一種綜合補償型交流穩壓電源的制作方法

本發明涉及可同時進行電壓和電流動態補償的交流穩壓技術，具體涉及一種綜合補償型交流穩壓電源。

背景技術：

目前城鄉電網的建設滯后于電力需求的增長，導致城鄉電網特別是部分長供電線路在用電高峰期線路損耗大，線路傳輸能力下降，末端電壓過低，電氣設備不能正常工作，嚴重影響城鄉居民的正常工作和生活，甚至造成“電壓崩潰”，威脅電力系統的穩定性。

對于城鄉電網用戶的低電壓治理問題，國內外普遍采用的技術與裝置有兩類：一類是電壓調節型，通過各種動態調壓裝置提高負載側電壓；一種是無功補償型，通過補償負載側無功電流，減少供電線路上的無功電流損耗，來提高負載電壓。但以上各種技術均存在不足：

電壓調節型有調節自耦變壓器觸點、控制輸出變壓器輸出抽頭、無觸點投切補償變壓器等方式。負載側所接負載一般為感性負載，且自然功率因數不高，供電線路上需傳輸大量無功電流，隨著變頻設備和開關電源等負載大量使用，供電線路上電流諧波也很嚴重。負載側電壓升高后，負載電流包括無功電流和諧波電流都會增大，如電網側電壓為110V調壓到負載側220V，線路上電流會上升一倍，供電線路上損耗相應增大，電網供電電壓會進一步下降。部分線路因線路傳輸能力的限制，當電流超過供電線路最大載流時，線路上保護裝置就會動作。因此電壓調節型設備僅調節負載側電壓難以到達設定穩定電壓，且線路損耗較大。

無功補償型有靜止投切電容器、靜止無功發生器等方式，通過補償無功電流，減小供電線路上無功電流造成的損耗，有一定的提高供電電壓作用。但電壓調節范圍窄。

城鄉電網長供電線路末端電壓低，主要是由線路上電流損耗造成，而負載一般為感性負載，自然功率因數不高，供電線路上傳輸了大量的無功電流，隨著變頻設備和開關電源等負載大量使用，供電線路上電流諧波也很嚴重，要提高對負載的供電電壓僅僅進行電壓或無功電流補償都不能取得很好的效果，為了解決城鄉電網低電壓治理的問題，迫切需要一種同時進行電壓、無功電流和諧波電流補償的調壓電源，既能到達調壓效果，又能提高功率因數減少線路損耗，降低諧波干擾，本發明提供了一種綜合補償型交流穩壓電源。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種用于低電壓治理，能提高供用電可靠性和電能利用效率，成本低，具有安全、環保、節能和增效特點的綜合補償型交流穩壓電源。

本發明采用如下技術方案：

一種綜合補償型交流穩壓電源，其特征在于，包括動態電壓補償回路以及動態電流補償回路；所述動態電壓補償回路一端連接電網，另一端連接負荷側；動態電流補償回路并聯在負載兩端；動態補償檢測與控制單元的兩組輸入分別接入電網側電壓電流互感器和負載側電壓電流互感器；動態補償檢測與控制單元的輸出同時連接動態電壓補償回路的輸入和動態電流補償回路的輸入。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述動態電壓補償回路由一組動態投切的電壓補償單元和一組可連續無極調壓補償單元串聯；所述電壓補償單元包括一個補償變壓器和兩組反并聯的晶閘管模塊，補償變壓器二次側串聯在火線中，其一次側并聯一個晶閘管模塊，一端接火線，另一端串聯一個晶閘管模塊接零線；所述可連續無極調壓補償單元包括一個補償變壓器、兩組IGBT模塊、一個濾波電感器和一個濾波電容器，補償變壓器二次側串聯在火線中，濾波電容器和濾波電感器組成阻容吸收電路并聯在補償變壓器一次側，補償變壓器一次側并聯一個IGBT模塊，一端連接火線，另一端串聯一個IGBT模塊連接零線。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述動態電壓補償回路包括多組串聯的分級動態投切的電壓補償單元組成，各組電壓補償單元補償電壓按二進制編碼124進行配置；其中，每組分級動態投切的電壓補償單元結構相同，均包括一個補償變壓器和兩組反并聯的晶閘管模塊，補償變壓器二次側串聯在火線中，其一次側并聯一個晶閘管模塊，一端接火線，另一端串聯一個晶閘管模塊接零線。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述動態電流補償回路包括依次并聯的一組動態投切的電容器組TSC、一組可連續無極調節補償無功電流的靜止無功發生器SVG和一組可連續無極調節補償諧波電流的有源濾波器APF；所述動態投切的電容器組TSC包括一個晶閘管模塊、一個電容器、一個電抗器和一個熔斷保護，電容器、電抗器晶閘管模塊和熔斷保護依次串聯后并聯在火線零線之間；所述可連續無極調節補償無功電流的靜止無功發生器SVG包括一組IGBT橋、一個接入電抗器、一組電容器和一個熔斷保護，IGBT橋交流側通過接入電抗器、熔斷保護并聯接入火線零線之間，其直流側接電容器；所述可連續無極調節補償諧波電流的有源濾波器APF包括一組IGBT橋、一個接入電抗器、一組電容器和一個熔斷保護，IGBT橋交流側通過接入電抗器、熔斷保護并聯接入火線零線之間，其直流側接電容器。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述動態電流補償回路包括依次并聯的多組動態投切的電容器組、多組無源濾波器；所述多組動態投切的電容器組結構相同，均包括一個晶閘管模塊、一個電容器、一個電抗器和一個熔斷保護，電容器、電抗器晶閘管模塊和熔斷保護依次串聯后并聯在火線零線之間；所述多組無源濾波器組結構相同，均包括一個晶閘管模塊、一個濾波電容器、一個濾波電抗器和一個熔斷保護，濾波電容器、濾波電抗器晶閘管模塊和熔斷保護依次串聯后并聯在火線零線之間。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述動態補償檢測與控制單元由DSP芯片、ARM芯片、AD模塊、光耦、驅動電路、顯示模塊、通信模塊構成；采用ARM芯片和DSP芯片雙CPU，DSP芯片負責實時數據計算，AD模塊采用16位同步8通道模數轉換集成電路AD7606，負責對輸入信號進行采樣；DSP芯片采用TMS320C2812芯片，負責對電網側和負載側電壓和電流采樣數據進行實時計算，獲得實時的電壓偏差、負載無功電流和負載諧波電流；ARM芯片部分采用STM32F103芯片，負責輸出至顯示模塊和通信模塊；所述通信模塊、顯示模塊、DSP芯片、光耦與ARM芯片連接；AD模塊與DSP芯片連接；驅動電路輸入連接光耦，輸出與電壓補償單元連接。

在上述的一種綜合補償型交流穩壓電源，所述ARM芯片根據DSP芯片計算的實時數據采用電壓電流雙閉環控制策略，通過輸出光耦輸出控制信號控制驅動電路驅動各個補償單元的電力電子開關器件開閉，分別控制電壓補償回路和電流補償回路各補償單元的投入和輸出狀態，使輸出的補償電壓ΔU＝U_IN-U_OUT,輸出補償電流實現電壓電流的綜合補償。

本發明通過電壓補償回路和電流補償回路分別對負載供電電壓和電流進行補償，與現有的交流穩壓電源相比，具有以下優點：1、無諧波干擾，調壓效果好、功率因數高：響應速度快，響應時間10ms以內，調節精度高，調壓范圍內無極連續可調；2、既可以有效穩定負荷側電壓，又可以提高電網側功率因數、減少諧波干擾、降損節能；提高線路傳輸效率和電氣設備的工作效率：減小了供電線路上傳輸無功電流和諧波電流，減少相應的線路損耗；3、采用電壓電流雙閉環控制，控制簡單；4、電壓和電流補償回路可以采用不同補償單元組成，按需設計，在滿足調壓效果的同時，使調壓成本遠低于現有的調壓技術及裝置

本發明為低電壓問題、無功缺額問題與諧波問題嚴重的負荷側提供交流穩壓電源，可提高電網側功率因數，減少供電線路上的損耗，降低諧波干擾；保證負荷側電壓指標達標，提高供電可靠性和電能利用效率。對于大功率穩壓電源，本發明可以配置多組動態投切的電壓補償單元和一組可連續無極調壓的電壓補償單元串聯，來降低成本。在三相交流系統中，僅需在三相火線與零線間各接入一臺本發明，即可實現綜合補償型三相交流穩壓電源。

附圖說明

圖1為本發明結構框圖。

圖2為一種可無極連續調壓電壓補償單元原理圖。

圖3為動態電壓補償回路原理圖之一。

圖4為動態電壓補償回路原理圖之二。

圖5為動態電流補償回路原理圖之一。

圖6為動態電流補償回路原理圖之二。

圖7為檢測與控制單元原理圖。

具體實施方式

下面參照附圖詳述本發明。

參照圖1，以容量為10kVA，穩壓范圍為220V±50％，負載為感性功率因數0.8，負載諧波電流總畸變率10％的交流穩壓電源為例。電源由動態電壓補償回路1、動態電流補償回路2、電網和負載端電壓電流及功率因數的電壓電流實時檢測與動態電壓與電流補償回路的輸出控制單元3組成。

動態電壓補償回路1串聯在電路中，一端連接電網，另一端連接負荷側。動態電流補償回路2并聯在負載兩端。檢測與控制單元3的兩組輸入分別接入電網側電壓電流互感器和負載側電壓電流互感器。檢測與控制單元3的輸出連接動態電壓補償回路1和動態電流補償回路2的輸入。

動態電壓補償回路由一組或多組電壓補償單元串聯組成。電壓補償單元可以由可連續無極調壓的電壓補償單元或分級投切的電壓補償單元或兩種組合而成。

電壓補償單元可以由可連續無極調壓的電壓補償單元或固定電壓補償單元或兩種組合而成。

參照圖2，可無極連續調壓電壓補償單元基于交流斬波調壓原理，由補償變壓器、電力電子開關、濾波電容器和濾波電抗器組成。采用PWM脈寬調制技術控制電力電子開關的通斷，調節PWM脈沖的占空比D可以動態調節補償變壓器一次側的輸入電壓U₁＝DU_OUT,補償變壓器二次側的輸出電壓U₂＝nDU_OUT，n為變壓器變比。根據基爾霍夫電壓定律，輸出電壓可以通過公式U_OUT＝U_IN+U₂＝U_IN/(1-nD)計算，通過改變PWM脈沖的占空比D即可實現0～2U_IN電壓范圍內連續無極調壓。濾波電容和電抗器組成濾波電路，濾除高次諧波。此調壓電路較逆變電路具有控制簡單，諧波容易濾除，成本低等優點。

參照圖3，動態電壓補償回路由一組動態投切的電壓補償單元T1和一組可連續無極調壓補償單元T2串聯。根據電源功率和穩壓范圍，兩組電壓補償單元各補償電壓為55V，功率為5kVA。兩組電壓補償單元的補償電壓設為穩壓電源調壓范圍的一半，即ΔU₁＝ΔU₂＝ΔU_max/2。當電壓偏差小于ΔU_max/2時，只投入可連續無極調壓補償單元T2進行電壓補償。當電壓偏差大于ΔU_max/2時，同時投入兩個電壓補償單元，由動態投切的電壓補償單元T1補償固定電壓值ΔU_max/2，電壓偏差減去ΔU_max/2的差值由可連續無極調壓補償單元進行補償。結合無極連續調壓補償單元其補償電壓無極連續可調且響應速度快的優點和分級投切的電壓補償單元控制簡單低成本的優勢，用較低的成本實現大范圍的快速無極調節負載電壓。

可連續調壓電壓補償單元基于交流斬波調壓原理，由補償變壓器、電力電子開關、濾波電容器和濾波電抗器組成。

電流補償單元可以由可連續無極調節補償無功電流的靜止無功發生器或分級補償無功電流的靜止投切電容器或無源濾波或有源濾波或以上四種組合而成。結合靜止無功發生器其補償無功電流無極連續可調且響應速度快的優點和靜止無功補償器控制簡單低成本的優勢，有源濾波補償諧波電流無極連續可調且響應速度快的優點和無源濾波控制簡單低成本的優勢，用較低的成本實現大范圍的快速無極調節系統無功電流和諧波電流。

參照圖4，當負載功率大，調壓要求不高，不需要無極調節電壓，且需降低成本時，動態電壓補償回路也可以由多組分級動態投切的電壓補償單元T1、T2、T3串聯組成。各組電壓補償單元補償電壓按二進制編碼124進行配置，即第一組電壓補償單元補償電壓為ΔU_max/7，第二組電壓補償單元補償電壓為第一組補償電壓的2倍，第三組電壓補償單元補償電壓為第一組補償電壓的4倍，通過動態控制各組補償單元的投切即可實現電壓分級補償。

動態電流補償回路由一組或多組電流補償單元并聯組成。電流補償單元可以由可連續無極調節補償無功電流的靜止無功發生器或分級補償無功電流的靜止投切電容器或無源濾波或有源濾波或以上四種組合而成。結合靜止無功發生器其補償無功電流無極連續可調且響應速度快的優點和靜止無功補償器控制簡單低成本的優勢，有源濾波補償諧波電流無極連續可調且響應速度快的優點和無源濾波控制簡單低成本的優勢，用較低的成本實現大范圍的快速無極調節系統無功電流和諧波電流。

參照圖5，動態電流補償回路一般配置為一組動態投切的電容器組TSC、一組可連續無極調節補償無功電流的靜止無功發生器SVG和一組可連續無極調節補償諧波電流的有源濾波器APF并聯。兩組無功電流補償單元補償的無功電流設為負載最大無功電流的一半，即ΔI₁＝ΔI₂＝ΔI_Qmax/2。當負載無功電流小于ΔI_Qmax/2，退出固定補償容量的TSC，由SVG補償負載無功電流；當負載無功電流大于ΔI_Qmax/2，投入固定補償容量的TSC，由SVG補償負載無功電流與ΔI_Qmax/2的差額。有源濾波器APF按負載諧波電流容量進行配置。結合靜止無功發生器其補償無功電流無極連續可調且響應速度快的優點和靜止無功補償器控制簡單低成本的優勢，用較低的成本實現大范圍的快速無極調節系統無功電流。

根據負載功率因數0.8，可以計算得在220V額定電壓下無功電流約為30A，動態投切的電容器組和靜止無功發生器容量設計為各3kVar。根據負載諧波電流總畸變率10％，設計有源濾波器補償電流為5A。

參照圖6，對于大功率穩壓電源，且負載功率因數低，動態電流補償回路可以配置多組動態投切的電容器、一組可連續無極調節的靜止無功發生器和一組有源濾波器并聯，來降低成本。對于不需要無極補償無功電流的負載，動態電流補償回路也可以配置多組分級動態投切的電容器和多組無源濾波器，以進一步降低成本。多組分級動態投切的電容器的補償容量按二進制編碼1248進行配置，即第一組電容器補償單元的補償無功電流為ΔI_Qmax/15，第二組電容補償單元補償無功電流為第一組補償無功電流的2倍，第三組電容補償單元補償無功電流為第一組補償無功電流的4倍，第四組電容補償單元補償無功電流為第一組補償無功電流的8倍，通過動態控制各組補償電容的投切即可實現負載無功電流分級補償。無源濾波器組根據負載的諧波電流進行配置，一般由3次諧波、5次諧波、7次諧波和高通濾波器組成。

對于容性負載，上述電流補償回路中的動態投切電容器組應改用動態投切電抗器。

電網和負載端電壓電流及功率因數的電壓電流實時檢測由電網側和負載側的電壓電流互感器和運放電路組成，通過運放電路將電網側和負載側的電壓電流信號進行整形和放大，作為檢測與控制單元的輸入。

參照圖7，檢測與控制單元由DSP、ARM、AD、光耦、驅動電路、人機界面、通信等構成。采用ARM和DSP雙CPU，DSP負責實時數據計算，AD部分采用16位同步8通道模數轉換集成電路AD7606，負責對輸入信號進行采樣。DSP采用TMS320C2812芯片，負責對電網側和負載側電壓和電流采樣數據進行實時計算，獲得實時的電壓偏差、負載無功電流和負載諧波電流。ARM部分采用STM32F103芯片，負責輸出控制、人機界面和通信等。ARM芯片根據DSP芯片計算的實時數據采用電壓電流雙閉環控制策略，通過輸出光耦輸出控制信號控制驅動電路驅動各個補償單元的電力電子開關器件開閉，分別控制電壓補償回路和電流補償回路各補償單元的投入和輸出狀態，使輸出的補償電壓ΔU＝U_IN-U_OUT,輸出補償電流實現電壓電流的綜合補償。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。