一种电能质量治理装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种电能质量治理装置，属于低压电能质量技术领域。


背景技术：

2.随着经济社会快速发展，用电量持续高位增长及电力电子技术的广泛应用，配电网接入了大量的单相、不对称、非线性、冲击性负荷，导致供电可靠性及电能质量等方面的问题日渐突出。
3.目前存在的电能质量问题主要有供电三相不平衡、功率因数低、谐波严重等，这些问题会造成变压器中性点漂移，损耗增加，变压器使用效率和使用寿命降低，变压器容量利用率低，末端低电压，谐波污染还会导致电容器故障、保护无动作、计量不准确，影响了电网的可靠运行。
4.目前配电台区进行电能质量治理的方式主要是电容器补偿(即无源补偿)，电容器补偿优势包括成本低、损耗低、体积小、方便集成。电容器补偿的劣势包括只能补偿单向容性无功，补偿呈离散性，且对三相不平衡补偿能力有限。近几年随着电力电子变流器的逐渐成熟，出现了在配电台区中采用电力电子变流器补偿(有源补偿)替代电容器补偿情况。电力电子变流器进行补偿的优势包括可以实现双向连续无功补偿，既可以补偿容性无功也可以补偿感性无功，还可以补偿三相不平衡及谐波，而且补偿响应时间短，补偿速度快。电力电子变流器补偿劣势包括体积较大、损耗较高、需要设计独立的风道进行散热，可靠性较差等缺点。
5.为此，有人提出将有源补偿和无源补偿进行混合补偿的技术方案，以满足成本即功耗的最优需求，但是现有的混合补偿的技术方案中，有源补偿和无源补偿分别由各自的控制器进行控制，在需要对有源和无源进行补偿分配时，需要两个控制器之间相互通信，如果通信出现异常，导致电网的可靠性变差。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种电能质量治理装置，用以解决现有治理装置在进行有源和无源补偿时，通信异常而导致电网可靠性差的问题。
7.为实现上述目的，本技术提出了一种电能质量治理装置的技术方案，包括：
8.有源补偿支路，用于连接交流母线，实现电能的有源补偿；有源补偿支路上设置有有源补偿单元和第一电流采集单元；所述有源补偿单元包括igbt桥臂、滤波模块以及直流储能模块；直流储能模块配置有第一电压采集单元；
9.无源补偿总支路和若干个无源补偿分支路，若干个无源补偿分支路并联后通过无源补偿总支路用于连接交流母线，实现电能的无源补偿；每个无源补偿分支路上设置有一个无源补偿单元；无源补偿总支路上设置有第二电流采集单元；所述无源补偿单元包括串联的电抗器、晶闸管投切模块、以及电容器；
10.第二电压采集单元，用于采集交流母线的交流电压；
11.第三电流采集单元，用于采集负载电流；
12.一个控制器，控制器的输入端采样连接各电压采集单元和各电流采集单元，控制器的输出端控制连接晶闸管投切模块和igbt桥臂中的igbt开关管。
13.本实用新型的电能质量治理装置的技术方案的有益效果是：本实用新型结合有源补偿和无源补偿的混合型补偿的技术方案中，采用一个控制器，分别进行有源补偿和无源补偿的控制，避免了控制器之间的通信，确保电网可以有序的工作，并且减少了控制器的数量进一步的节约了成本。
14.进一步的，所述igbt桥臂包括依次串联的第一igbt开关管、第二igbt开关管、第三igbt开关管、第四igbt开关管，以及并联在第二igbt开关管和第三igbt开关管两端的第一二极管和第二二极管，第二igbt开关管和第三igbt开关管的连接点通过滤波模块用于连接交流电网的三相线；第一二极管和第二二极管的连接点连接交流母线的中性线。
15.进一步的，所述滤波模块包括电网侧电感、变流器侧电感、以及电容；电网侧电感和变流器侧电感串联，其串联线路一端连接igbt桥臂，另一端连接交流电网的三相线；电网侧电感和变流器侧电感的连接点通过电容连接交流母线的中性线。
16.进一步的，所述直流储能模块包括两个串联的储能电容，两个串联的储能电容的连接点连接交流母线的中性线
附图说明
17.图1是本实用新型电能质量治理装置的原理框图；
18.图2是本实用新型有源补偿单元的电路结构图；
19.图3是本实用新型无源补偿单元的电路结构图。
具体实施方式
20.电能质量治理装置实施例：
21.电能质量治理装置的主要构思在于，将有源补偿和无源补偿结合，充分结合了两种补偿方式的优势，对电能进行混合治理，并且采用一个控制器对有源补偿和无源补偿进行统一分配，不仅减少了控制器的数量，还避免了控制器之间的通信，提高电网运行的可靠性。
22.具体的，电能质量治理装置如图1所示，包括：统一控制器、有源补偿支路、无源补偿总支路、n个无源补偿分支路、第二电压采集单元和第三电流采集单元。
23.有源补偿支路用于连接配电台区交流母线(以下简称交流母线，交流母线连接电网和负载)；有源补偿支路上串设有有源补偿单元和电流互感器ta3(即第一电流采集单元)；电流互感器ta3连接统一控制器的电流采集端，并且统一控制器控制连接有源补偿单元。
24.无源补偿总支路和n个无源补偿分支路；n个无源补偿分支路并联后，通过无源补偿总支路连接交流母线；每个无源补偿分支路上串设有一个无源补偿单元(例如图1中的无源补偿1、
……
、无源补偿n)；无源补偿总支路上串设有电流互感器ta2(第二电流采集单元)，电流互感器ta2通过第二电流采集支路连接统一控制器的电流采集端，且统一控制器控制连接各无源补偿单元。
25.第三电流采集单元，为设置在交流母线上靠近负载的一端的电流互感器ta1，且电流互感器ta1连接统一控制器的电流采集端。
26.第二电压采集单元(图中未画出)；第二电压采集单元连接统一控制器的交流电压采集端。
27.上述电能质量治理装置中，电流互感器ta3用于测量有源补偿支路的电流ic；电流互感器ta2用于测量无源补偿总支路的电流i
tsc
；电流互感器ta1用于测量负载的电流i
l
；第二电压采集单元用于测量交流母线的电压u
s
；有源补偿支路的电流ic、无源补偿总支路的电流i
tsc
、负载的电流i
l
、以及交流母线的电压u
s
均传送给统一控制器进行处理。
28.有源补偿单元用于对电能进行有源补偿；无源补偿单元用于对电能进行无源补偿；统一控制器通过对接收到的电流信息和电压信息进行计算分析，最终得到无功、三相不平衡及谐波补偿的需求，然后根据系统配置将待补偿电流进行分配，分别控制有源补偿单元与无源补偿单元进行输出，快速平滑调节其输出电流，实现三相不平衡、无功电流和谐波电流的快速补偿，实现电网的电能质量的提升，有源补偿和无源补偿的分配策略为现有技术，这里不做过多赘述。
29.有源补偿单元的结构如图2所示，采用二极管箝位型三电平变流器结构，包括三组 igbt桥臂、直流母线电容、直流电压互感器及滤波模块组成。
30.直流母线电容采用多个电解电容或者薄膜电容并联成两组，其中一组为储能电容c
d1
、另一组为储能电容c
d2
；储能电容c
d1
和储能电容c
d2
串联，储能电容c
d1
和储能电容c
d2
的连接点与交流母线的n线(中性线)相连，构成变流器的直流储能模块；同时直流母线电容配置有直流电压传感器，以采集直流母线的电压，直流电压传感器与统一控制器的直流电压采样端连接，以将采集的直流母线电压发送至统一控制器。
31.igbt桥臂共三组，每组由4个igbt开关管及2个二极管组成：
32.第一组igbt桥臂与直流母线电容并联，包括串联的igbt开关管q1、igbt开关管 q2、igbt开关管q3、igbt开关管q4；igbt开关管q2和igbt开关管q3的连接点 (即第一组igbt桥臂的中点)通过滤波模块连接交流母线的a相线；且igbt开关管q2 和igbt开关管q3的两端并接有串联的二极管d1和二极管d2，二极管d1和二极管d2 的连接点与交流母线的n线相连；
33.第二组igbt桥臂与直流母线电容并联，包括串联的igbt开关管q5、igbt开关管 q6、igbt开关管q7、igbt开关管q8；igbt开关管q6和igbt开关管q7的连接点 (即第二组igbt桥臂的中点)通过滤波模块连接交流母线的b相线；且igbt开关管q6 和igbt开关管q7的两端并接有串联的二极管d3和二极管d4，二极管d3和二极管d4 的连接点与交流母线的n线相连；
34.第三组igbt桥臂与直流母线电容并联，包括串联的igbt开关管q9、igbt开关管 q10、igbt开关管q11、igbt开关管q12；igbt开关管q10和igbt开关管q11的连接点(即第三组igbt桥臂的中点)通过滤波模块连接交流母线的c相线；且igbt开关管 q10和igbt开关管q11的两端并接有串联的二极管d5和二极管d6，二极管d5和二极管 d6的连接点与交流母线的n线相连。
35.滤波模块设置在各igbt桥臂的中点和对应的相线之间，滤波模块采用lcl拓扑结构，包括a相滤波子模块、b相滤波子模块和c相滤波子模块：
36.a相滤波子模块包括电网侧电感lg1、变流器侧电感lr1以及电容c1，电网侧电感lg1 和变流器侧电感lr1串设在第一组igbt桥臂的中点和a相线之间，且其连接点和n线之间设置电容c1；
37.b相滤波子模块包括电网侧电感lg2、变流器侧电感lr2以及电容c2，电网侧电感lg2 和变流器侧电感lr2串设在第二组igbt桥臂的中点和b相线之间，且其连接点和n线之间设置电容c2；
38.c相滤波子模块包括电网侧电感lg3、变流器侧电感lr3以及电容c3，电网侧电感lg3 和变流器侧电感lr3串设在第三组igbt桥臂的中点和c相线之间，且其连接点和n线之间设置电容c3。
39.无源补偿单元的结构如图3所示，包括a相无源补偿子单元、b相无源补偿子单元、c 相无源补偿子单元：
40.a相无源补偿子单元设置在a相线和n线之间，包括串联的电抗器l1、晶闸管投切模块t1、电容器c4；
41.b相无源补偿子单元设置在b相线和n线之间，包括串联的电抗器l2、晶闸管投切模块t2、电容器c5；
42.c相无源补偿子单元设置在c相线和n线之间，包括串联的电抗器l3、晶闸管投切模块t3、电容器c6。
43.统一控制器控制连接各晶闸管投切模块，收到统一控制器的控制信号后，采用过零投切方式进行分级调节，将电容器无干扰的投切到电网中，电抗器用于滤波，减小投切过程中的电流波动，并且各个无源补偿单元的容量大小不同，用于组合成不同的容量。并且统一控制器控制连接以及各igbt开关管，以实现有源补偿。
44.统一控制器包括电流采集端、电压采集端、核心处理单元和控制端，控制端包括晶闸管控制端和igbt控制端。电流采集端和电压采集端采集到负载电流、有源补偿单元电流、无源补偿单元电流、交流母线的电压、以及直流母线的电压后，由经信号经调理滤波后送到核心处理单元进行计算处理，核心处理单元采用dsp arm fpga系统，主要是实现动态自动补偿控制策略，并最终生成pwm调制信号和晶闸管驱动信号。pwm调制信号通过igbt 控制端输出，以控制igbt的开断，最终控制有源补偿单元输出补偿电流，晶闸管驱动信号通过晶闸管控制端输出，以控制晶闸管投切电容器。
45.本实用新型采用一个控制器，分别进行有源补偿和无源补偿的控制，避免了控制器之间的通信，确保电网可以有序的工作，并且减少了控制器的数量进一步的节约了成本。