电能优化及限流系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种电能优化及限流系统，包括：三个单相变压支路，每一个单相变压支路包括第一变压器、第二变压器、第一APF组、第二APF组、共享电容、第一电感、第二电感、第一选通开关、第二选通开关；其中，每一个APF组均包括两个与共享电容并联的IGBT桥臂，第一变压器的次级线圈与第一电感串联后的电路与第一选通开关并联在第一APF组中两个IGBT桥臂的中点之间，第二变压器的次级线圈与第二电感串联后的电路与第二选通开关并联在第二APF组中两个IGBT桥臂的中点之间；所述第一变压器的初级线圈串联在对应的单相高电压输电线中；所述第二变压器的初级线圈的一端接地，另一端连接对应的单相负载输电线。本实用新型提供的电能优化及限流系统可以具有较小的限流电抗。
【专利说明】电能优化及限流系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电力【技术领域】，尤其涉及一种电能优化及限流系统。
【背景技术】
[0002] 电能是现代工业社会的骨干能源，电能的质量和安全可靠性关系到工业产品质量 和科学实验正常进行，还是社会的经济发展和人民群众的生活质量的重要保障。近年来随 着电网规模的不断扩大和微电网的迅猛发展，系统的容量不断提高，势必导致电力系统短 路电流的不断增大，一旦短路故障发生不仅对电网和负荷造成严重影响，还会扩散到微网， 造成大量电气设备烧毁，甚至引发火灾，严重影响系统安全稳定运行。同时，电网中电力电 子装置和各种非线性负荷的不断增加，导致了系统中电压波动、电压电流谐波等电能质量 问题日益严重，严重影响电网的可靠稳定运行和负荷的正常运转。现有技术中引入了 DVR 对电网中的电压波动补偿，同时为了限制短路故障电流，现有技术中在串联变压器侧引入 限流支路用于限流。这样的方式存在以下缺点如下：不能抑制电压和电流谐波，限流电抗容 量大，造价高。 实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种能够使用具有较小容量限流电抗进行有效的限流 且能够抑制电压和电流谐波的系统。
[0004] -种电能优化及限流系统，包括三个单相变压支路，每一个单相变压支路包括第 一变压器、第二变压器、第一 APF组、第二APF组、共享电容、第一电感、第二电感、第一选通 开关、第二选通开关；其中，每一个APF组均包括两个与共享电容并联的IGBT桥臂，第一变 压器的次级线圈与第一电感串联后的电路与第一选通开关并联在第一 APF组中两个IGBT 桥臂的中点之间，第二变压器的次级线圈与第二电感串联后的电路与第二选通开关并联在 第二APF组中两个IGBT桥臂的中点之间；所述第一变压器的初级线圈串联在对应的单相高 电压输电线中；所述第二变压器的初级线圈的一端接地，另一端连接对应的单相负载输电 线。
[0005] 进一步的，还包括三个电流检测器和三个故障检测单元，每一个电流检测器用于 检测一个单相负载输电线的电流；每一个故障检测单元与一个电流检测器相连，并连接相 应单相变压支路中的第一选通开关和第二选通开关，用于根据电流检测器检测到的电流值 确定是否存在短路，并在检测到故障时控制所连接的第一选通开关和/或第二选通开关导 通。
[0006] 进一步的，所述故障检测单元还用于在检测到短路时，闭锁发生短路的单相变压 支路中的第一 APF组和/或第二APF组。
[0007] 进一步的，还包括：第一 APF组控制电路，所述第一 APF组控制电路包括三个电压 补偿电路；每一个电压补偿电路包括一个补偿电压计算单元、一个与门单元和一个闭锁单 元；补偿电压计算单元的输入端连接一个电流检测器，输出端连接与门的一个输入端，用于 计算相应相的补偿谐波电压和电压波动信号并输入到与门的输入端；与门的另一个输入端 连接相对应的闭锁单元，输出端连接对应的单相变压支路的第一 APF组的控制端；
[0008] 所述故障检测单元，用于在检测到短路时控制发生短路的单相变压支路中的各个 闭锁单元将对应的与门闭锁。
[0009] 进一步的，所述第一 APF组控制电路还包括一个驱动放大器，各个与门具体经过 所述驱动放大器连接到相应第一 APF组的控制端。
[0010] 进一步的，还包括第二APF组控制电路，所述第二APF组控制电路包括三个电流补 偿电路；每一个电流补偿电路包括一个补偿电流计算单元、一个与门单元和一个闭锁单元； 补偿电流计算单元的输入端连接一个电流检测器，输出端连接与门的一个输入端，用于计 算相应相的补偿谐波电流并输入到与门的输入端；与门的另一个输入端连接相对应的闭锁 单元，输出端连接对应的单相变压支路的第二APF组的控制端；
[0011] 所述故障检测单元，用于在检测到短路时控制发生短路的单相变压支路各个闭锁 单元将对应的与门闭锁。
[0012] 进一步的，所述第二APF组控制电路还包括一个驱动放大器，各个与门具体经过 所述驱动放大器连接到相应第二APF组的控制端。
[0013] 进一步的，所述故障检测单元进一步用于根据短路电流的大小确定短路等级，当 短路等级高于预设值时，将所述第一选通开关和第二选通开关导通，当短路等级低于预设 值时，将所述第一选通开关，并维持第二选通开关关闭。
[0014] 进一步的，所述故障检测单元在检测到单相对地短路时，维持各个选通开关关闭， 并维持各个与门处于非闭锁状态。
[0015] 本实用新型提供的电能优化及限流系统中，在每一个单相变压支路中的高压侧和 负载侧均设置一个选通开关，这样当线路发生故障需要进行较大幅度的限流时，可以将两 个选通开关均导通，使位于负载侧的电感与负载并联从而将短路电流接地，即使电能优化 及限流系统具有较小的阻抗，也能对线路中的短路电流进行有效分流。本实用新型提供的 电能优化及限流系统可以具有较小的限流电抗，组网成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本实用新型实施例提供的电能优化及限流系统的结构示意图；
[0017] 图2是本实用新型实施例提供的电能优化及限流系统中的第一 APF组控制电路的 结构示意图；
[0018] 图3是本实用新型实施例提供的电能优化及限流系统中的第二APF组控制电路的 结构示意图；
[0019] 图4是本实用新型实施例提供的电能优化及限流系统中的故障检测单元在不同 在检测到不同故障时的工作流程图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本 实用新型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实用 新型，并不用于限定本实用新型。
[0021] 本实用新型提供了一种电能优化及限流，如图1所示，该系统包括：三个单相变压 支路（假设为a相、b相和c相支路），每一个单相变压支路包括第一变压器T1、第二变压 器T2、第一 APF组APF1、第二APF组APF2、共享电容C、第一电感L1、第二电感L2、第一选通 开关S1、第二选通开关S2 ;其中，每一个APF组均包括两个与共享电容C并联的IGBT桥臂， 第一变压器T1的次级线圈与第一电感L1串联后的电路与第一选通开关S1并联在第一 APF 组中两个IGBT桥臂的中点之间，第二变压器T2的次级线圈与第二电感L2串联后的电路与 第二选通开关S2并联在第二APF组中两个IGBT桥臂的中点之间；所述第一变压器T1的初 级线圈串联在对应的单相高电压输电线中；所述第二变压器S2的初级线圈的一端接地，另 一端连接对应的单相负载输电线。
[0022] 在具体实施时，各个单相高电压输电线的电压为10KV。三个第二APF组通过相应 的共享电容为对应的第一 APF组和自身逆变输出供给能量，各个选通开关可以具体为晶闸 管限流支路，位于高压侧的晶闸管限流支路为主限流支路，位于负载侧的晶闸管限流支路 为次限流支路，次限流支路导通时可以将L2通过变压器T2连接在电网和大地之间进行分 流。
[0023] 第二APF组不仅对共用共享电容充能，还为第一 APF组供给能量，同时自身逆变输 出电流抑制线路谐波电流；每一个第一 APF组通过检测对应单相支路的相电压实现对各相 的电压谐波及波动进行补偿，使相电压稳定在期望的值；主限流支路，用于短路第一 APF组 的输出电感L1，当短路故障发生时相当于在输电线串入电感抑制短路电流；次限流支路， 通过短路第二APF组的输出滤波电感L2,实现电感L2接地并与负荷并联以实现分流，将负 荷电流控制在合理范围内。
[0024] 本实用新型提供的电能优化及限流系统中，在每一个单相变压支路中的高压侧和 负载侧均设置一个选通开关，这样当线路发生故障需要进行较大幅度的限流时，可以将两 个选通开关均导通使位于负载侧的电感与负载并联从而将短路电流接地。本实用新型提供 的电能优化及限流系统可以具有较小的阻抗。
[0025] 在具体实施时，上述的电能优化及限流系统还应包含对第一 APF组进行控制的第 一 APF组控制电路、对第二APF组进行控制的第二APF组控制电路、以及对主限流支路和次 限流支路进行控制的功能电路。
[0026] 在一种可选的实施例中，这里的功能电路还可以包括图中未示出的：三个电流检 测器和三个故障检测单元，
[0027] 其中每一个电流检测器用于检测一个单相负载输电线的电流；每一个故障检测单 元与一个电流检测器相连，并连接相应单相变压支路中的第一选通开关和第二选通开关， 用于根据电流检测器检测到的电流值确定是否存在短路，并在检测到短路时控制所连接的 第一选通开关和/或第二选通开关导通。
[0028] 进一步的，在本实用新型提供的另一可选实施例中，故障检测单元还用于在检测 到故障时，闭锁发生短路的单相变压支路中的第一 APF组和/或第二APF组。
[0029] 作为一种可选的方式，当所述故障检测单元还用于对第一 APF组进行控制时，本 实用新型提供的电能优化及限流系统中的第一 APF组控制电路的结构示意图可以如图2所 示，包括：第一 APF组控制电路，所述第一 APF组控制电路包括三个电压补偿电路；每一个 电压补偿电路包括一个电压计算单元、一个与门单元和一个闭锁单元，电压计算单元的输 入端连接一个电流检测器，电压计算单元的输出端连接与门的一个输入端，用于计算相应 相的补偿谐波电压和电压波动信号并输入到与门的输入端；与门的另一个输入端连接相对 应的闭锁单元，输出端连接对应的单相变压支路的第一 APF组的控制端；
[0030] 所述故障检测单元，用于根据检测的故障控制发生短路的单相变压支路中的各个 闭锁单元将对应的与门闭锁。
[0031] 通过这种方式，能够实现对短路的单相变压支路的第一 APF组的自动闭锁。
[0032] 其中每一个补偿电压计算单元包括用于实现如下步骤的各个功能模块：
[0033] 锁相获取与对应单相支路中的电压同频同相的正弦量sin，并依据负载侧电压幅 值的要求，将两者相乘得到负载期望的电压uM、uA、，与实际电源供给电压相减即得出三 单相串联APF输出的补偿电压，其差值乘以1/k后与三单相串联APF组的实际输出的二次 侧补偿电压做差，经过PI调节器后进行三角波调制，调制后得到的信号连接到与门的输入 端。
[0034] 补偿电压计算单元的具体结构还可以参考现有技术，本实用新型中对补偿电压计 算单元的具体结构并不做限制，只要能够计算出计算相应单相变压支路中对应的补偿谐波 电压和电压波动信号，相应的技术方案均应该落入本实用新型的保护范围。
[0035] 优选的，所述第一 APF组控制电路还包括一个驱动放大器，各个与门具体经过所 述驱动放大器连接到相应第一 APF组的控制端。这样，可以将与门输出的信号（与门仅在 故障检测信号输出补偿电压信号）驱动放大。
[0036] 作为一种可选的方式，当所述故障检测单元还用于对第二APF组进行控制时，本 实用新型提供的电能优化及限流系统中的第二APF组控制电路的结构示意图可以如图3所 示，包括：
[0037] 三个电流补偿电路；每一个电流补偿电路包括一个补偿电流计算单元、一个与门 单元和一个闭锁单元，补偿电流计算单元的输入端连接一个电流检测器，补偿电流计算单 元的输出端连接与门的一个输入端，用于计算相应相的补偿谐波电流并输入到与门的输入 端；与门的另一个输入端连接相对应的闭锁单元，输出端连接对应的单相变压支路的第二 APF组的控制端；
[0038] 所述闭锁单元，用于根据检测的故障控制发生短路的单相变压支路中的各个闭锁 单元将对应的与门闭锁。
[0039] 所述第二APF组控制电路还包括一个驱动放大器，各个与门具体经过该驱动放大 器连接到相应第二APF组的控制端。
[0040] 其中每一个补偿电压计算单元包括用于实现如下步骤的各个功能模块：
[0041] 通过锁相获得与a相电网电压同频同相位的正弦信号sin(wt)和对应的余弦信号 cos (wt)，将单相负载电流1/4/%。乘以C 32、CM得到i p、，经LPF滤波器得到直流分量 ff ,并将直流侧电容实际电压U。和给定值U 作差，将PI调节器得的A i p叠加到&， 然后将直流分量f + A/#、f依次乘以CM、C32得到三相负载电流基波分量i laf、ilbf、ilrf，用三 相负载电流ila、ilb、L。分别减去三相负载电流基波分量i laf、ilbf、ilrf得三相谐波电流i lah、 ilbh、ileh，其值乘以1/k后与三单相并联APF实际输出的二次侧补偿电流做差，经过PI调节 器后进行三角波调制，调制后的信号连接到与门的输入端。
[0042] 如图4所示，为本实用新型实施例提供的电能优化及限流系统中故障检测模块在 不同类型的电网短路故障下的限流控制过程。当系统发生单相对地短路时，故障检测单元 维持当前的输出状态，即不对各个APF组进行闭锁，也不导通各个选通开关。
[0043] 当系统发生相间短路或相间接地短路时，故障检测模块检测到短路电流，此时输 出对应的电平信号，控制相应的闭锁模块使故障的单相变压支路中的第一 APF组控制电路 和第二APF组控制电路的与门不输出补偿电压，完成对故障的单相变压支路中的第一 APF 组和第二APF组的（工作脉冲的）封锁，之后，将故障的单相变压支路的主限流支路导通， 则故障的单相变压支路的第一电感L1被等效为第一变压器T1的限流电抗进行限流，同时 保持非故障的单相变压支路中的第一 APF组和第二APF组对线路的谐波电压电流正常补 偿，如果此时限流效果不能满足要求，将故障的单相变压支路的次限流支路导通，则故障的 单相变压支路中的第二电感L2被等效为线路的限流电抗与负载形成并联，进行分流限流。 当系统发生三相短路或三相对地短路时，装置检测到三相短路电流后，封锁所有第一 APF 组和第二APF组的工作脉冲，延时后，控制各个单相变压支路中的主限流支路都导通，则各 个第一电感L1都通过第一变压器T1等效到初级线圈侧作为限流电抗进行限流，然后判断 限流效果，不满足要求，则将各个单相变压支路中的次限流支路导通，则各个第二电感L2 被等效到第二变压器T2的初级线圈侧作为线路的限流电抗与负载形成并联，进行分流限 流。
[0044] 本实用新型可选的实施例提供的电能优化及限流系统可工作在对线路谐波电压 电流及电压波动抑制的电能质量控制模式，并能实现限流模式和电能质量控制模式自动切 换。
[0045] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本 实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型 的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种电能优化及限流系统，其特征在于，包括三个单相变压支路，每一个单相变压支 路包括第一变压器、第二变压器、第一 APF组、第二APF组、共享电容、第一电感、第二电感、 第一选通开关、第二选通开关；其中，每一个APF组均包括两个与共享电容并联的IGBT桥 臂，第一变压器的次级线圈与第一电感串联后的电路与第一选通开关并联在第一 APF组中 两个IGBT桥臂的中点之间，第二变压器的次级线圈与第二电感串联后的电路与第二选通 开关并联在第二APF组中两个IGBT桥臂的中点之间；所述第一变压器的初级线圈串联在对 应的单相高电压输电线中；所述第二变压器的初级线圈的一端接地，另一端连接对应的单 相负载输电线。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括三个电流检测器和三个故障检测单 元，每一个电流检测器用于检测一个单相负载输电线的电流；每一个故障检测单元与一个 电流检测器相连，并连接相应单相变压支路中的第一选通开关和第二选通开关，用于根据 电流检测器检测到的电流值确定是否存在短路，并在检测到故障时控制所连接的第一选通 开关和/或第二选通开关导通。
3. 如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述故障检测单元还用于在检测到短路时， 闭锁发生短路的单相变压支路中的第一 APF组和/或第二APF组。
4. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：第一 APF组控制电路，所述第一 APF 组控制电路包括三个电压补偿电路；每一个电压补偿电路包括一个补偿电压计算单元、一 个与门单元和一个闭锁单元；补偿电压计算单元的输入端连接一个电流检测器，输出端连 接与门的一个输入端，用于计算相应相的补偿谐波电压和电压波动信号并输入到与门的输 入端；与门的另一个输入端连接相对应的闭锁单元，输出端连接对应的单相变压支路的第 一 APF组的控制端； 所述故障检测单元，用于在检测到短路时控制发生短路的单相变压支路中的各个闭锁 单元将对应的与门闭锁。
5. 如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一 APF组控制电路还包括一个驱动放 大器，各个与门具体经过所述驱动放大器连接到相应第一 APF组的控制端。
6. 如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括第二APF组控制电路，所述第二APF 组控制电路包括三个电流补偿电路；每一个电流补偿电路包括一个补偿电流计算单元、一 个与门单元和一个闭锁单元；补偿电流计算单元的输入端连接一个电流检测器，输出端连 接与门的一个输入端，用于计算相应相的补偿谐波电流并输入到与门的输入端；与门的另 一个输入端连接相对应的闭锁单元，输出端连接对应的单相变压支路的第二APF组的控制 端； 所述故障检测单元，用于在检测到短路时控制发生短路的单相变压支路各个闭锁单元 将对应的与门闭锁。
7. 如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二APF组控制电路还包括一个驱动放 大器，各个与门具体经过所述驱动放大器连接到相应第二APF组的控制端。
8. 如权利要求2所述系统，其特征在于，所述故障检测单元进一步用于根据短路电流 的大小确定短路等级，当短路等级高于预设值时，将所述第一选通开关和第二选通开关导 通，当短路等级低于预设值时，将所述第一选通开关，并维持第二选通开关关闭。
9. 如权利要求2-8任一项所述的系统，其特征在于，所述故障检测单元在检测到单相 对地短路时，维持各个选通开关关闭，并维持各个与门处于非闭锁状态。
【文档编号】H02J3/01GK204258284SQ201420645598
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】涂春鸣, 邹福筱, 帅智康, 盘宏斌, 姜飞, 庄士成, 杨健 申请人:湖南大学