本發(fā)明屬于電力補(bǔ)償器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種即插即用集成模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國電力系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)增長，也遇到許多技術(shù)問題。如在高壓領(lǐng)域，存在電壓提升、容性無功過剩和接地短路電流超標(biāo)等問題；在低電壓配電領(lǐng)域，電力電子非線性負(fù)載大量接入，存在無功缺失，電壓波動和諧波污染等問題。

可調(diào)電抗器是可實(shí)時調(diào)節(jié)電抗值的電抗器。在電力系統(tǒng)中串入可變電抗器可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，補(bǔ)償無功，解決三相不平衡問題，限制短路電流，軟啟動，可以有效地解決出現(xiàn)的問題。

現(xiàn)有的可調(diào)電抗器大致可以分為如下幾種：

(1)機(jī)械式可調(diào)電抗器一般分為調(diào)匝式和調(diào)氣隙式，即通過改變線圈匝數(shù)或鐵芯的氣隙長度來等效改變電抗值。其缺點(diǎn)是：調(diào)匝式不能連續(xù)調(diào)節(jié)，自動化水平低，換擋需停機(jī)；調(diào)節(jié)氣隙式氣隙設(shè)計精度低，調(diào)節(jié)范圍有限，且噪聲大。

(2)直流磁控式可控電抗器，通過改變控制回路的控制電流的大小來改變鐵芯的磁飽和度，進(jìn)而改變電抗器的電感值，而且電抗器的容量可以連續(xù)調(diào)節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)與控制簡單，控制部分容量小、成本低，缺點(diǎn)是諧波含量大，裝置響應(yīng)速度慢。

(3)電力開關(guān)式可調(diào)電抗器，基于電力電子開關(guān)組成的逆變器調(diào)節(jié)和投切控制，高壓實(shí)現(xiàn)受到管子容量局限，存在諧波，可靠性低。比如upfc、upqc、dvr，逆變器產(chǎn)生的諧波通過變壓器時產(chǎn)生很大的諧波損耗。

(4)交流磁控式電抗器，通過附加繞組產(chǎn)生反方向磁通來改變電抗器中的磁通，從而改變鐵芯的磁阻，達(dá)到改變電抗器電感值的目的。其突出優(yōu)點(diǎn)是既可以平滑調(diào)節(jié)電抗器功率，而且工作電流中的高次諧波含量又低的新型交流磁控式電抗器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種即插即用集成模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器，旨在解決電網(wǎng)電壓波動，無功缺失，三相不平衡等問題。

本發(fā)明提供了一種即插即用集成模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器，包括：電流檢測模塊，逆變控制模塊和特制互感器；所述電流檢測模塊用于檢測入網(wǎng)電流中的基波電流以及通過逆變器施加電壓在特制互感器二次側(cè)后產(chǎn)生的反饋電流；所述特制互感器包括一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，其中，一次側(cè)繞組作為母排接入電網(wǎng)，二次側(cè)繞組沿著軸向方向繞制，并與逆變控制模塊的輸出端連接；所述逆變控制模塊的輸入端連接直流側(cè)電壓，所述逆變控制模塊的控制端連接至所述電流檢測模塊的輸出端，所述逆變控制模塊用于根據(jù)參考電流信號輸出用于控制所述互感器二次側(cè)產(chǎn)生反饋電流的控制電壓。

更進(jìn)一步地，所述電流檢測模塊包括：基波電流檢測單元、反饋電流檢測單元和加法器；所述基波電流檢測單元的輸入端連接至電網(wǎng)，所述反饋電流檢測單元的輸入端連接至所述互感器二次側(cè)，所述加法器的第一輸入端連接至基波電流檢測單元的輸出端，所述加法器的第二輸入端連接至反饋電流檢測單元的輸出端，所述加法器用于將所述基波電流與所述反饋電流相加后輸出所述參考電流信號。

更進(jìn)一步地，逆變控制模塊包括：逆變器、pwm控制驅(qū)動單元和濾波單元；所述pwm控制驅(qū)動單元的輸入端連接至所述加法器的輸出端，所述逆變器的輸入連接直流側(cè)電壓，所述逆變器的控制端連接至所述pwm控制驅(qū)動單元的輸出端，所述濾波單元的輸入端連接至逆變器的輸出端，所述濾波單元的輸出端連接所述互感器二次側(cè)；所述pwm控制驅(qū)動單元用于根據(jù)所述參考電流信號產(chǎn)生用于控制逆變器中開關(guān)管導(dǎo)通的pwm波信號；所述逆變器在所述pwm波信號的控制下，將直流側(cè)電壓逆變?yōu)樗隹刂齐妷骸?/p>

更進(jìn)一步地，特制互感器中一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組的匝數(shù)比k＝w1/w2，其中，w1為一次側(cè)繞組的匝數(shù)，w2為二次側(cè)繞組的匝數(shù)，w2大于w1。

更進(jìn)一步地，特制互感器的電感l(wèi)＝w1²μa/l，μ為鐵芯的磁導(dǎo)率，a為鐵芯截面積，l為平均磁路長度。

更進(jìn)一步地，特制互感器的鐵芯為細(xì)長圓柱狀或長方體狀。

本發(fā)明提供的有源串聯(lián)補(bǔ)償器為單相結(jié)構(gòu)，即插即用，采用閉口電流特制互感器式或者開口特制互感器式的接入方式；模塊集成，本方案初定將逆變器的直流母線電壓的整流器和逆變器設(shè)計在一起，并和特殊設(shè)計的電流互感器做成一個標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，如果系統(tǒng)的阻抗不足，可以直接在線路中多串聯(lián)幾個。

逆變控制模塊將檢測到的特制互感器一次側(cè)基波電流乘以一增益系數(shù)后作為其指令電流，然后電力電子逆變器產(chǎn)生一個基波電流施加到特制互感器的二次側(cè)，其輸出的電流經(jīng)過一個lc濾波電路后通過一個特制互感器單元接入系統(tǒng)。

特制互感器特制鐵芯呈細(xì)長圓柱狀或長方體狀以減小平均磁路長度、增大磁路截面積，從而增加一次側(cè)等效阻抗。常規(guī)電流互感器只起檢測電流作用，因此它的鐵芯長度比較短。本方案提出的特制互感器主要起補(bǔ)償作用，如果采用常規(guī)電流互感器結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致互感器一次側(cè)等效阻抗過小，起不到補(bǔ)償作用，所以本方案采用增加電流互感器的鐵芯的長度獲得一個特制互感器，使電網(wǎng)側(cè)等效阻抗?jié)M足要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要補(bǔ)償?shù)臒o功的量來具體確定互感器的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸。

工作時，通過調(diào)節(jié)α，便可改變特制互感器二次側(cè)的磁勢，因而改變了特制互感器鐵芯中的主磁通，特制互感器的一次側(cè)便會呈現(xiàn)無級可調(diào)阻抗。

本發(fā)明所述的即插即用模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器的突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)即插即用，采用閉口電流互感器式或者開口互感器式的接入方式，接入簡單且對電網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)無影響。

(2)特制結(jié)構(gòu)，常規(guī)電流互感器主要起電流檢測作用，因此它的鐵芯長度比較短。本方案提出的特制互感器主要起補(bǔ)償無功的作用，如果采用常規(guī)電流互感器結(jié)構(gòu)，將導(dǎo)致互感器一次側(cè)等效阻抗過小，起不到補(bǔ)償作用，所以本方案采用增加電流互感器鐵芯的長度來獲得一個特制互感器，使電網(wǎng)側(cè)等效阻抗?jié)M足要求。

(3)改進(jìn)控制，通過在特制電流互感器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流，改變特制互感器的二次側(cè)注入電流的大小便可實(shí)現(xiàn)特制電流主磁通的連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)特制互感器一次側(cè)阻抗的連續(xù)可調(diào)。

(4)模塊集成，本方案初定將逆變器的直流母線電壓的整流器和逆變器設(shè)計在一起，并和特殊設(shè)計的電流互感器做成一個標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，如果補(bǔ)償器的阻抗不足，可以直接在線路中多串聯(lián)幾個一起使用。

(5)實(shí)現(xiàn)無線通訊，當(dāng)模塊用于三相系統(tǒng)時，不同模塊之間相位關(guān)系通過無線通訊進(jìn)行傳遞；當(dāng)多個模塊用于單相系統(tǒng)時，不同模塊之間的補(bǔ)償量的大小關(guān)系通過無線通訊進(jìn)行傳遞。

(6)高低壓通用，有源串聯(lián)補(bǔ)償器一般用于低壓系統(tǒng)，但是本發(fā)明既可用于低壓系統(tǒng)也可用于高壓系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為有源串聯(lián)補(bǔ)償器通過特制互感器接入電網(wǎng)的單相原理電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)和(b)分別為本發(fā)明提出的閉口柱狀鐵芯特制互感器的一次側(cè)、二次側(cè)示意圖；其中，(a)為閉口空心圓柱鐵芯特制互感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為閉口空心柱狀鐵芯特制互感器二次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(a)和(b)分別為本發(fā)明提出的開口柱狀鐵芯特制互感器的一次側(cè)、二次側(cè)示意圖；其中，(a)為開口空心柱狀鐵芯特制互感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為開口空心柱狀鐵芯特制互感器二次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4(a)和(b)分別為本發(fā)明提出的適用于母排的閉口特制互感器的一次側(cè)、二次側(cè)示意圖；其中，(a)為適用于母排的閉口特制互感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為適用于母排的閉口特制互感器二次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)和(b)分別為本發(fā)明提出的適用于母排的開口特制互感器的一次側(cè)、二次側(cè)示意圖；其中，(a)為適用于母排的開口特制互感器一次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)適用于母排的開口特制互感器二次側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為特制互感器t型等效電路圖；

其中，1為電網(wǎng)線，2為圓柱鐵芯，3為二次繞組，4為母排，5為長方體鐵芯。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明基于一種磁通可控的可調(diào)電抗器的原理，通過在鐵芯帶氣隙的特制互感器的二次側(cè)采用有源的方式注入一個與一次側(cè)電流頻率相同、相位相反的電流，改變特制互感器的二次側(cè)注入電流的大小便可實(shí)現(xiàn)互感器主磁通的連續(xù)可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)互感器一次側(cè)阻抗的連續(xù)可調(diào)。與現(xiàn)有的可調(diào)電抗器相比，當(dāng)互感器鐵芯中帶有氣隙時，該磁通可控的可調(diào)電抗器沒有飽和現(xiàn)象，不產(chǎn)生諧波并可以實(shí)現(xiàn)電抗值的無級可調(diào)。但是當(dāng)該磁通可控的可調(diào)電抗器用作有源串聯(lián)補(bǔ)償器時，其一次側(cè)需要串聯(lián)接入電網(wǎng)中，需要電網(wǎng)停電并且斷開電網(wǎng)線路，改變了電網(wǎng)本來的結(jié)構(gòu)。

為了有源補(bǔ)償器易于接入電網(wǎng)且不改變電網(wǎng)本來的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種即插即用模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器。

本發(fā)明提供的單相有源串聯(lián)補(bǔ)償器包括：電流檢測模塊，逆變控制模塊和特制互感器；電流檢測模塊用于檢測入網(wǎng)電流中的基波電流以及通過逆變器施加在特制互感器二次側(cè)后產(chǎn)生的反饋電流；特制互感器包括一次側(cè)繞組和二次側(cè)繞組，其中，一次側(cè)繞組作為母排接入電網(wǎng)，二次側(cè)繞組沿著軸向方向繞制，并與逆變控制模塊的輸出端連接；逆變控制模塊的輸入端連接直流側(cè)電壓，逆變控制模塊的控制端連接至電流檢測模塊的輸出端，逆變控制模塊用于根據(jù)參考電流信號輸出用于控制所述互感器二次側(cè)產(chǎn)生反饋電流的控制電壓。

電流檢測模塊包括：基波電流檢測單元、反饋電流檢測單元和加法器；基波電流檢測單元的輸入端連接至電網(wǎng)，反饋電流檢測單元的輸入端連接至所述互感器二次側(cè)，加法器的第一輸入端連接至基波電流檢測單元的輸出端，加法器的第二輸入端連接至反饋電流檢測單元的輸出端，加法器用于將所述基波電流與所述反饋電流相加后輸出所述參考電流信號。

逆變控制模塊包括：逆變器、pwm控制驅(qū)動單元和lc濾波單元；pwm控制驅(qū)動單元的輸入端連接至所述加法器的輸出端，逆變器的輸入連接直流側(cè)電壓，逆變器的控制端連接至所述pwm控制驅(qū)動單元的輸出端，濾波單元的輸入端連接至逆變器的輸出端，濾波單元的輸出端連接所述互感器二次側(cè)；pwm控制驅(qū)動單元用于根據(jù)所述參考電流信號產(chǎn)生用于控制逆變器中開關(guān)管導(dǎo)通的pwm波信號；逆變器在所述pwm波信號的控制下，將直流側(cè)電壓逆變?yōu)樗隹刂齐妷骸?/p>

特制互感器的一次側(cè)即為電網(wǎng)的電力線路，連接在電網(wǎng)和負(fù)載之間，二次側(cè)連接到逆變控制模塊的輸出端。

基波電流檢測模塊包括：電流互感器和基波電流檢測環(huán)節(jié)。在特制互感器的二次側(cè)繞一匝線圈形成電流互感器，電流互感器的輸出與基波電流檢測環(huán)節(jié)的輸入端連接，基波電流檢測單元將從特制互感器一次側(cè)電流中檢測出基波電流信號作為單元輸出信號，送入逆變控制模塊的電流增益電路。

逆變控制模塊將檢測到的特制互感器一次側(cè)基波電流乘以一增益系數(shù)后作為其指令電流，然后電力電子逆變器產(chǎn)生一個磁通補(bǔ)償電流施加到特制互感器的二次側(cè)，其輸出的電流經(jīng)過一個lc濾波電路后通過一個特制互感器單元接入系統(tǒng)。lc濾波電路用于抑制逆變器產(chǎn)生的高頻紋波。

特制互感器單元用于將逆變器控制模塊輸出的控制電壓通過互感器產(chǎn)生基波補(bǔ)償電流接入到系統(tǒng)中。

直流母線電壓ud的獲取可以通過三種方式：(1)就地感應(yīng)取電；(2)通過對逆變器的控制來控制有功功率流入逆變器，從而實(shí)現(xiàn)對ud的控制；(3)直接用蓄電池接入直流母線側(cè)，通過對逆變器控制實(shí)現(xiàn)母線電壓的恒定。

本發(fā)明的工作原理，通過基波電流檢測單元(設(shè)該環(huán)節(jié)的增益為ku)檢測出特制互感器的基波電流將作為電流發(fā)生電路的參考信號iref，通過電力電子逆變器產(chǎn)生一個電流源(該電流源可以用來表示，α為互感器一次側(cè)電流的基波和二次側(cè)電流的比例系數(shù))。將經(jīng)過特制互感器接入系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)α，便可改變特制互感器二次側(cè)的磁勢，因而改變了特制互感器鐵芯中的主磁通，特制互感器的一次側(cè)便會呈現(xiàn)無級可調(diào)阻抗。

為了更進(jìn)一步的說明本發(fā)明提供的即插即用集成模塊化有源串聯(lián)補(bǔ)償器，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)例詳細(xì)具體地對有源串聯(lián)補(bǔ)償器原理和特制互感器進(jìn)一步說明：

如圖1所示，設(shè)在特制互感器鐵芯上一次側(cè)繞組ax的匝數(shù)為w1(在這里為1)，二次側(cè)繞組ax的匝數(shù)為w2，則一次側(cè)與二次側(cè)的匝比k＝w1/w2。若將此特制互感器的一次側(cè)ax串聯(lián)接在電網(wǎng)和一個負(fù)載之間，則在其一次側(cè)便有電流i1流過。通過檢測特制互感器一次側(cè)電流i1，并采用一個電壓型逆變器跟蹤此電流從而產(chǎn)生一個電流i2，將i2反相位注入特制互感器的二次側(cè)。此特制互感器的t形等效電路如圖6所示(i2折算到特制互感器一次側(cè)后為i2′)，其中:z1＝r1+jx1是一次側(cè)ax線圈的漏阻抗；z'2＝r2'+jx'2為特制互感器二次側(cè)折算到一次側(cè)的漏阻抗；zm＝rm+jxm為特制互感器勵磁阻抗。

當(dāng)特制互感器空載運(yùn)行時，鐵心中建立了的空載磁勢，由此空載磁勢產(chǎn)生的主磁通φmn，該主磁通在特制互感器一次側(cè)產(chǎn)生的感生電動勢而特制互感器一次側(cè)電壓方程為：若在特制互感器二次側(cè)采用有源的方式注入電流i.2，其大小為：其中α為一實(shí)數(shù)，且0≤α≤1。則特制互感器鐵芯中的總磁勢為特制互感器鐵芯中的主磁通為(1-α)φmn，該主磁通在特制互感器一次側(cè)產(chǎn)生的感生電動勢將式(4)代入式(2)得則從ax端看進(jìn)去，特制互感器等效阻抗為：從式(5)可知，由ax端看進(jìn)去，特制互感器呈現(xiàn)的阻抗為一可變量，其大小與α滿足一定比例關(guān)系。因此通過調(diào)節(jié)α的大小，便可改變特制互感器二次側(cè)的磁勢，因而改變了特制互感器鐵芯中的主磁通，特制互感器的一次側(cè)便會呈現(xiàn)一無級可調(diào)阻抗。

由于基于基波磁通補(bǔ)償?shù)挠性创?lián)補(bǔ)償器串聯(lián)在線路中，接入線路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串聯(lián)變壓器。圖2(a)和(b)為閉口空心圓柱鐵芯特制互感器具體結(jié)構(gòu)圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和電網(wǎng)線示意圖，(b)圖為互感器二次側(cè)繞組在鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進(jìn)行繞制；圖3(a)和(b)為開口空心圓柱鐵芯特制互感器具體結(jié)構(gòu)圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和電網(wǎng)線示意圖，(b)圖為互感器二次側(cè)繞組在鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進(jìn)行繞制；圖4(a)和(b)為適用于母排的閉口特制互感器具體結(jié)構(gòu)圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和母排示意圖，(b)圖為互感器二次側(cè)繞組在長方體鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進(jìn)行繞制；圖5(a)和(b)為適用于母排的開口特制互感器具體結(jié)構(gòu)圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和母排示意圖，(b)圖為互感器二次側(cè)繞組在長方體鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進(jìn)行繞制。其中開口式特制互感器，可以以電流鉗的方式接入電網(wǎng)，考慮到電流鉗對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說眾所周知，這里對原理圖3(a)和(b)、5(a)和(b)中電流鉗形式的具體結(jié)構(gòu)不再贅述。由于特制互感器的一次側(cè)僅有系統(tǒng)線路一匝，電感(其中w1為特制互感器一次側(cè)匝數(shù)，μ為鐵芯的磁導(dǎo)率，a為鐵芯截面積，l為平均磁路長度)如果用普通鐵芯，電網(wǎng)側(cè)等效電感太小，所以將圖示特制互感器的鐵芯做成細(xì)長圓柱狀或長方體狀以減小磁路長度，增大鐵芯截面積，從而增大電感l(wèi)。若電感值仍不滿足要求，可將多個即插即用補(bǔ)償器串聯(lián)接入電網(wǎng)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。