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1、(10)申请公布号 CN 102810864 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102810864 A *CN102810864A* (21)申请号 201210281870.1 (22)申请日 2012.08.09 H02J 3/01(2006.01) H02J 3/18(2006.01) H02H 9/04(2006.01) (71)申请人 湖北省电力公司孝感供电公司 地址 432000 湖北省孝感市长征路 221 号 申请人 武汉水院电气有限责任公司 (72)发明人 周先平 周明星 汤迎春 孙伟君 吴世华 王胜武 阮雄伟 任乔林 肖俊兰 杨立军 王艳 邱凌 周文俊 喻剑。
2、辉 戴兵 廖文 王亮 窦佳 (74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限 公司 42104 代理人 王和平 余丽霞 (54) 发明名称 低压配网电能质量综合治理装置 (57) 摘要 本发明涉及低压配电网中具有零序滤波、 无 功补偿、 低压防雷功能的低压配网电能质量综合 治理装置， 包括零序滤波电抗器， 通过连接变压器 接入配电网， 用于对配电网中产生的零序电流进 行滤波 ； 无功补偿模块， 通过连接变压器接入配 电网， 用于对配电网中的无功功率进行补偿 ； 以 及， 分别连接在变压器与大地之间、 所述零序滤波 电抗器与大地之间、 所述无功补偿模块与大地之 间的低压防雷模块， 用于将雷电流泄入。
3、大地， 保护 配电网中设备不受雷电冲击。本发明降低了配电 变压器和配电网线路的电能损耗， 提高了配电网 的电能质量， 具有针对配电网无功变化的跟踪响 应速度快、 增强设备的可靠性等优点。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 1/1 页 2 1. 一种低压配网电能质量综合治理装置， 其特征在于 ： 包括 零序滤波电抗器 （1） ， 通过连接变压器 （11） 接入配电网， 用于对配电网中产生的零序 电流进行滤波 ； 无功补偿模块 （2） ， 通过连接变。
4、压器 （11） 接入配电网， 用于对配电网中的无功功率进 行补偿 ； 以及， 分别连接在变压器 （11） 与大地之间、 所述零序滤波电抗器 （1） 与大地之间、 所述 无功补偿模块 （2） 与大地之间的低压防雷模块 （3） ， 用于将雷电流泄入大地， 保护配电网中 设备不受雷电冲击。 2. 根据权利要求 1 所述的低压配网电能质量综合治理装置， 其特征在于 ： 所述零序滤 波电抗器 （1） 包括三根平行设置的铁心柱， 所述三根铁心柱在空间中呈品字形布置， 三根铁 心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形， 每根铁心柱上设有两组匝数相同的绕 组， 三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性。
5、连接。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的低压配网电能质量综合治理装置， 其特征在于 ： 所述无 功补偿模块 （2） 包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器 （12） ， 以及控制器 （6） 、 二 极管 （7） 、 可控硅 （8） 和电容器组 （9） ， 所述电流互感器 （12） 的一次侧与配电网输电线路连 接， 所述电流互感器 （12） 的二次侧与控制器 （6） ， 所述控制器 （6） 与可控硅 （8） 的触发端连 接， 所述可控硅 （8） 与二极管 （7） 反向并联， 所述电容器组 （9） 与所述二极管 （7） 的阴极连 接。 4. 根据权利要求 3 所述的低压配网电能质量综合治。
6、理装置， 其特征在于 ： 所述控制器 （6） 包括测量单元 （6.1） 、 同步触发单元 （6.2） 和推动单元 （6.3） ， 所述测量单元 （6.1） 的 输入端与电流互感器 （12） 的二次侧连接， 所述测量单元 （6.1） 的输出端与同步触发单元 （6.2） 的输入端连接， 所述同步触发单元 （6.2） 的输出端与推动单元 （6.3） 的输入端连接， 所述推动单元 （6.3） 的输出端与可控硅 （8） 的触发端连接。 5. 根据权利要求 4 所述的低压配网电能质量综合治理装置， 其特征在于 ： 所述测量单 元 （6.1） 包括与所述电流互感器 （12） 的二次侧连接输出端连接的运算放大。
7、器 （6.1.1） 、 与 运算放大器 （6.1.1） 输出端连接的编码器 （6.1.2） ， 所述编码器 （6.1.2） 的输出端连接同 步触发单元 （6.2） ， 所述推动单元 （6.3） 包括与同步触发单元 （6.2） 输出端相连接的光耦 合器 （6.3.1） 、 与光耦合器 （6.3.1） 输出端相连接的脉冲变压器 （6.3.2） ， 所述脉冲变压器 （6.3.2） 的输出端与可控硅 （8） 的触发端连接。 6. 根据权利要求 1 或 2 所述的低压配网电能质量综合治理装置， 其特征在于 ： 所述低 压防雷模块 （3） 为三相电源电涌保护器 （10） 。 权 利 要 求 书 CN 10。
8、2810864 A 2 1/5 页 3 低压配网电能质量综合治理装置 技术领域 0001 本发明涉及电力系统电力电子技术领域， 具体涉及低压配电网中具有零序滤波、 无功补偿、 低压防雷功能的低压配网电能质量综合治理装置。 技术背景 0002 在低压配电网系统中， 三相四线制供电方式是最主要的供电方式。随着城市化的 快速发展， 出现了大量的大型商厦和写字楼， 在这些建筑中存在着大量的个人计算机等办 公自动化设备、 变频空调等家用电器、 照明电源及不间断电源等。 这些设备都会在电网中产 生大量的零序谐波电流， 即使它们的单台功率较小， 但因其总数庞大， 所带来的谐波污染是 极其严重的。 零序谐波电。
9、流， 特别是三次谐波电流在中线上会相互叠加， 使得中线电流中的 谐波状况异常严重。电力系统谐波一方面使得中性线中的电流大大超过了它的设计值， 造 成中线故障 ； 另一方面还会使得公用配电变压器噪声和有功损耗增加， 加速绝缘老化， 使故 障隐患增大。电力系统谐波同时还会影响电网的电压质量， 谐波电流流过系统阻抗时会产 生谐波电压降， 从而使电压波形发生畸变， 进而影响其它用户的电力设备， 并且谐波电流与 各次谐波电压还会形成谐波有功和谐波无功， 占用电力线路和电力设备的容量， 降低供电 系统的功率因素， 同时随着电力电子技术发展和电力电子产品推广应用， 配电网系统中不 断出现大量谐波， 对系统造。
10、成的危害逐年增加。 0003 在配电网线路中安装无功补偿电容器是补偿无功功率的重要手段， 其中用接触器 投切电力电容器， 去补偿用户无功功率， 得到了普及。但是由于接触器投切电力电容器时， 由于合闸涌流和关断过电压的存在， 现在已经不合适宜了 ； 并且在配电网线路中， 由于谐波 的存在， 当谐波作用于电力电容器时， 一方面， 将造成电力电容器的谐波过电流、 过电压和 过负荷， 引发电力电容器局部放电强度增大、 绝缘老化、 温度升高而过热， 缩短电力电容器 寿命和极板的机械谐波， 导致电力电容器损坏 ； 另一方面， 电力电容器在谐波的作用下， 将 造成谐波谐振和谐波放大， 给电网和电力电容器造成。
11、危害， 进而降低了电力电子设备的使 用寿命， 严重时将毁坏整个电力电子设备。因此， 在补偿电网无功功率的同时， 抑制电网谐 波也是无功补偿装置必需实现的一个重要功能。 0004 另外， 随着极端气候的频繁出现， 雷电活动频繁， 以及用户操作过电压等， 低压配 电网的二次防雷任务也相当重要。 伴随雷电所产生的雷电电磁脉冲以及开关动作或接地短 路等故障造成的过电压、 过电流对电子设备将产生严重的危害。 这也说明， 单靠传统的避雷 针、 避雷带等外部避雷设施已不足以防护雷电、 操作过电压对电子设备的冲击。 发明内容 0005 本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷， 提供一种集成零序滤波、 无功补偿、。
12、 低 压防雷三大功能为一体， 将注入低压配网系统侧的零序谐波电流最大限度减小， 并能够针 对配电网无功变化的跟踪快速响应， 实现实时动态无功补偿， 同时通过结合二次防雷技术 提高低压配电网中的各类装置可靠性， 优化配电网的电能质量的低压配网电能质量综合治 说 明 书 CN 102810864 A 3 2/5 页 4 理装置。 0006 为了实现上述目的， 本发明提供的低压配网电能质量综合治理装置， 包括零序滤 波电抗器， 通过连接变压器接入配电网， 用于对配电网中产生的零序电流进行滤波 ； 无功补 偿模块， 通过连接变压器接入配电网， 用于对配电网中的无功功率进行补偿 ； 以及， 分别连 接在。
13、变压器与大地之间、 所述零序滤波电抗器与大地之间、 所述无功补偿模块与大地之间 的低压防雷模块， 用于将雷电流泄入大地， 保护配电网中设备不受雷电冲击。 0007 进一步地， 所述零序滤波电抗器包括三根平行设置的铁心柱， 所述三根铁心柱在 空间中呈品字形布置， 三根铁心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形， 每根铁 心柱上设有两组匝数相同的绕组， 三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性连 接。 0008 进一步地， 所述无功补偿模块包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器， 以及控制器、 二极管、 可控硅和电容器组， 所述电流互感器的一次侧与配电网输电线路连 接， 所述电流互感器。
14、的二次侧与控制器， 所述控制器与可控硅的触发端连接， 所述可控硅与 二极管反向并联， 所述电容器组与所述二极管的阴极连接。 0009 再进一步地， 所述控制器包括测量单元、 同步触发单元和推动单元， 所述测量单元 的输入端与电流互感器的二次侧连接， 所述测量单元的输出端与同步触发单元的输入端连 接， 所述同步触发单元的输出端与推动单元的输入端连接， 所述推动单元的输出端与可控 硅的触发端连接。 0010 更进一步地， 所述测量单元包括与所述电流互感器的二次侧连接输出端连接的运 算放大器、 与运算放大器输出端连接的编码器， 所述编码器的输出端连接同步触发单元， 所 述推动单元包括与同步触发单元输。
15、出端相连接的光耦合器、 与光耦合器输出端相连接的脉 冲变压器， 所述脉冲变压器的输出端与可控硅的触发端连接。 0011 优选地， 所述低压防雷模块为三相电源电涌保护器。 0012 本发明所述的三根铁心柱的两组绕组顺次反极性连接， 是指 A、 B、 C 三根铁心柱 中， A 根铁心柱上的两组绕组 A1、 A2， B 根铁心柱上的两组绕组 B1、 B2， C 根铁心柱上的两组 绕组 C1、 C2， 其中 ： A1 的负极与 B2 的正极连接， B1 的负极与 C2 的正极连接， C1 的负极与 A2 的正极连接。 0013 本发明具有下列优点和积极效果 ： 0014 1、 本发明提供的零序滤波电抗。
16、器基于曲折移相零序滤波的设计思路， 不仅保留了 无源滤波器投资少、 效率高、 结构简单、 运行可靠及维护方便等优点， 而且使零序滤波特性 不受电网参数影响、 对其它谐波产生无放大作用、 避免了失谐问题， 具有成本低廉、 工作可 靠、 过载能力强的优点。 0015 2、 本发明提供的零序滤波电抗器实现了基波零序的低阻通道， 对单相负载造成的 严重不平衡具有明显的负载平衡作用， 同时降低了配变和配电网线路的电能损耗， 提高了 配电网的电能质量。 0016 3、 本发明提供的无功补偿模块具有高可靠性、 无触点的结构特点， 避免了因投切 过程涌流大、 操作过电压高， 接触器触头烧损严重弊病， 具有使用。
17、寿命长， 安全可靠性的优 点。 0017 4、 本发明提供的无功补偿模块， 通过采样配电网上的无功电流， 能实时跟踪无功 说 明 书 CN 102810864 A 4 3/5 页 5 电流以快速自动投切电容器， 相应速度快。 0018 5、 本发明提供的低压防雷模块， 通过二次防雷， 极大地提高了零序滤波装置和无 功补偿装置的可靠性， 实现无触点、 无涌流、 无电弧、 无操作过电压的特性， 具有降低电损、 改善供电质量的优点。 0019 本装置适用于低压 10KV 配电网， 能够有效改善配电网供电的电能质量， 提高配电 网供电效率。 附图说明 0020 图 1 是本发明低压配网电能质量综合治理。
18、装置的原理图 ； 0021 图 2 是本发明零序滤波电抗器 （1） 的原理图 ； 0022 图 3 是本发明零序滤波电抗器 （4） 的结构图 ； 0023 图 4 是本发明无功补偿模块 （2） 的接入低压配电网的原理图 ； 0024 图 5 是本发明无功补偿模块 （2） 的电路原理图 ； 0025 图 6 是本发明控制器 （6） 的原理框图 ； 0026 图 7 是本发明控制器 （6） 的测量单元 （6.1） 的电路原理图 ； 0027 图 8 是本发明控制器 （6） 的同步触发单元 （6.2） 的电路原理图 ； 0028 图 9 是本发明控制器 （6） 的推动模块单元 （6.3） 的电路原理。
19、图 ； 0029 图 10 是本发明控制器 （6） 投切电容器 （9） 的波形图 ； 0030 图 11 是本发明低压防雷模块 （3） 的原理图。 具体实施方式 0031 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明 ： 0032 如图 1 所示的低压配网电能质量综合治理装置， 包括零序滤波电抗器 1、 无功补偿 模块 2 和低压防雷模块 3， 其中， 零序滤波电抗器 1 通过连接变压器 11 接入配电网， 用于对 配电网中产生的零序电流进行滤波 ； 无功补偿模块 2， 通过连接变压器 11 接入配电网， 用于 对配电网中的无功功率进行补偿 ； 在变压器11与大地之间、 零序滤波电抗器1与大。
20、地之间、 无功补偿模块 2 与大地之间分别连接低压防雷模块 3， 用于将雷电流泄入大地， 保护配电网 中设备不受雷电冲击。 0033 零序滤波电抗器1包括三根平行设置的铁心柱， 如图2所示， 三根铁心柱在空间中 呈品字形布置， 三根铁心柱的中心点连线在同一平面上并且为等边三角形， 每根铁心柱上 设有两组匝数相同的绕组， 铁芯采用了导磁性能好、 涡流损耗小的材料， 绕组线圈采用扁铜 线绕制， 三根铁心中柱每根铁心柱上的两组绕组顺次反极性连接， 其结构如图 3 所示 （图 3 中箭头表示零序电流的方向） ， 三相绕组并联在配电网的三相交流电路中， 对配电网中负载 产生的基波不平衡、 三倍频高次谐波。
21、电流及配电网中的其它零序电流进行滤波。 0034 零序滤波电抗器 1 的工作原理如图 2 所示， 当零序滤波电抗器 1 接入电路， 由于零 序电流矢量总是大小相等、 方向相同， 当零序谐波电流通过零序滤波电抗器 1 时， 一个线圈 在一个心柱内产生的零序磁通将被绕在同一个心柱上的另外一个线圈产生的零序磁通抵 消， 这就使得装置呈现出的零序阻抗很小， 因此零序滤波电抗器 1 的零序阻抗基本等于绕 组的电阻非常小， 零序滤波电抗器 1 可引导负载的零序谐波电流就近形成回路以避免注入 说 明 书 CN 102810864 A 5 4/5 页 6 系统， 扩大影响范围。 0035 参阅图 5 所示， 。
22、无功补偿模块 2 包括用于采集配电网无功电流数据的电流互感器 12， 以及控制器 6、 二极管 7、 可控硅 8 和电容器组 9， 电流互感器 12 的一次侧与配电网输电 线路连接， 电流互感器 12 的二次侧与控制器 6， 控制器 6 与可控硅 8 的触发端连接， 可控硅 8 与二极管 7 反向并联， 电容器组 9 与二极管 7 的阴极连接。 0036 无功补偿模块 2 接入低压配电网的原理如图 4 所示， 无功补偿模块 2 通过电流互 感器12跟踪配电网系统的无功电流， 将其传输到控制器6， 控制器6实时动态的快速自动投 切电容器， 对系统无功功率进行补偿， 而且在投切电容器组 9 时能够。
23、做到响应快， 极短小过 渡过程， 可靠性高， 无涌流和过电压。无功补偿模块 2 采用全数字紧凑型装置， 主要针对低 压如 380V 交流配电网， 装在配电变压器低压侧， 根据无功电流的变化按权重可编码设定自 动投切电容器组 9， 对用户侧进行三相无功补偿， 直至变压器最大负荷时其高压侧功率因数 不低于 0.9。 0037 控制器 6 为全硬件设计， 抗干扰能力强， 极稳定， 包括测量单元 6.1、 同步触发单元 6.2 和推动单元 6.3（其原理分别参阅图 7、 图 8、 图 9） ， 测量单元 6.1 的输入端与电流互感 器 12 的二次侧连接， 测量单元 6.1 的输出端与同步触发单元 6。
24、.2 的输入端连接， 同步触发 单元 6.2 的输出端与推动单元 6.3 的输入端连接， 推动单元 6.3 的输出端与可控硅 8 的触 发端连接。 0038 测量单元 6.1 包括与电流互感器 12 的二次侧连接输出端连接的运算放大器 6.1.1、 与运算放大器6.1.1输出端连接的编码器6.1.2， 编码器6.1.2的输出端连接同步触 发单元 6.2， 测量单元 6.1 通过电流互感器 12 采集配电网系统无功电流数据， 并进行编码， 将编码的数据发送给同步触发单元 6.2， 推动单元 6.3 包括与同步触发单元 6.2 输出端相 连接的光耦合器 6.3.1、 与光耦合器 6.3.1 输出端。
25、相连接的脉冲变压器 6.3.2， 脉冲变压器 6.3.2 的输出端与可控硅 8 的触发端连接， 同步触发单元 6.2 将编码的数据进行处理， 产生 A、 B、 C 三相在相应可控硅两端电压为零时刻的同步信号， 并将此同步信号发送给推动单元 6.3。推动单元 6.3 将接收的同步信号经过光耦合器 6.3.1 处理后， 将信号发送给脉冲变压 器 6.3.2， 通过脉冲变压器 6.3.2 发出触发脉冲至可控硅 8 的触发端。 0039 无功补偿模块 2 的工作过程中 ， 流过电力电容器的电流 Ic 及加在电力电容器两 端的电压 Vc 如图 10 所示， 电流超前电压 90。显然， 在电容器一端加上一。
26、电力电子开关， 只要它足够快， 只有在电流为零的时刻投切电容， 才可能作到无涌流， 也即在图 10 中电压 周期中的 90及 270的时刻。此时， 如图 10 所示， 如果电容器是放完电的状态， 也即此开 关的一端接电容， 是零电压 ； 另一端接电源， 此时是交流电的峰值电压。由于开关两端电压 不为零， 如果接通则有极大涌流。 本控制器采用组合固体开关投切电力电容器， 通过将电力 电容器进行预充电或者预放电， 可以消除合闸涌流及关断过电压。组合固体开关由一个二 极管 7、 一个可控硅 8 和一个控制器 6 组成， 二极管 7 与可控硅 8 反向并联， 在控制器 6 未加 触发脉冲时， 可控硅 。
27、8 关断， 二极管 7 是处于充电状态， 电容器组 9 通过二极管 7 被预充电 至系统电压， 造成可控硅8导通前两端电压差为0。 当控制器6跟踪无功电流决定进行补偿 时， 触发脉冲的起点位于可控硅 8 两端电压差为 0 的时刻， 脉冲周期与电网电压一致， 并联 电容投入电网， 输出无功。补偿完毕， 停止触发， 则在电流为 0 时， 可控硅 8 自然关断， 电容 器组 9 重新充电， 准备下次补偿。无功补偿模块 2 直接采样无功电流， 而非功率因数， 故能 说 明 书 CN 102810864 A 6 5/5 页 7 实时跟踪无功电流以快速自动投切电容器 ； 在双零状态时投切电容器， 在投切电。
28、容器时做 到响应快极短过渡过程， 可靠性高， 无涌流和过电压， 消除了过载的可能。 0040 由无功补偿原理可知， 在得到开信号， 接通的延时不会超过一个周波 ； 关断时也不 会超过一个周波。也就是说控制可控硅 8 关断的开关速度小于 20ms， 进一步给无功补偿模 块 2 的测量和控制带来了极大的变化。 0041 如图 11 所示， 低压防雷模块 3 采用三相电源电涌保护器 10 可保证在遭受系统过 电压和雷击时能有效保护用户电源和低压配电网电能质量治理装置 ； 同时， 在配电网系统 电源有较大谐波分量时， 防雷系统不会发生误动作。 0042 本发明通过零序滤波器 1 实现了基波零序的低阻通。
29、道， 对单相负载造成的严重不 平衡具有明显的负载平衡作用， 同时降低了配电变压器和配电网线路的电能损耗， 提高了 配电网的电能质量 ； 无功补偿模块 2 采用高可靠性的无触点低压配电网动态无功补偿技 术， 克服了以往采用交流接触器投切电容器组， 投切过程涌流大， 操作过电压高， 接触器触 头烧损严重等弊病， 同时针对配电网无功变化的跟踪响应速度快 ； 低压防雷模块 3 作为配 电网中的二次防雷， 保护用户电源安全， 减少用电纠纷， 同时兼顾提高零序滤波器 1 和无功 补偿模块 2 的过电压防护水平， 增强设备的可靠性， 从而达到了有效降低电损、 改善供电质 量的目的。 说 明 书 CN 102810864 A 7 1/6 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 8 2/6 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 9 3/6 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 10 4/6 页 11 图 7 图 8 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 11 5/6 页 12 图 9 图 10 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 12 6/6 页 13 图 11 说 明 书 附 图 CN 102810864 A 13 。