一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置的制作方法
【技术领域】
本实用新型涉及电能质量治理技术领域，尤其涉及一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置。
背景技术：
随着大量的非线性设备接入电网，将更多的谐波、无功、负序零序等引入电网中，导致电能质量下降，严重危害到电网及用电设备的稳定运行。因此，为解决当前日益严重的电能质量问题，响应节能降耗和实现智能电网目标，电能质量治理装置的研发应用具有非常重要的现实意义。目前，治理电能质量的装置主要包括有源电力滤波器、静止无功发生器等，这些装置均是独立治理某一方面的电能质量问题，不能全面治理谐波、无功、负序零序等问题，且现有的电能质量治理装置，普遍存在不成熟模块化，谱系化，且操作复杂、维护困难、体积大、造价高等问题。
因此，有必要研究一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本实用新型提供了一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置，能够全面综合治理电能质量问题，电路设计模块化，易于故障定位和维修、安全性高。
一方面，本实用新型提供一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置，其特征在于，所述综合治理装置包括进线单元、lcl滤波单元、软启动单元、整流逆变单元、直压储能单元、采样单元、控制单元、驱动单元、控制电源单元和智能风冷单元；
所述进线单元、所述lcl滤波单元连接、所述软启动单元、所述整流逆变单元、所述直压储能单元依次连接；所述进线单元与低压电网连接；
所述采样单元分别与所述控制单元、所述整流逆变单元、低压电网的负载以及所述进线单元连接；所述控制单元分别与所述控制电源单元和所述智能风冷单元连接，且所述控制单元通过所述驱动单元与所述整流逆变单元连接；所述直压储能单元与所述控制电源单元连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述进线单元是a/b/c/n三相四线制结构，且a/b/c三相上分别设有熔断器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述lcl滤波单元在a/b/c三相上分别设有一路滤波电路，三路所述滤波电路结构相同；所述滤波电路包括串接的网侧电感l1和连接电感l2，所述网侧电感l1与所述进线单元连接，所述连接电感l2与所述软启动单元连接；所述网侧电感l1和所述连接电感l2的连接点与n相之间串接cbb电容c1。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述网侧电感l1与n相之间串接cbb电容c。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述软启动单元包括分别串接在b/c两相上的软启电阻r、分别与软启电阻r并联的开关k和串接在a相上的开关k。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述整流逆变单元采用三相四线制的三桥臂结构；所述三桥臂结构为a/b/c三相各有一个桥臂，每个桥臂独立控制，且三个桥臂结构相同；每个桥臂均包括由四个igbt管及其续流二极管串联而成的具有三电平中点箝位功能的igbt模块。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述直压储能单元包括两组并联的储能电容和均压电阻；所述储能电容采用上下串联结构；所述上下串联结构包括第一部分和第二部分，所述第一部分和所述第二部分均包括17个并联的电容；所述第一部分和所述第二部分的对应的电容之间串联；所述均压电阻包括第一均压电阻和第二均压电阻；所述第一均压电阻与所述第一部分的电容并联；所述第二均压电阻与所述第二部分的电容并联。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述控制电源单元的输入电压为420～800v，输出电压为24v。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述采样单元包括用于采集负荷电流的第一互感器、用于采集装置输出电流的第二互感器、用于采集c相相对于n相电压的电网电压采集电路和用于采集储能电容上侧相对于储能电容中点的储能电容电压采集电路；所述第一互感器、所述第二互感器、所述电网电压采集电路和所述储能电容电压采集电路分别与所述控制单元连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述智能风冷单元包括控制mos管q1和若干风机，所述控制mos管q1的第1pin串接一个电阻后与所述控制单元连接；所述控制mos管q1的第3pin和第4pin之间串接电机网络，所述电机网络为若干台电机的并联网络；所述控制mos管q1的第3pin接地，所述控制mos管q1的第4pin串接电阻和稳压管的并联网络后与直流电源连接。
与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：能够实现电能质量问题全方面治理，同时解决了现有装置体积大、成本高的现状，实现了产品模块化、操作维护简单化。
当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本实用新型一个实施例提供的电能质量综合治理装置的原理框图；
图2是本实用新型一个实施例提供的带阻容负载的单相二极管桥式整流电路示意图；
图3是本实用新型一个实施例提供的整流逆变单元单相桥臂(igbt模块)电气结构图；
图4是本实用新型一个实施例提供的电能质量综合治理装置的电气连接图；
图5是本实用新型一个实施例提供的直压储能单元电气示意图；
图6是本实用新型一个实施例提供的控制电源单元系统框图；
图7是本实用新型一个实施例提供的采样单元电阻分压采样电路图；
图8是本实用新型一个实施例提供的驱动单元核心电路图；
图9是本实用新型一个实施例提供的智能风冷单元电路图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如图1所示，一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置，包括进线单元、lcl滤波单元、软启动单元、整流逆变单元、直压储能单元、采样单元、控制单元、驱动单元、控制电源单元和智能风冷单元。
进线单元、lcl滤波单元连接、软启动单元、整流逆变单元、直压储能单元依次连接。采样单元分别与控制单元、整流逆变单元、系统的负荷以及进线单元连接，用于测量负荷电流、装置输出电流以及综合治理装置内部的电压值。控制单元分别与控制电源单元和智能风冷单元连接，且控制单元通过驱动单元与整流逆变单元连接。直压储能单元与控制电源单元连接。
进线单元实现装置并联接入低压电网，并具有短路和过载保护功能。进线单元是a/b/c/n三相四线制结构，通过一个额定170a/600v穿墙4p端子一侧，装置和低压电网实现物理连接。穿墙端子另一侧，由4根铜排连接到电路板，电路板上abc三相各有一个额定200a/600v熔断器，进行短路保护和过载保护。n相正常状态下电流较小，无熔断器设置。进线单元之后是lcl滤波单元，如图4所示。
lcl滤波单元的作用是滤除整流逆变单元工作时产生的高频(12.8khz)纹波电流和降低装置接入电网时的冲击电流。lcl滤波单元a/b/c三相配置相同，每相串联一个网侧电感l1(规格150a-30uh环形电感)、一个并联连接的对n相的cbb电容c1(规格400v.ac-20uf)、串联一个连接电感l2(规格300a-200uh)，为增强高频纹波的滤波效果，在网侧电感l1之前并联一个对n相cbb电容c(规格400v.ac-10uf)。增大网侧电感l1及连接电感l可以提高lcl滤波单元的滤波效果及电流缓冲作用，但装置动态响应能力会下降。所以lcl滤波单元参数设计过程较复杂，在系统仿真的基础上，通过实验验证优化得出。
软启动单元在lcl滤波单元之后，作用是在装置接入低压电网初始阶段(10s内)，装置通过b/c两相分别串联的软启电阻r(规格40w-50ω)，进入整流逆变单元。如图2所示，此时，整流逆变单元形成带阻容负载的单相二极管桥式整流器，单相输入电压为b/c间线电压380v，储能电容对整流电压进行滤波、储能。因电容电压不能突变，充电电流会非常大，软启电阻r将显著装置启动电流，避免冲击电流损坏装置。储能电容迅速充电，电容电压到达输入电压峰值537v(
软启动单元每相通过一根铜排连接到整流逆变单元。
整流逆变单元采用三相四线制三电平三桥臂结构，电路结构如图4整流逆变单元所示。三电平是指在逆变工作状态时，可输出正电平、零电平和负电平三种状态；三桥臂是指a/b/c三相各有一个桥臂，每个桥臂独立控制，三个桥臂结构相同，均采用型号为f3l300r07pe4的igbt模块，igbt模块的具体内部结构是由四个igbt管及其续流二极管串联而成，再在中间两个igbt管的外端之间并联两个箝位二极管，实现三电平的中点箝位功能(如图3所示)。每个桥臂根据经过驱动单元处理后的控制单元输出指令，控制igbt管规律导通或关断，以整流或逆变的形式，与低压电网进行功率交换，实现相应的电能质量综合治理功能。
直压储能单元由储能电容和均压电阻组成，直接并联在桥臂两端，如图4直压储能单元部分。a/b/c相分别接到一个桥臂中点，各桥臂并联二极管的中点连在一起接到n相。三个桥臂为并联关系，两组储能电容串联之后，直接和桥臂并联。储能电容采用上下串联结构，分裂为上下两部分，每部分有17个电容并联(规格450v/1100uf)，再各并联1个200kω10w均压电阻，如图5所示。
装置接入低压电网后，由于单相不控整流作用，储能电容迅速充电，电容电压到达输入电压峰值537v。之后再通过控制单元控制整流逆变电路进行储能，最终将储能电容电压稳定在780v。
装置的输出电流是储能电容电压与三相电网电压的电压差值作用于lcl滤波单元产生的，所以储能电容电压直接关联装置功能表现。由于igbt管、电容、电感等元件产生有功损耗，储能电容电压会不断下降，需要控制单元闭环控制该电压持续稳定在780v。
直压储能单元的另一个作用是为控制电源单元提供输入电压。控制电源单元输入420～800v，输出为24v，作用是为控制单元提供稳定电源。
控制电源单元如图6所示。具体由分压电路、pwm电路、滤波电路、反馈电路、误差补偿电路、保护电路组成。分压电路用于采集直流母线电压420v-800v，通过电阻分压，作为pwm芯片uc2844的输入电压。pwm电路通过pwm控制器实现电压电流双闭环控制。pwm控制器采用电流调制的uc2844。pwm信号通过双管反激变换器kd202同时驱动上下两个mos管。mos管串接双变压器，完成大功率dc/dc变换。滤波电路利用电容和电感搭建π型滤波电路，并通过led灯给出信号指示。反馈电路：输出电压通过稳压管tl431参考电压，保持输出电压稳定，uc2844电流检测管脚(3管脚)与comp管脚(1管脚)的比较关系将控制uc2844输出pwm脉冲，从而实现输出电压反馈调节。误差补偿电路利用tl431和光耦tlp521构成外部电压误差放大器，误差电压传送至uc2844，误差电压(1管脚)与电流比较器(3管脚)进行比较后调整uc2844输出(6管脚)pwm宽度，从而减小误差，实现实时跟踪。保护电路：uc2844的工作源电压由直流母线电压电阻分压提供，当直流母线电压不在420～800v范围时，芯片不工作，起到过欠压保护功能；输出过流保护和短路保护通过uc2844电流检测管脚(3管脚)外围电路设计实现。
采样单元采样目标有四个，分别是负荷电流、综合治理装置的输出电流、电网电压、储能电容电压。其中两个电流采样是使用外部互感器进行采样，互感器二次信号线接入主控单元信号输入接口。
电网电压和储能电容电压采样在装置内部进行，使用电阻分压采样方式，以c相电网电压采样和储能电容上侧电压采样为例，电路图如图7所示。c相电网电压采样电路包括依次串接的7个电阻，分别为电阻r47、电阻r48、电阻r49、电阻r4、电阻r54、电阻r53和电阻r52，电阻r47的外端与c相线路连接，电阻r52的末端与n相线路连接。电阻r4的两端分别为采样的c相电网电压的正负两极。储能电容上侧电压采样电路包括依次串接的7个电阻和与7个串联电阻结构并联的电容c44，7个电阻依次为电阻r55、电阻r56、电阻r57、电阻r5、电阻r62、电阻r61和电阻r60。电阻r55与电容c44的连接端与储能电容上侧连接，电阻r60和电容c44的连接端与储能电容中点连接。电阻r5的两端分别为储能电容上侧电压的正负极。经分压后的电压信号通过排线送入主控单元输入接口。其中，c相电网电压采样电路和储能电容上侧电压采样电路中的串接电阻的规格均为1m/0.5％/25ppm，电容c44的规格为2kv/100pf。储能电容有两组，串联关系，一组的一端接在整流逆变单元桥臂上端(即储能电容上侧)，另一组的一端接在桥臂下端，两组储能电容的另一端接在一起，称为储能电容中点，接到n相，如图4所示。
采集单元的信号输出接口接入主控单元，主控单元接收采集到的实时变化的输入信号，进行软件算法处理。
控制单元的功能由软件算法控制实现。主要器件包括arm芯片、fpga芯片、运放芯片等；控制单元的作用是实现补偿模式的选择，具体包括对电网电压进行锁相控制、对负荷电流进行谐波分离、有功无功计算、不平衡电流计算、直压储能单元的控制等。
控制单元和驱动单元通过一根40p排线连接。
驱动单元是由6块同样的驱动板组成，每相(一个桥臂)有两个驱动板。驱动板是一款自主设计多平台通用型驱动板。驱动板的作用为信号隔离、信号放大、错误反馈和驱动保护功能。
驱动板电路图核心部分如图8所示。acpl-330j是光耦隔离门极驱动器，pwm1信号由主控单元输入驱动板电路中，输入时串接一个220/1％的电阻r18。驱动板电源部分能够产生+15v和-9v的电压。驱动器的输出端vout输出的信号经串接的电阻r11后进行隔离放大，隔离方法功能由并连的三极管t1和t3完成，t1选用pb4350，t3选用pb5350。t1和t3的基极连接，发射极连接，t1的集电极连接+15v电源，t3的集电极连接-9v电源，t1和t3的发射极连接点作为隔离放大后的输出信号g1输出，并将输出信号g1送入整流逆变单元的对应桥臂的对应igbt管，作为门极信号。14管脚desat检测igbt管饱和电压，如果过流等问题将使得3管脚发生电平变化，即alm信号变化，该信号送回控制单元作为保护用途。
智能风冷单元的作用负责电能质量综合治理装置内的热量导出，综合治理装置的主要热源是整流逆变单元和lcl滤波单元工作时产生的热量。控制单元根据整流逆变单元的核心器件igbt模块(型号f3l300r07pe4)给出的实时模块温度信号(如图3所示)，通过智能风冷单元智能调节风机的速度，优化散热效果，降低装置功耗。
图9为智能风冷单元的电路原理图。如图9所示，fan信号来自控制单元，根据igbt模块温度信号fan信号电平变化，控制mos管q1的通断，在风扇两端形成与igbt模块温度变化一致的脉冲电压信号。温度高脉冲占空比大，温度低脉冲电压占空比小，从而智能控制风机风速变化。mos管q1选用ntd3055l170。mos管q1的1pin通过串接电阻r160与控制单元连接，且1pin连接下拉电阻r162后接地。mos管q1的3pin和4pin之间并联若干风机。mos管q1的4pin连接电阻r159和稳压管d4的并联网络后与+24v电源连接。+24v电源与地之间连接滤波电容。
上述各功能单元，基本采用独立设计，功能划分清晰，安全性高，能量传输线路短，损耗小，同时可以高效定位排查故障、快速替换维修。
以上对本申请实施例所提供的一种低压模块化大功率电能质量综合治理装置，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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