一種智能港口岸電電能質量治理裝置的製作方法
2023-11-12 00:05:58 2
本發明涉及電力電子技術領域，具體地，涉及一種智能港口岸電電能質量治理裝置。
背景技術：
隨著我國近年來船運業的快速發展，靠港船舶日漸增多，船舶排放汙染日趨嚴重，在節能環保大勢所趨的壓力之下，碼頭船舶岸電走上歷史舞臺。國家交通部2011年4月，交通運輸部《交通運輸「十二五」發展規劃》出臺。根據這一規劃，2011-2015年間，我國將實施「綠色港航建設工程」，加快船舶靠港使用岸電技術的步伐。這意味著，未來船舶岸電技術有望「由點及面」，從沿海地區到內河碼頭，逐漸拓展到全國；根據交通部的要求，截止到2015年，全國將有50％的碼頭泊位配有船舶岸基供電系統，給船舶接入岸電帶來極大的便利。目前為止船舶岸電系統主要分為高壓與低壓兩種，高壓岸電輸出電制為6.6kv/60hz，主要通過電力電子變頻方式實現頻率的轉換。船舶受電系統對電能指標要求較高，目前尚沒有統一標準可以遵循，對船舶岸電系統電能質量進行統一管理。
目前為止，通用船舶岸電系統均為通過前期容量計算，於自身加裝固定規格電容電抗，對系統輸出電能進行濾波，併兼顧船電設備對系統本身造成的衝擊，由於船電負荷的複雜多樣化，固定電容電抗不能可靠的對電能進行治理和保護。
當前港口岸電應用中存在技術問題：
1、諧波汙染。由於船舶用電負載，含有各種變頻設備和計算機及通訊設備，因此產生大量的諧波汙染，而且高壓變頻港口岸電系統含有大功率的高壓變頻裝置，也會產生諧波汙染。
2、功率因數低。由於船舶用電以感性負載為主，如水泵，起重設備等，且負荷變化較大，因此功率因數較低，一般在0.7以下。
3、岸側大電網的電能特性為頻率穩定但電壓波動，船舶上微電網電能特性為電壓穩定但頻率波動，因此船岸之間的電能特性存在一定的匹配度偏差， 電壓的波動在一定程度上影響船舶用電負載的正常運行。
由於船舶負載的多樣化，負荷變化較大，其中水泵、起重機等大型設備啟動產生的大電流會對船舶岸電系統造成較大的衝擊，從而引起瞬間壓降。
技術實現要素：
本發明是為了克服現有技術中港口岸電功率因數低下的缺陷，根據本發明的一個方面，提出一種智能港口岸電電能質量治理裝置。
本發明實施例提供的一種智能港口岸電電能質量治理裝置，包括：開關組件、充電組件、單元組件和控制組件；
開關組件包括第一斷路器，充電組件包括電抗器，單元組件包括多個鏈節，且多個鏈節分布於每相線路中，並首尾相連；
第一斷路器的一端與電網側相連，另一端通過電抗器與單元組件的輸出端相連；
控制組件用於採集電網側的電壓電流信號，並根據電壓電流信號確定鏈節控制信號，通過光纖線路控制每個鏈節工作，指示單元組件隨負荷無功電流的變化產生相應的無功補償電流。
在上述技術方案中，充電組件還包括第二斷路器和充電電阻，第二斷路器和充電電阻並聯；
第一斷路器的另一端依次通過第二斷路器、電抗器後與單元組件的輸出端相連。
在上述技術方案中，第二斷路器的常閉觸點與充電電阻串聯。
在上述技術方案中，鏈節包括：第一igbt、第二igbt、第三igbt、第四igbt、充電電容；
第一igbt的集電極與第二igbt的集電極相連，同時與充電電容的一端相連；第三igbt的發射極和第四igbt的發射極相連，同時與充電電容的另一端相連；
第一igbt的發射極與第三igbt的集電極相連，且連接節點為連結的輸入端；第二igbt的發射極與第四igbt的集電極相連，且連接節點為連結的輸出端；
每個鏈節通過輸入端和/或輸出端與相鄰的其他鏈節相連。
在上述技術方案中，第一igbt的門極、第二igbt的門極、第三igbt 的門極、第四igbt的門極均通過光纖與控制組件相連，接收控制組件發送的鏈節控制信號。
在上述技術方案中，第一igbt的門極和第三igbt的門極相連；第二igbt的門極和第四igbt的門極相連。
在上述技術方案中，開關組件還包括：熔斷器；
第一斷路器通過熔斷器與電網側相連。
在上述技術方案中，還包括：電流互感器和電壓互感器；
電流互感器用於採集三相電流信號，並將三相電流信號發送至控制組件；
電壓互感器用於採集三相電壓信號，並將三相電壓信號發送至控制組件。
本發明實施例提供的一種智能港口岸電電能質量治理裝置，採用多個鏈節組成鏈式逆變器，從而可以快速響應並產生無功補償電流。基於igbt器件的鏈式逆變器不再採用大容量的電容器、電抗器，通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換；體積更小，響應速度更快，補償能力更強；同時不僅不產生諧波，還能動態補償諧波。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1為本發明實施例中智能港口岸電電能質量治理裝置的結構圖；
圖2為本發明實施例單元組件中的鏈節分布示意圖；
圖3為本發明實施例中鏈節的電路結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護範圍並不受具體實施方式的限制。
根據本發明實施例，提供了一種智能港口岸電電能質量治理裝置，圖1為該裝置的結構圖，具體包括：開關組件10、充電組件20、單元組件30和控制組件40。
其中，開關組件10包括第一斷路器km1，充電組件20包括電抗器l。優選的，參見圖1所示，充電組件20還包括預充電電路，預充電電路具體包括第二斷路器km2和充電電阻r，第二斷路器km2和充電電阻r並聯。
參見圖2所示，單元組件30包括多個鏈節，且多個鏈節分布於每相線路中，並首尾相連。本發明實施例中，通過多個鏈節組成鏈式逆變器，相當於一個可變的無功電流源，其無功電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化，自動補償系統所需無功功率。具體的，如圖2所示，單元組件30包含多組鏈節，每一組鏈節包含三個鏈節，該三個鏈節分別設置於三相線路a、b、c中。圖2以包含12組鏈節為例示出。
第一斷路器km1的一端與電網側相連，第一斷路器km1的另一端依次通過第二斷路器km2、電抗器l後與單元組件30的輸出端相連。
控制組件40用於採集電網側的電壓電流信號，並根據電壓電流信號確定鏈節控制信號，通過光纖線路控制每個鏈節工作，指示單元組件30隨負荷無功電流的變化產生相應的無功補償電流。
控制組件是整個電能質量治理裝置的控制中心。其採用獨立的ups電源供電。ups有兩路電源輸入(主、備用電源)，當主用電源無效時，系統自動切換到備用電源。當ups損壞但是主備用電源的一路有效時，控制組件由主備用電源供電。當ups或者主備用電源的任意一路出故障時，系統會告警。這樣保證系統可以用於惡劣的電源環境。控制組件的輸入信號有：充電櫃的接觸器(或刀閘)狀態信號、輸入輸出電壓、電流檢測信號、各個裝置鏈節的反饋信號、以及用戶通過人機界面的操作等。控制組件的輸出信號有：裝置鏈節的控制信號(光纖)，風扇的控制信號，充電櫃的接觸器控制信號。產品銘牌、觸控螢幕、指示燈(包括就緒、運行、故障)、緊急停機按鈕、遠程就地拔動開關、開放給用戶使用的可編程端子等都安裝在控制櫃。控制組件用於實現預期控制目標、監控系統運行狀態、與上位機進行通訊等，其穩定可靠工作保證了整個系統的安全、可靠運行
其中，該電壓電流信號具體包括三相電流信號和三相電壓信號。該智能 港口岸電電能質量治理裝置還包括電流互感器ct和電壓互感器pt。電流互感器ct用於採集三相電流信號，並將三相電流信號發送至控制組件40；電壓互感器pt用於採集三相電壓信號，並將三相電壓信號發送至控制組件40。
本發明實施例提供的智能港口岸電電能質量治理裝置的工作過程具體如下：
在需要無功補償時首先閉合第一斷路器km1，此時電網側通過充電電阻r和電抗器l為單元組件中的鏈節充電。當鏈節充電達到正常電壓後，閉合第二斷路器km2，從而短路充電電阻r，該裝置進入就緒狀態。充電電阻r和第二斷路器km2組成預充電電路，用於方式閉合km1時對單元組件中的鏈節造成瞬間衝擊。電抗器l用於緩衝電網電壓與逆變器(即單元組件30)輸出電壓之間的差異，並通過電抗器l向電網注入無功電流，同時減少控制組件40輸出電流中的開關紋波，降低共模幹擾。
控制組件通過網側的ct(電流互感器)採集電流諧波，經高速dsp快速計算，對網側諧波進行fft快速傅立葉分解及sfr同步旋轉坐標變換法，確定諧波(如65次以下諧波)分量及無功分量情況，在預設時間(如50μs)內動作發出電流命令，並通過功率執行器件產生與諧波源諧波電流方向相反幅值相等的補償諧波電流及無功補償電流，並注入電網側，達到抵消非線性負荷所產生諧波電流的作用及無功補償，實現濾除諧波及無功補償的功能。
需要說明的是，本發明實施例中，第一斷路器和第二斷路器只限定為一種開關，並非只限定為斷路器，如採用接觸器也可以實現相應的功能，例如第二斷路器km2可以採用接觸器。
優選的，第二斷路器km2的常閉觸點與充電電阻r串聯。在閉合第二斷路器km2的同時，可以斷開該常閉觸點，從而斷開充電電阻r與電網側之間的連接。
優選的，本發明實施例中的鏈節採用h式拓撲結構，極大提高了可靠性、靈活性和可維護性。參見圖3所示，本發明實施例提供的鏈節具體包括：第一igbtd1、第二igbtd2、第三igbtd3、第四igbtd4、充電電容c。
其中，第一igbtd1的集電極與第二igbtd2的集電極相連，同時與充電電容c的一端相連；第三igbtd3的發射極和第四igbtd4的發射極相連，同時與充電電容c的另一端相連。第一igbtd1的發射極與第三igbtd3的 集電極相連，且連接節點為連結的輸入端aci；第二igbtd2的發射極與第四igbtd4的集電極相連，且連接節點為連結的輸出端aco。每個鏈節通過輸入端和/或輸出端與相鄰的其他鏈節相連。
該鏈節的主要功能包括補償系統無功功率，提高功率因數；降低線損，提高線路輸電能力；諧波動態補償，改善電能質量；抑制電壓波動和閃變；維持受電段電壓，加強系統電壓穩定性；抑制電網三相不平衡。
該充電電容c為直流電容，該直流電容作為儲能元件，為通過igbt逆變器和內部電抗器向外輸出補償電流提供能量。同時，直流電容通過電源pcb向內部的控制pcb和電子電路提供工作電源。
具體的，第一igbtd1的門極、第二igbtd2的門極、第三igbtd3的門極、第四igbtd4的門極均通過光纖與控制組件40相連，接收控制組件40發送的鏈節控制信號，經過解碼生成觸發脈衝控制igbt的開通與關斷。工作中，通過調節逆變橋中igbt器件的開關，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，因此，整裝置相當於一個調相電源。通過檢測系統中所需的無功，可以快速發出大小相等、相位相反的無功，實現無功的就地平衡，保持系統實時高功率因數運行。
優選的，第一igbtd1的門極和第三igbtd3的門極相連；第二igbtd2的門極和第四igbtd4的門極相連。本發明實施例中由於採用igbt(insulatedgatebipolartransistor，絕緣柵雙極型電晶體)器件，從而通過兩路光纖即可以控制四個igbt的通斷，從而節省光纖線路，故障點少，易於維護(原控制線路需要四路光纖)。
本發明實施例中，單元組件採用鏈式拓撲結構，通過連接電抗器或變壓器並聯到電網上，不需要改變系統本來的接線，只需將無功補償發生器併入電網即可。
以圖2為例，每相由12個裝置鏈節串聯組成，每個裝置鏈節與控制組件採用光纖通訊，控制組件分別對裝置側和電網側電壓及電流進行採集處理，通過km2和km1控制裝置併網。同時可以通過udp/ip協議與人機界面觸控螢幕通訊，且控制組件提供多路輸入輸出端子等。
優選的，參見圖2所示，開關組件10還包括：熔斷器qf。第一斷路器km1通過熔斷器qf與電網側相連。
本發明實施例提供的一種智能港口岸電電能質量治理裝置，採用多個鏈節組成鏈式逆變器，從而可以快速響應並產生無功補償電流。基於igbt器件的鏈式逆變器不再採用大容量的電容器、電抗器，通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換；體積更小，響應速度更快，補償能力更強；同時不僅不產生諧波，還能動態補償諧波。
igbt全控型器件，器件開通關斷時間2μs，採用pwm控制算法整個裝置的響應時間在5ms之內。該裝置能動態快速連續調節無功輸出，最大限度滿足功率因數補償要求，在補償容量足夠的前提下，可實現任意時刻的功率因數大於0.98。採用先進的鏈式拓撲結構和多電平pwm技術來消除諧波，輸出電壓、電流諧波畸變率均小於3％，不需要安裝諧波濾波器支路；在不增加硬體成本的情況下可實現諧波濾波功能，特別適合於煤炭、冶金、鐵路等諧波及衝擊負荷。
同時，該裝置是電流源的特性，輸出電流可不受母線電壓影響。這一優點使該裝置用於電壓控制時具備很大的優勢，系統電壓越低，越需要動態無功支撐電壓，該裝置輸出無功電流與系統電壓沒有關係，可以看作是一個可控恆流源；且該裝置是阻抗型特性，輸出電流隨母線電壓線性降低。
本發明能有多種不同形式的具體實施方式，上面以圖1-圖3為例結合附圖對本發明的技術方案作舉例說明，這並不意味著本發明所應用的具體實例只能局限在特定的流程或實施例結構中，本領域的普通技術人員應當了解，上文所提供的具體實施方案只是多種優選用法中的一些示例，任何體現本發明權利要求的實施方式均應在本發明技術方案所要求保護的範圍之內。
最後應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。