CN102255326A - 有源电力负载平衡方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力领域，特别是涉及一种有源电力负载平衡方法，其包括以下步骤：通过平衡装置对零线电流进行检测，当检测到所述电网的零线电流不为零时，根据零线电流得到零序电流；在所述电网的相线中注入与所述零序电流相等且反向的补偿零序电流；在所述电网的零线处注入与所述零线电流相等且反向的补偿零线电流。本发明还提供一种使用所述方法实现的有源电力负载平衡系统。通过本发明提供的有源电力负载平衡方法和系统，能够消除零线电流，降低线路和变压器的损耗，保障用电设备和电力供电系统的安全运行，实现电网的平衡。

Description

有源电力负载平衡方法和系统
技术领域
本发明涉及电力领域，特别是涉及有源电力负载平衡方法和系统。
背景技术
在实际用电中，电网的三相负载间普遍存在不平衡电流。当三相电流不平衡时，就会存在零线电流。在城市民用电网及农用电网中，存在大量的单相负荷，三相间电流不平衡现象尤为严重。而且电流不平衡的程度越大，零线电流就越大。当零线电流存在并达到一定值时，除了会增加线路和变压器的损耗外，还将严重危及用电设备和电力供电系统的安全运行。
降低零线电流的解决方法，目前主要采用的是合理分配用电负荷，主要有以下三种：
方案一：在三相之间加入电容、电抗组成的LC回路转移相的有功电流，通过对负载电路进行特定的移相匹配后，可以调节电网中有功电流的平衡，从而降低零线电流。
方案二：采用“之”字型的变压器绕组模式，通过改变变压器绕组结构，可以在一定的负载范围内调整电网负载的不平衡，起到降低零线电流的作用。
方案三：采用以电力有源滤波器为代表的电能质量调节装置，在滤除电网谐波、补偿无功电流的同时，可以调节电网不平衡电流，基本消除零线电流。
现有技术的三种方案分别存在以下缺点：
方案一：不能单独进行零线电流的抑制，在消除零线电流的同时，一定会同时向电网中注入无功电流。只能对特定负载实现最好消除效果，要实现大范围的调解必需采用有级调解。只能对负载基波分量产生效果，谐波电流可能会引发谐振，危害设备安全
方案二：需要对现有变压器绕组进行重新绕制或更换为定制特殊变压器。采用变压器铁心饱和特性，会产生额外铁心损耗。只能对负载基波分量产生效果，谐波电流可能会引发谐振或额外损耗，危害设备安全
方案三：信号检测方法复杂，为实现对三相电网的谐波和无功电流的治理，就必须同时检测三相信号，检测电路复杂，实时性要求高。为取得电流控制指令，需要对三相信号进行多次数学变换，从当前电流中分别分离出有功电流，基波电流，各次谐波电流，各次电流正序、负序、零序电流。运算过程复杂，除了对控制系统的运算速度和处理能力要求较高外，计算所得的电流控制指令与实际理论中的电流控制指令存在一定的延时，对输出控制带来主要控制误差。设备主要用于滤除电网谐波或无功电流，在此基础上实现电网电流的平衡，从而消除零线电流，也即消除零线电流是滤除电网谐波或无功电流的结果。因此主要的设备容量用于解决谐波和无功电流。用于消除零线电流，设备的有效容量只能达到设备全部容量的很小一部分，设备的容量利用率过低。
发明内容
针对上述现有技术的问题，本发明提供了一种有源电力负载平衡方法和系统，能够有效保证电网的平衡。
本发明涉及一种有源电力负载平衡方法，具体地说是应用电力有源滤波器、电能质量调节设备和电力电子节能设备消除电网中零线电流的技术。其具体方法步骤为：
当检测到所述电网的零线电流不为零时，根据零线电流得到零序电流；在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
在本发明的各实施例中，优选地，检测的巡检周期小于100微秒。
在本发明的各实施例中，优选地，零线电流除以3，得到零序电流。
在本发明的各实施例中，优选地，通过平衡装置实现有源电力负载平衡，其中，所述平衡装置包括：
主电路系统，其包括：相互并联的三相桥逆变器和半桥逆变器，其中，所述三相桥逆变器具有分别连接到所述电网的三相的三个连接端，所述半桥逆变器具有连接到所述电网的零线的连接端；和控制电路系统，其具有连接到电网的检测端和连接到所述主电路系统的驱动端。
在本发明的各实施例中，优选地，控制电路系统包括信号检测电路、数字信号处理模块、驱动电路。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路具有连接到电网零线的所述检测端和连接到所述数字信号处理模块的输出端；数字信号处理模块具有连接到所述信号检测电路的输入端和连接到所述驱动电路的输出端；驱动电路具有连接到所述数字信号处理模块的输入端和作为输出端的所述驱动端。
在本发明的各实施例中，优选地，驱动电路进一步包括放大电路。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路包括一个DSP数字信号处理器；
在本发明的各实施例中，优选地，数字信号处理模块包括一个脉宽调制PWM控制模块。
在本发明的各实施例中，优选地，半桥逆变器的单臂电流容量为三相桥逆变器单臂电流容量的三倍以上。
在本发明的各实施例中，优选地，根据零序电流，产生三相PWM脉冲控制信号，以此驱动三相逆变桥对电网相线注入与零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；
在本发明的各实施例中，优选地，根据零线电流，产生单相PWM脉冲控制信号，以此驱动半桥逆变器对零线注入大小相等方向相反的补偿零线电流。
在本发明的各实施例中，优选地，采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生三相PWM脉冲控制信号；
在本发明的各实施例中，优选地，采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生单相PWM脉冲控制信号。
本发明还涉及一种使用如前所述有源电力负载平衡方法实现的有源电力负载平衡系统，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测电网的零线电流；和
执行模块，用于当检测到电网的零线电流不为零时根据零线电流得到零序电流，在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流，在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
通过本发明提供的有源电力负载平衡方法和系统，能够消除零线电流，降低线路和变压器的损耗，保障用电设备和电力供电系统的安全运行，实现电网的平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为有源电力负载平衡方法步骤图。
图2为有源电力负载平衡系统的一种实施例的工作原理图。
图3为控制电路系统的一种实施例的工作原理图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明的主要目的是提供一种消除三相四线制电网中零线电流的方法。在电网中，任一负载供电系统中的三相电流都可以分解为正序、负序和零序电流，其中正负序电流为平衡分量，合成后电流之和为零，在零线中不会形成电流，零序分量合成之后，结果不为零，会在零线中合成为零线电流。本发明提供的方法主要是通过在负载间加入平衡装置，并通过平衡装置向电网注入特定电流，使网侧电流平衡，从而使零线电流为零。
通过本发明提供的有源电力负载平衡方法和系统，能够消除零线电流，降低线路和变压器的损耗，保障用电设备和电力供电系统的安全运行，实现电网的平衡。
本发明涉及一种有源电力负载平衡方法，其具体方法步骤为：
当检测到所述电网的零线电流不为零时，根据零线电流得到零序电流；在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
在本发明的各实施例中，优选地，检测的巡检周期小于100微秒。
在本发明的各实施例中，优选地，零线电流除以3，得到零序电流。
在本发明的各实施例中，优选地，通过平衡装置实现有源电力负载平衡，其中，所述平衡装置包括：
主电路系统，其包括：相互并联的三相桥逆变器和半桥逆变器，其中，所述三相桥逆变器具有分别连接到所述电网的三相的三个连接端，所述半桥逆变器具有连接到所述电网的零线的连接端；和控制电路系统，其具有连接到电网的检测端和连接到所述主电路系统的驱动端。
在本发明的各实施例中，优选地，控制电路系统包括信号检测电路、数字信号处理模块、驱动电路。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路具有连接到电网零线的所述检测端和连接到所述数字信号处理模块的输出端；数字信号处理模块具有连接到所述信号检测电路的输入端和连接到所述驱动电路的输出端；驱动电路具有连接到所述数字信号处理模块的输入端和作为输出端的所述驱动端。
在本发明的各实施例中，优选地，驱动电路进一步包括放大电路。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路包括一个DSP数字信号处理器；
在本发明的各实施例中，优选地，数字信号处理模块包括一个脉宽调制PWM控制模块。
在本发明的各实施例中，优选地，半桥逆变器的单臂电流容量为三相桥逆变器单臂电流容量的三倍以上。
在本发明的各实施例中，优选地，根据零序电流，产生三相PWM脉冲控制信号，以此驱动三相逆变桥对电网相线注入与零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；
在本发明的各实施例中，优选地，根据零线电流，产生单相PWM脉冲控制信号，以此驱动半桥逆变器对零线注入大小相等方向相反的补偿零线电流。
在本发明的各实施例中，优选地，采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生三相PWM脉冲控制信号；
在本发明的各实施例中，优选地，采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生单相PWM脉冲控制信号。
如图1有源电力负载平衡方法步骤图所示，有源电力负载平衡方法具体步骤包括：
当检测到所述电网的零线电流不为零时，根据零线电流得到零序电流；
在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；
在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
在本发明的各实施例中，电网三相电流一相电流为负载电流，其他两相电流为0，零线中存在零线电流。在本发明的各实施例中，优选地，通过平衡装置实现有源电力负载平衡，其中，所述平衡装置包括：主电路系统，其包括：相互并联的三相桥逆变器和半桥逆变器，其中，所述三相桥逆变器具有分别连接到所述电网的三相的三个连接端，所述半桥逆变器具有连接到所述电网的零线的连接端；和控制电路系统，其具有连接到电网的检测端和连接到所述主电路系统的驱动端。
在本发明的各实施例中，优选地，控制电路系统包括信号检测电路、数字信号处理模块、驱动电路，对电网的零线电流信号进行监测和处理。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路具有连接到电网零线的所述检测端和连接到所述数字信号处理模块的输出端；数字信号处理模块具有连接到所述信号检测电路的输入端和连接到所述驱动电路的输出端；驱动电路具有连接到所述数字信号处理模块的输入端和作为输出端的所述驱动端。即信号检测电路、数字信号处理模块、驱动电路顺次连接，组成控制电路系统。信号检测电路连接到电网零线，驱动电路连接到主电路系统的驱动端，保证控制电路系统连接到主电路系统和电网。
在本发明的各实施例中，优选地，驱动电路进一步包括放大电路，对处理后的零线电流信号进行信号调理并传到主电路系统。
在本发明的各实施例中，优选地，信号检测电路包括一个DSP数字信号处理器，DSP数字信号处理器不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，DSP数字信号处理器具有强大数据处理能力和高运行速度；优选地，数字信号处理模块包括一个脉宽调制PWM控制模块，以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。更优选地，驱动放大电路包括专用的集成电路芯片(ASIC)，专用集成电路芯片的特点是面向特定用户的需求，在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。
如图2有源电力负载平衡系统的一种实施例的工作原理图所示，图中11是交流电网，12为用电负载；2是主电路系统；3是控制电路系统，31是信号检测电路，32是数字信号处理模块，33是驱动电路。在电网中，A、B、C为三相电流，N为零线电流。控制电路系统与电网和主电路系统连接，零线电流与信号检测电路31连接，驱动电路33与主电路系统2的驱动端连接。当信号检测电路31检测到N线零线电流不为零时，数字信号处理模块32对零线电流进行处理，将零线电流除以3得到零序电流分量，数字信号处理模块32对零线电流和计算所得的零序电流分量分别进行单相PWM控制和三相PWM控制，驱动电路33根据零线电流对主电路系统2中的半桥逆变器发出单相PWM驱动信号，驱动半桥逆变器向零线输入大小相等方向相反的补偿零线电流，同时，驱动电路33根据零序电流分量对主电路系统2中的三相桥逆变器发出三相PWM驱动信号，驱动三相桥逆变器向相线输入大小相等方向相反的补偿零序电流。
如图3控制电路系统的一种实施例的工作原理图所示，零线电流经过交流/直流(A/D)转换，信号检测电路检测到零线电流不为零，数字信号处理模块对零线电流进行信号处理，将所得零线电流除以3得到零序分量电流，数字信号处理模块对零线电流和计算所得零序电流分量分别进行单相PWM控制和三相PWM控制。驱动电路直接对半桥逆变器发出单相PWM驱动信号，驱动半桥逆变器向零线输入大小相等方向相反的补偿零线电流；同时，向数字信号处理模块输入三相电压信号，驱动电路据此对三相桥逆变器发出三相PWM驱动信号，驱动三相桥逆变器向电网相线输入大小相等方向相反的补偿零序电流。
在本发明的各实施例中，在加入平衡装置前，电网负载为不平衡负载，零线中存在零线电流。对三相电流进行常规对称分量法(将三个相量分解为对称的分量组，用于分析三相电路不对称运行状态的一种方法)分解，可得结果为正负序电流和零序电流分量，正负序电流分量为对称分量，矢量和始终为零，不在零线中产生电流；零序电流分量大小为零线电流的1/3，方向相反。三相零序电流矢量和即为反向零线电流。加入平衡装置后，平衡装置的信号检测电路对零线中的瞬时零线电流进行巡检周期小于100微秒的检测，当检测到零线电流为0时，平衡装置不进行响应；当检测到N线电流不为零时，平衡装置即做出控制响应(如图1有源电力负载平衡方法步骤图)：
优选地，根据电网零序电流分量和零线中电流的简单合成关系，将平衡装置的控制系统检测到的电路零线电流直接除以3即可以得到电网的瞬间零序电流分量。控制系统核心DSP微处理器(以数字信号来处理大量信息的器件，其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式)根据零序分量电流，采用三角载波方法或滞环控制等常用方法通过三相脉宽调制PWM控制模块产生三相PWM脉冲控制信号，优选地，驱动放大电路对该信号进行信号调理，然后将该信号传达到平衡装置主电路系统，驱动三相逆变桥对三相电网注入与零序电流大小相等方向相反的三相补偿电流；和/或，优选地，DSP微处理器根据零线电流，采用三角载波方法或滞环控制等常用方法通过单相脉宽调制PWM控制模块产生单相PWM脉冲控制信号，优选地，驱动放大电路对该信号进行信号调理，然后将该信号传达到平衡装置主电路系统，驱动单相逆变桥对零线注入与零线电流大小相等方向相反的单相补偿电流。此时，从电网侧观察负载电流，负载侧零序电流分量由平衡器提供，电网不再向负载提供零序电流，电网侧的零序电流分量为零。从而实现了消除电网零线电流的效果。
现对现有技术中三种方案存在的缺点进行描述：
方案一：在三相之间加入电容、电抗组成的LC回路转移相的有功电流，不能单独进行零线电流的抑制，在消除零线电流的同时，一定会同时向电网中注入无功电流。只能对特定负载实现最好消除效果，要实现大范围的调解必需采用有级调解。只能对负载基波分量产生效果，谐波电流可能会引发谐振，危害设备安全，当电网中同时存在容性无功电流和零线电流时，采用本方案抑制零线电流，就会加大电网无功电流，对电网造成额外的“污染”；同时当电网中存在谐波电流时，直接在电网中投入电容器，电容器很容易在电网中产生谐波放大现象，引起电网过压过流，损坏电容器自身和其他电网设备。
方案二：采用“之”字型的变压器绕组模式，需要对现有变压器绕组进行重新绕制或更换为定制特殊变压器。采用变压器铁心饱和特性，会产生额外铁心损耗。只能对负载基波分量产生效果，谐波电流可能会引发谐振或额外损耗，危害设备安全。当电网存在谐波电流时，会加大变压器的铁心饱和发热现象，严重时会损坏变压器设备本身。同时由于铁心饱和后带来的电磁非线性特性，极容易合电网中的容型回路产生自激振荡，产生过压过流损坏电网用电设备。
方案三：采用以电力有源滤波器为代表的电能质量调节装置，信号检测方法复杂，为实现对三相电网的谐波和无功电流的治理，就必须同时检测三相信号，检测电路复杂，实时性要求高。为取得电流控制指令，需要对三相信号进行多次数学变换，从当前电流中分别分离出有功电流，基波电流，各次谐波电流，各次电流正序、负序、零序电流。运算过程复杂，除了对控制系统的运算速度和处理能力要求较高外，计算所得的电流控制指令与实际理论中的电流控制指令存在一定的延时，对输出控制带来主要控制误差。设备主要用于滤除电网谐波或无功电流，在此基础上实现电网电流的平衡，从而消除零线电流，也即消除零线电流是滤除电网谐波或无功电流的结果。因此主要的设备容量用于解决谐波和无功电流。用于消除零线电流，设备的有效容量只能达到设备全部容量的很小一部分，设备的容量利用率过低。
在本发明的各实施例中，本技术中的平衡装置采用有源电路，即电力电子开关逆变电路，零线电流调节特性不受外部回路负载特性的影响，例如谐波和无功电流变化，使得有源电力负载平衡器技术能针对零线电流进行专项控制，保证设备容量100％地用于消除零线电流。同时，本发明的平衡装置只需检测电网的零线电流即可，检测电路简单。平衡装置实时检测零线电流的动态，并以此做简单处理，优选地，零线电流除以3即可作为控制指令，大大简化了平衡装置的硬件电路和控制算法，大幅度缩减了计算所得的电流控制指令和实际理论中电流控制指令的延时，控制响应速度快，容易实现产品高频化。由于电子开关电路的工作频率越高，就越容易实现产品的小型化和低成本化。这样，本发明就充分解决了现有技术方案中存在的问题。
在本发明的各实施例中，由于零线电流大小是三相电路中需要补偿的零序电流的三倍，那么对应的，提供相应补偿电流的半桥逆变器的单臂电流容量为三相逆变器单臂电流容量的三倍以上，以保证两个逆变器能同时达到最大电流容量，没有容量空置。
本发明同时提供了一种有源电力负载平衡系统，这种有源电力负载平衡系统是满足可使用前述有源电力负载平衡方法实现的有源电力负载平衡系统，其特征在于，包括：检测模块，用于检测电网的零线电流；和执行模块，用于当检测到电网的零线电流不为零时根据零线电流得到零序电流，在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流，在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
本发明提供的各种实施例可根据需要以任意方式相互组合，通过这种组合得到的技术方案，也在本发明的范围内。
本发明可以应用到电力有源滤波器、电能质量调节设备和电力电子节能设备，消除电网中零线电流。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种有源电力负载平衡方法，包括以下步骤：
当检测到电网的零线电流不为零时，根据零线电流得到零序电流；
在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；
在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
2.如权利要求1所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，所述检测为巡检周期小于100微秒的检测。
3.如权利要求1或2所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，所述零线电流除以3，得到零序电流。
4.如权利要求1至3之一所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，通过平衡装置实现有源电力负载平衡，其中，所述平衡装置包括：
主电路系统，其包括：相互并联的三相桥逆变器和半桥逆变器，其中，所述三相桥逆变器具有分别连接到所述电网的三相的三个连接端，所述半桥逆变器具有连接到所述电网的零线的连接端；和
控制电路系统，其具有连接到电网的检测端和连接到所述主电路系统的驱动端。
5.如权利要求4所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，所述控制电路系统包括信号检测电路、数字信号处理模块、驱动电路；
所述信号检测电路具有连接到电网零线的所述检测端和连接到所述数字信号处理模块的输出端；
所述数字信号处理模块具有连接到所述信号检测电路的输入端和连接到所述驱动电路的输出端；
所述驱动电路具有连接到所述数字信号处理模块的输入端和作为输出端的所述驱动端；
优选地，驱动电路进一步包括放大电路。
6.如权利要求5所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，
所述信号检测电路包括一个DSP数字信号处理器；和/或
所述数字信号处理模块包括一个脉宽调制PWM控制模块。
7.如权利要求1至6所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，所述半桥逆变器的单臂电流容量为三相桥逆变器单臂电流容量的三倍以上。
8.如权利要求1至7之一所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，
根据所述零序电流，产生三相PWM脉冲控制信号，以此驱动三相逆变桥对电网相线注入与零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流；和/或
根据所述零线电流，产生单相PWM脉冲控制信号，以此驱动半桥逆变器对零线注入大小相等方向相反的补偿零线电流。
9.如权利要求8所述的有源电力负载平衡方法，其特征在于，
采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生三相PWM脉冲控制信号；和/或
采用三角载波方法和/或滞环控制方法产生单相PWM脉冲控制信号。
10.一种使用如权利要求1-9中任一项所述有源电力负载平衡方法实现的有源电力负载平衡系统，其特征在于，包括：
检测模块，用于检测电网的零线电流；和
执行模块，用于当检测到电网的零线电流不为零时根据零线电流得到零序电流，在所述电网的相线中注入与所述零序电流大小相等方向相反的补偿零序电流，在所述电网的零线处注入与所述零线电流大小相等方向相反的补偿零线电流。
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