用于在电网中进行功率因数和谐波校正的系统技术方案

一种用于在电网中进行功率因数（PF）和谐波校正并获得音频负载控制（AFLC）网络负载平衡的系统，包括控制器；PFC电容器子系统和AFLC信号处理电路。PFC电容器子系统包括两个或更多个无源PFC电容器的数字PFC电容器阵列，用以在PF校正中提供细步距增量；以及线性PFC电容器阵列，用以在PF校正中提供粗步距增量。按粗步距增量和细步距增量方式进行的PF校正允许全部或接近全部的PF校正而不过度补偿。可选地，系统还包括配置为仅针对并消除或最小化电网中的谐波的低功耗有源滤波器（APF）。

System for Power Factor and Harmonic Correction in Power Grid

A system for power factor (PF) and harmonic correction and load balancing of audio load control (AFLC) network in power grid, including controller, PFC capacitor subsystem and AFLC signal processing circuit. The PFC capacitor subsystem includes two or more digital PFC capacitor arrays of passive PFC capacitors to provide fine step increments in PF correction and linear PFC capacitor arrays to provide coarse step increments in PF correction. PF correction based on coarse step increment and fine step increment allows all or near all PF correction without over compensation. Optionally, the system also includes low power active filters (APFs) that are configured to only target and eliminate or minimize harmonics in the grid.

【技术实现步骤摘要】
用于在电网中进行功率因数和谐波校正的系统相关专利和专利申请的交叉引用：本申请要求2017年12月4日提交的美国专利申请No.15/831,383的优先权；其全部内容以引用方式并入本文。本申请涉及2017年7月18日授权的美国专利No.9,712,048，其全部内容以引用方式并入本文。
本专利技术一般地涉及发电和配电。具体地，本专利技术涉及用于电能质量补偿和在无需传统无源滤波器来旁路或阻断音频负载控制（AFLC）信号的情况下获得AFLC负载平衡的方法和系统。
技术介绍
在增加了许多不同类型的现代电器和电子设备的电力配电系统的输电干线中，电能质量，特别是本申请的主题，以及功率因数（PF）和谐波，是日益增加的问题。在交流（AC）输电干线中，在50Hz或60Hz（根据不同的国家）的基频上存在交替的正负电压正弦波。在交流系统中，交流电流也是正弦波，但其可以相对于基频处的电压正弦波移位一相位角。基频处的这种相移被作为功率因数（PF）或无功功率KVAR而测量，并且这种相移是电能质量退化的主要原因。除了降低电能质量之外，电压或电流也可能偏离所需的电压和电流正弦波，从而产生更高阶的电压和电流频率，其为基频（例如50或60Hz）的谐波倍数。由于电压和电流正弦波失真，这些分别称为电压谐波和电流谐波的更高阶的频率在工业中是众所周知的，已经引起与电力配电网络连接的电气设备（例如电机和变压器加热元件）的严重电能质量问题，并且会缩短这种具有破坏性的电子设备的寿命。近年来，为了优化交流（AC）电力在使用，传输和传递方面的最大能效的运行条件，网络运营商已经在电力配电网络中安装了开关电容功率因数校正（PFC）设备。PFC设备基本上包括与电网并联且在诸如为50Hz和60Hz的电源频率下工作的PFC电容器。通常，AFLC系统用于在高压配电网络设备处注入频率为固定声频的电信号，例如，典型的1042Hz或1050Hz信号，这些电信号继而分配到低电压网络，然后再分配到装配有响应于AFLC信号的AFLC频率敏感继电器（AFLC继电器）的负载点。AFLC继电器被调整以响应特定的AFLC载波或用数字数据信号调制的“纹波”频率。数字数据信号携带用于AFLC继电器的指令以打开和关闭电源子电路，因为这样的负载消除了诸如热水器，烤箱，空调等重负载。这使得网络运营商能够通过控制较重的电源负载以平衡电力的生产和使用。然而，PFC电容器的存在对较高的AFLC频率呈现非常低的阻抗，例如，在1042Hz和1050Hz的情况下，因素的阻抗衰减超过20。这继而将高频AFLC信号旁路到中性和/或使AFLC信号短路，从而降低AFLC信号的幅度，足以导致AFLC继电器的不可靠运行，并导致AFLC网络负载平衡方案的故障。为了减轻这个问题，一个成熟的传统解决方案是在PFC装置安装大型和重型被动旁路或阻塞滤波器。然而，该解决方案增加了PFC装置的尺寸、重量和成本。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种用于校正PF或KVAR而不过度补偿的方法和系统。本专利技术的另一个目的是提供这样的方法和系统，其与现有可比较的方法和系统相比，功率损耗更低，热耗散更低，成本更低，并且效率更高。本专利技术的又一个目的是提供这样的方法和系统，其能够适应在电网中并列使用电网音频或AFLC信令。另一目的还在于解决在PFC装置中安装大型和重型被动旁路或阻塞滤波器的传统解决方案的上述缺陷以减轻由配电网络中的PFC设备的存在引起的对AFLC网络负载平衡的干扰，本专利技术为此提供了AFLC信号处理电路，其用于检测AFLC“纹波”信号并且在几毫秒内快速地切换PFC电容器，从而允许AFLC信号不受阻碍地传递，或者引入阻抗，例如与PFC电容器串联的合适的电阻器，以实现AFLC系统的无阻碍操作。在适当的时间段之后，一旦AFLC信号通过，该电子设备还可以允许PFC装置恢复正常操作。这不需要传统的大而重的被动AFLC旁路或阻塞滤波器。根据本专利技术的一个实施方式，提供了一种用于在电网中进行功率因数（PF）和谐波校正的系统，包括：控制器，其配置为：接收包括功率因数、线路电压、线路频率、无功功率和无功功率符号的电网实时测量数据；确定校正PF所需的补偿电容；以及根据所确定的所需补偿电容，产生一个或多个驱动信号，用于接通及断开一或多个PFC电容器；PFC电容器子系统，用于校正PF和谐波，其中PFC电容器子系统与控制器电连接，用于接收一个或多个驱动信号并产生所需的补偿电容。所述系统还包括数字PFC电容器阵列，所述数字PFC电容器阵列包括两个或更多个无源PFC电容器并且配置为接收用于接通和断开其无源PFC电容器中的任何一个的驱动信号，以在PF校正中提供细步距增量；其中所述数字PFC电容阵列的无源PFC电容器具有不同的电容值，并且按照最大到最小或者从最小到最大的顺序排列。所述系统还包括一或多个线性PFC电容器阵列，每个阵列包括一或多个无源PFC电容器，并配置为接收用于接通和断开其无源PFC电容器的驱动信号，以在PF校正中提供粗步距增量；其中每个所述线性PFC电容器阵列具有与所述数字PFC电容器阵列的无源PFC电容器的最大的电容相同或更大的电容。该系统可以实现为可扩展的PFC电容器子系统，其中数字PFC电容器阵列和线性PFC电容器阵列中的每一个在PFC电容器子系统中是可安装和可移除的模块。根据本专利技术的另一实施方式，用于进行PF和谐波校正的系统还包括有源滤波器（APF）。APF是配置为仅针对并消除或最小化电网中的更高频谐波的低功耗APF；其中，数字PFC电容器阵列和线性PFC电容器阵列配置为校正基频PF。根据本专利技术的另一方面，提供了一种基于开关元件两端的零电压检测定时接通和断开PFC电容器的方法。当PF电容器快速切换进出电网的高AC电压线路时，这种方法保护开关元件免受非常高的破坏性浪涌电流影响。在一个替代实施方式中，PF电容器的快速切换中采用电压分压器以保护开关元件免受非常高的破坏性浪涌电流影响。根据本专利技术的另一方面，提供了一种接通和断开PFC电容器的方法，以允许电网中有音频或音频负载控制（AFLC）信令。根据本专利技术的又一个方面，用于进行PF和谐波校正的系统中的APF是可配置的，以允许在指定频率的音频或AFLC电压信号绕过APF，而不会当作不希望的谐波而被消除或最小化。根据本专利技术的另一方面提供一种方法，使得在AFLC信号存在时，在几毫秒内快速引入与PFC电容器串联的简单合适的阻抗，而不是切换所有或大部分的PFC电容器。这样可以最大限度地减少串联阻抗切换期间的电源电压和电流干扰。附图说明以下参考附图更详细地描述本专利技术的实施方式，其中：图1示出了具有KVAR和为固定常数范围的KW的PF函数中功率因数（PF）与KVAR之间的非线性关系图；图2示出了根据本专利技术的各个实施方式的功率因数校正（PFC）电容器子系统；图3A示出了根据本专利技术一个实施方式的快速半导体PFC电容器切换的优选方法的框图；图3B示出了图3A所示切换方法的时序图；图3C示出了根据本专利技术一个实施方式的快速半导体PFC电容器切换的另一方法的框图；图4A示出了高音频（例如1,042Hz或1,050Hz）AFLC载波或“纹波”信号施加在50Hz或60Hz电源AC电压上；图4B示出了传统的用标准的十进制数字字段编码的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在电网中进行功率因数和谐波校正的系统，其不过度补偿并能够获得音频负载控制AFLC网络负载平衡，所述系统包括：控制器，包括第一电子电路，用于在其输入端检测电网负载电流和/或电压波形中的AFLC信号；和第二电子电路，用于接收指示AFLC信号存在或不存在的第一电子电路的输出并且驱动AFLC阻抗开关；PFC电容器子系统，用于校正功率因数PF和谐波，其中所述PFC电容器子系统与所述控制器电连接，用于接收一个或多个驱动信号并产生所需的补偿电容；所述AFLC阻抗开关与一个AFLC阻抗并联；所述AFLC阻抗与所述PFC电容器子系统中的一个或多个PFC电容器串联连接，其中所述AFLC阻抗足够大以允许AFLC信号在接入时旁路所述PFC电容器子系统；其中所述AFLC阻抗开关在存在所述AFLC信号期间打开，从而接入所述AFLC阻抗。

【技术特征摘要】
2017.12.04 US 15/8313831.一种用于在电网中进行功率因数和谐波校正的系统，其不过度补偿并能够获得音频负载控制AFLC网络负载平衡，所述系统包括：控制器，包括第一电子电路，用于在其输入端检测电网负载电流和/或电压波形中的AFLC信号；和第二电子电路，用于接收指示AFLC信号存在或不存在的第一电子电路的输出并且驱动AFLC阻抗开关；PFC电容器子系统，用于校正功率因数PF和谐波，其中所述PFC电容器子系统与所述控制器电连接，用于接收一个或多个驱动信号并产生所需的补偿电容；所述AFLC阻抗开关与一个AFLC阻抗并联；所述AFLC阻抗与所述PFC电容器子系统中的一个或多个PFC电容器串联连接，其中所述AFLC阻抗足够大以允许AFLC信号在接入时旁路所述PFC电容器子系统；其中所述AFLC阻抗开关在存在所述AFLC信号期间打开，从而接入所述AFLC阻抗。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电子电路包括：用于放大所述AFLC信号的放大器；用于对放大的AFLC信号进行滤波并被调谐到AFLC信号频率的调谐滤波器；和用于抑制经过滤波和放大的AFLC信号中的信号噪声的锁相环。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于测量要馈送到所述第一电子电路的电网负载电流波形的电流转换器（CT）。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AFLC阻抗包括电阻器。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电子电路、所述第二电子电路和所述AFLC阻抗开关包括快速响应电子元件，使得AFLC阻抗在检测到AFLC信号的起始脉冲之后的50毫秒内接入。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电子电路还包括：一个或多个用于对AFLC信号进行滤波并被调谐到AFLC信号频率的滤波器；用于选择滤波后的AFLC信号的多路复用器；用于将所选择的AFLC信号转换为数字信号的模数转换器；和用于采样并将数字化的AFLC信号变换到频域以识别AFLC信号的频率分量的信号处理器。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还配置成：接收包括功率因数、线路电压、线路频率、无功功率和无功功率符号的电网实时测量数据；确定校正PF所需的补偿电容；以及根据所确定的所需补偿电容，产生一个或多个驱动信号，用于接通及断开一或多个PFC电容器。8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PFC电容器子系统包括：数字PFC电容器阵列，其包括两个或更多个无源PFC电容器，并且配置为接收用于接通和断开其无源PFC电容器中的任何一个的驱动信号，以在PF校正中提供细步距增量；其中所述数字PFC电容阵列的无源PFC电容器具有不同的电容值，并且按照最大到最小或者从最小到最大的顺序排列；以及一或多个线性PFC电容器阵列，每个阵列包括一或多个无源PFC电容器，并配置为接...

【专利技术属性】
技术研发人员：简·卡洛斯·蒂森娜·萨帕塔，埃夫伦二世·桑托斯·克鲁扎特，斯图尔特·尼尔乔治，戈登·柯里，郑永宁，
申请(专利权)人：逸节电子有限公司，
类型：新型
国别省市：中国香港,81