[发明专利]用于在电网中进行功率因数和谐波校正的系统

说明书

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）。

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。

技术领域

本发明一般地涉及发电和配电。具体地，本发明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。

背景技术

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。

发明内容