具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器的制作方法

本发明属于电能质量控制器领域，更具体地，涉及一种具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器。

背景技术：

作为现代社会的主要能源，电能在各行各业中有着广泛的应用。电能质量的优劣关系到国民经济的总体效益。随着大电网中非线性负荷和冲击性负荷的增加，如电气化铁路、电弧炉及大型整流设备的增加，以及具有非线性和多样性等特点的电力电子装置的广泛应用，使得大电网中的电能质量日益恶化。近年来，为了解决环境保护和能源短缺的双重压力，分布式发电得到较大的发展，而微网是分布式发电无缝接入大电网的关键环节。微网运行方式灵活，能够提高用户的供电可靠性和分布式能源的利用率，减少对大电网冲击，具有良好的经济和社会效益。但由于微网在电源、负荷、能源转换单元、储能和运行状态等方面的多样性，分布式电源的间歇性和随机性，大电网和微网之间的高渗透率，微网的电能质量问题比传统大电网的电能质量问题要严重得多。因此，大电网和微网的电能质量问题已经成为现代电力系统发展的重要瓶颈之一。

一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平对用户供电，并且在电能传递和转换过程中，电源电压波形应该始终保持正弦波，对其它负荷不产生干扰，供电线路产生的损耗最小，提供最大的电能给用户。但是，由于各种原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备和用电中的各种各样的问题，也就产生了电能质量。目前，世界各国对电能质量的定义不完全相同，总的来说电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性三个方面。电能质量问题归纳起来主要包括四个方面：电压波动和闪变、谐波污染和电压三相不平衡、电压降低以及供电中断。

作为用户电力技术的最新趋势和关键设备，能够实现多重电能质量调节功能的有源串联型电能质量控制器成为该领域研究的热点。有源串联型电能质量控制器是从串联型有源电力滤波器理论发展而来的，具有谐波隔离、无功补偿、潮流控制、电压调节、故障限流、软启动等多种电能质量治理功能。

然而，现有的有源串联型电能质量控制器必须要串接在电网当中，这需要对大电网或微网的结构进行重新设计，对需要加装有源串联型电能质量控制器的电网线路需要断电装设，且有源串联型电能质量控制器一旦发生故障，要进行维护和检修都必须要断开电网线路，这无疑不利于电网供电，不符合电网发展长期稳定的需求。因此，研制可以实现即插即用的有源串联型电能质量控制器已成为治理电网电能质量的研究重点。

即插即用的有源串联型电能质量控制器能够很好地接入到传统大电网和微网之间，在不改变现有电网结构的基础上可以很方便地进行装设、维护和检修。一旦发生故障，可以立即拆除即插即用的有源串联型电能质量控制器，不影响电网正常运行。然而即插即用的有源串联型电能质量控制器大多使用特制互感器作为设备的基础，为实现即插即用，特制互感器的一次侧只有电网电缆这一匝线路，可获得的磁通密度很低且漏磁很大，磁通传递效率极低，这导致即插即用的有源串联型电能质量控制器的等效阻抗调节范围很小。为了增大即插即用的有源串联型电能质量控制器的等效阻抗调节范围，采用增加特制互感器长度的方法又会使得设备长度变长、体积变大、成本增加，难以挂网运行。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器，其目的在于，通过空心柱状铁芯作为特制互感器的铁芯，可以简化接入构造，直接将电网电缆或母排穿过铁芯即可将控制器接入电网，解决常规的有源串联型电能质量控制器在装设、维护、检修和拆除等方面存在的困难，实现有源串联型电能质量控制器的即插即用，并利用高磁导率导磁材料的特性制作铁芯提高磁通传递效率，在不增加设备体积的条件下实现即插即用有源串联型电能质量控制器的一次侧等效阻抗在宽范围内连续可调，可以在电网中完成多种电能质量治理的功能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器，包括：检测控制模块、pwm驱动控制模块、逆变器模块、特制互感器模块和无源滤波器模块；

检测控制模块的输出端与pwm驱动控制模块的输入端连接；pwm驱动控制模块的输出端与逆变器模块的输入端连接；逆变器模块的输出端和特制互感器模块的二次侧绕组连接；

特制互感器模块包括三个特制互感器，各特制互感器的一次侧分别串联在接入的传统大电网或微网与负载或并网点之间的各相线路中；各特制互感器的铁芯均为空心柱状构造，将大电网或微网的各相电缆或母排的一部分直接穿过铁芯作为一次侧绕组；铁芯的材料为在基频时相对磁导率超过100的导磁材料，设z1为特制互感器的一次侧的漏抗，zm为特制互感器的励磁阻抗，z2′为特制互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗，当zm远大于z1和z2′时，一次侧等效阻抗zax在宽范围内连续可调，近似为：

zax≈α(5)

其中，α为复数控制参数，通过调节复数控制参数α实现电能质量的各种治理功能。

无源滤波器模块包括两个无源滤波器，一个并联在靠近传统大电网或微网的一侧，另一个并联在靠近负载或并网点的一侧；各特制互感器一次侧的串接点位于两个无源滤波器的并接点之间；

检测控制模块用于检测电网的电流，据此产生控制信号送入pwm驱动控制模块；pwm驱动控制模块用于产生驱动信号驱动逆变器模块工作；逆变器模块用于根据驱动信号产生与检测到的电网电流成比例的电压，并经滤波后施加到各特制互感器的二次侧绕组两端。

进一步地，铁芯材料为硅钢片、高导磁镍铁合金、非晶软磁合金或薄膜合金。

进一步地，zm与z1或z2′的比值大于100。

进一步地，通过调节复数控制参数α实现的电能质量治理包括谐波隔离、无功补偿、潮流控制、电压调节、故障限流和/或软启动。

进一步地，谐波隔离方法如下：

当传统大电网或微网与负载(或并网点)含有谐波时，由叠加定理，将式(5)表示为：

其中，一次侧等效阻抗zax被分解为一次侧基波等效阻抗和一次侧n次谐波等效阻抗复数控制参数α被分解为基波复数控制参数α⁽¹⁾和n次谐波复数控制参数α⁽ⁿ⁾；

检测控制模块对基波和谐波分别进行检测和控制：对于基波，设置基波复数控制参数α⁽¹⁾≈0，则互感器一次侧的基波等效阻抗约为0，特制互感器对电网的正常工作没有任何影响；对于n次谐波，设置n次谐波复数控制参数α⁽ⁿ⁾的值，使互感器一次侧对n次谐波呈现为大阻抗迫使谐波电流流入无源滤波器模块，实现谐波隔离；

进一步地，无功补偿的方法如下：

根据式(5)，令α＝r+jx，r、x均为实数，j为虚数单位，则α＝r+jx可以等效为正电阻、负电阻、电感或电容，根据电网无功功率的需要，令r＝0，通过调节x的值，相当于在电网线路中串联无功功率器件，起到无功补偿的作用；

进一步地，潮流控制的方法如下：

调节复数控制参数α的幅值大小，便可调节特制互感器一次侧的等效阻抗zax，进而改变接入线路的等效阻抗，从而改变电网有功功率和无功功率的分布，起到控制电网潮流分布的作用；

进一步地，电压调节的方法如下：

电网中出现的低电压问题和电压波动多由电网无功功率不足或潮流分布不均造成，因此对电网的电压进行调节可归类为无功补偿和潮流控制的问题。通过上述分析，已说明本发明可以起到电压调节的作用。

进一步地，故障限流和软启动的方法如下：

在电网正常工作时，令α＝0，有源串联型电能质量控制器不会影响电网正常工作，当电网故障或电网需要软启动时，增大α的值，从而将故障电流或启动电流限制到电网可以承受的水平，起到故障限流和软启动的作用。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)采用空心柱状特制铁芯，直接将电网电缆或母排穿过铁芯即可正常使用，能够实现即插即用，在不干涉电网正常运行的条件下方便装设、维护、检修和拆除。

(2)利用高磁导率导磁材料的特性提高磁通传递效率，在不增加设备体积的条件下实现即插即用有源串联型电能质量控制器一次侧等效阻抗在宽范围内连续可调。

(3)本发明根据串联型有源电力滤波器的拓扑结构，通过改变内部控制策略，能够同时实现谐波隔离、无功补偿、潮流控制、电压调节、故障限流、软启动等电能质量治理功能。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中本发明接入电网系统的结构原理图；

图2是本发明较佳实施例中特制互感器t型等效电路图；

图3(a)和3(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，3(a)为闭口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，3(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图4(a)和4(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，4(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，4(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图5(a)和5(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，5(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；5(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；

图6(a)和6(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，6(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；6(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图；

图7是本发明较佳实施例中特制互感器铁芯的b-i曲线图；

图8(a)-8(c)分别为本发明提出的闭口柱状铁芯特制互感器示意图；其中，8(a)为闭口空心柱状铁芯特制互感器的3d模型示意图；8(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器的正视图，8(c)为闭口空心柱状铁芯特制互感器的侧视图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器是针对常规的有源串联型电能质量控制器在装设、维护、检修和拆除等方面存在困难，且无法在不增加设备体积的条件下实现即插即用设备的一次侧等效阻抗在宽范围内连续可调等诸多缺陷来进行改进设计的。

首先对本发明提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器的基本工作原理进行说明。图1为即插即用有源串联型电能质量控制器接入电网系统的结构原理图。即插即用有源串联型电能质量控制器串联于传统大电网(或微网)与负载(或并网点)之间。本发明提出的具有高导磁材料的即插即用多功能电能质量控制器包括：检测控制模块、pwm驱动控制模块、逆变器模块、特制互感器模块和无源滤波器模块；检测控制模块检测电网的电流ig，通过控制算法产生控制信号送入pwm驱动控制模块；pwm驱动控制模块产生驱动信号用来驱动逆变器模块工作；逆变器模块包括lc滤波电路和电压源逆变器，lc滤波电路由电容和电感构成，和电压源逆变器连接，用于滤除电压源逆变器开关频率周围的谐波；逆变器模块和特制互感器模块的二次侧ax连接，逆变器模块接收到pwm驱动控制模块的驱动信号后产生与检测到的电网电流成比例的电压经滤波后施加到特制互感器模块的二次侧两端；特制互感器模块的一次侧ax串联在接入的传统大电网(或微网)与负载(或并网点)之间，其一次侧即为电网电缆或母排的一部分，可以等效为一个阻抗值四象限连续可调的阻抗；无源滤波器模块分为两部分，一部分并联在靠近传统大电网(或微网)的一侧，用来阻止电网的谐波流入负载(或并网点)，另一部分并联在靠近负载(或并网点)的一侧，用来阻止负载(或并网点)产生的谐波流入传统大电网(或微网)中。

图2为特制互感器的t型等效电路图。由图2可得特制互感器电压方程的相量表达式：

u1＝i1z1+(i1+i′2)zm(1)

-u′2＝i′2z′2+(i1+i′2)zm(2)

u1为特制互感器一次侧两端的电压；u′2为特制互感器二次侧绕组两端的电压等效到特制互感器一次侧的电压；i1为特制互感器一次侧电流，在本例中特制互感器一次侧电流即为电网电流ig，下同；i2′为特制互感器二次侧绕组电流等效到特制互感器一次侧的电流，z1为特制互感器的一次侧漏抗，zm为特制互感器的励磁阻抗；z′2为特制互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗。

设特制互感器一次侧的电流i1通过检测控制模块、pwm驱动控制模块、逆变器模块后产生二次侧绕组两端的电压等效到一次侧两端的电压u′2为

u′2＝αi1(3)

其中α为复数控制参数，α可表示为α＝r+jx，r和x为实数，j为虚数符号。逆变器模块中的电压源型逆变器用于将ud提供的直流信号转变成与i1同频率交流电压信号u2并加载至所述特制互感器二次侧绕组两端。逆变器直流侧电压ud有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力系统感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。

联立公式(1)-(3)，求得特制互感器一次侧的等效阻抗zax为：

z1为特制互感器的一次侧的漏抗；zm为特制互感器的励磁阻抗；u1为特制互感器一次侧两端的电压，i1为特制互感器一次侧的电流即电网电流，z′2为特制互感器二次侧漏抗等效到一次侧的漏抗。当zm远大于z1和z′2(zm与z1或z′2的比值大于100)时，可将上述一次侧等效阻抗近似为

zax≈α(5)

其中α为复数控制参数，α可设置为α＝r+jx，r和x皆为实数，此时一次侧等效阻抗zax可表现为一个阻抗值四象限连续可调的阻抗。利用有源串联型电能质量控制器的这一性质，在将其串联接入电网中后，可以通过调节复数控制参数α实现电能质量的综合治理。

有源串联型电能质量控制器实现多种电能质量治理功能的方法说明如下：

(1)谐波隔离

当传统大电网(或微网)与负载(或并网点)含有谐波时，可以通过叠加原理对基波和谐波分别进行分析和设计。由叠加定理，式(5)可表示为：

其中，一次侧等效阻抗zax被分解为一次侧基波等效阻抗和一次侧n次谐波等效阻抗复数控制参数α被分解为基波复数控制参数α⁽¹⁾和n次谐波复数控制参数α⁽ⁿ⁾。整个检测控制模块都根据叠加原理、通过算法对基波和谐波分别进行检测和控制：对于基波，设置基波复数控制参数α⁽¹⁾≈0，则互感器一次侧的基波等效阻抗约为0，互感器对系统的正常工作没有任何影响；对于n次谐波，合理设置n次谐波复数控制参数α⁽ⁿ⁾的值，使互感器一次侧对n次谐波呈现为大阻抗谐波电流将被迫流入无源滤波器模块，起到谐波隔离的作用。

(2)无功补偿

在电网的运行过程中，有时会出现负载所需的无功功率超过发电机输出无功功率能力的情况。无功补偿，全称无功功率补偿，是一种在电力供电系统中起提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率和电能质量，改善供电环境的技术。由式(5)可知，有源串联型电能质量控制器可表现为一个阻抗值四象限连续可调的阻抗，即α＝r+jx可以等效为正电阻、负电阻、电感和电容。根据电网无功功率的需要，令r＝0，合理设置x的值，即相当于在电网线路中串联无功功率器件，起到无功补偿的作用。

(3)潮流控制

电网中的潮流分布即有功功率和无功功率的分布与电网线路的阻抗密切相关。将互感器的一次侧串联接入电网中，互感器一次侧呈现为一个可调阻抗。因此，调节复数控制参数α的大小，便可调节互感器一次侧的等效阻抗zax，进而改变线路等效阻抗，从而改变电网有功功率和无功功率的分布，起到控制电网潮流分布的作用。

(4)电压调节

电网中出现的低电压问题和电压波动多由系统无功功率不足或潮流分布不均造成，因此对电网的电压进行调节可归类为无功补偿和潮流控制的问题。通过上述分析，已说明本发明可以起到电压调节的作用。

(5)故障限流和软启动

在电网正常工作时，需要保证有源串联型电能质量控制器等效阻抗为0，对系统的正常工作没有任何影响。当故障状态发生或系统软启动时，需要迅速增大等效阻抗的值，将大电流限制下来。根据这一要求，在电网正常工作时，令α＝0，有源串联型电能质量控制器不会影响系统正常工作。当检测到故障状态或系统需要软启动时，增大α的值，可以将故障电流或启动电流限制到系统可以承受的水平，起到故障限流和软启动的作用。

接下来对本发明提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器的结构、形状进行说明。

本发明提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器的特制互感器模块包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中一次侧绕组即为电网电缆或母排的一部分，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变器模块的输出端连接。特制互感器的铁芯根据安装处母线的情况可以设计成圆柱形或长方体形，根据安装需要可以把铁芯设计成开口形或闭口形，分别如图3～图6所示。这样，特制互感器的一次侧即为电网电缆或者母排，为1匝，不需要进行设计，只需根据使用要求对其二次侧绕组匝数进行设计即可。

采用闭口电流互感器式或者开口互感器式的接入方式，配合不同的模块集成方式实现不同方式的即插即用，可以适用于不同的场景。例如，对于允许长期或需要频繁接入补偿电路的场景，采用闭口式设计直接在电网例行维护或初装时将空心柱状铁芯穿在母排上即可，以后随时可以使用；对于不便于长期或无需频繁接入补偿电路的场景，可以将特制互感器制成闭口式的独立模块预置在电网母排上，而在需要电压补偿时直接插接电压补偿器的其他模块进行使用；或者直接使用开口式设计，需要的时候直接将铁芯打开，将母排置入，再闭合即可将电压补偿器串联进电网正常使用；对于需要经常补偿不同电网的用户，还可以将开口式设计的特制互感器也作为独立模块，则极大地方便了用户根据不同电网随时更换不同的特制互感器。

接下来对本发明提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器的使用材料进行说明。

根据上述分析，要实现即插即用有源串联型电能质量控制器的多种电能质量治理功能，如谐波隔离、无功补偿、潮流控制、电压调节、故障限流、软启动等功能，即插即用有源串联型电能质量控制器的一次侧等效阻抗必须在宽范围内可调。式(4)为特制互感器一次侧等效阻抗的完整表达式，下面证明式(4)的等效阻抗能够满足在宽范围内可调的条件为：zm远大于z1和z′2，即式(4)可以简化为式(5)。

设zm＝kz1＝kz′2，k为实倍数，则式(4)可以简化为：

由式(6)可知：在参数α不变的情况下，zax为k的单调递增函数，当k＝0时，zax≈0；当k→∞时，zax≈α；所以为了保证在相同的设备容量下能够获得最大的调节范围，必须满足条件k→∞，即zm远大于z1和z′2(一般zm与z1或z′2的比值大于100)，此时式(4)可以简化为式(5)。

为了实现有源串联型电能质量控制器的即插即用，特制互感器模块的一次侧只能为接入电网的电网电缆或母排，绕组匝数只有1匝。图7为特制互感器铁芯的b-i曲线图，其中曲线斜率与励磁阻抗zm成正比。由图7可知：绕组匝数n越小，励磁阻抗zm越小。当特制互感器模块的一次侧绕组匝数仅有1匝时，可获得的磁通密度很低且漏磁很大，即励磁阻抗zm很小且漏抗z1和z′2增大，磁通传递效率极低，无法满足zm远大于z1和z′2的条件。这导致即插即用的有源串联型电能质量控制器的等效阻抗调节范围变得很小。

以图8(a)～8(c)所示闭口柱状铁芯特制互感器为例分析增大等效阻抗调节范围的方法，其中r1为铁芯内径，r2为铁芯外径，x1为铁芯轴向长度。根据带铁芯电感的计算公式，可得闭口柱状铁芯特制互感器等效励磁电感为：

其中，n为绕组匝数，n＝1；μ0为真空磁导率，μ0＝4π×10^-7；μr为铁芯材料的相对磁导率；π为圆周率。而励磁电感与励磁阻抗之间的关系为zm＝ωlm＝2πflm，其中f为基波频率。

通常r1和r2根据电网电缆的直径和电网的设备设计标准取为定值，不可改变。因此要通过增大等效励磁阻抗zm来满足zm远大于z1和z′2的条件，只有通过增加特制互感器的铁芯轴向长度x1或选用更高磁导率的导磁材料才能实现。但是在传统大电网的高负载情况下，增加特制互感器的铁芯轴向长度x1的方法所需的x1值过大，设备体积和重量过大，挂网和维护困难，难以实际挂网运行。因此本发明选用高磁导率的导磁材料作为即插即用有源串联型电能质量控制器中特制互感器的铁芯材料。

高磁导率的导磁材料作为铁芯，将极大地提高磁通传递效率，一方面可以增大等效励磁阻抗zm，另一方面可以减小漏抗z1和z′2，使得zm远大于z1和z′2的条件可以更加充分地满足，实现即插即用的有源串联型电能质量控制器的等效阻抗在宽范围内连续可调。

以下为各种材料的相对磁导率μr的典型值：

1)铸铁：200-400；

2)镍铁合金：2000-6000；

3)硅钢片：6000-12000；

4)锰锌铁氧体：10000-15000；

5)高导磁镍铁合金(坡莫合金)：18000-180000；

6)非晶软磁合金：30000-400000；

常用的特制互感器铁芯材料为硅钢片，其相对磁导率的典型值约为8000；若采用高磁导率的导磁材料如高导磁镍铁合金(坡莫合金)、非晶软磁合金等，可使zm的值增大20倍左右，同时可以极大地减小z1和z′2的值，足以满足zm远大于z1和z′2的需求。因此本发明提出的具有高导磁材料的即插即用有源串联型电能质量控制器可以在不增加设备体积的条件下实现一次侧等效阻抗在宽范围内连续可调。

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。