專利名稱：低成本且連續(xù)可調(diào)的無功功率補償器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及配電系統(tǒng)，尤其涉及配電系統(tǒng)中的無功功率補償；更具 體地說，本發(fā)明涉及一種低成本且連續(xù)可調(diào)的無功功率補償器。
背景技術(shù)：
配電系統(tǒng)中的大多數(shù)負(fù)載都具有電感特性，并因此導(dǎo)致弱功率因數(shù)。 為了解決弱功率因數(shù)問題，變電站和用電終端一般都安裝有與配電系統(tǒng) 平行相連的無功功率補償器，用來提高電網(wǎng)的功率因數(shù)、降低供電變壓 器及輸送線路的損耗、提高供電效率等。目前廣泛應(yīng)用的無功功率補償器，如公告號為CN1042879C、 CN1133257C等的中國專利所揭露，大多采用價格昂貴的交流電容器組和 電抗器。這種通過交流電容器組來提高功率因數(shù)的補償方法，存在投切 電容時不可避免地會產(chǎn)生巨大的涌流和半生電壓波動、暫態(tài)過渡諧波、 以及操作過電壓等棘手的技術(shù)問題。因此，為解決這些問題不得不采取相應(yīng)的技術(shù)措施，還要增加一些 必要的設(shè)備；并且，由于投切電容器是一組一組的，造成了功率因數(shù)控 制的不連續(xù)性，也即沒能實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)補償。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明目的在于提供一種無功功率補償器，其能有效實 現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的無功功率補償，且其結(jié)構(gòu)簡單而易于實現(xiàn)。為達到上述目的，本發(fā)明公開了一種無功功率補償器，其裝配于配 電系統(tǒng)中可有效提高所述配電系統(tǒng)的功率因數(shù)。并且，所述無功功率補 償器包括有變壓器、參考信號產(chǎn)生電路、遲滯控制電路、固態(tài)開關(guān)、高頻電感器、及直流電容器，其中所述變壓器，其輸入端用于與所述配電系統(tǒng)的供電電壓輸出端相連， 以對所述供電電壓進行變壓得到一個參考電壓，并從其輸出端輸出所述 參考電壓；所述參考信號產(chǎn)生電路，其輸入端與所述變壓器的輸出端相連，用于根據(jù)所述參考電壓產(chǎn)生一個領(lǐng)先或滯后所述供電電壓90度的參考信 號，并從其輸出端輸出所述參考信號；所述遲滯控制電路，其輸入端與所述參考信號產(chǎn)生電路的輸出端相 連，用于根據(jù)預(yù)定的遲滯寬度、所述參考信號、以及所述無功功率補償 器輸出的無功功率補償電流來確定一個用來控制所述固態(tài)開關(guān)狀態(tài)的控 制信號，并從其輸出端輸出所述控制信號；所述固態(tài)開關(guān)，串接在所述供電電壓第一輸出端與所述直流電容器 之間，和/或串接在所述高頻電感器的第一連接端與所述直流電容器之間， 用于根據(jù)所述控制信號改變所述直流電容器與所述供電電壓第一輸出端 和/或所述高頻電感器第一連接端的連接狀態(tài)；所述高頻電感器，其第一連接端與所述固態(tài)開關(guān)相連，其第二連接 端與所述供電電壓的第二輸出端相連，用于平滑所述無功功率補償電流 中由所述固態(tài)開關(guān)狀態(tài)改變引起的波紋噪聲；所述直流電容器，串接在所述固態(tài)開關(guān)之間，用于跟隨所述固態(tài)開 關(guān)的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的無功功率補償電流，以對所述配電系統(tǒng)的供電電流 進行補償。對于上述無功功率補償器，優(yōu)選地，所述參考信號產(chǎn)生電路進一步 包括有增益調(diào)節(jié)器、低通濾波器、反相器、及選擇固態(tài)開關(guān)，其中所述增益調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述變壓器的輸出端相連，對所述參 考電壓進行相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)后，從其輸出端輸出所述經(jīng)增益調(diào)節(jié)的參考 電壓；所述低通濾波器，其輸入端與所述增益調(diào)節(jié)器的輸出端相連，濾除 所述經(jīng)增益調(diào)節(jié)的參考電壓中的高次諧波，產(chǎn)生一個滯后所述供電電壓 90度的參考信號后從其輸出端輸出；所述反相器，其輸入端與所述低通濾波器相的輸出端相連，反相所 述滯后所述供電電壓90度的參考信號，產(chǎn)生一個領(lǐng)先所述供電電壓90度的參考信號后從其輸出端輸出；
所述選擇固態(tài)開關(guān)，其兩個選擇位分別與所述低通濾波器和所述反 相器的輸出端相連，用于根據(jù)所述供電電壓決定所述參考信號產(chǎn)生電路
的輸出為領(lǐng)先所述供電電壓90度的參考信號，或者為滯后所述供電電壓 90度的參考信號。
對于上述無功功率補償器，進一步優(yōu)選地，所述低通濾波器為2階 巴特沃茲濾波器。
對于上述無功功率補償器，優(yōu)選地，所述遲滯控制電路進一步包括 有比較器、遲滯控制器、及逆變器，其中
所述比較器，其兩個輸入端分別輸入所述無功功率補償電流和所述
參考信號，將兩者進行比較之后從其輸出端輸出相應(yīng)的比較結(jié)果；
所述遲滯控制器，其輸入端連接至所述比較器的輸出端，用于根據(jù)
所述遲滯寬度和所述比較結(jié)果來確定所述逆變器的固態(tài)開關(guān)狀態(tài)；
所述逆變器，其輸入端連接至所述遲滯控制器的輸出端，用于根據(jù)
所述遲滯控制器確定的固態(tài)開關(guān)狀態(tài)來改變所述直流電容器的電流方向。
對于上述無功功率補償器，進一步優(yōu)選地，所述逆變器為單相逆變器。
對于上述無功功率補償器，優(yōu)選地，所述固態(tài)開關(guān)至少有四個，其
中
第一固態(tài)開關(guān)串接所述直流電容器的第二連接端與所述高頻電感器 的第一連接端之間；
第二固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第二連接端與所述供電電壓 的第一輸出端之間；
第三固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第一連接端與所述供電電壓 的第一輸出端之間；
第四固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第一連接端與所述高頻電感 器的第一連接端之間。
對于上述無功功率補償器，優(yōu)選地，所述遲滯寬度為所述無功功率 補償電流額定電流率的正負(fù)5%到10%。
7通過上述介紹可知，通過采用價格便宜的直流電容器和固態(tài)開關(guān)來 仿效昂貴的交流電容器和電抗器，再輔以相應(yīng)的參考信號產(chǎn)生電路和遲 滯控制電路來控制所述直流電容器和固態(tài)開關(guān)的工作狀態(tài)，使得本發(fā)明 所提供無功功率補償器既能產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的正向無功功率，又能產(chǎn)生連 續(xù)可調(diào)的逆向無功功率。
也就是說，本發(fā)明實現(xiàn)了一種連續(xù)可調(diào)的無功功率補償器，且由于 其結(jié)構(gòu)簡單及組件成本低廉而易于實現(xiàn)。將所述無功功率補償器取代現(xiàn) 有補償系統(tǒng)安裝在諸如房屋、工廠、商業(yè)大樓、及居民住宅等負(fù)載上時， 能對相應(yīng)配電系統(tǒng)的功率因數(shù)進行有效持續(xù)調(diào)節(jié)。
并且，本發(fā)明技術(shù)方案的上述及更多特征和優(yōu)點可通過閱讀下述具 體實施方式、所附權(quán)利要求書、及說明書附圖得到更好地理解。


圖1為裝配有本發(fā)明無功功率補償器第一實施例的配電系統(tǒng)示意圖； 圖2為圖1所示參考信號i^t)及無功功率補償電流ic(t)的波形圖示
圖3為圖1所示遲滯控制電路的框圖示意； 圖4為圖1所示參考信號產(chǎn)生電路的框圖示意； 圖5為圖3及圖4所示框圖的電路圖示例； 圖6A為圖1所示供電電壓Vs(t)波形圖的第一示例； 圖6B為圖1所示無功功率補償電流ic(t)波形圖的第一示例； 圖6C為對應(yīng)圖6A所示供電電壓Vs(t)和圖6B所示無功功率補償電 流ic(t)的無功功率和功率因數(shù)的結(jié)果示意；
圖7A為圖1所示供電電壓^(t)波形圖的第二示例； 圖7B為圖1所示無功功率補償電流ic(t)波形圖的第二示例；
圖7C為對應(yīng)圖7A所示供電電壓v"t)和圖7B所示無功功率補償電 流ic(t)的無功功率和功率因數(shù)的結(jié)果示意。
具體實施例方式
下面介紹及其中所涉及實施例僅作本發(fā)明原理的示范性解釋用，而并無任何限定本發(fā)明保護范圍及應(yīng)用的意圖。對于下面介紹全文，其中 "功率因數(shù)"為系統(tǒng)實際功率與表現(xiàn)功率的比值，且其取值為0 1間的 任意數(shù)；"額定電流率"為區(qū)域中政府機構(gòu)設(shè)定的電流比率。
圖1示出了裝配有本發(fā)明無功功率補償器的配電系統(tǒng)100，其中，供 電電壓Vs(t)輸出供電電流is(t)，由無功功率補償器110產(chǎn)生的無功功率補 償電流ic(t)加入供電電流Ut)后得到負(fù)載電流iL(t)，而負(fù)載電流iL(t)最終
輸入負(fù)載130 (例如房屋、廠房、商業(yè)大樓等)。
如圖1所示，無功功率補償器110進一步包括有高頻電感器L，直 流電容器C、固態(tài)開關(guān)S! (111、 113)和Sr (112、 114)、變壓器(圖 中未示出)、參考信號產(chǎn)生電路(圖中未示出)、以及遲滯控制電路(圖 中未示出)。
其中，參考信號產(chǎn)生電路用于產(chǎn)生一個領(lǐng)先或滯后供電電壓^(t) 90 度的參考信號；遲滯控制電路用于根據(jù)預(yù)定的遲滯寬度、參考信號產(chǎn)生 電路輸出的參考信號、以及無功功率補償電流ic(t)來確定一個控制信號， 以控制固態(tài)開關(guān)S, (111、 113)禾n S,， (112、 114)的開/閉狀態(tài)；直流 電容器C用于仿效現(xiàn)有補償系統(tǒng)中的交流電容器或電抗器來產(chǎn)生無功功 率補償電流ic(t)，以對供電電流is(t)進行補償；固態(tài)開關(guān)S, (111、 113) 和Sr (112、 114)用于根據(jù)遲滯控制電路輸出的控制信號來改變直流電 容器與供電電壓Vs(t)輸出端的連接狀態(tài)，從而能夠調(diào)節(jié)無功功率補償電 流ic(t)的產(chǎn)生，以達到根據(jù)實際補償需求進行正確補償?shù)哪康?；而高頻
電感器L串接則主要用來平滑無功功率補償電流ic(t)中由固態(tài)開關(guān)S, (111、 113)和Sr (112、 114)的狀態(tài)改變而引起的波紋噪聲。
并且，如圖1所示，直流電容器C、固態(tài)開關(guān)Si(lll、 113)和S,， (112、 114)、高頻電感器L、及供電電壓Vs(t)的兩個輸出端相互之間 的連接關(guān)系為第一固態(tài)開關(guān)S, (111)串接在直流電容器C的第二連接 端與高頻電感器L的第一連接端之間，且高頻電感器L的第二連接端與 供電電壓Vs(t)的第二輸出端相連；第二固態(tài)開關(guān)S,' (112)串接在直流
電容器C的第二連接端與供電電壓Vs(t)的第一輸出端之間；第三固態(tài)開
關(guān)S, (113)串接在直流電容器C的第一連接端與供電電壓Vs(t)的第一輸 出端之間；第四固態(tài)開關(guān)S。 (114)串接在直流電容器C的第一連接端與高頻電感器L的第一連接端之間。此外，直流電容器C、固態(tài)開關(guān)S,
(111、 113)和Si， (112、 114)、以及高頻電感器L均可采用現(xiàn)有技術(shù) 中任一種公知組件。
這樣，根據(jù)無功功率補償器U0的具體設(shè)置，以及配電系統(tǒng)100是
否需要抵消負(fù)載130的電感或電容影響，負(fù)載電流iu;t)將顯示為正向無
功功率或逆向無功功率。
并且，無功功率補償器110的設(shè)置主要取決于其中固態(tài)開關(guān)S,(lll、 113)和S!， (112、 114)的狀態(tài)
如果參考信號iK(t)大于無功功率補償電流ic(t)，固態(tài)開關(guān)S, (111、 113)將斷開、而固態(tài)開關(guān)Sr (112、 114)則將閉合；
如果參考信號iK(t)小于無功功率補償電流ic(t)，固態(tài)開關(guān)S, (111、
113)將閉合、而固態(tài)開關(guān)S,， (112、 114)則將斷開。
因此，無功功率補償器110的設(shè)置邏輯顯示如下
sr-斷開及s,-閉合時:
S,^閉合及Sf斷開時:
一般來說，無功功率補償電流ic(t)通常給定有一個允許的偏差范圍 (例如，將無功功率補償電流ic(t)允許的偏差范圍設(shè)定為其額定電流率 的5% 10%)。這樣，當(dāng)無功功率補償電流ic(t)位于其允許偏差范圍之
內(nèi)時，無功功率補償器110無需做任何操作；而當(dāng)其位于允許偏差范圍
之外時，無功功率補償器iio則需要進行相應(yīng)的補償操作。
為了讓無功功率補償器110總是能滿足負(fù)載130的無功功率補償需 求，可通過持續(xù)調(diào)節(jié)無功功率補償器110輸出的無功功率補償電流ic(t) 來輸出正確的正向無功功率或逆向無功功率至負(fù)載130，且該持續(xù)調(diào)節(jié)將 以參考信號i^t)為基礎(chǔ)。
下面將首先參照圖2詳細介紹圖1中所示參考信號k(t)和圖1中所示無功功率補償電流ic(t)之間的相互關(guān)系。
如圖2所示，應(yīng)用于圖1所示配電系統(tǒng)100中的遲滯控制電路通常
預(yù)設(shè)有一個遲滯寬度(參閱前述允許偏差范圍)，用來確定無功功率補
償電流ic(t)相比參考信號i"t)的波動范圍。如果無功功率補償電流ic(t) 相比參考信號i"t)的波動位于遲滯寬度之外，則將觸發(fā)圖1中所示固態(tài) 開關(guān)S, (111、 113)和Sr (112、 114)的閉合或斷開，使得圖1中直流 電容C能夠發(fā)生與無功功率補償電流ic(t)極性對應(yīng)的充放電，從而能夠 對圖1中所示供電電流"t)進行相應(yīng)補償。
下面將繼續(xù)參照圖3詳細介紹本發(fā)明無功功率補償器110中的遲滯 控制電路300，且遲滯控制電路300主要用來基于參考信號iR(t)控制無功 功率補償電流ic(t)的補償調(diào)節(jié)。
如圖3所示，遲滯控制電路300包括有比較器301，遲滯控制器303， 和逆變器305。參考信號iK(t)輸入比較器301，與當(dāng)前輸入圖l中所示負(fù) 載130的無功功率補償電流ic(t)進行比較(比如通過減法器)得到相應(yīng)
的比較結(jié)果ic。，re(t)之后，將比較結(jié)果ic。m,(t)輸出至遲滯控制器303。
如圖3所示，遲滯控制器303預(yù)設(shè)有一個遲滯寬度，用來界定比較
結(jié)果ice(t)的允許偏差范圍。
在實際應(yīng)用過程中，比較結(jié)果ic。mp^(t)可能滯后于遲滯寬度W，也
可能領(lǐng)先于遲滯寬度w，還可能位于遲滯寬度w的范圍之內(nèi)。針對這三
種可能，遲滯控制器303分別進行如下控制
當(dāng)比較結(jié)果ic。mp^(t)滯后于遲滯寬度W時，圖1中所示無功功率補
償器110內(nèi)的固態(tài)開關(guān)S！ (111、 113)或Sr (112、 114)的開閉狀態(tài) 將被改變，且所述改變具體表現(xiàn)為閉合Si (111、 113)及斷開Sr (112、
114);
反之，當(dāng)比較結(jié)果ic。m,(t)領(lǐng)先于遲滯寬度W時，固態(tài)開關(guān)S,(lll、
113)或Sr (112、 114)的開閉狀態(tài)將被改變，且所述改變具體表現(xiàn)為 閉合Sr (112、 114)及斷開S(111、 113);
然而，當(dāng)比較結(jié)果ic。m，e(t)位于遲滯寬度W范圍之內(nèi)時，固態(tài)開關(guān)
S, (111、 113)和Sr (112、 114)的開閉狀態(tài)都將不變。隨后，如圖3所示，經(jīng)遲滯控制器303確定需要接受無功功率補償 器110調(diào)節(jié)的比較結(jié)果ic。m^e(t)將輸入逆變器305，以通過逆變產(chǎn)生適當(dāng) 的無功功率補償電流ic(t)。接著，無功功率補償電流ic(t)輸入圖1中所
示負(fù)載130，達到改進配電系統(tǒng)IOO的功率因數(shù)的目的。
下面將接著參照圖4詳細介紹本發(fā)明無功功率補償器110中參考信 號產(chǎn)生電路400，且參考信號產(chǎn)生電路400主要用來產(chǎn)生一個可作為控制 無功功率補償電流ic(t)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)的參考信號iR(t)。
如圖4所示，參考信號產(chǎn)生電路400包括有增益調(diào)節(jié)器401，低通 濾波器403，反相器407，及選擇開關(guān)405。
應(yīng)用參考信號產(chǎn)生電路400產(chǎn)生參考信號b(t)的第一步為，將圖1 中所示供電電壓v"t)經(jīng)變壓后獲得的參考電壓v"t)輸入增益調(diào)節(jié)器401，
以對參考電壓VK(t)進行增益調(diào)節(jié)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解，增益調(diào)節(jié)器401可采用現(xiàn)有公知的任一 種，比如增益調(diào)節(jié)器401可以是自動型的，即能夠?qū)ζ漭斎胄盘栠M行 自動增益調(diào)節(jié)；也可以是手動型的，即通過諸如撥動旋鈕之類手工操作 來進行增益調(diào)節(jié)。
隨后，經(jīng)過增益調(diào)節(jié)器401進行增益調(diào)節(jié)后輸出的參考電壓w(t)'將 輸入至低通濾波器403。由于低通濾波器403只允許其輸入信號中的低頻 部分通過，并因此產(chǎn)生一個滯后于供電電壓vs(t) 90度的參考信號iR(t)，。
一般來說，低通濾波器403的階數(shù)為n (n》2)。同時，低通濾波器 403的截止頻率等于供電電壓vs(t)的頻率，且通常由圖1所示配電系統(tǒng) 100決定為50Hz或60Hz。
此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能理解，低通濾波器403可采用現(xiàn)有技術(shù) 中的任一種，比如，巴特沃茲型濾波器、契比雪夫型濾波器、卡弗型濾 波器、及貝賽爾型濾波器。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，濾波器403 為2階巴特沃茲濾波器。
繼續(xù)，經(jīng)過低通濾波器403的濾波處理獲得滯后于供電電壓vs(t) 90 度的參考信號in(t)'之后，還需要根據(jù)圖1所示配電系統(tǒng)100實際的正向
或逆向無功功率補償需求，對參考信號iR(t)'進行相應(yīng)的調(diào)整。參照圖4具體而言，當(dāng)配電系統(tǒng)100需要正向無功功率補償時，通
過圖4中所示反相器407對滯后于供電電壓vs(t) 90度的參考信號iR(t)，
進行反相，得到相應(yīng)的領(lǐng)先于供電電壓Vs(t)90度的參考信號iK(t)，使得 參考信號iK(t)輸入前述遲滯控制電路300后能夠產(chǎn)生正向無功功率；或
者，當(dāng)配電系統(tǒng)100需要逆向無功功率補償時，通過直接輸出滯后于供 電電壓vs(t) 90度的參考信號iR(t)'，得到相應(yīng)的滯后于供電電壓v辦)90 度的參考信號iR(t)，使得參考信號iK(t)輸入前述遲滯控制電路300后能 夠產(chǎn)生逆向無功功率。
總之，圖4所示參考信號產(chǎn)生電路400輸出的參考信號是領(lǐng)先供電 電壓vs(t)90度，還是滯后供電電壓Vs(t) 90度，主要通過控制操作選擇 開關(guān)405的選擇位來確定。并且，選擇開關(guān)405優(yōu)選為手動控制的撥動 開關(guān)，由用戶根據(jù)實際補償需求在所述領(lǐng)先和滯后兩個控制位之間進行 切換。
綜上所述，通過采用價格便宜的直流電容器C和固態(tài)開關(guān)S, (111、 113)及Sr (112、 114)來仿效現(xiàn)有補償系統(tǒng)中昂貴的交流電容器組和 電抗器，本發(fā)明實現(xiàn)了一種持續(xù)可調(diào)的低成本無功功率補償器。并且， 本發(fā)明無功功率補償器的電路實施例(參見圖5)及相關(guān)實驗結(jié)果(參見 圖6及圖7)已證明了本發(fā)明技術(shù)方案的有效性。
在圖5所示實施例中，供電電壓v,(t)經(jīng)由變壓器501后再輸入增益 調(diào)節(jié)器401;低通濾波器403具體實施為2階巴特沃茲濾波器；高頻電感 設(shè)定為3.54mH，直流電容器為75uF;額定供電電壓為100Vrms，且供電 電壓的頻率為50Hz;而遲滯控制電路300的遲滯寬度W設(shè)定為0.6A， 且遲滯控制電路300的輸出端連接至逆變器驅(qū)動502的輸入端，從而使 得遲滯控制電路300能夠根據(jù)其遲滯寬度W和參考信號i^t)與補償信號 ic(t)比較結(jié)果控制逆變器驅(qū)動502的固態(tài)開關(guān)狀態(tài)選擇。其中
增益調(diào)節(jié)器401具體實施為由1個TL074運算放大器組成，變壓器 501的輸出經(jīng)1個100K的可調(diào)電阻分壓后輸入該TL074的正向輸入端、 且該TL074反向輸入端與其輸出端相連。
2階巴特沃茲濾波器403具體實施為由1個TL074運算放大器、1個250K的可調(diào)電阻、1個200K電阻、2個16nF電容、1個30K電阻、及 1個50K電阻組成。且上述各組件的連接關(guān)系為增益調(diào)節(jié)器401的輸 出經(jīng)250K可調(diào)電阻和200K電阻后輸入該TL074正向輸入端，1個16nF 電容跨接在該TL074正向輸入端與地線之間，1個16nF電容跨接在該 TL074輸出端與200K電阻和250K可調(diào)電阻的連接點之間，30K電阻跨 接在該TL074反向輸入端與該TL074輸出端之間，50K電阻跨接在該 TL074反向輸入端與地線之間。
2階巴特沃茲濾波器403的輸出經(jīng)選擇開關(guān)405控制，或者直接輸出 滯后于供電電壓vs(t) 90度的參考信號iR(t)，或者通過反相器407后輸出 領(lǐng)先于供電電壓vs(t)卯度的參考信號iR(t)。反相器407具體實施為由2 個200K電阻和1個TL074運算放大器組成，2階巴特沃茲濾波器403的 輸出經(jīng)1個200K電阻后輸入該TL074的反向輸入端，1個200K電阻跨 接在該TL074的反向輸入端和輸出端之間，且該TL074的正向輸入端接 地線。
遲滯控制電路300具體實施為由1個TL074運算放大器、1個LM393 雙電壓比較器、1個MC14069反相器、1個10K電阻、4個39K電阻、1 個50K的電阻、1個100K的可調(diào)電阻、1個1M電阻、及1個1N4148 開關(guān)二極管組成。且上述各組件的連接關(guān)系為選擇開關(guān)405選定并輸 出的參考信號in(t)通過1個39K電阻后輸入該TL074的反向輸入端，補 償電流ic(t)也通過1個39K電阻后輸入該TL074的正向輸入端，1個39K 電阻跨接在該TL074的反向輸入端和輸出端之間，1個39K電阻跨接在 該TL074的正向輸入端和地線之間；該LM393的反向輸入端接該TL074 的輸出、其正向輸入端經(jīng)1個IOOK可調(diào)電阻接地線，且1個1M電阻跨 接在該LM393的輸出端和其正向輸入端之間、1個10K電阻跨接在該 LM393的輸出端和+ 12V的電源之間；該LM393的輸出通過1個1N4148 開關(guān)二極管后輸入該MC14069的輸入端，且1個50K電阻跨接在該 MC14069的輸入端和地線之間。
為驗證圖5所示無功功率補償器的性能，同時測定正向無功功率的 產(chǎn)生，圖6A 6C分別示出了其供電電壓v"t)的波形、無功功率補償電 流ic(t)的波形、以及參考信號i^t)設(shè)定為領(lǐng)先供電電壓vs(t) 90度時產(chǎn)生的無功功率。很明顯，圖6B所示無功功率補償電流ic(t)領(lǐng)先于圖6A所 示供電電壓v"t)90度，并因此產(chǎn)生了圖6C所示的正向無功功率。
類似地，為驗證圖5所示無功功率補償器的性能，同時測定逆向無 功功率的產(chǎn)生，圖7A 7C分別示出了其供電電壓^(t)的波形、無功功 率補償電流ic(t)的波形、以及參考信號i"t)設(shè)定為滯后供電電壓Vs(t) 90 度時產(chǎn)生的無功功率。很明顯，圖7B所示無功功率補償電流ic(t)滯后于 圖7A所示供電電壓vs(t)卯度，并因此產(chǎn)生了圖7C所示的逆向無功功 率。
總之，圖6及圖7所示實驗結(jié)果表明，本發(fā)明所提供無功功率補償 器既能產(chǎn)生正向無功功率，也能產(chǎn)生逆向無功功率。
需要聲明的是，上述發(fā)明內(nèi)容及具體實施方式
意在證明本發(fā)明所提 供技術(shù)方案的實際應(yīng)用，不應(yīng)解釋為對本發(fā)明保護范圍的限定。本領(lǐng)域 技術(shù)人員在本發(fā)明的精神和原理內(nèi)，當(dāng)可作各種修改、等同替換、或改 進。本發(fā)明的保護范圍以所附權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種無功功率補償器，用于提高配電系統(tǒng)的功率因數(shù)；其特征在于，包括有變壓器、參考信號產(chǎn)生電路、遲滯控制電路、固態(tài)開關(guān)、高頻電感器、及直流電容器，其中所述變壓器，其輸入端用于與所述配電系統(tǒng)的供電電壓輸出端相連，以對所述供電電壓進行變壓得到一個參考電壓，并從其輸出端輸出所述參考電壓；所述參考信號產(chǎn)生電路，其輸入端與所述變壓器的輸出端相連，用于根據(jù)所述參考電壓產(chǎn)生一個領(lǐng)先或滯后所述供電電壓90度的參考信號，并從其輸出端輸出所述參考信號；所述遲滯控制電路，其輸入端與所述參考信號產(chǎn)生電路的輸出端相連，用于根據(jù)預(yù)定的遲滯寬度、所述參考信號、以及所述無功功率補償器輸出的無功功率補償電流來確定一個用來控制所述固態(tài)開關(guān)狀態(tài)的控制信號，并從其輸出端輸出所述控制信號；所述固態(tài)開關(guān)，串接在所述供電電壓第一輸出端與所述直流電容器之間，和/或串接在所述高頻電感器的第一連接端與所述直流電容器之間，用于根據(jù)所述控制信號改變所述直流電容器與所述供電電壓第一輸出端和/或所述高頻電感器第一連接端的連接狀態(tài)；所述高頻電感器，串接在所述供電電壓的第二輸出端和所述固態(tài)開關(guān)之間，用于平滑所述無功功率補償電流中由所述固態(tài)開關(guān)狀態(tài)改變引起的波紋噪聲；所述直流電容器，串接在所述固態(tài)開關(guān)之間，用于跟隨所述固態(tài)開關(guān)的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的無功功率補償電流，以對所述配電系統(tǒng)的供電電流進行補償。
2. 如權(quán)利要求1所述的無功功率補償器，其特征在于，所述參考信 號產(chǎn)生電路進一步包括有增益調(diào)節(jié)器、低通濾波器、反相器、以及選擇 固態(tài)開關(guān)，其中所述增益調(diào)節(jié)器，其輸入端與所述變壓器的輸出端相連，對所述參 考電壓進行相應(yīng)的增益調(diào)節(jié)后，從其輸出端輸出所述經(jīng)增益調(diào)節(jié)的參考電壓；所述低通濾波器，其輸入端與所述增益調(diào)節(jié)器的輸出端相連，濾除 所述經(jīng)增益調(diào)節(jié)的參考電壓中的高次諧波，產(chǎn)生一個滯后所述供電電壓 90度的參考信號后從其輸出端輸出；所述反相器，其輸入端與所述低通濾波器相的輸出端相連，反相所述滯后所述供電電壓90度的參考信號，產(chǎn)生一個領(lǐng)先所述供電電壓90 度的參考信號后從其輸出端輸出；所述選擇固態(tài)開關(guān)，其兩個選擇位分別與所述低通濾波器和所述反 相器的輸出端相連，用于根據(jù)所述供電電壓決定所述參考信號產(chǎn)生電路 的輸出為領(lǐng)先所述供電電壓90度的參考信號，或者為滯后所述供電電壓 90度的參考信號。
3. 如權(quán)利要求1所述的無功功率補償器，其特征在于，所述遲滯控 制電路進一步包括有比較器、遲滯控制器、及逆變器，其中所述比較器，其兩個輸入端分別輸入所述無功功率補償電流和所述 參考信號，將兩者進行比較之后從其輸出端輸出相應(yīng)的比較結(jié)果；所述遲滯控制器，其輸入端連接至所述比較器的輸出端，用于根據(jù) 所述遲滯寬度和所述比較結(jié)果來確定所述逆變器的固態(tài)開關(guān)狀態(tài)；所述逆變器，其輸入端連接至所述遲滯控制器的輸出端，用于根據(jù) 所述遲滯控制器確定的固態(tài)開關(guān)狀態(tài)來改變所述直流電容器的電流方 向。
4. 如權(quán)利要求1至3任一所述的無功功率補償器，其特征在于，所 述固態(tài)開關(guān)至少有四個，其中第一固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第二連接端與所述高頻電感 器的第一連接端之間；第二固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第二連接端與所述供電電壓 的第一輸出端之間；第三固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第一連接端與所述供電電壓 的第一輸出端之間；第四固態(tài)開關(guān)串接在所述直流電容器的第一連接端與所述高頻電感 器的第一連接端之間。
5. 如權(quán)利要求2所述的無功功率補償器，其特征在于，所述低通濾 波器為2階巴特沃茲濾波器。
6. 如權(quán)利要求3所述的無功功率補償器，其特征在于，所述逆變器為單相逆變器。
7. 如權(quán)利要求4所述的無功功率補償器，其特征在于，所述遲滯寬 度為所述無功功率補償電流額定電流率的正負(fù)5%到10%。
全文摘要
為了解決配電系統(tǒng)的弱功率因數(shù)問題，本發(fā)明公開了一種無功功率補償器，包括有直流電容器，用來仿效交流電容器或電抗器產(chǎn)生無功功率補償電流；固態(tài)開關(guān)及高頻電感器，串接在所述直流電容器與所述配電系統(tǒng)的供電電壓輸出端之間，用來調(diào)節(jié)所述無功功率補償電流的產(chǎn)生；參考信號產(chǎn)生電路，用于根據(jù)所述供電電壓產(chǎn)生一個滯后或領(lǐng)先90度的參考信號；以及遲滯控制電路，用于根據(jù)預(yù)定的遲滯寬度、所述無功功率補償電流、及所述參考信號來控制所述固態(tài)開關(guān)的狀態(tài)。通過采用價格便宜的直流電容器和固態(tài)開關(guān)，再輔以相應(yīng)的補償控制電路(包括所述參考信號產(chǎn)生電路和遲滯控制電路)，本發(fā)明實現(xiàn)了低成本且連續(xù)可調(diào)的無功功率補償器。
文檔編號H02J3/18GK101286639SQ200710091770
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月9日
發(fā)明者曾啟明, 陳偉樂 申請人:香港理工大學(xué)