電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)，包括：三個單相變壓支路，每一個單相變壓支路包括第一變壓器、第二變壓器、第一APF組、第二APF組、共享電容、第一電感、第二電感、第一選通開關、第二選通開關；其中，每一個APF組均包括兩個與共享電容并聯(lián)的IGBT橋臂，第一變壓器的次級線圈與第一電感串聯(lián)后的電路與第一選通開關并聯(lián)在第一APF組中兩個IGBT橋臂的中點之間，第二變壓器的次級線圈與第二電感串聯(lián)后的電路與第二選通開關并聯(lián)在第二APF組中兩個IGBT橋臂的中點之間；所述第一變壓器的初級線圈串聯(lián)在對應的單相高電壓輸電線中；所述第二變壓器的初級線圈的一端接地，另一端連接對應的單相負載輸電線。本發(fā)明提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)可以具有較小的限流電抗。
【專利說明】電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力【技術領域】，尤其涉及一種電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 電能是現(xiàn)代工業(yè)社會的骨干能源，電能的質(zhì)量和安全可靠性關系到工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量 和科學實驗正常進行，還是社會的經(jīng)濟發(fā)展和人民群眾的生活質(zhì)量的重要保障。近年來隨 著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大和微電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)的容量不斷提高，勢必導致電力系統(tǒng)短 路電流的不斷增大，一旦短路故障發(fā)生不僅對電網(wǎng)和負荷造成嚴重影響，還會擴散到微網(wǎng)， 造成大量電氣設備燒毀，甚至引發(fā)火災，嚴重影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。同時，電網(wǎng)中電力電 子裝置和各種非線性負荷的不斷增加，導致了系統(tǒng)中電壓波動、電壓電流諧波等電能質(zhì)量 問題日益嚴重，嚴重影響電網(wǎng)的可靠穩(wěn)定運行和負荷的正常運轉(zhuǎn)?，F(xiàn)有技術中引入了 DVR 對電網(wǎng)中的電壓波動補償，同時為了限制短路故障電流，現(xiàn)有技術中在串聯(lián)變壓器側(cè)引入 限流支路用于限流。這樣的方式存在以下缺點如下：不能抑制電壓和電流諧波，限流電抗容 量大，造價高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠使用具有較小容量限流電抗進行有效的限流且能 夠抑制電壓和電流諧波的系統(tǒng)。
[0004] 一種電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)，包括三個單相變壓支路，每一個單相變壓支路包括第 一變壓器、第二變壓器、第一 APF組、第二APF組、共享電容、第一電感、第二電感、第一選通 開關、第二選通開關；其中，每一個APF組均包括兩個與共享電容并聯(lián)的IGBT橋臂，第一變 壓器的次級線圈與第一電感串聯(lián)后的電路與第一選通開關并聯(lián)在第一 APF組中兩個IGBT 橋臂的中點之間，第二變壓器的次級線圈與第二電感串聯(lián)后的電路與第二選通開關并聯(lián)在 第二APF組中兩個IGBT橋臂的中點之間；所述第一變壓器的初級線圈串聯(lián)在對應的單相高 電壓輸電線中；所述第二變壓器的初級線圈的一端接地，另一端連接對應的單相負載輸電 線。
[0005] 進一步的，還包括三個電流檢測器和三個故障檢測單元，每一個電流檢測器用于 檢測一個單相負載輸電線的電流；每一個故障檢測單元與一個電流檢測器相連，并連接相 應單相變壓支路中的第一選通開關和第二選通開關，用于根據(jù)電流檢測器檢測到的電流值 確定是否存在短路，并在檢測到故障時控制所連接的第一選通開關和/或第二選通開關導 通。
[0006] 進一步的，所述故障檢測單元還用于在檢測到短路時，閉鎖發(fā)生短路的單相變壓 支路中的第一 APF組和/或第二APF組。
[0007] 進一步的，還包括：第一 APF組控制電路，所述第一 APF組控制電路包括三個電壓 補償電路；每一個電壓補償電路包括一個補償電壓計算單元、一個與門單元和一個閉鎖單 元；補償電壓計算單元的輸入端連接一個電流檢測器，輸出端連接與門的一個輸入端，用于 計算相應相的補償諧波電壓和電壓波動信號并輸入到與門的輸入端；與門的另一個輸入端 連接相對應的閉鎖單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第一 APF組的控制端；
[0008] 所述故障檢測單元，用于在檢測到短路時控制發(fā)生短路的單相變壓支路中的各個 閉鎖單元將對應的與門閉鎖。
[0009] 進一步的，所述第一 APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放大器，各個與門具體經(jīng)過 所述驅(qū)動放大器連接到相應第一 APF組的控制端。
[0010] 進一步的，還包括第二APF組控制電路，所述第二APF組控制電路包括三個電流補 償電路；每一個電流補償電路包括一個補償電流計算單元、一個與門單元和一個閉鎖單元； 補償電流計算單元的輸入端連接一個電流檢測器，輸出端連接與門的一個輸入端，用于計 算相應相的補償諧波電流并輸入到與門的輸入端；與門的另一個輸入端連接相對應的閉鎖 單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第二APF組的控制端；
[0011] 所述故障檢測單元，用于在檢測到短路時控制發(fā)生短路的單相變壓支路各個閉鎖 單元將對應的與門閉鎖。
[0012] 進一步的，所述第二APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放大器，各個與門具體經(jīng)過 所述驅(qū)動放大器連接到相應第二APF組的控制端。
[0013] 進一步的，所述故障檢測單元進一步用于根據(jù)短路電流的大小確定短路等級，當 短路等級高于預設值時，將所述第一選通開關和第二選通開關導通，當短路等級低于預設 值時，將所述第一選通開關，并維持第二選通開關關閉。
[0014] 進一步的，所述故障檢測單元在檢測到單相對地短路時，維持各個選通開關關閉， 并維持各個與門處于非閉鎖狀態(tài)。
[0015] 本發(fā)明提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中，在每一個單相變壓支路中的高壓側(cè)和負載 側(cè)均設置一個選通開關，這樣當線路發(fā)生故障需要進行較大幅度的限流時，可以將兩個選 通開關均導通，使位于負載側(cè)的電感與負載并聯(lián)從而將短路電流接地，即使電能優(yōu)化及限 流系統(tǒng)具有較小的限流電抗也能對線路中的短路電流進行有效分流。本發(fā)明提供的電能優(yōu) 化及限流系統(tǒng)可以具有較小的限流電抗，組網(wǎng)成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2是本發(fā)明實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中的第一 APF組控制電路的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0018] 圖3是本發(fā)明實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中的第二APF組控制電路的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0019] 圖4是本發(fā)明實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中的故障檢測單元在不同在檢 測到不同故障時的工作流程圖。

【具體實施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0021] 本發(fā)明提供了一種電能優(yōu)化及限流，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：三個單相變壓支路 (假設為a相、b相和c相支路），每一個單相變壓支路包括第一變壓器T1、第二變壓器T2、 第一 APF組APF1、第二APF組APF2、共享電容C、第一電感L1、第二電感L2、第一選通開關 S1、第二選通開關S2 ;其中，每一個APF組均包括兩個與共享電容C并聯(lián)的IGBT橋臂，第一 變壓器T1的次級線圈與第一電感L1串聯(lián)后的電路與第一選通開關S1并聯(lián)在第一 APF組 中兩個IGBT橋臂的中點之間，第二變壓器T2的次級線圈與第二電感L2串聯(lián)后的電路與第 二選通開關S2并聯(lián)在第二APF組中兩個IGBT橋臂的中點之間；所述第一變壓器T1的初級 線圈串聯(lián)在對應的單相高電壓輸電線中；所述第二變壓器T2的初級線圈的一端接地，另一 端連接對應的單相負載輸電線。
[0022] 在具體實施時，各個單相高電壓輸電線的電壓為10KV。三個第二APF組通過相應 的共享電容為對應的第一 APF組和自身逆變輸出供給能量，各個選通開關可以具體為晶閘 管限流支路，位于高壓側(cè)的晶閘管限流支路為主限流支路，位于負載側(cè)的晶閘管限流支路 為次限流支路，次限流支路導通時可以將L2通過變壓器T2連接在電網(wǎng)和大地之間進行分 流。
[0023] 第二APF組不僅對共用共享電容充能，還為第一 APF組供給能量，同時自身逆變輸 出電流抑制線路諧波電流；每一個第一 APF組通過檢測對應單相負載輸電線的相電壓實現(xiàn) 對各相的電壓諧波及波動進行補償，使相電壓穩(wěn)定在期望的值；主限流支路，用于短路第一 APF組的輸出電感L1，當短路故障發(fā)生時相當于在輸電線串入電感抑制短路電流；次限流 支路，通過短路第二APF組的輸出濾波電感L2,將電感L2接地并與負荷并聯(lián)以實現(xiàn)分流，將 負荷電流控制在合理范圍內(nèi)。
[0024] 本發(fā)明提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中，在每一個單相變壓支路中的高壓側(cè)和負載 側(cè)均設置一個選通開關，這樣當線路發(fā)生故障需要進行較大幅度的限流時，可以將兩個選 通開關均導通使位于負載側(cè)的電感與負載并聯(lián)從而將短路電流接地。本發(fā)明提供的電能優(yōu) 化及限流系統(tǒng)可以具有較小的限流電抗。
[0025] 在具體實施時，上述的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)還應包含對第一 APF組進行控制的第 一 APF組控制電路、對第二APF組進行控制的第二APF組控制電路、以及對主限流支路和次 限流支路進行控制的功能電路。
[0026] 在一種可選的實施例中，這里的功能電路還可以包括圖中未示出的：三個電流檢 測器和三個故障檢測單元，
[0027] 其中每一個電流檢測器用于檢測一個單相負載輸電線的電流；每一個故障檢測單 元與一個電流檢測器相連，并連接相應單相變壓支路中的第一選通開關和第二選通開關， 用于根據(jù)電流檢測器檢測到的電流值確定是否存在短路，并在檢測到短路時控制所連接的 第一選通開關和/或第二選通開關導通。
[0028] 進一步的，在本發(fā)明提供的另一可選實施例中，故障檢測單元還用于在檢測到故 障時，閉鎖發(fā)生短路的單相變壓支路中的第一 APF組和/或第二APF組。
[0029] 作為一種可選的方式，當所述故障檢測單元還用于對第一 APF組進行控制時，本 發(fā)明提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中的第一 APF組控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖可以如圖2所示， 包括三個電壓補償電路；每一個電壓補償電路包括一個電壓計算單元（包括圖中的PLL、與 與門相連的比較器以及二者之間的功能模塊）、一個與門單元和一個閉鎖單元，電壓計算單 元的輸入端連接一個電流檢測器，電壓計算單元的輸出端連接與門的一個輸入端，用于計 算相應相的補償諧波電壓和電壓波動信號并輸入到與門的輸入端；與門的另一個輸入端連 接相對應的閉鎖單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第一 APF組的控制端；
[0030] 所述故障檢測單元，用于根據(jù)檢測的故障控制發(fā)生短路的單相變壓支路中的各個 閉鎖單元將對應的與門閉鎖。
[0031] 通過這種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對短路的單相變壓支路的第一 APF組的自動閉鎖。
[0032] 其中每一個補償電壓計算單元包括用于實現(xiàn)如下步驟的各個功能模塊：
[0033] 鎖相獲取與對應單相支路中的電壓同頻同相的正弦量sin，并依據(jù)負載側(cè)電壓幅 值的要求，將兩者相乘得到負載期望的電壓u M、uA、uTC，與實際電源供給電壓相減即得出三 單相串聯(lián)APF輸出的補償電壓，其差值乘以1/k后與三單相串聯(lián)APF組的實際輸出的二次 側(cè)補償電壓做差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后進行三角波調(diào)制，調(diào)制后得到的信號連接到與門的輸入 端。
[0034] 補償電壓計算單元的具體結(jié)構(gòu)還可以參考現(xiàn)有技術，本發(fā)明中對補償電壓計算單 元的具體結(jié)構(gòu)并不做限制，只要能夠計算出計算相應單相變壓支路中對應的補償諧波電壓 和電壓波動信號，相應的技術方案均應該落入本發(fā)明的保護范圍。
[0035] 優(yōu)選的，所述第一 APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放大器，各個與門具體經(jīng)過所 述驅(qū)動放大器連接到相應第一 APF組的控制端。這樣，可以將與門輸出的信號（與門僅在 故障檢測信號輸出補償電壓信號）驅(qū)動放大。
[0036] 作為一種可選的方式，當所述故障檢測單元還用于對第二APF組進行控制時，本 發(fā)明提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中的第二APF組控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖可以如圖3所示， 包括：
[0037] 三個電流補償電路；每一個電流補償電路包括一個補償電流計算單元、一個與門 單元和一個閉鎖單元，補償電流計算單元的輸入端連接一個電流檢測器，補償電流計算單 元的輸出端連接與門的一個輸入端，用于計算相應相的補償諧波電流并輸入到與門的輸入 端；與門的另一個輸入端連接相對應的閉鎖單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第二 APF組的控制端；
[0038] 所述閉鎖單元，用于根據(jù)檢測的故障控制發(fā)生短路的單相變壓支路中的各個閉鎖 單元將對應的與門閉鎖。
[0039] 所述第二APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放大器，各個與門具體經(jīng)過該驅(qū)動放大 器連接到相應第二APF組的控制端。
[0040] 其中每一個補償電壓計算單元包括用于實現(xiàn)如下步驟的各個功能模塊：
[0041] 通過鎖相獲得與a相電網(wǎng)電壓同頻同相位的正弦信號sin (wt)和對應的余弦信號 cos (wt)，將單相負載電流U/iib/ii。乘以C32、CM得到ip、，經(jīng)LPF濾波器得到直流分量 f、【，并將直流側(cè)電容實際電壓U。和給定值作差，將PI調(diào)節(jié)器得的Aip疊加到f， 然后將直流分量f+ A&、f依次乘以CM、C32得到三相負載電流基波分量 相負載電流ila、ilb、L。分別減去三相負載電流基波分量ilaf、i lbf、ilrf得三相諧波電流ilah、 11)*、11。11，其值乘以1/^后與三單相并聯(lián)4--實際輸出的二次側(cè)補償電流做差，經(jīng)過？1調(diào)節(jié) 器后進行三角波調(diào)制，調(diào)制后的信號連接到與門的輸入端。
[0042] 如圖4所示，為本發(fā)明實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)中故障檢測模塊在不同 類型的電網(wǎng)短路故障下的限流控制過程。當系統(tǒng)發(fā)生單相對地短路時，故障檢測單元維持 當前的輸出狀態(tài)，即不對各個APF組進行閉鎖，也不導通各個選通開關。
[0043] 當系統(tǒng)發(fā)生相間短路或相間接地短路時，故障檢測模塊檢測到短路電流，此時輸 出對應的電平信號，控制相應的閉鎖模塊使故障的單相變壓支路中的第一 APF組控制電路 和第二APF組控制電路的與門不輸出補償電壓，完成對故障的單相變壓支路中的第一 APF 組和第二APF組的（工作脈沖的）封鎖，之后，將故障的單相變壓支路的主限流支路導通， 則故障的單相變壓支路的第一電感L1被等效為第一變壓器T1的限流電抗進行限流，同時 保持非故障的單相變壓支路中的第一 APF組和第二APF組對線路的諧波電壓電流正常補 償，如果此時限流效果不能滿足要求，將故障的單相變壓支路的次限流支路導通，則故障的 單相變壓支路中的第二電感L2被等效為線路的限流電抗與負載形成并聯(lián)，進行分流限流。 當系統(tǒng)發(fā)生三相短路或三相對地短路時，裝置檢測到三相短路電流后，封鎖所有第一 APF 組和第二APF組的工作脈沖，延時后，控制各個單相變壓支路中的主限流支路都導通，則各 個第一電感L1都通過第一變壓器T1等效到初級線圈側(cè)作為限流電抗進行限流，然后判斷 限流效果，不滿足要求，則將各個單相變壓支路中的次限流支路導通，則各個第二電感L2 被等效到第二變壓器T2的初級線圈側(cè)作為線路的限流電抗與負載形成并聯(lián)，進行分流限 流。
[0044] 本發(fā)明可選的實施例提供的電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)可工作在對線路諧波電壓電流 及電壓波動抑制的電能質(zhì)量控制模式，并能實現(xiàn)限流模式和電能質(zhì)量控制模式自動切換。 [0045] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1. 一種電能優(yōu)化及限流系統(tǒng)，其特征在于，包括三個單相變壓支路，每一個單相變壓支 路包括第一變壓器、第二變壓器、第一APF組、第二APF組、共享電容、第一電感、第二電感、 第一選通開關、第二選通開關；其中，每一個APF組均包括兩個與共享電容并聯(lián)的IGBT橋 臂，第一變壓器的次級線圈與第一電感串聯(lián)后的電路與第一選通開關并聯(lián)在第一APF組中 兩個IGBT橋臂的中點之間，第二變壓器的次級線圈與第二電感串聯(lián)后的電路與第二選通 開關并聯(lián)在第二APF組中兩個IGBT橋臂的中點之間；所述第一變壓器的初級線圈串聯(lián)在對 應的單相高電壓輸電線中；所述第二變壓器的初級線圈的一端接地，另一端連接對應的單 相負載輸電線。
2. 如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括三個電流檢測器和三個故障檢測單 元，每一個電流檢測器用于檢測一個單相負載輸電線的電流；每一個故障檢測單元與一個 電流檢測器相連，并連接相應單相變壓支路中的第一選通開關和第二選通開關，用于根據(jù) 電流檢測器檢測到的電流值確定是否存在短路，并在檢測到故障時控制所連接的第一選通 開關和/或第二選通開關導通。
3. 如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述故障檢測單元還用于在檢測到短路時， 閉鎖發(fā)生短路的單相變壓支路中的第一APF組和/或第二APF組。
4. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括：第一APF組控制電路，所述第一APF 組控制電路包括三個電壓補償電路；每一個電壓補償電路包括一個補償電壓計算單元、一 個與門單元和一個閉鎖單元；補償電壓計算單元的輸入端連接一個電流檢測器，輸出端連 接與門的一個輸入端，用于計算相應相的補償諧波電壓和電壓波動信號并輸入到與門的輸 入端；與門的另一個輸入端連接相對應的閉鎖單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第 一APF組的控制端； 所述故障檢測單元，用于在檢測到短路時控制發(fā)生短路的單相變壓支路中的各個閉鎖 單元將對應的與門閉鎖。
5. 如權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放 大器，各個與門具體經(jīng)過所述驅(qū)動放大器連接到相應第一APF組的控制端。
6. 如權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括第二APF組控制電路，所述第二APF 組控制電路包括三個電流補償電路；每一個電流補償電路包括一個補償電流計算單元、一 個與門單元和一個閉鎖單元；補償電流計算單元的輸入端連接一個電流檢測器，輸出端連 接與門的一個輸入端，用于計算相應相的補償諧波電流并輸入到與門的輸入端；與門的另 一個輸入端連接相對應的閉鎖單元，輸出端連接對應的單相變壓支路的第二APF組的控制 端； 所述故障檢測單元，用于在檢測到短路時控制發(fā)生短路的單相變壓支路各個閉鎖單元 將對應的與門閉鎖。
7. 如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二APF組控制電路還包括一個驅(qū)動放 大器，各個與門具體經(jīng)過所述驅(qū)動放大器連接到相應第二APF組的控制端。
8. 如權利要求2所述系統(tǒng)，其特征在于，所述故障檢測單元進一步用于根據(jù)短路電流 的大小確定短路等級，當短路等級高于預設值時，將所述第一選通開關和第二選通開關導 通，當短路等級低于預設值時，將所述第一選通開關，并維持第二選通開關關閉。
9. 如權利要求2-8任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述故障檢測單元在檢測到單相 對地短路時，維持各個選通開關關閉，并維持各個與門處于非閉鎖狀態(tài)。
【文檔編號】H02H9/02GK104377671SQ201410605605
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權日:2014年10月31日
【發(fā)明者】帥智康, 鄒福筱, 涂春鳴, 盤宏斌, 姜飛, 莊士成, 楊健 申請人:湖南大學