專利名稱：復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理的方法及裝置。
無功功率補償是一個老問題，但是，在諧波含量較高的配電網(wǎng)中，對無功功率補償提出了更高的要求。目前電力系統(tǒng)中無功補償大都是采用機械開關(guān)控制的電容器投切，諧波補償大多采用無源濾波裝置，負序治理的工作尚未大范圍開展。另外，目前無功補償、負序電流補償、諧波抑制是分別地、單獨地進行的。由于不是按統(tǒng)一的物理模型綜合地進行治理，常出現(xiàn)顧此失彼的情況，而且響應(yīng)速度慢，經(jīng)濟性差，安裝維護工作量大，妨礙了電網(wǎng)污染治理工作的順利進行。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理方法，包括下列步驟(1)將接入配電網(wǎng)母線上的電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流信號分別經(jīng)電壓變送器、電流變送器轉(zhuǎn)換成弱電壓uax、ubx、ucx，弱電流信號iax、ibx、icx，其中，同相的電流和電壓信號需要同步采集；(2)電壓信號uax、ubx、ucx和電流信號iax、ibx、icx傳送到數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡測量并由工業(yè)PC機計算出三相總有功功率P，各相相電壓的有效值UX；(3)將理想負荷電流(三相對稱正弦電流)與實際負荷電流相比較，其差值即是我們所需的補償量。理想負荷電流為iap=P3UX2ua]]>ibp=P3UX2ub]]>icp=P3UX2uc]]>由上式可以看出，理想負荷電流與電壓波形相同，相位一致。所需的補償電流為iac＝ia-iap、ibc＝ib-ibp、icc＝ic-icp；(4)由工業(yè)PC機從補償電流iac、ibc和icc中分離出基波分量iaT、ibT和icT，作為晶閘管分相投切電容器(TSC)的補償控制量；將剩余諧波負序分量iah＝ia-iaT、ibh＝ib-ibT、ich＝ic-icT作為有源濾波器的補償分量；(5)工業(yè)PC機根據(jù)TSC的補償控制量計算得出各相需要投入的電容器的容量，并控制晶閘管觸發(fā)電路，向晶閘管開關(guān)組中相應(yīng)的晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖，使這些晶閘管導通，投入容量適合的電容器組，使電容電流分別為iaT、ibT和icT；(6)工業(yè)PC機根據(jù)有源濾波器的補償分量計算得出PWM調(diào)制信號，有源濾波器中的PWM控制器根據(jù)該信號向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM調(diào)制波形，使任意波形發(fā)生器發(fā)出的電流分別為iah、ibh和ich；(7)根據(jù)上述步驟，可以使電源側(cè)提供的負荷電流為理想負荷電流iap、ibp和icp，將非線性負荷補償為理想負荷；(8)重復步驟(1)～(6)，可以跟蹤負荷的變化，實現(xiàn)實時動態(tài)補償，完全消除負荷電流中的諧波、無功和負序分量。
本發(fā)明還提供了一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置，由電壓變送器、電流變送器以及實時補償電路所構(gòu)成，所述實時補償電路由數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)PC機、晶閘管觸發(fā)電路、晶閘管開關(guān)組、電容器組、PWM控制器和任意波形發(fā)生器所構(gòu)成；其中，電壓變送器和電流變送器的輸出端分別與工業(yè)PC機上的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，工業(yè)PC機的輸出端分別與晶閘管觸發(fā)電路和PWM控制器的輸入端相連接，晶閘管觸發(fā)電路與晶閘管開關(guān)組相連，電容器組經(jīng)晶閘管開關(guān)組和交流接觸器及刀開關(guān)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)母線，PWM控制器與任意波形發(fā)生器相連，作為有源濾波器，有源濾波器經(jīng)交流接觸器及刀開關(guān)接入配電網(wǎng)系統(tǒng)母線。
所述的晶閘管觸發(fā)電路在系統(tǒng)電壓正峰值發(fā)出觸發(fā)脈沖，晶閘管開關(guān)組由晶閘管和二極管反并聯(lián)組成，電容器已經(jīng)預(yù)充電，因此無需過零檢測電路，電容器投入或切除時沒有過渡過程。所述任意波形發(fā)生器由IGBT與直流電容器組成，由PWM調(diào)制波形給出任意電流波形。
本發(fā)明所應(yīng)用的諧波、負序、無功的綜合治理技術(shù)，是從我們提出的新的綜合治理理論出發(fā)(即無功、諧波、負序在物理本質(zhì)上是一致的，都可歸結(jié)為電流波形與相位的畸變)，，集所有電網(wǎng)污染源(諧波、負序、無功)的治理于一身，用同一裝置、同一原理對所有污染同時進行治理。可提高電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)運行安全、提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益、降低污染治理的成本、提高電網(wǎng)污染治理的有效性。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果(1)提出了單一的補償目標，克服了傳統(tǒng)補償裝置各自為政，互相沖突的缺點；(2)用有源與無源相結(jié)合的混合補償方案，補償效果好，經(jīng)濟可靠；(3)系統(tǒng)補償過程中不增加任何新的畸變分量；(4)在時域中計算電流補償分量，物理概念清晰，運算速度快，實現(xiàn)了補償目標的一致性；(5)采用工業(yè)PC機進行控制，自動化程度高，控制軟件界面友好，操作簡便，易于維護。
圖3為晶閘管光電觸發(fā)系統(tǒng)工作原理框圖。
圖4為晶閘管光電觸發(fā)系統(tǒng)電路圖。
圖5為PWM控制器結(jié)構(gòu)圖。
圖6為任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖。
如

圖1所示，母線1電壓與電流經(jīng)電壓互感器2、電流互感器3轉(zhuǎn)換為標準的100V電壓和標準的1A(5A)電流，送入復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置4。復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置4對采樣數(shù)據(jù)進行處理，計算出所需補償電流，并產(chǎn)生相應(yīng)的補償電流，對非線性負荷5進行補償。
如圖2所示，本發(fā)明的復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置工作原理如下將接入母線1上的電壓互感器2和電流互感器3輸出的電壓、電流信號分別經(jīng)電壓變送器4.1、電流變送器4.2轉(zhuǎn)換成弱電壓uax、ubx、ucx，弱電流信號iax、ibx、icx。電壓ux、電流ix信號傳送到數(shù)據(jù)采集卡4.3，由數(shù)據(jù)采集卡4.3測量并由工業(yè)PC機4.4計算出三相總有功功率P，各相相電壓的有效值UX；計算得出理想負荷電流為iap=P3UX2ua,]]>ibp=P3UX2ub,]]>icp=P3UX2uc,]]>由所需的補償電流為iac＝ia-iap、ibc＝ib-ibp、icc＝ic-icp。由工業(yè)PC機4.4從補償電流iac、ibc和icc中分離出基波分量iaT、ibT和icT，作為晶閘管分相投切電容器(TSC)的補償控制量；將剩余諧波負序分量iah＝ia-iaT、ibh＝ib-ibT、ich＝ic-icT作為有源濾波器的補償分量；工業(yè)PC機4.4根據(jù)TSC的補償控制量計算得出各相需要投入的電容器的容量，并控制晶閘管觸發(fā)電路4.7，向晶閘管開關(guān)組4.8中相應(yīng)的晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖，使這些晶閘管導通，投入容量適合的電容器組4.9，使電容電流分別為iaT、ibT和icT；工業(yè)PC機4.4根據(jù)有源濾波器的補償分量計算得出任意波形發(fā)生器的PWM調(diào)制信號，有源濾波器中的PWM控制器4.5根據(jù)該信號向任意波形發(fā)生器4.6發(fā)出PWM調(diào)制波形，使任意波形發(fā)生器4.6發(fā)出的電流分別為iah、ibh和ich；根據(jù)上述步驟，可以使電源側(cè)提供的負荷電流為理想負荷電流iap、ibp和icp，將非線性負荷補償為理想負荷；重復上述步驟，可以跟蹤負荷的變化，實現(xiàn)實時動態(tài)補償，完全消除負荷電流中的諧波、無功和負序分量。
如圖3所示，晶閘管觸發(fā)電路由觸發(fā)脈沖發(fā)生器6，電壓—電流轉(zhuǎn)換單元7，電—光轉(zhuǎn)換器8，光纖9，光—電轉(zhuǎn)換器10，脈沖功放電路11，多路脈沖分配器12和脈沖功放電源13組成，可將低電位側(cè)的觸發(fā)脈沖經(jīng)光纖傳送至10kV～35kV的高電位側(cè)。
具體實施例方式一臺380V，容量為350kVar復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置。
電壓變送器4.1為小電壓互感器，電流變送器4.2為霍爾式電流傳感器，晶閘管觸發(fā)電路4.7的具體電路如圖4所示，晶閘管觸發(fā)脈沖由圖3中的觸發(fā)脈沖發(fā)生器6送出，光電隔離采用的是惠普公司的HFBR-0400系列，發(fā)送器采用HFBR-1414，接受器采用HFBR-2412?？稍诎l(fā)送器和接受器之間傳送模擬信號和數(shù)字信號，傳送數(shù)據(jù)速率為5MBd，傳送距離為2000m.HFBR-1414正向工作電壓VF＜1.5V，最大正向工作電流IF為60mA，最大衰減為4dB/km最大時延為50ns。三極管Q1起開關(guān)管的作用，KCZ2產(chǎn)生脈沖使Q1導通，HFBR-1414上就有電流流過，電流大小為IF＝(VCC-VF)/R1＝(5V-1.5V)0.1KΩ＝35mA。HFBR-2412輸出端6腳為TTL電平輸出，但輸出和輸入是反向的，所以用三極管Q7作反向器。Q4為大功率三極管，二極管D1和脈沖變壓器的原邊反并聯(lián)，D1起續(xù)流的作用，迅速釋放變壓器線圈上的能量，使脈沖變壓器上流過的使大功率的高速脈沖。同時注意高壓側(cè)電源必須和低壓側(cè)電源隔離，才能真正起到高低壓隔離作用，高壓側(cè)電源從高壓端由電流互感器取能得到。最后將觸發(fā)脈沖送到晶閘管的觸發(fā)極，以觸發(fā)晶閘管。晶閘管開關(guān)組4.8由12對反并聯(lián)的晶閘管和二極管及相應(yīng)的保護電路構(gòu)成(每相四對)，電容器每相四組，容量按1∶2∶4∶8成二進制分配，三相共300kVar。PWM控制器4.5由DSP芯片為核心的集成電路構(gòu)成，如圖5所示，DSP芯片采用德州儀器公司出品的TMS320F240芯片作為中央控制單元；靜態(tài)RAM用于存儲一些臨時數(shù)據(jù)；ISA總線為工業(yè)PC機上的系統(tǒng)總線；數(shù)據(jù)緩沖和鎖存單元作為ISA總線與TMS320F240交換數(shù)據(jù)的媒介。PWM輸出隔離單元將PWM波送至任意波形發(fā)生器作為控制信號；保護輸入輸出單元從傳感器得到保護信號，并輸出相應(yīng)的開關(guān)量，實現(xiàn)繼電保護的功能；I/O輸入輸出隔離裝置既可以接受各開關(guān)的位置量，也可以輸出開關(guān)量以控制各開關(guān)的開斷。。任意波形發(fā)生器4.6由IGBT組成的開關(guān)組和直流電容組成，容量為50kVar，通過交流接觸器和刀閘開關(guān)聯(lián)接到三相交流輸電系統(tǒng)的A、B、C、N母線上。如圖6所示。工業(yè)PC機4.4采用以工業(yè)級PIII處理器為核心的ADVANTECH系列工控機，抗干擾能力強，計算速度快。交流接觸器4.10和刀閘開關(guān)4.11用于本裝置出現(xiàn)故障或例行檢修時，將裝置從系統(tǒng)中安全有效退出。
權(quán)利要求
1..一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理方法，包括下列步驟(1)將接入母線上的電壓互感器和電流互感器輸出的電壓、電流信號分別經(jīng)電壓變送器、電流變送器轉(zhuǎn)換成弱電壓uax、ubx、ucx，弱電流信號iax、ibx、icx，其中，三相所有的電流和電壓信號需要同步采集；(2)電壓信號uax、ubx、ucx和電流信號iax、ibx、icx傳送到數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡測量并由工業(yè)PC機計算出三相總有功功率P，各相相電壓的有效值UX；(3)將理想負荷電流與實際負荷電流相比較，其差值即是我們所需的補償量；理想負荷電流為iap=P3UX2ua,]]>ibp=P3UX2ub,]]>icp=P3UX2uc,]]>所需的補償電流為iac＝ia-iap、ibc＝ib-ibp、icc＝ic-icp；(4)由工業(yè)PC機從補償電流iac、ibc和icc中分離出基波分量iaT、ibT和icT，作為晶閘管分相投切電容器的補償控制量，將剩余諧波及負序分量iah＝ia-iaT、ibh＝ib-ibT、ich＝ic-icT作為有源濾波器的補償控制量；(5)工業(yè)PC機根據(jù)晶閘管分相投切電容器的補償控制量計算得出各相需要投入的電容器的容量，并控制晶閘管觸發(fā)電路，向晶閘管開關(guān)組中相應(yīng)的晶閘管發(fā)出觸發(fā)脈沖，使這些晶閘管導通，投入容量適合的電容器組，使電容電流分別為iaT、ibT和icT；(6)工業(yè)PC機根據(jù)有源濾波器的補償控制量計算得出任意波形發(fā)生器的PWM調(diào)制信號，PWM控制器根據(jù)該信號向任意波形發(fā)生器發(fā)出PWM調(diào)制波形，使任意波形發(fā)生器發(fā)出的電流分別為iah、ibh和ich；(7)根據(jù)上述步驟，可以使電源側(cè)提供的負荷電流為理想負荷電流，將非線性負荷補償為理想負荷；(8)重復步驟(1)～(6)，可以跟蹤負荷的變化，實現(xiàn)實時動態(tài)補償。
2.一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置，由電壓變送器、電流變送器以及實時補償電路所構(gòu)成，其特征是所述實時補償電路由數(shù)據(jù)采集卡、工業(yè)PC機、晶閘管觸發(fā)電路、晶閘管開關(guān)組、電容器組、PWM控制器和任意波形發(fā)生器所構(gòu)成；其中，電壓變送器和電流變送器的輸出端分別與工業(yè)PC機上的數(shù)據(jù)采集卡的輸入端連接，工業(yè)PC機的輸出端分別與晶閘管觸發(fā)電路和PWM控制器的輸入端相連接，晶閘管觸發(fā)電路與晶閘管開關(guān)組相連，電容器組經(jīng)晶閘管開關(guān)組和交流接觸器及刀開關(guān)接入系統(tǒng)母線，PWM控制器與任意波形發(fā)生器相連，作為有源濾波器，有源濾波器經(jīng)交流接觸器及刀開關(guān)接入系統(tǒng)母線。
3.根據(jù)權(quán)利2要求所述復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理裝置，其特征在于晶閘管開關(guān)組由晶閘管和二極管反并聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復雜電力系統(tǒng)諧波、無功、負序綜合治理的方法及裝置。本發(fā)明從電流畸變考慮補償方法可避開從無功功率、負序電流或諧波分別考慮補償方法的局限性，適用于任何網(wǎng)絡(luò)，而且避免了傳統(tǒng)補償裝置由于諧波、負序補償目標不明確而帶來的種種問題。該裝置采用無源和有源相結(jié)合的混合方案。通過晶閘管分相投切電容器組補償基波無功功率和部分基波負序電流；通過小容量的有源濾波器補償諧波電流和部分基波負序電流。解決了由于采用大功率有源濾波器必須采用高性能的芯片控制器，價格昂貴以及可靠性低的缺點，同時也解決了目前補償裝置功能單一，補償裝置之間功能要求難以協(xié)調(diào)等問題，使綜合補償裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低、可靠性高、相對需要維護工作量小。本發(fā)明可以有效地抑制諧波和負序功率，提高負荷的功率因數(shù)，使安裝地點的電能質(zhì)量大大改善，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02J3/18GK1404196SQ0213917
公開日2003年3月19日 申請日期2002年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月16日
發(fā)明者陳允平, 查曉明, 劉會金, 孫建軍, 彭輝 申請人:武漢大學