一种应用于低压变台区的智能综合配电装置及其方法与流程

本发明涉及供配电领域，具体涉及一种应用于低压变台区的智能综合配电装置及其方法。

背景技术：

低电压台区指35(10)kv/0.4kv配电变压器所影响的低压(0.4kv)供电的区域。台区用电一般为居民用电，其质量高低直接影响居民生活。同时越来越多的分布式电源接入配电网，给配电网带来了电压偏差、三相不平衡、考核点功率因数异常等电能质量问题。当系统处于三相不平衡状态时，负序分量可能给系统中的设备带来继电保护装置误动作、负序和零序电流产生附加功率损耗、中性点发生零漂等问题，最终将降低系统经济性，威胁系统安全。

为了有效解决以上问题，目前最普遍的方法是采用分相控制的无功补偿装置进行补偿。无功补偿装置不但能够降低有功损耗，提高变压器出力及其利用率，还能改善低压配电网系统用电的功率因数及其电能质量，有效改善系统三相不平衡和末端电压跌落的情况。

目前最常见的无功补偿装置主要有并联电容/电抗器、静止无功补偿器和静止无功发生器三种，其中并联电容/电感是将电容/电感串、并联在电网中实现无功补偿，缺点是补偿容量不可连续平滑调节，且会增加电压跌落，甚至产生附加有功损耗，电感会增加体积和重量。

静止无功补偿器(svc)是一种将电感可控的电抗器与电容容量可分级变化的电容器组并联的facts装置，可以平滑变化补偿容量。其成本低、工作可靠，但只能分级补偿，精度差、易造成欠补偿或过补偿，跟随性差、无法适应负荷变化快的场合，也不能抑制闪变和不平衡。

静止无功发生器(svg)采用自换相变流技术，通过调节交流侧输出电压/电流的幅值、相位，实现无功功率的快速动态调节。其调节速度快，运行范围宽，不需要大容量的电容等储能元件，可抑制补偿电流中的谐波。但大容量时结构复杂，技术要求高、成本高。

综上而言，目前市场上常见的无功补偿装置有些不能在调节三相不平衡的同时对系统无功功率进行补偿，大部分为不连续调节，若想实现连续调节，系统尺寸将增大，成本将非常高。

因此需要更高效更精确的无功补偿装置及技术，在不影响负荷工作的情况下，同时进行连续、稳定、精确的三相不平衡调节和无功补偿，并且能降低系统总的尺寸和成本。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种应用于低压变台区的智能综合配电装置，该装置并联于配电网供电母排上，装置包括svg、智能电容器组以及其他开关电路、控制回路，用于对配电网的三相不平衡和无功进行混合补偿，从而提高配电网电能质量，降低系统成本。

优选的，svg并联于配电网供电母排上，可以调节三相负荷不平衡，同时动态、双向、连续调节无功功率；智能电容器组并联于配电网供电母排上，可以调节三相负荷不平衡，补偿无功功率；svg和智能电容器协调合作，共同完成三相不平衡负荷的无功补偿。

优选的，所述的svg由采用模块化设计，其拓扑为三电平，模块内可包含软上电回路、储能单元、滤波回路、检测回路、igbt功率变换单元、驱动电路、跟踪控制电路、辅助电源系统、监控显示液晶屏等单元，储能单元采用电容或电感元件。

优选的，智能电容器组由多组智能电容组成，智能电容器组可以由共补、分补合混合补多种形式电容器组合组成。每个智能电容由投切开关模块和电容组组成，投切开关模块由晶闸管、磁保持继电器、过零触发导通电路和晶闸管保护电路构成，实现电容器零投切，保障投切过程无涌流冲击，无操作过电压。开关模块动作响应速度快，可频繁操作。

优选的，svg控制器同时控制智能电容器的通断，两者之间通过rs485接口进行通讯，通过svg控制芯片，控制智能电容器投切，优先控制智能电容器进行投切补偿，后采用svg进行精补和三相不平衡补偿。

本发明还提供一种使用上述装置实现三相不平衡负载的无功补偿的方法，其特征在于，包括如下步骤：系统通过传感器实时采集电网及负荷端电压及电流信号，并经过信号调理电路传输给dsp，进行无功电流计算和无功分配，得到智能电容的投切方案和svg电流控制指令，通过rs485通信传输给各个智能电容，控制电容的通断，同时生成pwm控制信号驱动svg模块内的igbt，最终通过两者共同协作完成三相不平衡负载的无功补偿。

优选的，所述装置通过svg内部控制器控制智能电容，实现对三相不平衡负载的无功补偿，具体包括如下步骤：

(1)采集系统交流侧电流，经过调理之后送入dsp进行坐标变换，分解得到三相基波正序有功电流，以及包含谐波、基波无功电流、基波负序电流之和的其他的电流分量，并分离出无功电流；计算出平均电流，并得到需要补偿的无功电流；

(2)根据无功分配原则计算出需要投切的智能电容的类型及数量，并通过rs485通讯方式控制对应智能电容器的晶闸管的通断，实现智能电容器的投切；

(3)智能电容器也同时检测电网的电压和电流信号，采集得到的数据通过计算和分析，判断是否发生过流、过压、过热等故障，并及时切除工作电容器，保护主电路。

优选的，所述装置中通过dsp控制svg，实现对三相不平衡负载的无功补偿，具体包括如下步骤：

(1)采集系统直流母线电压，送入dsp调理后与参考值进行pi调剂，最后叠加到电流检测指令信号中，最终实现直流母线的稳定调节；

(2)结合采样计算得到的无功电流分量及智能电容器已补偿的无功电流，计算出需要svg补偿的无功电流值；

(3)设定svg电流补偿量与svg需要补偿的无功电流值极性相反、大小相等，补偿量和无功电流分量经过电流调节器，控制总的无功电流为0；

(4)将电流调节器的输出和三角波发生器输出进行交截，得到pwm驱动信号，通过隔离放大器驱动对应的igbt模块。

本发明具有如下优点：

(1)本发明提供了一种应用于低压变台区的智能综合配电装置和方法，可以有效改善电网三相不平衡状况，同时提高电网功率因数，优化配电网电能质量。

(2)本发明通过svg内部的控制器同时控制svg单元和智能电容器组协调工作，在系统需要补偿时，优先投切智能电容器组，实现无功最优化分配，达到连续补偿和降低系统成本目的。

(3)本发明智能电容器组由svg的控制器部分进行协调控制，根据三相不平衡和无功分配原则进行电容器的投切，电容器内部为晶闸管无触点投切，快速平稳的投入或切除补偿电容器。

(4)本发明svg部分采用电力电子装置来进行混合补偿，电力电子器件选用快速开关器件，系统响应速度快，控制精度高。同时svg可以灵活补偿智能电容器的剩余补偿容量，避免了电容器的频繁投切，提高了电容器的寿命。

(5)本装置安装在配电网母排上，和系统负载并联，连接方式简单，故障时可快速切除且不会影响原系统的工作，安全可靠。

附图说明

图1示出了一种应用于低压变台区的智能综合配电装置及其方法的具体实施方式结构图；

图2示出了本发明装置进行三相不平衡调节和无功混合补偿的运行特性图；

图3示出了本发明装置进行三相不平衡调节和无功混合补偿的原理图；

图4示出了本发明装置中基于三电平技术的svg主电路拓扑结构图；

图5示出了本发明装置中svg等效电路图及矢量图；

图6示出了本发明装置中三电平svg的功率解耦等效控制框图。

具体实施方式

图1示出了一种应用于低压变台区的智能综合配电装置及其方法的具体实施方式结构图，该实施方式的装置包括svg、智能电容器组以及其他开关电路、控制回路和通讯回路，svg并联于配电网供电母排上，可以调节三相负荷不平衡，同时动态、双向、连续调节无功功率；智能电容器组并联于配电网供电母排上，可以调节三相负荷不平衡，补偿无功功率；svg和智能电容器协调合作，共同完成三相不平衡负荷的无功补偿，从而提高配电网电能质量，降低系统成本。

如图1所示，智能综合配电装置通过电压电流传感器实时检测电网电压和电流以及负载侧电流信号，计算出系统功率因数及无功电流，并实时计算得到需要补偿的总无功容量；然后根据三相不平衡及无功分配原则控制各补偿支路投切，优先计算出需要投切智能电容的种类及数量，并通过rs485通讯方式控制智能电容的投切；同时计算出svg需要补偿的感性或容性无功，通过控制svg达到精确的无功补偿，进而实现整个系统的无功功率补偿。

智能电容同时检测电网的电压和电流信号，采集得到的数据通过计算和分析，判断是否发生过流、过压、过热等故障，并及时切除工作电容器，保护主电路。svg也自带保护程序，通过实时检测系统的电压、电流、温度等信息，判断系统的过压/欠压、过流、断路、过温等故障，并及时将svg从系统中切除。

图2示出了本发明装置进行三相不平衡调节和无功混合补偿的运行特性。在混合式无功补偿系统中，由svg和多组智能电容器来共同完成无功补偿，系统需要补偿的总的无功q主要由智能电容器完成补偿，但是智能电容器只能完成分级补偿，需要进一步通过svg完成级与级之间的无功补偿，最后实现对无功的精确补偿。同时，在svg补偿能力范围内，都由svg进行补偿，尽量减少智能电容投切次数。

图3示出了本发明装置进行三相不平衡调节和无功混合补偿的原理图。系统通过采样单元采集交流侧电流，经过调理之后送入dsp进行计算和坐标变换，判断系统是否处于三相不平衡状态，计算出无功电流；再根据三相不平衡补偿原则和无功分配原则计算出需要投切的智能电容的类型及数量，并通过rs485通讯方式控制对应智能电容器的投切单元，即晶闸管的通断，实现智能电容器的投切；同时计算出svg单元需要补偿的无功分量，控制svg主回路的通断。

图4示出了基于三电平技术的svg主电路拓扑结构，相比两电平变流器，在三电平变流器换相过程中，每个igbt均只承受直流侧总电压的一半，提高了设备容量，降低成本，并且具有输出电压、电流谐波低、电磁干扰小等优点。

图5示出了svg等效电路图及矢量图，其中lc，rc为svg系统等效电感和电阻(包括连接电抗器和系统本身阻抗)，us是网侧电压，uc是svg输出电压，ic是svg吸收的电流。对图5(a)所示的svg等效电路进行分析，可将svg当作电压控制电流源来对待，通过改变svg输出电压uc与电网电压us的相位差以及uc的幅值，来间接地控制svg从电网吸收电流ic的相位和幅值，即控制了svg吸收容性无功功率还是感性无功，以及无功功率大小。图5(b)中φ是连接电抗器的阻抗角，δ是svg输出电压uc与电网电压us的相位差。当电流超前电网电压90°，svg吸收感性的无功功率；当电流滞后电网电压90°，svg吸收容性的无功功率。考虑到电网为系统的损耗提供有功功率，电网电压us与电流ic相位差略小于90°，偏差角为δ，这个δ角就是svg输出电压uc与电网电压us的相位差。

图6示出了本发明装置中三电平svg的功率解耦等效控制框图。本发明中svg的控制方式为电流间接控制法，将svg当作电压控制电流源来对待，通过改变svg输出电压uc相位以及幅值来间接地控制svg从电网吸收电流ic，包括无功电流icqicq和有功电流icd，分别与svg吸收的无功功率和有功功率成线性关系。该方法通过pi调节器实现对无功功率和有功功率模块解耦，实现简单，具有良好的动态响应。如图5所示，为了使直流侧总电压vdc保持恒定，将直流侧电压的参考值与实际检测直流侧电压瞬时值vdc的差值经过pi调节器得到输入有功电流的给定值通过控制svg吸收的有功功率来稳定直流侧总电压。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，尤其是将基于本发明装置结构的其他调节方式与本发明本质上是一致的。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。