是交流濾波電感，11、13、15時(shí)交流濾波電容，每相交流濾波電路由交流濾波電感和電容即10和11，12和13，14和15分別組成，電壓陷落補(bǔ)償期間逆變器4、5或6輸出的PWM信號(hào)經(jīng)濾波電路后，得到正弦電壓，該正弦電壓串聯(lián)到電網(wǎng)中來補(bǔ)償所需的電壓量，使負(fù)載電壓不受電源電壓陷落的影響；16、17組成并聯(lián)電容器共補(bǔ)電路，它們分別是兩組反并聯(lián)可控硅和三角形并聯(lián)共補(bǔ)電容器，可由3級(jí)或多致12級(jí)構(gòu)成以達(dá)到分級(jí)共補(bǔ)的目的，當(dāng)無功過大時(shí)，分級(jí)投入三相共補(bǔ)電容器以達(dá)到有效補(bǔ)償無功的目的，進(jìn)一步降低網(wǎng)損，當(dāng)無功為負(fù)時(shí)，分級(jí)退出三相共補(bǔ)電容器以達(dá)到有效補(bǔ)償無功的目的，進(jìn)一步提高系統(tǒng)電壓水平；18、19組成并聯(lián)電容器分補(bǔ)電路，它們分別是三組反并聯(lián)分補(bǔ)可控硅和星形并聯(lián)分補(bǔ)電容器，當(dāng)三相無功不平衡時(shí)，投切三相分補(bǔ)電容器以達(dá)到有效平衡無功的目的，從而改善系統(tǒng)電壓；再見圖1～3上電時(shí)，旁路開關(guān)自動(dòng)合上，這時(shí)手動(dòng)閉合兩隔離開關(guān)，整個(gè)裝置開始工作；正常工作時(shí)，測(cè)量和控制電路24發(fā)出控制信號(hào)使逆變器正橋臂同時(shí)導(dǎo)通或負(fù)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，這樣串聯(lián)可控硅和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電；測(cè)量和控制電路24實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓，當(dāng)檢測(cè)到電源電壓超過設(shè)定值時(shí)，關(guān)斷串聯(lián)可控硅，測(cè)量和控制電路24發(fā)出控制信號(hào)使逆變器4、5或6輸出相應(yīng)的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)交流濾波電路后，得到所需的正弦電壓，該正弦電壓與電源電壓疊加在一起，使負(fù)載得到正常的電壓，從而保證了用戶設(shè)備的正常運(yùn)行；測(cè)量和控制電路24實(shí)時(shí)采樣負(fù)載電壓和負(fù)載電流，通過計(jì)算求得負(fù)載無功功率，當(dāng)負(fù)載(用戶)無功需求過大時(shí)，由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓24發(fā)出控制信號(hào)將并聯(lián)的共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)投入以補(bǔ)償無功，從而降低了無功損耗；而當(dāng)負(fù)載無功需求為負(fù)而影響了電壓水平時(shí)，由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓24發(fā)出控制信號(hào)將并聯(lián)的共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)切除，通過補(bǔ)償無功改善了電壓水平，當(dāng)相間無功不平衡時(shí)，由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源電壓24發(fā)出控制信號(hào)對(duì)并聯(lián)分補(bǔ)電容器進(jìn)行分相投切控制，解決了相間無功不平衡的問題；在實(shí)際應(yīng)用中，如圖1所示的設(shè)計(jì)可以直接串連到負(fù)載的供電電源中，也可以和旁路開關(guān)21、隔離開關(guān)22、23一起串連到負(fù)載的供電電源中以方便維護(hù)、檢修，如圖3所示。
權(quán)利要求
1.電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器，其特征在于它是一種串并聯(lián)的三相電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器，含有測(cè)量和控制電路，包含DSP即數(shù)據(jù)信號(hào)處理器；相互串接的電源電壓互感器即PT和濾波電路，所述電源電壓互感器的輸入端與電源電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的電源電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電壓互感器即PT和濾波電路，所述負(fù)載電壓互感器的輸入端與負(fù)載電壓相連，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的負(fù)載電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的負(fù)載電流互感器即CT和濾波電路，所述負(fù)載電流互感器的輸入端是負(fù)載電流信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的負(fù)載電流測(cè)量信號(hào)輸入端相連；相互串接的電壓傳感器和濾波電路，所述電壓傳感器的輸入端是直流電壓信號(hào)，所述濾波電路的輸出端與所述DSP的直流電壓測(cè)量信號(hào)輸入端相連；串聯(lián)可控硅，每相由兩個(gè)可控硅反并聯(lián)構(gòu)成，三相共有三組反并聯(lián)可控硅，它們串接于三相電源與負(fù)載回路中，它們的控制端與所述DSP的串聯(lián)可控硅控制信號(hào)輸出端相連；儲(chǔ)能支路，由儲(chǔ)能蓄電池串接而成，三相由三組獨(dú)立的儲(chǔ)能支路構(gòu)成，每相儲(chǔ)能支路兩端與下述該相逆變器直流側(cè)兩端相并連；逆變器，三相共有三組獨(dú)立的逆變器，每相逆變器由四個(gè)絕緣門柵極晶閘管即IGBT組成H型全控橋式結(jié)構(gòu)，所述的每相逆變器和該相儲(chǔ)能蓄電池相并聯(lián)；各個(gè)絕緣門柵極晶閘管即IGBT的控制端與上述DSP的控制IGBT信號(hào)輸出端相連；濾波電路，每相濾波電路由交流濾波電感和電容組成，該濾波電感和濾波電容之間的連接點(diǎn)與該相串聯(lián)可控硅和負(fù)載相連的那個(gè)接點(diǎn)相連；濾波電感的另一端與上述逆變器的交流輸出端相連，濾波電容的另一端與上述逆變器的交流輸入端相連；并聯(lián)共補(bǔ)可控硅，與下述并聯(lián)共補(bǔ)電容器一起組成電容器共補(bǔ)電路，可由3級(jí)或多至12級(jí)構(gòu)成，每級(jí)各有兩組反并聯(lián)可控硅，兩組反并聯(lián)可控硅分別串接在和負(fù)載相連的A、C相與下述并聯(lián)共補(bǔ)電容器之間，并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的控制端與上述DSP的控制并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的信號(hào)輸出端相連；并聯(lián)共補(bǔ)電容器，為三角形即接法，其兩端分別與上述并聯(lián)共補(bǔ)可控硅的對(duì)應(yīng)端相連；另一端直接與負(fù)載相連的B相相連；并聯(lián)分補(bǔ)可控硅，與下述并聯(lián)分補(bǔ)電容器一起組成電容器分補(bǔ)電路，可由1級(jí)或多級(jí)構(gòu)成，每級(jí)各有三組反并聯(lián)可控硅，三組反并聯(lián)可控硅串接在和負(fù)載相連的A、B、C三相與下述并聯(lián)分補(bǔ)電容器之間，并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的控制端與上述DSP的控制并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的信號(hào)輸出端相連；并聯(lián)分補(bǔ)電容器，為星形即Y接法，其三端分別與上述并聯(lián)分補(bǔ)可控硅的對(duì)應(yīng)端相連，公共端與中性點(diǎn)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器，其特征在于在所述的串聯(lián)可控硅和電源、負(fù)載之間各串接著一個(gè)隔離開關(guān)，在電源和負(fù)載之間串接著一個(gè)旁路開關(guān)。
全文摘要
電能質(zhì)量和無功補(bǔ)償綜合控制器屬于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償和無功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于它是一種串并聯(lián)設(shè)計(jì)，它通過一個(gè)以DSP為核心組成的測(cè)量與控制電路，在正常工作下，串聯(lián)可控硅和逆變器并聯(lián)向負(fù)載供電，提高了可靠性且高效率，當(dāng)電壓陷落時(shí)，由逆變器輸出相應(yīng)的正弦波以補(bǔ)償所需的電壓量，從而保證了用戶設(shè)備的正常運(yùn)行；當(dāng)用戶無功需求過大或?yàn)樨?fù)而影響了電壓水平時(shí)，將并聯(lián)的共補(bǔ)電容器進(jìn)行分級(jí)投入或切除以補(bǔ)償無功；當(dāng)相間無功不平衡時(shí)，通過對(duì)并聯(lián)分補(bǔ)電容器的分相投切控制，解決了相間無功不平衡的問題；它同時(shí)解決了電力系統(tǒng)中交流電壓陷落(瞬間下降)問題和無功補(bǔ)償問題，使電壓水平得到進(jìn)一步的改善。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1599187SQ20041000953
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月10日
發(fā)明者孫元章, 李國杰, 黎雄 申請(qǐng)人:清華大學(xué)