CN104578119A - 一种低压电网的平衡补偿装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种低压电网的平衡补偿装置，包括用于连接低压电网的三相的曲折变压器、输出端的一端与该曲折变压器的中性线相连接的单相逆变器、用于对曲折变压器的中性线的电流、低压电网的中性线的电流进行检测零序电流检测电路、用于根据零序电流检测电路的检测结果对单相逆变器进行控制的逆变控制器，该单相逆变器的输出端的另一端用于与低压电网的中性线相连接。申请的技术方案能够使零序电流在曲折变压器、单相逆变器与负荷之间形成环路，这就会使低压电网的中性线的电流降到零，从而完成对低压电网的零序电流的补偿，进而解决低压电网的三相不平衡问题。

Description

一种低压电网的平衡补偿装置

技术领域

本申请涉及电力技术领域，更具体地说，涉及一种低压电网的平衡补偿装置。

背景技术

我国配电网均采用三相四线制配电变压器供电方式，且变压器容量小于100kVA占全局变压器数量占据一半左右，由于其符合分配基本靠人工进行，因此容易引起配电网低压单相负荷不均，负荷实际运行率差异过大，且单相用户的不可控增容等，这些因素不可避免造成低压电网的三相不平衡问题。

三相不平衡会导致中性线过载、过热、以及产生电磁干扰、影响供电电压波形、绝缘层破坏、降低功率因数、降低变压器及电器设备的使用寿命等问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种低压电网的平衡补偿装置，用于对零序电流进行补偿，以解决低压电网的三相不平衡问题。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一种低压电网的平衡补偿装置，可选的，包括曲折变压器、单相逆变器、零序电流检测电路和逆变控制器，其中：

所述曲折变压器用于与所述低压电网相连接；

所述单相逆变器的输出端的一端与所述曲折变压器的中性线相连接、另一端与所述低压电网中性线相连接；

所述零序电流检测电路用于检测所述曲折变压器的中性线的电流值和所述低压电网的中性线的电流值，并将其分别作为第一电流值、第二电流值；

所述逆变控制器根据所述第一电流值和第二电流值控制所述单相逆变器的输出电压。

可选的，还包括保护电路，其中：

所述保护电路用于当所述第二电流值超过预设的极限电流值时切断所述曲折变压器与所述低压电网的连接。

可选的，所述零序电流检测电路包括霍尔电流传感器。

可选的，所述单相逆变器包括单相全桥逆变电路。

可选的，所述单相全桥逆变电路的二极管为肖特基二极管。

可选的，所述单相全桥逆变电路的电源为单相全桥整流电路或三相全桥整流电路。

可选的，所述单相全桥逆变电路的供电电源包括多个并联的大功率电解电容。

从上述技术方案可以看出，本申请提供了一种低压电网的平衡补偿装置，包括用于连接低压电网的三相的曲折变压器、输出端的一端与该曲折变压器的中性线相连接的单相逆变器、用于对曲折变压器的中性线的电流、低压电网的中性线的电流进行检测零序电流检测电路、用于根据零序电流检测电路的检测结果对单相逆变器进行控制的逆变控制器，该单相逆变器的输出端的另一端用于与低压电网的中性线相连接。本申请的技术方案能够使零序电流在曲折变压器、单相逆变器与负荷之间形成环路，这就会使低压电网的中性线的电流降到零，从而完成对低压电网的零序电流的补偿，进而解决低压电网的三相不平衡问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面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，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种低压电网的平衡补偿装置的结构图；

图2为本申请提供的曲折变压器的结构图；

图3为本申请提供的单相逆变器的结构图；

图4为本申请提供的逆变控制器的结构图；

图5为本申请另一实施例提供的一种低压电网的平衡补偿装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例一

图1为本申请实施例提供的一种低压电网的平衡补偿装置的结构图。

如图1所示，本实施例提供的平衡补偿装置包括曲折变压器10、单相逆变器20、零序电流检测电路40和逆变控制器30。

曲折变压器的10三相输入端与低压电网100的三相相连接，由于其对正序电流负序电流的阻抗很大，因此不会对其电流造成影响，但是其对零序电流的阻抗很小，且基本为0，因此能够轻松流过零序电流。

单相逆变器20的输出端的一端与曲折变压器10的中性线相连接、另一端分别与低压电网的中性线N、低压电网的负荷的中性线相连接。

零序电流检测电路40用于分别检测曲折变压器10的中性线的电流、负荷的200中性线的电流、低压电网100的中性线N的电流，为了描述方便，分别将曲折变压器10的中性线的电流作为第一电流值，将低压电网100的中性线的电流作为第二电流值。

逆变控制器30用于根据上述第一电流值和第二电流值控制单相逆变器20输出逆变电流。

从上述技术方案可以看出，本申请提供了一种低压电网的平衡补偿装置，包括用于连接低压电网的三相的曲折变压器、输出端的一端与该曲折变压器的中性线相连接的单相逆变器、用于对曲折变压器的中性线的电流、低压电网的中性线的电流进行检测零序电流检测电路、用于根据零序电流检测电路的检测结果对单相逆变器进行控制的逆变控制器，该单相逆变器的输出端的另一端用于与低压电网的中性线相连接。本申请的技术方案能够使零序电流在曲折变压器、单相逆变器与负荷之间形成环路，这就会使低压电网的中性线的电流降到零，从而完成对低压电网的零序电流的补偿，进而解决低压电网的三相不平衡问题。

曲折变压器的结构如图2所示，曲折变压器是一种三相绕组通过特殊方式连接而得到的变压器，主要应用在低压电网系统中，原边和副边的变比为1：1，这样使得原边输入的电流与副边感应输出的电流相同。而零序电流是大小相等方向相同的，于是其对零序电流的阻抗为0。

若A相电压为则有

E₁＝E₂∠-120 (1)

E₂＝-E₃ (2)

U_A＝E₁+E₃ (3)

联立以上三式得到：

$E_1=\frac{\sqrt{3}}{3}*220\sqrt{2}\sin (\mathrm{wt}+30)$

即，变压器的原边和副边电压有效值为127伏。实际选取额定电压得留有一定裕度，取为150伏，由于目标要求补偿60A的零序电流，故通过A相的电流I₁＝20A，额定电流取24A，所以三相变压器的额定容量取为S＝3E_nI_n＝10.8KVA。

单相逆变器的结构如图3所示，由图中可以看出，其包括单相全控桥，开关管为MOSFET。同时，开关频率达到了100KHZ以上，功耗低，不过由于电流容量小，耐压性低，一般只能适用于功率不超过10KW的电力电子装置。

电路图中二极管的作用是为交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，因此在每个开关管反并联一个二极管。此项目所设计的零序补偿器用到电压型逆变器，直流侧应为大电容，相当于电压源。

本申请中用到肖特基二极管，开关管频率为10KHZ，电容器通过三相整流桥对其进行供电，电容电压为50V/3300uF，这是由于要补偿的零序电压较小的缘故，为稳定直流侧电压取两电容器并联。

零序电流检测电路包括多个霍尔电流传感器，分别用于采集实际系统中不平衡零序电流，为补偿零序电流提供依据。

第二霍尔传感器用于对负载侧零线电流If以及补偿支路电流Ic两路进行检测，得到补偿后的零线电流If-Ic,以生成调制信号。另外还包括用于检测曲折变压器的中性线的电流的第一霍尔传感器和用于检测低压电网的第三霍尔传感器。霍尔电流传感器选择托肯科技的TBC200LTA，初次级绝缘电压6000伏，可测量直流、交流和脉冲电流。

若If过大，则减小K值，使补偿器按最大能力补偿。若两补偿器并联，用控制器控制使一个补偿器的In1＝(1/2)If-Ic1，另一个为In2＝(1/2)If-Ic2。采用电流互感器采样，若用电阻采样会发热，这样不够精确。

14位6通道同时采样的高速AD采样芯片，高频响应、高精度和隔离性能良好的霍尔传感器，并结合了数字信号处理技术与多年的运行经验，将在最大程度上保证该控制系统的安全稳定运行。

单相逆变器包括逆变模块，逆变模块包括由2个电解电容，1块逆变板和1块驱动板所组成。电解电容选择63伏47000UF。逆变板由于需要通过MOS的电流有效值为40A,因此逆变板在处理策略上为大面积覆铜并且加厚到最大4OZ，铜裸露。由于频率较高，缓冲电路应尽可能靠近MOS，减小线路杂散电感以减小电压过冲。其中R1,C1,D1与R5,C9,D5为缓冲电路，C5为直流电侧电压过冲无感吸收电容，都尽可能靠近MOS。

本申请中还包括四个开关电源。直流侧部分两300瓦15伏的开关电源相串联；控制器和驱动器所用的24伏和5伏输出的电源一个；霍尔电流传感器的供电电源±15V输出一个。

逆变控制器的具体结构如图4所示。

利用DSP的串口进行红外通信，采用半双工方式，以防自发自收。波特率为1200BPS。选择IR333/HO作为红外发射管，为增加发射功率，两管串联。选择IRM3638为接收模块，发射与接收彼此隔开，以防自发自收。

AD采样：由于零序电流的滤出效果与零序电流采样精度和速度直接相关，因此，电流的采样使用霍尔传感器,电压采样值主要作为保护，而且也需要隔离，因此电压采样使用霍尔电压传感器。另外需采集MOS温度作为保护的依据，可采用VFC(电压转频率)方式，通过DSP的捕获功能进行采样。

DSP采用TI的2812DSP。32位的281X整合了DSP和微控制器的最佳特性。运行速度150MIPS。128k×16位的片内FLASH，12位AD采样模块，可同时或顺序采样，转换时间达60ns，带两个事件管理器，可方便产生PWM波。

EEROM采用CAT24WC16JI作为参数，数据，事件储存的介质，与DSP串行通讯。

红外与232接口可以通过红外与掌机通讯，也可通过232接口与上位机进行通讯。

其他接口：a)输出：面板指示灯(光隔输出)，断路开关、放电开关、装置断路开关(继电器输出)，备用。B)输入：启动/停止按钮、告警确认按钮(光隔输入)。

逆变控制器的工作过程包括下面中的步骤：

AD采样：通过定时器1产生一周期中断(40us)请求，由此启动AD转换，转换完成后依次读取采样值，然后启动下一次采样。

CAP采样：使用DSP的CAP电路对温度VFC结果进行采样，当采到一个边沿跳变后，在CAP中断中对CAPNUM++，在主程序中计算温度。

PWM设置：使用通用定时器3来产生周期为200us的PWM信号，使能PWM7，8，9，10作为PWM的输出管脚，其中PWM7，8分别控制MOSFET单相桥的一相的上下桥臂，PWM9，10控制另一相桥的上下桥臂。死区时间设置为2us。

保护：a)直流侧过压保护：当检测到直流侧电压高于保护阀值时，断开充电回路接触器以及波支路接触器，停止PWM信号输出。b)直流侧欠压保护：当检测到直流侧电压低于保护阀值时，断开充电回路接触器以及滤波支路接触器，停止PWM信号输出。c)滤波支路一般过流保护：当检测到滤波支路电流高于一般过流保护阀值时，自动减低滤波效果，使滤波支路电流小于等于额定值(80A)。d)滤波支路严重过流保护：当检测到滤波支路电流高于严重过流保护阀值时，断开充电回路接触器以及滤波支路接触器，停止PWM信号输出。e)逆变器过热保护：当检测到单相逆变器温度高于过热阀值时，断开充电回路接触器以及滤波支路接触器，停止PWM信号输出。f)接触器故障保护：在启动及运行过程中实时检测主回路接触器的状态，断开充电回路接触器以及滤波支路接触器，停止PWM信号输出。

保护恢复：对于直流侧过压，欠压，严重过流，过热保护的恢复：首先让直流侧电压下降为0，5分钟后自动再启动，一天之内如果同一种保护累计出现三次，则当天不再启动，第二天再启动，若连续三天每天同一种保护出现三次，那么不再自动启动，需排除故障后，按告警确认按钮后才能再次启动。对于接触器故障保护，保护后不会自动启动，排除故障，按告警确认按钮后才能再次启动。

实施例二

图5为本申请另一实施例提供的一种低压电网的平衡补偿装置的结构图。

如图5所示，本实施例提供的平衡补偿装置是在上一实施例的基础上增设了保护电路50。

因为本装置的单相逆变器的输出功率是有一定的限度的，当输出电流过大时会对本装置造成不可逆转的损坏，一旦发生损坏不仅不能起到平衡补偿功能，还可能会造成电网故障，因此必须对补偿电流做出限制，以对本装置进行保护。该保护电路即用于当零序电流超出预设的极限电流时切断曲折变压器10与低压电网的连接，以对本装置进行保护，通过考察各部件的参数，本装置的极限电流优选60安。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种低压电网的平衡补偿装置，其特征在于，包括曲折变压器、单相逆变器、零序电流检测电路和逆变控制器，其中：

所述曲折变压器用于与所述低压电网相连接；

所述单相逆变器的输出端的一端与所述曲折变压器的中性线相连接、另一端与所述低压电网中性线相连接；

所述零序电流检测电路用于检测所述曲折变压器的中性线的电流值和所述低压电网的中性线的电流值，并将其分别作为第一电流值、第二电流值；

所述逆变控制器根据所述第一电流值和第二电流值控制所述单相逆变器的输出电压。

2.如权利要求1所述的平衡补偿装置，其特征在于，还包括保护电路，其中：

所述保护电路用于当所述第二电流值超过预设的极限电流值时切断所述曲折变压器与所述低压电网的连接。

3.如权利要求1所述的平衡补偿装置，其特征在于，所述零序电流检测电路包括霍尔电流传感器。

4.如权利要求1所述的平衡补偿装置，其特征在于，所述单相逆变器包括单相全桥逆变电路。

5.如权利要求4所述的平衡补偿装置，其特征在于，所述单相全桥逆变电路的二极管为肖特基二极管。

6.如权利要求4所述的平衡补偿装置，其特征在于，所述单相全桥逆变电路的电源为单相全桥整流电路或三相全桥整流电路。

7.如权利要求4所述的平衡补偿装置，其特征在于，所述单相全桥逆变电路的供电电源包括多个并联的大功率电解电容。