电能质量和无功补偿综合控制器.pdf

电能质量和无功补偿综合控制器属于电力系统动态电压补偿和无功补偿技术领域，其特征在于：它是一种串并联设计，它通过一个以DSP为核心组成的测量与控制电路，在正常工作下，串联可控硅和逆变器并联向负载供电，提高了可靠性且高效率，当电压陷落时，由逆变器输出相应的正弦波以补偿所需的电压量，从而保证了用户设备的正常运行；当用户无功需求过大或为负而影响了电压水平时，将并联的共补电容器进行分级投入或切除以补偿无功；当相间无功不平衡时，通过对并联分补电容器的分相投切控制，解决了相间无功不平衡的问题；它同时解决了电力系统中交流电压陷落(瞬间下降)问题和无功补偿问题，使电压水平得到进一步的改善。

1.  电能质量和无功补偿综合控制器，其特征在于：它是一种串并联的三相电能质量和无功补偿综合控制器，含有：
测量和控制电路，包含：
DSP即数据信号处理器；
相互串接的电源电压互感器即PT和滤波电路，所述电源电压互感器的输入端与电源电压相连，所述滤波电路的输出端与所述DSP的电源电压测量信号输入端相连；
相互串接的负载电压互感器即PT和滤波电路，所述负载电压互感器的输入端与负载电压相连，所述滤波电路的输出端与所述DSP的负载电压测量信号输入端相连；
相互串接的负载电流互感器即CT和滤波电路，所述负载电流互感器的输入端是负载电流信号，所述滤波电路的输出端与所述DSP的负载电流测量信号输入端相连；
相互串接的电压传感器和滤波电路，所述电压传感器的输入端是直流电压信号，所述滤波电路的输出端与所述DSP的直流电压测量信号输入端相连；
串联可控硅，每相由两个可控硅反并联构成，三相共有三组反并联可控硅，它们串接于三相电源与负载回路中，它们的控制端与所述DSP的串联可控硅控制信号输出端相连；
储能支路，由储能蓄电池串接而成，三相由三组独立的储能支路构成，每相储能支路两端与下述该相逆变器直流侧两端相并连；
逆变器，三相共有三组独立的逆变器，每相逆变器由四个绝缘门栅极晶闸管即IGBT组成H型全控桥式结构，所述的每相逆变器和该相储能蓄电池相并联；各个绝缘门栅极晶闸管即IGBT的控制端与上述DSP的控制IGBT信号输出端相连；
滤波电路，每相滤波电路由交流滤波电感和电容组成，该滤波电感和滤波电容之间的连接点与该相串联可控硅和负载相连的那个接点相连；滤波电感的另一端与上述逆变器的交流输出端相连，滤波电容的另一端与上述逆变器的交流输入端相连；
并联共补可控硅，与下述并联共补电容器一起组成电容器共补电路，可由3级或多至12级构成，每级各有两组反并联可控硅，两组反并联可控硅分别串接在和负载相连的A、C相与下述并联共补电容器之间，并联共补可控硅的控制端与上述DSP的控制并联共补可控硅的信号输出端相连；
并联共补电容器，为三角形即接法，其两端分别与上述并联共补可控硅的对应端相连；另一端直接与负载相连的B相相连；
并联分补可控硅，与下述并联分补电容器一起组成电容器分补电路，可由1级或多级构成，每级各有三组反并联可控硅，三组反并联可控硅串接在和负载相连的A、B、C三相与下述并联分补电容器之间，并联分补可控硅的控制端与上述DSP的控制并联分补可控硅的信号输出端相连；
并联分补电容器，为星形即Y接法，其三端分别与上述并联分补可控硅的对应端相连，公共端与中性点相连。

2.  根据权利要求1所述的电能质量和无功补偿综合控制器，其特征在于：在所述的串联可控硅和电源、负载之间各串接着一个隔离开关，在电源和负载之间串接着一个旁路开关。

电能质量和无功补偿综合控制器
技术领域
电能质量和无功补偿综合控制器属于电力系统动态电压补偿和无功补偿技术领域。
背景技术
经济越发达对电能质量水平的要求就越高，电能质量问题不仅会给工业界带来很大的经济损失，如停工和再启动导致生产成本增加，损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量等，而且也会危害电力系统的正常运行，美国电力研究院(EPRI)研究显示，电能质量问题每年导致美国工业在数据，材料和生产力上的损失达300亿美元，随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求也越来越高，电压陷落是其中的主要问题，电压陷落不仅会引起电力系统的稳定问题，也会影响用电设备的正常工作，电力系统故障，大型电机启动，支路电路短路等都会引起电压陷落，电压陷落的特征是电源电压骤然下降至10％到90％的正常电压值并持续0.5到50个周期，串联型的电压动态补偿器利用电压陷落时剩余的系统电压，有效地解决了电压陷落问题；
而随着我国经济的持续增长，用电负荷迅速增加，用户无功需求大幅度提高，从而带来无功网络损耗日益严重又影响了电压水平，这给本已缺电非常严重的我国电网系统带来更加严重的问题，因此如何降损节能显得更加迫切，采用并联电容器的方法可解决无功网损问题，对并联共补电容器进行分级投切，从而降低了无功损耗，提高了电压水平；当相间无功不平衡时，通过对并联分补电容器的分相投切控制，解决了相间无功不平衡的问题；
目前国内外有单独设计的电压动态补偿器和静止无功补偿器，本设计首次提出了研发和设计电能质量和无功补偿综合控制器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能质量和无功补偿综合控制器；
本发明提出的电能质量和无功补偿综合控制器是一种串并联设计，在正常工作下，逆变器正桥臂同时导通或负桥臂同时导通，这样串联可控硅和逆变器并联向负载供电，提高了可靠性且效率也高，即使可控硅发生开路时也能保证负载不受影响，当电压陷落时，由逆变器输出相应的正弦波以补偿所需的电压量，输出的正弦波和系统电压串联在一起，使用户端电压正常，从而使用户设备不受电压陷落影响，保证了用户设备的正常运行；当用户无功需求过大时，引起无功网络损耗增大而影响了电压水平，这时将并联的共补电容器进行分级投入以补偿无功，降低了无功损耗；而当用户无功需求为负而影响了电压水平时，这时将并联的共补电容器进行分级切除，通过补偿无功改善了电压水平，当相间无功不平衡时，通过对并联分补电容器的分相投切控制，解决了相间无功不平衡的问题；
串并联设计的电能质量和无功补偿综合控制器，既解决了电力系统中交流电压陷落(瞬间下降)问题，又进行补偿无功，降低了无功网损的问题，改善了电压水平；
其特点如下：
1.既能解决电压陷落问题提高了电能质量，又能通过无功补偿降低了无功网损，进一步改善电压水平；
2.串并联设计；
3.对电能质量和无功补偿进行综合控制；
4.串联可控硅和逆变器并联运行，高可靠性且高效率；
本发明的特征在于：
它是一种串并联的三相电能质量和无功补偿综合控制器，含有：
测量和控制电路，包含：
DSP即数据信号处理器；
相互串接的电源电压互感器即PT和滤波电路，所述电源电压互感器的输入端与电源电压相连，所述滤波电路的输出端与所述DSP的电源电压测量信号输入端相连；
相互串接的负载电压互感器即PT和滤波电路，所述负载电压互感器的输入端与负载电压相连，所述滤波电路的输出端与所述DSP的负载电压测量信号输入端相连；
相互串接的负载电流互感器即CT和滤波电路，所述负载电流互感器的输入端是负载电流信号，所述滤波电路的输出端与所述DSP的负载电流测量信号输入端相连；
相互串接的电压传感器和滤波电路，所述电压传感器的输入端是直流电压信号，所述滤波电路的输出端与所述DSP的直流电压测量信号输入端相连；
串联可控硅，每相由两个可控硅反并联构成，三相共有三组反并联可控硅，它们串接于三相电源与负载回路中，它们的控制端与所述DSP的串联可控硅控制信号输出端相连；
储能支路，由储能蓄电池串接而成，三相由三组独立的储能支路构成，每相储能支路两端与下述该相逆变器直流侧两端相并连；
逆变器，三相共有三组独立的逆变器，每相逆变器由四个绝缘门栅极晶闸管即IGBT组成H型全控桥式结构，所述的每相逆变器和该相储能蓄电池相并联；各个绝缘门栅极晶闸管即IGBT的控制端与上述DSP的控制IGBT信号输出端相连；
滤波电路，每相滤波电路由交流滤波电感和电容组成，该滤波电感和滤波电容之间的连接点与该相串联可控硅和负载相连的那个接点相连；滤波电感的另一端与上述逆变器的交流输出端相连，滤波电容的另一端与上述逆变器的交流输入端相连；
并联共补可控硅，与下述并联共补电容器一起组成电容器共补电路，可由3级或多至12级构成，每级各有两组反并联可控硅，两组反并联可控硅分别串接在和负载相连的A、C相与下述并联共补电容器之间，并联共补可控硅的控制端与上述DSP的控制并联共补可控硅的信号输出端相连；
并联共补电容器，为三角形即  接法，其两端分别与上述并联共补可控硅的对应端相连；另一端直接与负载相连的B相相连；
并联分补可控硅，与下述并联分补电容器一起组成电容器分补电路，可由1级或多级构成，每级各有三组反并联可控硅，三组反并联可控硅串接在和负载相连的A、B、C三相与下述并联分补电容器之间，并联分补可控硅的控制端与上述DSP的控制并联分补可控硅的信号输出端相连；
并联分补电容器，为星形即Y接法，其三端分别与上述并联分补可控硅地对应端相连，公共端与中性点相连。
在所述的串联可控硅和电源负载之间各串接着一个隔离开关，在电源和负载之间串接着一个旁路开关。
本发明直接串并联在电压低压即380伏一侧，在正常工作下，通过可控硅和逆变器并联向负载供电，可靠性高且效率也高；而在电压陷落时，可保护用电设备；当无功过大时，分级投入三相共补电容器以达到有效补偿无功的目的，进一步降低网损，当无功为负时，分级退出三相共补电容器以达到有效补偿无功的目的，进一步提高系统电压水平；当三相无功不平衡时，投切三相分补电容器以达到有效平衡无功的目的，从而改善系统电压。
附图说明
图1.电能质量和无功补偿综合控制器电路原理框图。
图2.测量和控制电路原理框图。
图3.带旁路开关的电能质量和无功补偿综合控制器电路原理框图。
具体实施方式
图1虚框内为电能质量和无功补偿综合控制器20的设计原理图，补偿期间每相所需的能量分别由储能蓄电池7、8、9提供，每相独立补偿，这样延长了蓄电池的寿命，在正常工作下，串联可控硅和逆变器并联向负载供电，这样具有了高可靠性，同时效率也高；
如图1虚框20内所示，电能质量和无功补偿综合控制器20由串联可控硅1、2、3，逆变器4、5、6，储能蓄电池7、8、9，交流滤波电感10、12、14，交流滤波电容11、13、15，并联共补可控硅16，并联共补电容器17，并联分补可控硅18，并联分补电容器19，及测量和控制电路24(见图2)构成，以下详细介绍各个组成部分：
1、2、3是三组反并联的串联可控硅，正常工作时，电源电压主要通过它们提供给负载，它们和逆变器并联运行，电压陷落时，串联可控硅断开；
4、5、6是三个独立逆变器，每个逆变器由四个IGBTs(绝缘门栅极晶体管)组成H型全控桥结构，正常工作时，逆变器正桥臂同时导通或负桥臂同时导通，这样和串联可控硅并联向负载供电，提高了可靠性，当电源电压瞬间变化超过设定值时，根据所需的电压量，逆变器输出相应的脉宽调制PWM信号；
7、8、9是独立的三组蓄能电池，用来储存能量以便补偿时所需；
10、12、14是交流滤波电感，11、13、15时交流滤波电容，每相交流滤波电路由交流滤波电感和电容即10和11，12和13，14和15分别组成，电压陷落补偿期间逆变器4、5或6输出的PWM信号经滤波电路后，得到正弦电压，该正弦电压串联到电网中来补偿所需的电压量，使负载电压不受电源电压陷落的影响；
16、17组成并联电容器共补电路，它们分别是两组反并联可控硅和三角形并联共补电容器，可由3级或多致12级构成以达到分级共补的目的，当无功过大时，分级投入三相共补电容器以达到有效补偿无功的目的，进一步降低网损，当无功为负时，分级退出三相共补电容器以达到有效补偿无功的目的，进一步提高系统电压水平；
18、19组成并联电容器分补电路，它们分别是三组反并联分补可控硅和星形并联分补电容器，当三相无功不平衡时，投切三相分补电容器以达到有效平衡无功的目的，从而改善系统电压；
再见图1～3：
上电时，旁路开关自动合上，这时手动闭合两隔离开关，整个装置开始工作；正常工作时，测量和控制电路24发出控制信号使逆变器正桥臂同时导通或负桥臂同时导通，这样串联可控硅和逆变器并联向负载供电；测量和控制电路24实时监测电源电压，当检测到电源电压超过设定值时，关断串联可控硅，测量和控制电路24发出控制信号使逆变器4、5或6输出相应的PWM信号，该PWM信号经交流滤波电路后，得到所需的正弦电压，该正弦电压与电源电压叠加在一起，使负载得到正常的电压，从而保证了用户设备的正常运行；测量和控制电路24实时采样负载电压和负载电流，通过计算求得负载无功功率，当负载(用户)无功需求过大时，由实时监测电源电压24发出控制信号将并联的共补电容器进行分级投入以补偿无功，从而降低了无功损耗；而当负载无功需求为负而影响了电压水平时，由实时监测电源电压24发出控制信号将并联的共补电容器进行分级切除，通过补偿无功改善了电压水平，当相间无功不平衡时，由实时监测电源电压24发出控制信号对并联分补电容器进行分相投切控制，解决了相间无功不平衡的问题；
在实际应用中，如图1所示的设计可以直接串连到负载的供电电源中，也可以和旁路开关21、隔离开关22、23一起串连到负载的供电电源中以方便维护、检修，如图3所示。