CN203607849U - 有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及有源智能滤波器技术领域，具体地说是一种有源电网高次谐波与无功电力补偿节能装置，包括三相的电网电源、负载供电变压器、用电负载、电网电压电流检测装置、高压并网装置、电力补偿变换装置、负载电压电流检测装置、系统保护控制装置、PWM逆变器、DSP-FFT处理装置，本实用新型同现有技术相比，对电网中的高次谐波与无功电力进行高精度高速度补偿，提高电网质量稳定性和安全性；同时把高次谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，节约大量电能；高次谐波与无功电力补偿后，降低变压器噪音与温度，可增加设备使用寿命；与无源滤波器和分段投切补偿装置相比，具有体积小，补偿精度高，适应于各类动态瞬时变代负载。
Description
技术领域
本实用新型涉及有源智能滤波器技术领域，具体地说是有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置。
背景技术
随着世界能源危机的发展，开发新的能源是世界科学重要命题，同时节约现有能源更是目前科学界当前重要的研究课题。因为开发新能源尚需要时日，而节约现有能源却是目前世界当务之急。目前钢铁金属冶炼与电解铝冶炼是世界耗电量最大领域，因此节能减排当从金属冶炼领域首当做起。我国钢铁冶金领域是利用高频炉与电弧炉等进行电弧熔化与电解高温冶炼生产。高频炉与电弧炉产生大量的高次谐波与无功电力，电炉在初装状态电流较小，熔化成铁水与铝液状态时电极之间近似于短路状态，两种工作状态负荷电流相关几十倍，使电网电压与电流造成大幅度的浮动，对电网造成极大的冲击，产生大量高次谐波与无功电力，使电网与供电系统产生极大的波动，对电网造成严重的干扰与污染，严重的影响了电网的供电质量。
目前，钢铁冶炼系统采用最多的是LC滤波器与分段投切滤波器，但不能满足钢铁冶炼电弧炉与高频炉的动态突变状态的需要；LC滤波器与分段投切滤波器补偿精度低，易于产生谐振与冲击；SVG与SVC虽然能提高功率因数，当耗电量增大，以上现有补偿设备体积大、耗电量大、补偿精度低，无法满足电力系统的需要。
目前申请号为201220183143的专利，公开了一种电力有源滤波器，其包括：实时检测电路，通过对负载的电流进行实时检测，得到负载电流波形，根据实时检测电路的分析结果，从而获得需要补偿的谐波电流成分；控制补偿电路对谐波电流的抵销；将需要补偿的谐波电流成分反向，通过IGBT逆变器，将反向电流注入供电系统中；实现滤除谐波功能。但该方式补偿精度低，可靠性差。
另外申请号为201020254744的实用新型专利，提出一种混合型有源滤波器，其特征在于：包括一次系统部分和二次系统部分，所述一次系统部分包括串联的有源滤波器和无源滤波器，所述有源滤波器不能承受电网交流电源的基波电压，耐压低，装置容量小，不能适用高电压大容量电力系统。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的不足，利用谐振滤波器原理与基于DSP-FFT高速处理计算与智能控制技术，以此实现高电压大功率智能有源电网节能补偿系统。
为实现上述目的，设计有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，包括三相的电网电源、负载供电变压器、用电负载、电网电压电流检测装置、高压并网装置、电力补偿变换装置、负载电压电流检测装置、系统保护控制装置、PWM逆变器、DSP-FFT处理装置，其中负载供电变压器2、用电负载1分别串联入电网中，其特征在于：在电源与负载供电变压器2之间的电网中依次并联电网电压电流检测装置3、高压并网装置7，电网电压电流检测装置3的输出端连接电压电流检测A/D变换器4的输入端，电压电流检测A/D变换器4的输出端连接DSP-FFT处理装置5的一个信号输入端；高压并网装置7的一个信号输入端连接系统保护控制装置6的一个信号输出端，系统保护控制装置6的信号输入端连接DSP-FFT处理装置5的第一信号输出端，高压并网装置7的第一电力传输线端双向连接电力补偿变换装置9的第一电力传输线端，高压并网装置7的第二电力传输线端双向连接电力补偿变换装置9的第二电力传输线端，系统保护控制装置6的另一信号输出端连接电力补偿变换装置9的信号端，系统保护控制装置6的又一信号输出端连接PWM逆变器8的一个信号输入端，电力补偿变换装置9的第三电力传输线端双向连接PWM逆变器8的第一电力传输线端，电力补偿变换装置9的第四电力传输线端双向连接PWM逆变器8的第二电力传输线端，PWM逆变器8的另一信号输入端连接DSP-FFT处理装置5的第二信号输出端，DSP-FFT处理装置5的第二信号输入端连接A/D变换器11的信号输出端，A/D变换器11的信号输入端连接负载电压电流检测装置10的信号输出端，负载电压电流检测装置10的信号输入端并联入负载供电变压器2与用电负载之间的电力传输母线。
所述的DSP-FFT处理装置5的第三信号输出端连接液晶显示屏12。
所述的DSP-FFT处理装置5上还设有若干通信接口13，若干通信接口13连接报警装置和/或上位机。
所述的电力补偿变换装置9包括谐波滤波补偿装置9-1和电力变换装置9-2，所述的高压并网装置7包括高压并网控制装置7-1、高压并网调感器7-2、高压并网调压器7-3，PWM逆变器8的第一电力传输线端双向连接谐波滤波补偿装置9-1的第三电力传输线端，谐波滤波补偿装置9-1的第一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器7-2的第一电力传输线端和高压并网调压器7-3的第一电力传输线端；PWM逆变器8的第二电力传输线端双向连接电力变换装置9-2的一个电力传输线端，电力变换装置9-2的另一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器7-2的另一个电力传输线端和高压并网调压器7-3的另一个电力传输线端；高压并网调感器7-2的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置7-1的一个电力传输线端，高压并网调压器7-3的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置7-1的另一个电力传输线端，高压并网控制装置7-1的信号输入端连接系统保护控制装置6的一个信号输出端。
所述的压并网控制装置7-1采用高压开关。
本实用新型同现有技术相比，对电网中的高次谐波与无功电力进行高精度高速度补偿，提高电网质量，减少电网干扰，提高电网稳定性和安全性；同时把高次谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，得到高效的节能效果，节能减排，节约大量的电力电能；高次谐波与无功电力补偿后，降低变压器噪音与温度，可大幅度提高设备寿命与绝缘强度，增加变压器传输与承载容量，增加带负载能力，降低了变压器空耗与线路损耗，大大提高了变压器与输电设备的容量，增加变压器与输电设备的寿命；与无源滤波器和分段投切补偿装置相比，具有体积小，补偿精度高，适应于各类动态瞬时变化负载，采用本补偿装置补偿后，动态特性好，补偿精度高，功率因数高，节约大量电能，提高电力系统的稳定性与安全性，在同样补偿容量时，体积仅是无源滤波器的八分之一，仅是分段投切补偿装置和SVC和SVG体积的四分之一。
附图说明
图1为本实用新型的电路原理框图。
图2为本实用新型中PWM逆变器与补偿变换装置及高压并网装置、系统保护控制装置的连接示意图。
具体实施方式
现结合附图对本实用新型作进一步地说明。
实施例1
参见图1，本实用新型包括三相的电网电源、负载供电变压器、用电负载、电网电压电流检测装置、高压并网装置、电力补偿变换装置、负载电压电流检测装置、系统保护控制装置、PWM逆变器、DSP-FFT处理装置，其中，DSP-FFT处理装置5是指嵌设有FFT分析算法的DSP处理器，负载供电变压器2、用电负载1分别串联入电网中，其特征在于：在电源与负载供电变压器2之间的电网中依次并联电网电压电流检测装置3、高压并网装置7，电网电压电流检测装置3的输出端连接电压电流检测A/D变换器4的输入端，电压电流检测A/D变换器4的输出端连接DSP-FFT处理装置5的一个信号输入端；高压并网装置7的一个信号输入端连接系统保护控制装置6的一个信号输出端，系统保护控制装置6的信号输入端连接DSP-FFT处理装置5的第一信号输出端，高压并网装置7的第一电力传输线端双向连接电力补偿变换装置9的第一电力传输线端，高压并网装置7的第二电力传输线端双向连接电力补偿变换装置9的第二电力传输线端，系统保护控制装置6的另一信号输出端连接电力补偿变换装置9的信号端，系统保护控制装置6的又一信号输出端连接PWM逆变器8的一个信号输入端，电力补偿变换装置9的第三电力传输线端双向连接PWM逆变器8的第一电力传输线端，电力补偿变换装置9的第四电力传输线端双向连接PWM逆变器8的第二电力传输线端，PWM逆变器8的另一信号输入端连接DSP-FFT处理装置5的第二信号输出端，DSP-FFT处理装置5的第二信号输入端连接A/D变换器11的信号输出端，A/D变换器11的信号输入端连接负载电压电流检测装置10的信号输出端，负载电压电流检测装置10的信号输入端并联入负载供电变压器2与用电负载之间的电力传输母线。本实用新型主要是针对钢铁冶炼系统、电解铝氧化铝及其他金属冶炼系统。因此本例中用电负载主要包括钢铁冶炼高频炉电弧炉冶炼变压器供电系统或高压轧钢动力系统、电解铝等金属冶炼整流变压器等电力负载。
所述的电力补偿变换装置9包括谐波滤波补偿装置9-1和电力变换装置9-2，所述的高压并网装置7包括高压并网控制装置7-1、高压并网调感器7-2、高压并网调压器7-3，PWM逆变器8的第一电力传输线端双向连接谐波滤波补偿装置9-1的第三电力传输线端，谐波滤波补偿装置9-1的第一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器7-2的第一电力传输线端和高压并网调压器7-3的第一电力传输线端；PWM逆变器8的第二电力传输线端双向连接电力变换装置9-2的一个电力传输线端，电力变换装置9-2的另一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器7-2的另一个电力传输线端和高压并网调压器7-3的另一个电力传输线端；高压并网调感器7-2的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置7-1的一个电力传输线端，高压并网调压器7-3的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置7-1的另一个电力传输线端，高压并网控制装置7-1的信号输入端连接系统保护控制装置6的一个信号输出端。
所述的压并网控制装置7-1采用高压开关。
所述的DSP-FFT处理装置5的第三信号输出端连接显示屏12，这里可采用液晶显示器用于实时显示当前用电负载1的变压器的电流、电压、功率、无功功率、功率因数、各次高次谐波含量、用电负载1的负荷电流、电压状况。
所述的DSP-FFT处理装置5上还设有若干通信接口13，其中一个通信接口13可连接报警装置，其它通信接口可以连接上位机，以便进行网络数据传输与远距离操作控制。其中，主要由DSP-FFT处理装置5控制电网电压电流检测装置3、电压电流检测A/D变换器4、A/D变换器 11、报警装置还能形成故障检测控制与报警系统，由DSP-FFT处理装置5对电网中瞬态信号进行分析与推定预测，对电网、负载和电力补偿变换装置9工作状态进行预报、控制和报警，同时对电网、负载和补电力补偿变换装置9发出保护控制指令，于早期避免故障出现，对电网、负载和补偿装置进行保护操作。对本实用新型而言，对电网系统发出预警信号和操作执行指令，同时控制操作电力补偿变换装置9的隔离开关，使电力补偿变换装置9切离电网。这样当电网发生故障时不影响补偿装置，当补偿装置发生故障时不影响电网运行。
本实用新型的控制原理：
本补偿系统由DSP-FFT处理装置5针对负荷动态变化状态与电网母线高次谐波与无功电力进行检测与成分分析，以此来控制调节电力补偿变换装置9，对电网各次谐波进行补偿，使其谐波滤波补偿装置9-1始终调节工作在谐振状态，谐波滤波补偿装置9-1的阻抗针对各高次谐波的相对阻抗为零，Q值为无限大，使谐波滤波补偿装置9-1始终工作在理想的补偿特性状态。另一方面，谐波滤波补偿装置9-1的内阻电压降由PWM逆变器8输出电压来补偿，因此得到高精度的补偿效果。
本实用新型由于PWM逆变器8输出的补偿电压是针对谐波滤波补偿装置9-1的内阻电压降。因此，本实用新型能够适应高电压大功率的供电系统与电网的高次谐波与无功电力的补偿，构成大功率高压电网智能有源滤波器系统。
本实用新型利用高速的DSP处理器对电网中高次谐波电压的检测与FFT分析处理，并对电网电压电流信号进行检测、计算与分析，并对电网变化状态进行预测与推定，计算出下一时间电网状态的变化量，利用DSP控制器控制PWM逆变器8与谐波滤波补偿装置9-1产生振幅、频率，相位可调的高次谐波补偿电压，对电网高次谐波与无功电力进行补偿，同时控制电力变换装置9-2把高次谐波电力与无功电力变换为有功电力回送电网，产生高效的节能效果。
参见图1，本实用新型利用DSP-FFT处理装置5控制电网电压电流检测装置3与电压电流检测A/D变换器4，对用电负载1所产生的高次谐波与无功电力及电网波动冲击状态进行检测、计算与FFT分析，计算出PWM逆变器8与电力补偿变换装置9控制参数，DSP-FFT处理装置5控制PWM逆变器8与电力补偿变换装置9，对电网中的谐波与无功电力补偿，同时把谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，节能减排，节约大量的电能，提高电网功率因数与供电质量，减少电网干扰，提高电力系统的稳定性与安全性。
本实用新型采用DSP-FFT处理装置5与PWM逆变器8、电力补偿变换装置9，通过高压并网装置7投入电网，电力补偿变换装置9中的谐波滤波补偿装置9-1对电网的高次谐波与无功电力进行补偿，同时由DSP-FFT处理装置5控制PWM逆变器8与电力变换装置9-2把电网中高次谐波与无功电力吸收储能、逆变、移相为与电网同频率、同相位的有功电力回送到电网，起到高效率的节能效果。由此具有高速高精度的高次谐波与无功电力补偿功能，并把谐波与无功电力变换为有功电力回送电网，同时对电网电压波动具有抑制补偿与系统保护的功能。
参见图2，电力补偿变换装置9包含谐波滤波补偿装置9-1和电力变换装置9-2两部分，电网的高次谐波与无功电力经由谐波滤波补偿装置9-1吸收流入其整流器内，把高次谐波与无功电力进行整流再作为谐波滤波补偿装置9-1与电力装换装置9-2的电源，由电力变换装置9-2逆变为50HZ有功电力回送电网，节约大量的电力。同时由谐波滤波补偿装置9-1产生与电网高次谐波电压相反的补偿电压由补偿装置输入电网，对没有吸收完的高次谐波进行补偿，产生高精度的补偿效果。
本实用新型采用DSP-FFT处理装置5控制电网电压电流检测装置3和电压电流检测A/D变换器4对电网中的电压与电流进行检测，并将检测到的电压、电流采用FFT算法进行分析处理，计算出电网中各高次谐波电力与无功电力的成分，由DSP控制器控制PWM逆变器8与电力补偿变换装置9，由电力补偿变换装置9的谐波滤波补偿装置9-1产生补偿电压，同时由电力补偿变换装置9的电力变换装置9-2把高次谐波与无功电力转换为有功电力。谐波滤波补偿装置9-1与电力变换装置9-2通过高压并网装置7并入电网。
本实用新型有源补偿装置的特点:
1.本实用新型属于有源补偿装置采用DSP-FFT处理装置5对电力系统的高次谐波与无功电力的成分进行检测与分析,利用并快速计算出各次高次谐波与无功电力的幅值、频率与相位。
2.由DSP-FFT处理装置5控制PWM逆变器8和电力补偿变换装置9组成高次谐波和无功电力补偿装置，构成输出补偿电压、频率、相位控制可调的智能有源补偿装置。
3.由DSP-FFT处理装置5控制PWM逆变器8和电力补偿变换装置9，把电网高次谐波和无功电力转换为有功电力经由高压并网装置7回送电网，节约大量的电能。
4.利用DSP-FFT处理装置5对电网与电力系统的电流电压和功率因数检测与故障分析。由系统保护控制装置6进行系统过压、过流、过载与系统故障保护功能。
5.由于本实用新型对高次谐波和无功电力高精度补偿，并对冶炼电弧炉生产过程中对负荷变化所造成的电流冲击与系统电压波动进行抑制，消除电力系统冲击与电压波动，提高了电网的功率因数，提高电网系统的安全性与稳定性，减少电力损耗，起到大量的节能效果。
6.实时显示电弧炉变压器的电流、电压、功率、无功功率、功率因数、各次高次谐波含量、电弧炉变压器负荷状况、冶炼电炉变压器供电系统状态变化。
钢厂电弧炉冶炼系统采用本实用新型后，对监测数据结果分析，本实用新型的补偿原理与节能效果如下：1、电弧炉冶炼供电系统高次谐波与无功电力得到有效补偿与治理，电网冲击与电压波动得到有效的控制，减少电力系统干扰，提高电力系统的稳定性与安全性，电网质量得到很大的提高。补偿后平均高次谐波含量降到1%以下，功率因数达到0.96～0.99以上。补偿后达到国家和国际标准以上。
2.采用本实用新型进行补偿后，把高次谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，得到高效的节能效果，吨钢“有功电量”节电达到36.012度，“无功电量”节电达到63.2度以上，有功节电率提高7.5%～11.18%以上，视在功率节电率达到18.6%。
3.电弧炉拉电弧效果好与炉温稳定，平均每炉冶炼时间缩短15分钟～到21分钟，平均吹氧量节约7.6%，平均每吨钢用电量减少5%～18%以上。
4. 经过对同样材质和加料量相同相近的炼钢炉号出钢量做对比，电弧炉拉电弧效率好、炉温稳定，使每炉多出钢1.53吨钢～2.86吨钢，使吨钢耗电量进一步降低，使炼钢总成本大幅度减低。
5.因为高次谐波与无功电力大大降低，所以电弧炉供电变压器的噪音震动与温度得到大幅度下降，变压器温度由54.8度下降到45.2度，变压器平均温度下降8.5度～11.3度，可大幅度提高设备寿命与绝缘强度，增加变压器传输与承载容量，增加带负载能力。带负载能力可提高15%以上。
6.输电线路电耗大大降低，变压器电耗大大减小，用电负载电耗大幅度下降。
7. 减少电弧炉频繁投入与切出对电网的冲击，减小变压器与电气设备冲击声音与震动，减小电网电压浮动，提高电网的稳定性与安全性。
8. 本实用新型属于有源滤波补偿系统，与无源滤波器、分段投切滤波器、SVG、SVC相比，本实用新型节电效率高，补偿精度高、速度快、体积小、稳定性与安全性高。
综上所述，本装置投入电网系统后对供电系统所产生的高次谐波与无功电力进行补偿，把高次谐波与无功电力转换为有功电力回送电网，得到高效的节能效果，有效的抑制冶炼电弧炉系统负荷变化所造成的电网电流冲击与电网电压浮动对电网造成的干扰与危害，减少变压器与电力系统噪音与震动，降低设备的温度，提高变压器与用电设备带负载容量，提高了电力系统的稳定性与安全性，节能减排，综合效果显著。本实用新型结构合理、运行性能稳定，有大容量高精度地动态跟踪补偿控制特性，速度快，节能效率高，输出电压高功率大、对电力系统各种变化负荷具有良好的适应性，补偿过渡时间，是其他类型有源滤波器的补偿能力的数倍以上，可以用于110KV以下各种冶炼电网和供电网与电力系统，便于组装维护，本实用新型属于电压补偿型自适应智能数字有源滤波器系统，与无源滤波器和分段投切补偿装置相比，具有体积小，补偿精度高，适应于各类动态瞬时变化负载与各种钢铁金属冶炼系统、氧化铝与电解铝系统、机械加工与动力系统、风力发电场、炼油厂、发电厂与供电网系统，解决了现有各类滤波器所存在的问题。
Claims (5)
1.有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，包括三相的电网电源、负载供电变压器、用电负载、电网电压电流检测装置、高压并网装置、电力补偿变换装置、负载电压电流检测装置、系统保护控制装置、PWM逆变器、DSP-FFT处理装置，其中负载供电变压器（2）、用电负载（1）分别串联入电网中，其特征在于：在电源与负载供电变压器（2）之间的电网中依次并联电网电压电流检测装置（3）、高压并网装置（7），电网电压电流检测装置（3）的输出端连接电压电流检测A/D变换器（4）的输入端，电压电流检测A/D变换器（4）的输出端连接DSP-FFT处理装置（5）的一个信号输入端；高压并网装置（7）的一个信号输入端连接系统保护控制装置（6）的一个信号输出端，系统保护控制装置（6）的信号输入端连接DSP-FFT处理装置（5）的第一信号输出端，高压并网装置（7）的第一电力传输线端双向连接电力补偿变换装置（9）的第一电力传输线端，高压并网装置（7）的第二电力传输线端双向连接电力补偿变换装置（9）的第二电力传输线端，系统保护控制装置（6）的另一信号输出端连接电力补偿变换装置（9）的信号端，系统保护控制装置（6）的又一信号输出端连接PWM逆变器8的一个信号输入端，电力补偿变换装置（9）的第三电力传输线端双向连接PWM逆变器（8）的第一电力传输线端，电力补偿变换装置（9）的第四电力传输线端双向连接PWM逆变器（8）的第二电力传输线端，PWM逆变器（8）的另一信号输入端连接DSP-FFT处理装置（5）的第二信号输出端，DSP-FFT处理装置（5）的第二信号输入端连接A/D变换器（11）的信号输出端，A/D变换器（11）的信号输入端连接负载电压电流检测装置（10）的信号输出端，负载电压电流检测装置（10）的信号输入端并联入负载供电变压器（2）与用电负载之间的电力传输母线。
2.如权利要求1所述的有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，其特征在于：所述的DSP-FFT处理装置（5）的第三信号输出端连接液晶显示屏（12）。
3.如权利要求1所述的有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，其特征在于：所述的DSP-FFT处理装置（5）上还设有若干通信接口（13），若干通信接口（13）连接报警装置和/或上位机。
4.如权利要求1所述的有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，其特征在于：所述的电力补偿变换装置（9）包括谐波滤波补偿装置（9-1）和电力变换装置（9-2），所述的高压并网装置（7）包括高压并网控制装置（7-1）、高压并网调感器（7-2）、高压并网调压器（7-3），PWM逆变器（8）的第一电力传输线端双向连接谐波滤波补偿装置（9-1）的第三电力传输线端，谐波滤波补偿装置（9-1）的第一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器（7-2）的第一电力传输线端和高压并网调压器（7-3）的第一电力传输线端；PWM逆变器（8）的第二电力传输线端双向连接电力变换装置（9-2）的一个电力传输线端，电力变换装置（9-2）的另一电力传输线端采用双向母线分别连接高压并网调感器（7-2）的另一个电力传输线端和高压并网调压器（7-3）的另一个电力传输线端；高压并网调感器（7-2）的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置（7-1）的一个电力传输线端，高压并网调压器（7-3）的又一个电力传输线端双向连接高压并网控制装置（7-1）的另一个电力传输线端，高压并网控制装置（7-1）的信号输入端连接系统保护控制装置（6）的一个信号输出端。
5.如权利要求4所述的有源电网高次谐波与无功电力的补偿节能装置，其特征在于：所述的压并网控制装置（7-1）采用高压开关。
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