一种智能港口岸电电能质量治理装置的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种智能港口岸电电能质量治理装置。

背景技术：

随着我国近年来船运业的快速发展，靠港船舶日渐增多，船舶排放污染日趋严重，在节能环保大势所趋的压力之下，码头船舶岸电走上历史舞台。国家交通部2011年4月，交通运输部《交通运输“十二五”发展规划》出台。根据这一规划，2011-2015年间，我国将实施“绿色港航建设工程”，加快船舶靠港使用岸电技术的步伐。这意味着，未来船舶岸电技术有望“由点及面”，从沿海地区到内河码头，逐渐拓展到全国；根据交通部的要求，截止到2015年，全国将有50％的码头泊位配有船舶岸基供电系统，给船舶接入岸电带来极大的便利。目前为止船舶岸电系统主要分为高压与低压两种，高压岸电输出电制为6.6kv/60hz，主要通过电力电子变频方式实现频率的转换。船舶受电系统对电能指标要求较高，目前尚没有统一标准可以遵循，对船舶岸电系统电能质量进行统一管理。

目前为止，通用船舶岸电系统均为通过前期容量计算，于自身加装固定规格电容电抗，对系统输出电能进行滤波，并兼顾船电设备对系统本身造成的冲击，由于船电负荷的复杂多样化，固定电容电抗不能可靠的对电能进行治理和保护。

当前港口岸电应用中存在技术问题：

1、谐波污染。由于船舶用电负载，含有各种变频设备和计算机及通讯设备，因此产生大量的谐波污染，而且高压变频港口岸电系统含有大功率的高压变频装置，也会产生谐波污染。

2、功率因数低。由于船舶用电以感性负载为主，如水泵，起重设备等，且负荷变化较大，因此功率因数较低，一般在0.7以下。

3、岸侧大电网的电能特性为频率稳定但电压波动，船舶上微电网电能特性为电压稳定但频率波动，因此船岸之间的电能特性存在一定的匹配度偏差， 电压的波动在一定程度上影响船舶用电负载的正常运行。

由于船舶负载的多样化，负荷变化较大，其中水泵、起重机等大型设备启动产生的大电流会对船舶岸电系统造成较大的冲击，从而引起瞬间压降。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中港口岸电功率因数低下的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种智能港口岸电电能质量治理装置。

本发明实施例提供的一种智能港口岸电电能质量治理装置，包括：开关组件、充电组件、单元组件和控制组件；

开关组件包括第一断路器，充电组件包括电抗器，单元组件包括多个链节，且多个链节分布于每相线路中，并首尾相连；

第一断路器的一端与电网侧相连，另一端通过电抗器与单元组件的输出端相连；

控制组件用于采集电网侧的电压电流信号，并根据电压电流信号确定链节控制信号，通过光纤线路控制每个链节工作，指示单元组件随负荷无功电流的变化产生相应的无功补偿电流。

在上述技术方案中，充电组件还包括第二断路器和充电电阻，第二断路器和充电电阻并联；

第一断路器的另一端依次通过第二断路器、电抗器后与单元组件的输出端相连。

在上述技术方案中，第二断路器的常闭触点与充电电阻串联。

在上述技术方案中，链节包括：第一igbt、第二igbt、第三igbt、第四igbt、充电电容；

第一igbt的集电极与第二igbt的集电极相连，同时与充电电容的一端相连；第三igbt的发射极和第四igbt的发射极相连，同时与充电电容的另一端相连；

第一igbt的发射极与第三igbt的集电极相连，且连接节点为链接的输入端；第二igbt的发射极与第四igbt的集电极相连，且连接节点为链接的输出端；

每个链节通过输入端和/或输出端与相邻的其他链节相连。

在上述技术方案中，第一igbt的门极、第二igbt的门极、第三igbt 的门极、第四igbt的门极均通过光纤与控制组件相连，接收控制组件发送的链节控制信号。

在上述技术方案中，第一igbt的门极和第三igbt的门极相连；第二igbt的门极和第四igbt的门极相连。

在上述技术方案中，开关组件还包括：熔断器；

第一断路器通过熔断器与电网侧相连。

在上述技术方案中，还包括：电流互感器和电压互感器；

电流互感器用于采集三相电流信号，并将三相电流信号发送至控制组件；

电压互感器用于采集三相电压信号，并将三相电压信号发送至控制组件。

本发明实施例提供的一种智能港口岸电电能质量治理装置，采用多个链节组成链式逆变器，从而可以快速响应并产生无功补偿电流。基于igbt器件的链式逆变器不再采用大容量的电容器、电抗器，通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换；体积更小，响应速度更快，补偿能力更强；同时不仅不产生谐波，还能动态补偿谐波。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中智能港口岸电电能质量治理装置的结构图；

图2为本发明实施例单元组件中的链节分布示意图；

图3为本发明实施例中链节的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种智能港口岸电电能质量治理装置，图1为该装置的结构图，具体包括：开关组件10、充电组件20、单元组件30和控制组件40。

其中，开关组件10包括第一断路器km1，充电组件20包括电抗器l。优选的，参见图1所示，充电组件20还包括预充电电路，预充电电路具体包括第二断路器km2和充电电阻r，第二断路器km2和充电电阻r并联。

参见图2所示，单元组件30包括多个链节，且多个链节分布于每相线路中，并首尾相连。本发明实施例中，通过多个链节组成链式逆变器，相当于一个可变的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿系统所需无功功率。具体的，如图2所示，单元组件30包含多组链节，每一组链节包含三个链节，该三个链节分别设置于三相线路a、b、c中。图2以包含12组链节为例示出。

第一断路器km1的一端与电网侧相连，第一断路器km1的另一端依次通过第二断路器km2、电抗器l后与单元组件30的输出端相连。

控制组件40用于采集电网侧的电压电流信号，并根据电压电流信号确定链节控制信号，通过光纤线路控制每个链节工作，指示单元组件30随负荷无功电流的变化产生相应的无功补偿电流。

控制组件是整个电能质量治理装置的控制中心。其采用独立的ups电源供电。ups有两路电源输入(主、备用电源)，当主用电源无效时，系统自动切换到备用电源。当ups损坏但是主备用电源的一路有效时，控制组件由主备用电源供电。当ups或者主备用电源的任意一路出故障时，系统会告警。这样保证系统可以用于恶劣的电源环境。控制组件的输入信号有：充电柜的接触器(或刀闸)状态信号、输入输出电压、电流检测信号、各个装置链节的反馈信号、以及用户通过人机界面的操作等。控制组件的输出信号有：装置链节的控制信号(光纤)，风扇的控制信号，充电柜的接触器控制信号。产品铭牌、触摸屏、指示灯(包括就绪、运行、故障)、紧急停机按钮、远程就地拔动开关、开放给用户使用的可编程端子等都安装在控制柜。控制组件用于实现预期控制目标、监控系统运行状态、与上位机进行通讯等，其稳定可靠工作保证了整个系统的安全、可靠运行

其中，该电压电流信号具体包括三相电流信号和三相电压信号。该智能 港口岸电电能质量治理装置还包括电流互感器ct和电压互感器pt。电流互感器ct用于采集三相电流信号，并将三相电流信号发送至控制组件40；电压互感器pt用于采集三相电压信号，并将三相电压信号发送至控制组件40。

本发明实施例提供的智能港口岸电电能质量治理装置的工作过程具体如下：

在需要无功补偿时首先闭合第一断路器km1，此时电网侧通过充电电阻r和电抗器l为单元组件中的链节充电。当链节充电达到正常电压后，闭合第二断路器km2，从而短路充电电阻r，该装置进入就绪状态。充电电阻r和第二断路器km2组成预充电电路，用于方式闭合km1时对单元组件中的链节造成瞬间冲击。电抗器l用于缓冲电网电压与逆变器(即单元组件30)输出电压之间的差异，并通过电抗器l向电网注入无功电流，同时减少控制组件40输出电流中的开关纹波，降低共模干扰。

控制组件通过网侧的ct(电流互感器)采集电流谐波，经高速dsp快速计算，对网侧谐波进行fft快速傅立叶分解及sfr同步旋转坐标变换法，确定谐波(如65次以下谐波)分量及无功分量情况，在预设时间(如50μs)内动作发出电流命令，并通过功率执行器件产生与谐波源谐波电流方向相反幅值相等的补偿谐波电流及无功补偿电流，并注入电网侧，达到抵消非线性负荷所产生谐波电流的作用及无功补偿，实现滤除谐波及无功补偿的功能。

需要说明的是，本发明实施例中，第一断路器和第二断路器只限定为一种开关，并非只限定为断路器，如采用接触器也可以实现相应的功能，例如第二断路器km2可以采用接触器。

优选的，第二断路器km2的常闭触点与充电电阻r串联。在闭合第二断路器km2的同时，可以断开该常闭触点，从而断开充电电阻r与电网侧之间的连接。

优选的，本发明实施例中的链节采用h式拓扑结构，极大提高了可靠性、灵活性和可维护性。参见图3所示，本发明实施例提供的链节具体包括：第一igbtd1、第二igbtd2、第三igbtd3、第四igbtd4、充电电容c。

其中，第一igbtd1的集电极与第二igbtd2的集电极相连，同时与充电电容c的一端相连；第三igbtd3的发射极和第四igbtd4的发射极相连，同时与充电电容c的另一端相连。第一igbtd1的发射极与第三igbtd3的 集电极相连，且连接节点为链接的输入端aci；第二igbtd2的发射极与第四igbtd4的集电极相连，且连接节点为链接的输出端aco。每个链节通过输入端和/或输出端与相邻的其他链节相连。

该链节的主要功能包括补偿系统无功功率，提高功率因数；降低线损，提高线路输电能力；谐波动态补偿，改善电能质量；抑制电压波动和闪变；维持受电段电压，加强系统电压稳定性；抑制电网三相不平衡。

该充电电容c为直流电容，该直流电容作为储能元件，为通过igbt逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容通过电源pcb向内部的控制pcb和电子电路提供工作电源。

具体的，第一igbtd1的门极、第二igbtd2的门极、第三igbtd3的门极、第四igbtd4的门极均通过光纤与控制组件40相连，接收控制组件40发送的链节控制信号，经过解码生成触发脉冲控制igbt的开通与关断。工作中，通过调节逆变桥中igbt器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，因此，整装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功，可以快速发出大小相等、相位相反的无功，实现无功的就地平衡，保持系统实时高功率因数运行。

优选的，第一igbtd1的门极和第三igbtd3的门极相连；第二igbtd2的门极和第四igbtd4的门极相连。本发明实施例中由于采用igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)器件，从而通过两路光纤即可以控制四个igbt的通断，从而节省光纤线路，故障点少，易于维护(原控制线路需要四路光纤)。

本发明实施例中，单元组件采用链式拓扑结构，通过连接电抗器或变压器并联到电网上，不需要改变系统本来的接线，只需将无功补偿发生器并入电网即可。

以图2为例，每相由12个装置链节串联组成，每个装置链节与控制组件采用光纤通讯，控制组件分别对装置侧和电网侧电压及电流进行采集处理，通过km2和km1控制装置并网。同时可以通过udp/ip协议与人机界面触摸屏通讯，且控制组件提供多路输入输出端子等。

优选的，参见图2所示，开关组件10还包括：熔断器qf。第一断路器km1通过熔断器qf与电网侧相连。

本发明实施例提供的一种智能港口岸电电能质量治理装置，采用多个链节组成链式逆变器，从而可以快速响应并产生无功补偿电流。基于igbt器件的链式逆变器不再采用大容量的电容器、电抗器，通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换；体积更小，响应速度更快，补偿能力更强；同时不仅不产生谐波，还能动态补偿谐波。

igbt全控型器件，器件开通关断时间2μs，采用pwm控制算法整个装置的响应时间在5ms之内。该装置能动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，在补偿容量足够的前提下，可实现任意时刻的功率因数大于0.98。采用先进的链式拓扑结构和多电平pwm技术来消除谐波，输出电压、电流谐波畸变率均小于3％，不需要安装谐波滤波器支路；在不增加硬件成本的情况下可实现谐波滤波功能，特别适合于煤炭、冶金、铁路等谐波及冲击负荷。

同时，该装置是电流源的特性，输出电流可不受母线电压影响。这一优点使该装置用于电压控制时具备很大的优势，系统电压越低，越需要动态无功支撑电压，该装置输出无功电流与系统电压没有关系，可以看作是一个可控恒流源；且该装置是阻抗型特性，输出电流随母线电压线性降低。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图3为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。