一种即插即用集成模块化有源串联补偿器的制作方法

本发明属于电力补偿器技术领域，更具体地，涉及一种即插即用集成模块化有源串联补偿器。

背景技术：

随着经济发展，我国电力系统规模持续增长，也遇到许多技术问题。如在高压领域，存在电压提升、容性无功过剩和接地短路电流超标等问题；在低电压配电领域，电力电子非线性负载大量接入，存在无功缺失，电压波动和谐波污染等问题。

可调电抗器是可实时调节电抗值的电抗器。在电力系统中串入可变电抗器可以调节电网电压，补偿无功，解决三相不平衡问题，限制短路电流，软启动，可以有效地解决出现的问题。

现有的可调电抗器大致可以分为如下几种：

(1)机械式可调电抗器一般分为调匝式和调气隙式，即通过改变线圈匝数或铁芯的气隙长度来等效改变电抗值。其缺点是：调匝式不能连续调节，自动化水平低，换挡需停机；调节气隙式气隙设计精度低，调节范围有限，且噪声大。

(2)直流磁控式可控电抗器，通过改变控制回路的控制电流的大小来改变铁芯的磁饱和度，进而改变电抗器的电感值，而且电抗器的容量可以连续调节。其优点就是结构与控制简单，控制部分容量小、成本低，缺点是谐波含量大，装置响应速度慢。

(3)电力开关式可调电抗器，基于电力电子开关组成的逆变器调节和投切控制，高压实现受到管子容量局限，存在谐波，可靠性低。比如upfc、upqc、dvr，逆变器产生的谐波通过变压器时产生很大的谐波损耗。

(4)交流磁控式电抗器，通过附加绕组产生反方向磁通来改变电抗器中的磁通，从而改变铁芯的磁阻，达到改变电抗器电感值的目的。其突出优点是既可以平滑调节电抗器功率，而且工作电流中的高次谐波含量又低的新型交流磁控式电抗器。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种即插即用集成模块化有源串联补偿器，旨在解决电网电压波动，无功缺失，三相不平衡等问题。

本发明提供了一种即插即用集成模块化有源串联补偿器，包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；所述电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；所述特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；所述逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，所述逆变控制模块的控制端连接至所述电流检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。

更进一步地，所述电流检测模块包括：基波电流检测单元、反馈电流检测单元和加法器；所述基波电流检测单元的输入端连接至电网，所述反馈电流检测单元的输入端连接至所述互感器二次侧，所述加法器的第一输入端连接至基波电流检测单元的输出端，所述加法器的第二输入端连接至反馈电流检测单元的输出端，所述加法器用于将所述基波电流与所述反馈电流相加后输出所述参考电流信号。

更进一步地，逆变控制模块包括：逆变器、pwm控制驱动单元和滤波单元；所述pwm控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，所述逆变器的输入连接直流侧电压，所述逆变器的控制端连接至所述pwm控制驱动单元的输出端，所述滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，所述滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；所述pwm控制驱动单元用于根据所述参考电流信号产生用于控制逆变器中开关管导通的pwm波信号；所述逆变器在所述pwm波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

更进一步地，特制互感器中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝w1/w2，其中，w1为一次侧绕组的匝数，w2为二次侧绕组的匝数，w2大于w1。

更进一步地，特制互感器的电感l＝w1²μa/l，μ为铁芯的磁导率，a为铁芯截面积，l为平均磁路长度。

更进一步地，特制互感器的铁芯为细长圆柱状或长方体状。

本发明提供的有源串联补偿器为单相结构，即插即用，采用闭口电流特制互感器式或者开口特制互感器式的接入方式；模块集成，本方案初定将逆变器的直流母线电压的整流器和逆变器设计在一起，并和特殊设计的电流互感器做成一个标准化的模块，如果系统的阻抗不足，可以直接在线路中多串联几个。

逆变控制模块将检测到的特制互感器一次侧基波电流乘以一增益系数后作为其指令电流，然后电力电子逆变器产生一个基波电流施加到特制互感器的二次侧，其输出的电流经过一个lc滤波电路后通过一个特制互感器单元接入系统。

特制互感器特制铁芯呈细长圆柱状或长方体状以减小平均磁路长度、增大磁路截面积，从而增加一次侧等效阻抗。常规电流互感器只起检测电流作用，因此它的铁芯长度比较短。本方案提出的特制互感器主要起补偿作用，如果采用常规电流互感器结构，将导致互感器一次侧等效阻抗过小，起不到补偿作用，所以本方案采用增加电流互感器的铁芯的长度获得一个特制互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。在实际应用中，可根据需要补偿的无功的量来具体确定互感器的实际结构尺寸。

工作时，通过调节α，便可改变特制互感器二次侧的磁势，因而改变了特制互感器铁芯中的主磁通，特制互感器的一次侧便会呈现无级可调阻抗。

本发明所述的即插即用模块化有源串联补偿器的突出优点：

(1)即插即用，采用闭口电流互感器式或者开口互感器式的接入方式，接入简单且对电网本身结构无影响。

(2)特制结构，常规电流互感器主要起电流检测作用，因此它的铁芯长度比较短。本方案提出的特制互感器主要起补偿无功的作用，如果采用常规电流互感器结构，将导致互感器一次侧等效阻抗过小，起不到补偿作用，所以本方案采用增加电流互感器铁芯的长度来获得一个特制互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。

(3)改进控制，通过在特制电流互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流，改变特制互感器的二次侧注入电流的大小便可实现特制电流主磁通的连续可调，从而实现特制互感器一次侧阻抗的连续可调。

(4)模块集成，本方案初定将逆变器的直流母线电压的整流器和逆变器设计在一起，并和特殊设计的电流互感器做成一个标准化的模块，如果补偿器的阻抗不足，可以直接在线路中多串联几个一起使用。

(5)实现无线通讯，当模块用于三相系统时，不同模块之间相位关系通过无线通讯进行传递；当多个模块用于单相系统时，不同模块之间的补偿量的大小关系通过无线通讯进行传递。

(6)高低压通用，有源串联补偿器一般用于低压系统，但是本发明既可用于低压系统也可用于高压系统。

附图说明

图1为有源串联补偿器通过特制互感器接入电网的单相原理电路结构示意图；

图2(a)和(b)分别为本发明提出的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图3(a)和(b)分别为本发明提出的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图4(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；

图5(a)和(b)分别为本发明提出的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图；

图6为特制互感器t型等效电路图；

其中，1为电网线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，4为母排，5为长方体铁芯。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于一种磁通可控的可调电抗器的原理，通过在铁芯带气隙的特制互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流，改变特制互感器的二次侧注入电流的大小便可实现互感器主磁通的连续可调，从而实现互感器一次侧阻抗的连续可调。与现有的可调电抗器相比，当互感器铁芯中带有气隙时，该磁通可控的可调电抗器没有饱和现象，不产生谐波并可以实现电抗值的无级可调。但是当该磁通可控的可调电抗器用作有源串联补偿器时，其一次侧需要串联接入电网中，需要电网停电并且断开电网线路，改变了电网本来的结构。

为了有源补偿器易于接入电网且不改变电网本来的结构，本发明提出了一种即插即用模块化有源串联补偿器。

本发明提供的单相有源串联补偿器包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至电流检测模块的输出端，逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。

电流检测模块包括：基波电流检测单元、反馈电流检测单元和加法器；基波电流检测单元的输入端连接至电网，反馈电流检测单元的输入端连接至所述互感器二次侧，加法器的第一输入端连接至基波电流检测单元的输出端，加法器的第二输入端连接至反馈电流检测单元的输出端，加法器用于将所述基波电流与所述反馈电流相加后输出所述参考电流信号。

逆变控制模块包括：逆变器、pwm控制驱动单元和lc滤波单元；pwm控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，逆变器的输入连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至所述pwm控制驱动单元的输出端，滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；pwm控制驱动单元用于根据所述参考电流信号产生用于控制逆变器中开关管导通的pwm波信号；逆变器在所述pwm波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

特制互感器的一次侧即为电网的电力线路，连接在电网和负载之间，二次侧连接到逆变控制模块的输出端。

基波电流检测模块包括：电流互感器和基波电流检测环节。在特制互感器的二次侧绕一匝线圈形成电流互感器，电流互感器的输出与基波电流检测环节的输入端连接，基波电流检测单元将从特制互感器一次侧电流中检测出基波电流信号作为单元输出信号，送入逆变控制模块的电流增益电路。

逆变控制模块将检测到的特制互感器一次侧基波电流乘以一增益系数后作为其指令电流，然后电力电子逆变器产生一个磁通补偿电流施加到特制互感器的二次侧，其输出的电流经过一个lc滤波电路后通过一个特制互感器单元接入系统。lc滤波电路用于抑制逆变器产生的高频纹波。

特制互感器单元用于将逆变器控制模块输出的控制电压通过互感器产生基波补偿电流接入到系统中。

直流母线电压ud的获取可以通过三种方式：(1)就地感应取电；(2)通过对逆变器的控制来控制有功功率流入逆变器，从而实现对ud的控制；(3)直接用蓄电池接入直流母线侧，通过对逆变器控制实现母线电压的恒定。

本发明的工作原理，通过基波电流检测单元(设该环节的增益为ku)检测出特制互感器的基波电流将作为电流发生电路的参考信号iref，通过电力电子逆变器产生一个电流源(该电流源可以用来表示，α为互感器一次侧电流的基波和二次侧电流的比例系数)。将经过特制互感器接入系统。通过调节α，便可改变特制互感器二次侧的磁势，因而改变了特制互感器铁芯中的主磁通，特制互感器的一次侧便会呈现无级可调阻抗。

为了更进一步的说明本发明提供的即插即用集成模块化有源串联补偿器，下面结合附图及具体实例详细具体地对有源串联补偿器原理和特制互感器进一步说明：

如图1所示，设在特制互感器铁芯上一次侧绕组ax的匝数为w1(在这里为1)，二次侧绕组ax的匝数为w2，则一次侧与二次侧的匝比k＝w1/w2。若将此特制互感器的一次侧ax串联接在电网和一个负载之间，则在其一次侧便有电流i1流过。通过检测特制互感器一次侧电流i1，并采用一个电压型逆变器跟踪此电流从而产生一个电流i2，将i2反相位注入特制互感器的二次侧。此特制互感器的t形等效电路如图6所示(i2折算到特制互感器一次侧后为i2′)，其中:z1＝r1+jx1是一次侧ax线圈的漏阻抗；z'2＝r2'+jx'2为特制互感器二次侧折算到一次侧的漏阻抗；zm＝rm+jxm为特制互感器励磁阻抗。

当特制互感器空载运行时，铁心中建立了的空载磁势，由此空载磁势产生的主磁通φmn，该主磁通在特制互感器一次侧产生的感生电动势而特制互感器一次侧电压方程为：若在特制互感器二次侧采用有源的方式注入电流i.2，其大小为：其中α为一实数，且0≤α≤1。则特制互感器铁芯中的总磁势为特制互感器铁芯中的主磁通为(1-α)φmn，该主磁通在特制互感器一次侧产生的感生电动势将式(4)代入式(2)得则从ax端看进去，特制互感器等效阻抗为：从式(5)可知，由ax端看进去，特制互感器呈现的阻抗为一可变量，其大小与α满足一定比例关系。因此通过调节α的大小，便可改变特制互感器二次侧的磁势，因而改变了特制互感器铁芯中的主磁通，特制互感器的一次侧便会呈现一无级可调阻抗。

由于基于基波磁通补偿的有源串联补偿器串联在线路中，接入线路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串联变压器。图2(a)和(b)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图3(a)和(b)为开口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图4(a)和(b)为适用于母排的闭口特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和母排示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图5(a)和(b)为适用于母排的开口特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和母排示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制。其中开口式特制互感器，可以以电流钳的方式接入电网，考虑到电流钳对本领域的技术人员来说众所周知，这里对原理图3(a)和(b)、5(a)和(b)中电流钳形式的具体结构不再赘述。由于特制互感器的一次侧仅有系统线路一匝，电感(其中w1为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，a为铁芯截面积，l为平均磁路长度)如果用普通铁芯，电网侧等效电感太小，所以将图示特制互感器的铁芯做成细长圆柱状或长方体状以减小磁路长度，增大铁芯截面积，从而增大电感l。若电感值仍不满足要求，可将多个即插即用补偿器串联接入电网。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。