CN104953597B - 一种具有改善电能质量功能的智能电表*** - Google Patents

一种具有改善电能质量功能的智能电表*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有改善电能质量功能的智能电表***，包括连接在网侧单相交流电源和负载之间的智能电表本体，网侧单相交流电源和智能电表本体之间的火线和零线之间还并联有电压传感器A，智能电表本体的结构包括控制***，控制***还与投切电容器、单相电压源型变流器连接，投切电容器包括分别并联于网侧单相交流电源的火线和零线之间的三组开关电路，每组开关电路由继电器和电容串联组成，继电器连接至火线上，电容连接至零线上，投切电容器与负载之间的火线上还连接有电流传感器A，本发明解决了现有技术中存在的电网供电中补偿容量、设备体积、人员分配消耗了大量的社会资源，且供电不够灵活的问题。

Description

一种具有改善电能质量功能的智能电表***
技术领域
本发明属于智能电表技术领域，具体涉及一种具有改善电能质量功能的智能电表***。
背景技术
自2001年美国提出智能电网的概念以来，智能电网已经成为了电力行业的发展趋势。智能电网的发展要求完善对电能质量的控制，而智能电表又是智能电网***建设的重要环节。现有的智能电表主要实现的是电能计量、阶梯电价、结算电费的功能，部分能够进行电能质量检测，而将改善电能质量与智能电表这两大智能电网建设的元素相结合的研究项目目前尚未见成熟。
随着科技的发展，各种种类繁多的家用电器源源不断地进入家庭，使每家每户的用电负荷不断增加。类似空调、电冰箱、电烤箱、微波炉等家用电器往往包含不可控的整流电路和大容量滤波电容等非线性电路，使得大量的谐波流入电网，降低了电能的生产、传输和利用效率，同时大大降低了电气设备的寿命。一些包含变压器、电动机等的家用设备运行时需要无功功率。如果不采取无功补偿措施，则会增大线路损耗，引起电压偏差，对电网***造成非常严重的影响。目前对电网的治理主要集中在三相侧，如变电站、配电所，使得电网方面不管是补偿容量、设备体积、人员分配都消耗了大量的社会资源，且不够灵活。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改善电能质量功能的智能电表***，解决了现有技术中存在的电网供电中补偿容量、设备体积、人员分配消耗了大量的社会资源，且供电不够灵活的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种具有改善电能质量功能的智能电表***，包括连接在网侧单相交流电源和负载之间的智能电表本体；智能电表本体的结构为：包括控制***，控制***还与投切电容器、单相电压源型变流器连接，单相电压源型变流器与网侧单相交流电源之间的火线和零线之间还连接有电压传感器A，投切电容器与负载之间的火线上还连接有电流传感器A。
本发明的特点还在于，
投切电容器具体结构为：包括分别连接于网侧单相交流电源的火线和零线之间的三组开关电路，每组开关电路由继电器和电容串联组成，继电器连接至火线上，电容连接至零线上。
单相电压源型变流器的具体结构为：包括连接在火线上的绝缘栅门极晶体管A，绝缘栅门极晶体管A的发射极与火线连接，绝缘栅门极晶体管A的发射极与火线之间还依次连接有电感L、电流传感器B和电流传感器C，绝缘栅门极晶体管A的发射极还与绝缘栅门极晶体管B的集电极连接，绝缘栅门极晶体管B发射极与绝缘栅门极晶体管D的发射极、绝缘栅门极晶体管C的集电极和绝缘栅门极晶体管A的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C的发射极与绝缘栅门极晶体管D的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C的发射极还与零线连接，绝缘栅门极晶体管C的集电极和绝缘栅门极晶体管B的发射极之间还连接有电容C0，电容C0的上还并联有电压传感器B；控制***具体结构为：包括DSP芯片，DSP芯片分别与液晶显示屏和继电器连接，DSP芯片还与绝缘栅门极晶体管A、绝缘栅门极晶体管B、绝缘栅门极晶体管C、绝缘栅门极晶体管D的门极均连接。
本发明的有益效果是，一种具有改善电能质量功能的智能电表***，投切电容器的作用在于增大***容量的同时降低了单相电压源变流器的容量，降低了器件的耐压等级，减小了成本。
附图说明
图1是本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***的结构示意图；
图2是本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***的控制***结构示意图；
图3为本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***的单相电压源型变流器控制框图；
图4为本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***的基于时域的电流检测算法框图。
图中，1.网侧单相交流电源，2.智能电表本体，3.负载，4.投切电容器，5.单相电压源型变流器，6.控制***，7.绝缘栅门极晶体管A，8.绝缘栅门极晶体管B，9.绝缘栅门极晶体管C，10.绝缘栅门极晶体管D，11.DSP芯片，12.电压传感器B，13.电压传感器A，14.电流传感器B，15.电流传感器A，16.开关电路，17.继电器，18.液晶显示屏，19.电流传感器C。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明结合改善电能质量的技术领域和传统智能电表的概念，提出的智能电表采用静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)与有源滤波器(Active Power Filter，APF)相结合的方式，具有补偿无功以及抑制谐波功能，不仅可以实现电能计量、结算电费的功能，还可以实时进行动态无功补偿和谐波治理，旨在分担电网压力。
本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***，结构示意图如图1所示，包括连接在网侧单相交流电源1和负载3之间的智能电表本体2，智能电表本体2的结构为：包括控制***6，控制***6还与投切电容器4、单相电压源型变流器5连接，单相电压源型变流器5与网侧单相交流电源1之间的火线和零线之间还连接有电压传感器A13，投切电容器4与负载3之间的火线上还连接有电流传感器A15，投切电容器4具体结构为：包括分别连接于网侧单相交流电源1的火线和零线之间的三组开关电路16，每组开关电路16由继电器17和电容C1串联组成，继电器17连接至火线上，电容C1连接至零线上，单相电压源型变流器5的具体结构为：包括连接在火线上的绝缘栅门极晶体管A7，绝缘栅门极晶体管A7的发射极与火线连接，绝缘栅门极晶体管A7的发射极与火线之间还依次连接有电感L、电流传感器B14和电流传感器C19，绝缘栅门极晶体管A7的发射极还与绝缘栅门极晶体管B8的集电极连接，绝缘栅门极晶体管B8发射极与绝缘栅门极晶体管D10的发射极、绝缘栅门极晶体管C9的集电极和绝缘栅门极晶体管A7的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C9的发射极与绝缘栅门极晶体管D10的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C9的发射极还与零线连接，绝缘栅门极晶体管C9的集电极和绝缘栅门极晶体管B8的发射极之间还连接有电容C0，电容C0的上还并联有电压传感器B12，如图2所示，控制***6具体结构为：包括DSP芯片11，DSP芯片11分别与液晶显示屏18和继电器17连接，DSP芯片11还与绝缘栅门极晶体管A7、绝缘栅门极晶体管B8、绝缘栅门极晶体管C9、绝缘栅门极晶体管D10的门极均连接。
本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***，当需要负载3所产生的基波无功和3、5、7次谐波电流时，控制***6检测出负载3电流iL的谐波分量iLh和基波无功电流i1q，将其反极性后作为补偿电流的指令信号由单相电压源型变流器5产生的补偿电流ic即与负载电流中的谐波分量iLh和基波无功电流i1q大小相等、方向相反，因而两者互相抵销，使得电源电流is中只含基波有功电流i1p，这样就达到了抑制电源电流中谐波和补偿基波无功电流的目的，为了降低单相电压源型变流器5的容量，同时采用投切电容器4补偿基波无功电流，通过式(1)表示上述原理：
式中：i1p负载电流的基波有功分量；i1p负载电流的基波无功分量；iLh负载电流的谐波分量；is为电网电流；iL为负载电流；ic为智能电表本体输出电流。
参考图3说明单相电压源变流器的控制：通过电压传感器A13采样电网电压uan和单相电压源型变流器5直流侧电压udc，通过电流传感器A15采样负载电流iL和电流传感器C19采样单相电压源型变流器5交流侧电流ic；通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)获得与电网电压uan同步的信号sinωt；直流电压给定值与直流电压反馈值udc差值作为PI控制的输入值，PI控制的输出值与电网电压uan同步的信号sinωt相乘获得基波有功电流指令负载电流iL由无功及谐波电流检测算法TTA获得基波无功电流和3、5、7次谐波电流分量；基波无功电流和3、5、7次谐波电流分量取反后为与基波有功电流指令相加得到电流指令电流指令与三角载波比较获得控制开关器件开关的PWM信号。
参考图4说明本发明采用的基于时域的电流检测算法(TTA)获得基波无功和谐波电流分量，通过式(2)(3)(4)(5)实现基于时域的电流检测算法，
单相电网电流可以表示为：
式中：In为各次电流幅值，为各次谐波电流的初相位。
一般认为电网电流中只含有3次及以上的谐波，取n＝1,3,5,7..，那么，
其中，
即负载电流包含三个部分：与***基波电压保持同相位的基波有功电流i1p；基波无功电流i1q；谐波电流ih，sinωt和cosωt是锁相得到的正余弦量，
同时在式(2)(3)两边同时乘以cosωt，则有
采用低通滤波器滤除交流分量，其截止频率低于两倍电流基波频率，可得到i1q的一半，若将增益增大一倍，可以得到i1q，这样就可以得到瞬时基波无功电流分量
类似的，同时在(4)两边乘以sinωt，则有
采用同样的截止频率低于两倍电流基波频率的低通滤波器除交流分量后，可以得到i1p，这样就可以得到瞬时基波有功电流分量。
同理可得其它各次谐波含量。
本发明一种具有改善电能质量功能的智能电表***，通过采用投切电容器和SVG相结合方式补偿无功功率，不仅可以提高供用电***及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，还可以稳定受电端及电网的电压，提高供电质量，采用有源滤波器进行谐波抑制，装置可以发出同频同幅反相的3、5、7次谐波电流，降低电网中的谐波含量，减轻谐波对电力***及电力设备等带来的危害。

Claims (1)

1.一种具有改善电能质量功能的智能电表***，其特征在于，包括连接在网侧单相交流电源(1)和负载(3)之间的智能电表本体(2)；所述智能电表本体(2)的结构为：包括控制***(6)，控制***(6)还与投切电容器(4)、单相电压源型变流器(5)连接，所述单相电压源型变流器(5)与网侧单相交流电源(1)之间的火线和零线之间还连接有电压传感器A(13)，所述投切电容器(4)与负载(3)之间的火线上还连接有电流传感器A(15)；所述投切电容器(4)具体结构为：包括分别连接于网侧单相交流电源(1)的火线和零线之间的三组开关电路(16)，每组开关电路(16)由继电器(17)和电容(C1)串联组成，所述继电器(17)连接至火线上，所述电容(C1)连接至零线上，所述单相电压源型变流器(5)的具体结构为：包括连接在火线上的绝缘栅门极晶体管A(7)，所述绝缘栅门极晶体管A(7)的发射极与火线连接，绝缘栅门极晶体管A(7)的发射极与火线之间还依次连接有电感(L)、电流传感器B(14)和电流传感器C(19)，绝缘栅门极晶体管A(7)的发射极还与绝缘栅门极晶体管B(8)的集电极连接，绝缘栅门极晶体管B(8)发射极与绝缘栅门极晶体管D(10)的发射极、绝缘栅门极晶体管C(9)的集电极和绝缘栅门极晶体管A(7)的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C(9)的发射极与绝缘栅门极晶体管D(10)的集电极连接，绝缘栅门极晶体管C(9)的发射极还与零线连接，所述绝缘栅门极晶体管C(9)的集电极和绝缘栅门极晶体管B(8)的发射极之间还连接有电容(C0)，所述电容(C0)的上还并联有电压传感器B(12)；所述控制***(6)具体结构为：包括DSP芯片(11)，所述DSP芯片(11)分别与液晶显示屏(18)和所述继电器(17)连接，DSP芯片(11)还与所述绝缘栅门极晶体管A(7)、绝缘栅门极晶体管B(8)、绝缘栅门极晶体管C(9)、绝缘栅门极晶体管D(10)的门极均连接。
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