專利名稱：無功諧波綜合補償裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力自動化設備領域，具體涉及一種電能質量控制裝置。
背景技術：
各種電力整流、換流設備等大量非線性和具有時變特性負荷的廣泛應用，造成電 力系統中的無功功率和諧波顯著增加，嚴重影響電網電壓質量，造成網絡損耗的加大，能源 浪費嚴重，電能的生產、傳輸和利用效率降低，還使電氣設備過熱，易與系統產生諧振，威脅 電氣設備的正常運行，給電力用戶帶來極大的危害。為了動態補償無功功率和諧波，傳統方法就是采用晶閘管投切控制的LC調諧濾 波器(TSF)。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。 但這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振， 導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也 不甚理想，同時容易造成無功功率過補或欠補。有源電力濾波器(APF)是進行無功和諧波補償的有效方法，它可產生與負載電流 中無功和諧波相反的電流，克服了 TSF的缺點，補償和濾波效果好，但由于所有的無功和諧 波容量全部由基于IGBT逆變器的APF承擔，其成本高、散熱難、噪聲大、可靠性差等問題非 常突出，限制了大面積的應用。因此，迫切需要尋求一個低成本、高精度、高可靠性的無功和諧波綜合補償解決方案。
發明內容
本發明為了解決現有電能質量控制器所存在的精度低、可靠性低和成本高的問 題，而提出了一種無功諧波綜合補償裝置。本發明包括檢測單元、控制單元和補償單元；
檢測單元，所述檢測單元的電信號輸出端與控制單元的模擬測量電信號輸入端連接， 用于檢測電網電壓和負載電流，并將所述電網電壓和負載電流分別轉換模擬測量電信號傳 遞給控制單元；
控制單元，用于對接受到的模擬測量電信號進行計算得到負載電流中的無功諧波電 流，并發送補償電流控制信號給補償單元；
補償單元，所述補償單元的控制信號輸入端與控制單元的控制信號輸出端連接，用于 根據控制單元發出的補償電流控制信號來發送與負載電流中無功諧波相反的電流，以抵消 負載電流中的無功諧波電流，使系統電流中只含有正弦有功電流分量。所述的補償單元包括晶閘管控制的電容型無源補償器和IGBT控制的有源補償 器，所述的晶間管控制的電容型無源補償器為了滿足大容量補償和補償精度的要求，根據 需要設置多組電容支路，通過電容支路的投切控制，進行容性無功的分組投切，實現無功功 率補償；所述的IGBT控制的有源補償器基于電壓源型逆變器，通過對各個IGBT的快速通斷
4控制，發出所需要的無功和諧波電流，其中所述的投切控制和通斷控制由控制單元來控制。本發明的無功諧波綜合補償裝置(TAPF)通過負載電流的檢測，由基于晶閘管和 IGBT的補償單元產生與負載電流大小相等、方向相反的電流，實現無功和諧波的動態綜合 補償。本發明的無功諧波綜合補償裝置(TAPF)優點是 (1)可對無功和諧波同時進行動態補償。(2)無源補償器進行無功功率補償，有源補償器進行諧波電流抑制，可發揮各自優 勢，取長補短。(3)有源補償器還可提供無源補償器不能補償到位的剩余無功，實現功率因數全 程接近為1。(4) 二者的結合解決了大容量、成本、補償精度和可靠性的矛盾，為配電網電能質 量控制提供了全新的思路。
圖1為無功諧波綜合補償裝置的結構示意圖；圖2為無功諧波綜合補償裝置的控 制單元2的結構示意圖；圖3至圖15為補償單元3中的晶閘管控制的電容型無源補償器 的結構示意圖，圖3是三相三線制、星接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器的結構示意 圖，圖4是三相三線制、星接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器的結構示意圖， 圖5是三相三線制、角接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器的結構示意圖，是6是三相 三線制、角接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器的結構示意圖，圖7是三相三線 制、電容器角接方式、兩晶閘管反并聯在角外結構無源補償器的結構示意圖，圖8是三相三 線制、電容器角接方式、晶閘管與二極管反并聯在角外結構無源補償器的結構示意圖，圖9 是三相三線制、電容器星接方式、兩相可控結構無源補償器的結構示意圖，圖10是三相三 線制、電容器角接方式、兩相可控結構無源補償器的結構示意圖，圖11和圖12是三相三線 制、晶閘管角接、電容器在角外結構無源補償器的結構示意圖，圖13是三相四線制、星接方 式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器的結構示意圖，圖14是三相四線制、星接方式、晶閘管 與二極管反并聯結構無源補償器的結構示意圖，圖15是具體實施方式
七的結構示意圖；圖 16至圖20為補償單元3中的IGBT控制的有源補償器的結構示意圖，圖16是三相三線制、 三相全橋結構有源補償器的結構示意圖，圖17是三相四線制、分裂電容結構有源補償器的 結構示意圖，圖18是三相四線制、四橋臂結構有源補償器的結構示意圖，圖19是三電平結 構有源補償器的結構示意圖，圖20是鏈式結構有源補償器的結構示意圖；圖21至圖22為 補償單元3的接線示意圖；圖23為無功諧波綜合補償裝置的工作原理示意圖；圖24至圖31 為進行補償的波形圖，圖24是僅采用無源補償器進行補償的A相系統電壓波形圖，圖25是 僅采用無源補償器進行補償的A相負載電流波形圖，圖26是僅采用無源補償器進行補償的 補償后A相系統電流波形圖，圖27是僅采用無源補償器進行補償的A相補償電流波形圖， 圖28是采用本發明進行補償的A相系統電壓波形圖，圖29是采用本發明進行補償的A相 負載電流波形圖，圖30是采用本發明進行補償的補償后A相系統電流波形圖，圖31是采用 本發明進行補償的A相補償電流波形圖。
具體實施例方式具體實施方式
一 結合圖1說明本實施方式，本實施方式包括檢測單元1、控 制單元2和補償單元3 ；
檢測單元1，所述檢測單元1的電信號輸出端與控制單元2的模擬測量電信號輸入端連 接，用于檢測電網電壓和負載電流，并將所述電網電壓和負載電流分別轉換模擬測量電信 號傳遞給控制單元2 ；
控制單元2，用于對接受到的模擬測量電信號進行計算得到負載電流中的無功諧波電 流，并發送補償電流控制信號給補償單元3 ；
補償單元3，所述補償單元3的控制信號輸入端與控制單元2的控制信號輸出端連接， 用于根據控制單元2發出的補償電流控制信號來發送與負載電流中無功諧波相反的電流， 以抵消負載電流中的無功諧波電流，使系統電流中只含有正弦有功電流分量。
具體實施方式
二 結合圖3至圖22說明本實施方式，本實施方式與具體實施 方式一不同點在于所述的補償單元3包括晶閘管控制的電容型無源補償器和IGBT控制的 有源補償器，所述的晶間管控制的電容型無源補償器為了滿足大容量補償和補償精度的要 求，根據需要設置多組電容支路，通過電容支路的投切控制，進行容性無功的分組投切，實 現無功功率補償；所述的IGBT控制的有源補償器基于電壓源型逆變器，其輸出經交流濾波 器接入電網，通過對各個IGBT的快速通斷控制，發出所需要的無功和諧波電流，其中所述 的投切控制和通斷控制由控制單元來控制。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三 結合圖3至圖14說明本實施方式，本實施方式與具體實施 方式二不同點在于晶閘管控制的電容型無源補償器為下述十一種結構無源補償器中的任 意一種
三相三線制、星接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，
三相三線制、星接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器，
三相三線制、角接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，
三相三線制、角接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器，
三相三線制、電容器角接方式、兩晶閘管反并聯在角外結構無源補償器，
三相三線制、電容器角接方式、晶閘管與二極管反并聯在角外結構無源補償器，
三相三線制、電容器星接方式、兩相可控結構無源補償器，
三相三線制、電容器角接方式、兩相可控結構無源補償器，
三相三線制、晶閘管角接、電容器在角外結構無源補償器，
三相四線制、星接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，
三相四線制、星接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器；
其它組成和連接方式與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
四 結合圖15說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
三不同點在于晶閘管控制的電容型無源補償器中的晶閘管開關由多個晶閘管單元串聯構 成晶閘管閥組，用于中高壓系統中。其它組成和連接方式與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五 結合圖16至圖18說明本實施方式，本實施方式與具體實 施方式二不同點在于IGBT控制的有源補償器為下述三種結構有源補償器中的任意一種
三相三線制、三相全橋結構有源補償器，三相四線制、分裂電容結構有源補償器， 三相四線制、四橋臂結構有源補償器； 其它組成和連接方式與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
六 結合圖19和圖20說明本實施方式，本實施方式與具體實 施方式五不同點在于三種結構有源補償器中的任意一種為三電平結構有源補償器或鏈式 結構有源補償器，用于中高壓系統中。其它組成和連接方式與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七 結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一、 二、三、四、五或六不同點在于還包括保護單元4，所述保護單元4的保護信號輸入輸出端與 控制單元2的保護信號輸入輸出端連接，用于過壓過流保護。其它組成和連接方式與具體 實施方式一、二、三、四、五或六相同。
具體實施方式
八 結合圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
七 不同點在于還包括人機交互單元5，所述人機交互單元5的輸入輸出端與控制單元2的輸入 輸出端連接，用于設置控制指令和顯示運行狀態。其它組成和連接方式與具體實施方式
七 相同。
具體實施方式
九 結合圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
八 不同點在于控制單元2包括模擬信號調理電路21、數字端口緩沖電路22、通訊接口電路23、 脈沖寬度調制電路24和數字信號處理電路25 ；數字信號處理電路25通過三條高速外設總 線分別與模擬信號調理電路21、數字端口緩沖電路22和脈沖寬度調制電路24連接，數字信 號處理電路25通過一條慢速外設總線與通訊接口電路23連接，模擬信號調理電路21的輸 入端為控制單元2的模擬測量電信號輸入端，數字端口緩沖電路22的輸入輸出端為控制單 元2的保護信號輸入輸出端，通訊接口電路23的輸入輸出端為控制單元2的輸入輸出端， 脈沖寬度調制電路24的輸出端為控制單元2的控制信號輸出端。為了保證數據的實時處 理和快速響應，控制單元2采用基于數字信號處理電路，配合前向模擬信號調理電路、數字 端口緩沖電路和通訊接口電路，數字信號處理電路可以構建一個完整的高性能數字控制系 統硬件平臺，這使得控制系統的硬件電路設計在簡潔性、可靠性以及性價比等方面得到了 良好的平衡。其它組成和連接方式與具體實施方式
八相同。本發明內容不僅限于上述各實施方式的內容，其中一個或幾個具體實施方式
的組 合同樣也可以實現發明的目的。圖21和圖22為無功諧波綜合補償裝置(TAPF)的接線示意圖，圖21和圖22分別 給出了三相三線和三相四線的接線圖，所述補償裝置可以是圖3至圖15所示無源補償器和 圖16至圖20所示有源補償器結構的任意組合。圖24至圖31為進行補償的波形圖，圖24至圖27為僅采用無源補償器進行補償 的波形圖，由圖可知，無源補償器吸收了大部分無功，同時也吸收了部分低次諧波；結合圖 23，得到圖28至圖31為采用本發明無功諧波綜合補償裝置(TAPF)進行補償的波形圖，由 圖可知，無功和諧波都進行了很好的補償。
權利要求
無功諧波綜合補償裝置，其特征在于它包括檢測單元(1)、控制單元(2)和補償單元(3)；檢測單元(1)，所述檢測單元(1)的電信號輸出端與控制單元(2)的模擬測量電信號輸入端連接，用于檢測電網電壓和負載電流，并將所述電網電壓和負載電流分別轉換模擬測量電信號傳遞給控制單元(2)；控制單元(2)，用于對接受到的模擬測量電信號進行計算得到負載電流中的無功諧波電流，并發送補償電流控制信號給補償單元(3)；補償單元(3)，所述補償單元(3)的控制信號輸入端與控制單元(2)的控制信號輸出端連接，用于根據控制單元(2)發出的補償電流控制信號來發送與負載電流中無功諧波相反的電流，以抵消負載電流中的無功諧波電流，使系統電流中只含有正弦有功電流分量。
2.根據權利要求1所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于所述的補償單元(3)包 括晶閘管控制的電容型無源補償器和IGBT控制的有源補償器。
3.根據權利要求2所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于晶閘管控制的電容型無 源補償器為下述十一種結構無源補償器中的任意一種三相三線制、星接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，三相三線制、星接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器，三相三線制、角接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，三相三線制、角接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器，三相三線制、電容器角接方式、兩晶閘管反并聯在角外的結構無源補償器，三相三線制、電容器角接方式、晶閘管與二極管反并聯在角外的結構無源補償器，三相三線制、電容器星接方式、兩相可控的結構無源補償器，三相三線制、電容器角接方式、兩相可控的結構無源補償器，三相三線制、晶閘管角接、電容器在角外的結構無源補償器，三相四線制、星接方式、兩晶閘管反并聯結構無源補償器，三相四線制、星接方式、晶閘管與二極管反并聯結構無源補償器。
4.根據權利要求3所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于晶閘管控制的電容型無 源補償器中的晶閘管開關由多個晶閘管單元串聯構成晶閘管閥組。
5.根據權利要求2所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于IGBT控制的有源補償器 為下述三種結構有源補償器中的任意一種三相三線制、三相全橋結構有源補償器， 三相四線制、分裂電容結構有源補償器， 三相四線制、四橋臂結構有源補償器。
6.根據權利要求5所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于所述三種結構有源補償 器中的任意一種為三電平結構有源補償器或鏈式結構有源補償器。
7.根據權利要求1、2、3、4、5或6所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于它還包括 保護單元(4)，所述保護單元(4)的保護信號輸入輸出端與控制單元(2)的保護信號輸入輸 出端連接，用于過壓過流保護。
8.根據權利要求7所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于它還包括人機交互單元 (5)，所述人機交互單元(5)的輸入輸出端與控制單元(2)的輸入輸出端連接，用于設置控制指令和顯示運行狀態。
9.根據權利要求8所述的無功諧波綜合補償裝置，其特征在于控制單元(2)包括模擬 信號調理電路(21)、數字端口緩沖電路(22)、通訊接口電路(23)、脈沖寬度調制電路(24) 和數字信號處理電路(25)；數字信號處理電路(25)通過三條高速外設總線分別與模擬信 號調理電路(21)、數字端口緩沖電路(22)和脈沖寬度調制電路(24)連接，數字信號處理電 路(25)通過一條慢速外設總線與通訊接口電路(23)連接，模擬信號調理電路(21)的輸入 端為控制單元(2)的模擬測量電信號輸入端，數字端口緩沖電路(22)的輸入輸出端為控制 單元(2)的保護信號輸入輸出端，通訊接口電路(23)的輸入輸出端為控制單元(2)的輸入 輸出端，脈沖寬度調制電路(24)的輸出端為控制單元(2)的控制信號輸出端。
全文摘要
無功諧波綜合補償裝置。它涉及電力自動化設備領域，它解決了現有電能質量控制器所存在的精度低、可靠性低和成本高的問題。檢測單元用于檢測電網電壓和負載電流，并將其轉換模擬測量電信號傳遞給控制單元；控制單元用于對模擬測量電信號進行計算得到負載電流中的無功諧波電流，并發送補償電流控制信號給補償單元；補償單元用于發送與負載電流中無功諧波相反的電流，以抵消負載電流中的無功諧波電流，使系統電流中只含有正弦有功電流分量。補償單元包括晶閘管控制的電容型無源補償器和IGBT控制的有源補償器。它通過負載電流的檢測，由補償單元產生與負載電流大小相等、方向相反的電流，實現無功和諧波的動態綜合補償。
文檔編號H02J3/01GK101908767SQ20101024120
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月31日 優先權日2010年7月31日
發明者紀延超, 譚光慧 申請人:哈爾濱威瀚電氣設備股份有限公司