CN109103906A - 一种三相配电系统和三相不平衡补偿装置 - Google Patents

一种三相配电系统和三相不平衡补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三相配电系统和三相不平衡补偿装置，三相不平衡补偿装置包括无源补偿模块、有源补偿模块、数据采集模块和数据处理模块。通过无源补偿模块和有源补偿模块的共同补偿，提升了补偿效率以及补偿可靠性。数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，数据采集与处理单元对数据采集模块采集到的相关数据进行变换和处理，并输出给控制单元，控制单元生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿；逻辑信号处理单元能够实现两个补偿模块的状态控制以及读取相应的开入信号。这几个处理单元各司其职，有针对性的完成各自任务，降低了每个处理单元的工作负担，提升了补偿可靠性。

Description

一种三相配电系统和三相不平衡补偿装置
技术领域
本发明涉及一种三相配电系统和三相不平衡补偿装置。
背景技术
随着我国台区供配电改造的逐步深入，对电网运行的可靠性要求也越来越高。但配电网三相不平衡、无功及谐波问题日益突出。系统三相不平衡、无功及不平衡问题的主要原因为：越来越多的非线性负荷和非对称性或冲击性的工业用电和民用电等设备直接接入配电网。
对于整个配电网的电能质量，评价其好坏主要的依据为：配电网频率是否恒频接近50Hz，电网电压波形和幅值是否处于正常范围内。频率与配电网有功功率有关，电压与配电网无功和谐波有关。因此系统的三相不平衡、无功及谐波是评价电能治理好坏的重要因素。
改善电网运行质量、抑制三相不平衡、提高电网功率因数、减少网络损耗以及抑制谐波等是一项重要的工作，因此对台区的电网治理工作较为重要。
目前常采用的两种不平衡补偿方式中，一种为无源补偿方案，内部集成如电容和电感串并联组成无源补偿装置，通过开关投切、倒闸等方式对系统进行治理；另一种为有源补偿方案，由变流器输出补偿电流，对系统进行有源补偿。但是，无源补偿方案容易与系统发生串、并联谐振，导致系统电流、电压升高，最终导致系统内电气设备被烧毁。而且，有源补偿方案同样存在一定的问题，有源补偿装置在上杆安装的时候需要与不同厂家的JP柜进行配合，功率线及电流互感器需要接入至JP柜内，可能存在的问题为：JP柜内没有预留有源补偿装置的接线位置及电流互感器的安装位置，导致有源补偿装置无法使用或现场重新对台区进行整改，大大降低工作效率，增加了安装难度。而且，更重要的是，单独采用无源补偿方案和有源补偿方案，可能导致补偿效率以及补偿可靠性较低。而且，实施无功补偿控制的控制设备通常只有一个，该控制设备的工作负担较重，也在一定程度上降低了补偿可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种三相不平衡补偿装置，用以解决现有的补偿方式的可靠性较低的问题。本发明同时提供一种三相配电系统，用以解决现有的配电系统中的三相不平衡补偿装置的补偿方式的可靠性较低的问题。
为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。
一种三相不平衡补偿装置，包括无源补偿模块、有源补偿模块、数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于采集负荷电流和负荷电压，并将采集到的负荷电流和负荷电压输出给数据处理模块，所述数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，所述数据采集与处理单元对所述负荷电流和负荷电压进行变换和处理，得到各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小，并输出给控制单元，控制单元根据所述数据采集与处理单元输出的数据信息生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿；逻辑信号处理单元用于实现无源补偿模块和有源补偿模块的状态控制。
三相不平衡补偿装置中同时设置无源补偿模块和有源补偿模块，无源补偿模块能够进行无功及谐波的补偿，有源补偿模块能够补偿三相不平衡及无功电流，克服了只有一种补偿模块所带来的补偿比较片面的问题，提升了补偿效率以及补偿可靠性。而且，实施不平衡补偿控制的数据处理模块包括三部分，分别是：数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，这几个处理单元各司其职，有针对性的完成属于各自的任务，提升了任务处理速度，降低了每个处理单元的工作负担，保证了快速补偿，提升了补偿可靠性。
进一步地，所述补偿装置还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述数据处理模块相连接。无线通讯模块实现无线信号的传输，能够通过手机/平板电脑等移动终端实时了解负荷的各项参数以及相关设备的运行情况，并可对设备的参数进行调整，以及对设备进行控制操作，而且，还可以通过无线通讯模块将负荷的各项参数以及设备的运行情况等数据传输至远程后台。
进一步地，所述无源补偿模块包括三相共补单元和分相单补单元，所述有源补偿模块包括三电平变流器以及与三电平变流器相连的补偿电容，能够有效进行无源补偿和有源补偿。
进一步地，所述数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元均为DSP芯片，能够进行良好的数据处理及控制。
一种三相配电系统，包括配电部分以及与配电部分相连的三相不平衡补偿装置，所述三相不平衡补偿装置包括无源补偿模块、有源补偿模块、数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于采集负荷电流和负荷电压，并将采集到的负荷电流和负荷电压输出给数据处理模块，所述数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，所述数据采集与处理单元对所述负荷电流和负荷电压进行变换和处理，得到各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小，并输出给控制单元，控制单元根据所述数据采集与处理单元输出的数据信息生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿；逻辑信号处理单元用于实现无源补偿模块和有源补偿模块的状态控制。
三相不平衡补偿装置中同时设置无源补偿模块和有源补偿模块，无源补偿模块能够进行无功及谐波的补偿，有源补偿模块能够补偿三相不平衡及无功电流，克服了只有一种补偿模块所带来的补偿比较片面的问题，提升了补偿效率以及补偿可靠性。而且，实施不平衡补偿控制的数据处理模块包括三部分，分别是：数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，这几个处理单元各司其职，有针对性的完成属于各自的任务，提升了任务处理速度，降低了每个处理单元的工作负担，保证了快速补偿，提升了补偿可靠性。
进一步地，所述配电系统还包括计量计费装置，所述计量计费装置包括电流检测模块、电压检测模块以及计算模块，所述电流检测模块和电压检测模块输出连接计算模块，计算模块用于根据检测到的电流数据和电压数据进行计量计费的计算，能够实时获知计量计费的相关数值。
进一步地，所述配电系统还包括浪涌保护器，用于防止浪涌冲击。
进一步地，所述补偿装置还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述数据处理模块相连接。无线通讯模块实现无线信号的传输，能够通过手机/平板电脑等移动终端实时了解负荷的各项参数以及相关设备的运行情况，并可对设备的参数进行调整，以及对设备进行控制操作，而且，还可以通过无线通讯模块将负荷的各项参数以及设备的运行情况等数据传输至远程后台。
进一步地，所述无源补偿模块包括三相共补单元和分相单补单元，所述有源补偿模块包括三电平变流器以及与三电平变流器相连的补偿电容，能够有效进行无源补偿和有源补偿。
进一步地，所述数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元均为DSP芯片，能够进行良好的数据处理及控制。
附图说明
图1是本发明提供的三相配电系统的整体拓扑结构图；
图2是本发明提供的三相不平衡补偿装置的整体结构示意图；
图3是本发明提供的数据处理模块中各种DSP之间的信号传输示意图；
图4是本发明提供的有源补偿模块的布置方式示意图；
图5是本发明提供的有源补偿模块的电路拓扑示意图；
图6是本发明提供的无源补偿模块的电路拓扑示意图。
具体实施方式
三相配电系统实施例
首先，介绍几个术语：
三相不平衡：系统三相电流有效值大小不一致。
无功补偿：具有提高电网功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。
谐波：对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到基波频率n倍的频率分量。
三电平：高电平U/2、零电平0、低电平-U/2。
柱上：一种安装形式，设备依托固定支架安装在电线杆上。
台区：电力系统中，一台变压器的供电范围或区域。
然后，本实施例提供一种三相配电系统，包括三相不平衡补偿装置，除此之外，还包括其他的相关组成部分。本实施例给出三相配电系统的一种具体实现方式，如图1所示，三相配电系统还包括配电部分，即配电线路。配电线路的进线端接入系统变压器的二次侧，出线端接入系统负荷，该配电系统接入2个支路负荷。如图1所示，配电系统的进线上设置有隔离开关K1和断路器Q1，作为总进线开关，控制整个系统的进线通道。每个连接负荷的支路上均设置有断路器，分别是断路器Q2和Q3，作为各个支路的支路开关，用于连接台区支路负荷。三相不平衡补偿装置通过断路器Q4接入配电线路中。另外，配电系统中还设置有一套浪涌保护器，用于防止浪涌冲击。配电系统还包括一套计量计费装置，该计量计费装置包括电流检测模块(图1中的CT1)、电压检测模块以及计算模块，CT1和电压检测模块输出连接计算模块，计算模块根据检测到的电流数据和电压数据进行计量计费的计算，比如计算系统侧的有功、无功、功率因数、电量等电气参数。
以下重点对三相不平衡补偿装置进行具体说明。
三相不平衡补偿装置包括无源补偿模块(对应图2中的TSC)、有源补偿模块(对应图2中的SVG)、数据采集模块和数据处理模块。其中，无源补偿模块用于进行无源补偿，有源补偿模块用于进行有源补偿，数据采集模块采集与不平衡补偿相关的电气参数，数据处理模块根据采集到的相关电气参数控制无源补偿模块和有源补偿模块，实现不平衡补偿。本实施例中，数据采集模块包括电流互感器(对应图1和图2中的CT2)和电压传感器，用于采集负荷电流和负荷电压，数据采集模块将采集到的负荷电流和负荷电压传输给数据处理模块，数据处理模块根据负荷电流和负荷电压对线路内部的三相不平衡、无功及谐波进行分析，有效地对台区供配电进行合理地治理。
数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，这三个处理单元各司其职，有针对性的完成属于各自的任务。本实施例中，这三个处理单元均以DSP芯片为例，当然，作为其他的实施方式，还可以是其他的处理芯片。那么，数据采集与处理单元为数据采集与处理DSP，控制单元为控制DSP，逻辑信号处理单元为逻辑信号处理DSP。
数据采集与处理DSP对负荷电流和负荷电压进行变换和处理，得到各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小等，以下给出一种具体的处理方式：数据采集与处理DSP得到负荷电流和负荷电压后，对负荷电流Ia1、Ib1、Ic1进行DQ变换，得到负荷P、Q分量，此时通过计算可以提取到负荷电流内无功Q电流成分，再经低通滤波及DQ反变换后得到交流基波分量Ia2、Ib2、Ic2，此时可提取到交流负荷中不平衡电流成分；负荷电流Ia1、Ib1、Ic1与交流基波分量Ia2、Ib2、Ic2做差即可提取到谐波电流成分。因此，通过对负荷电压和负荷电流进行变换、分解和计算，能够得到负荷中A、B、C各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小。
数据采集与处理DSP将处理得到的相关数据输出给控制DSP，控制DSP根据数据采集与处理DSP输出的数据信息生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿。这里，生成的控制指令为无源补偿模块和有源补偿模块中的功率模块所需的PWM脉冲控制信号。对于PWM控制环节，采用三角载波控制方法，参考电流与输出的补偿电流的误差经过比例积分处理后与三角载波进行比较，产生PWM脉冲控制信号。
逻辑信号处理DSP进行无源补偿模块和有源补偿模块的状态控制以及读取相应的开入信号，比如控制无源补偿模块和有源补偿模块的启动/停机/复位。
如图3所示，给出数据处理模块中各种DSP之间的信号传输示意图。图3中，涉及到数据接收以及数据处理的部分均属于数据采集与处理DSP的功能作用。多个DSP完美的配合，能够对负荷电流和负荷电压进行快速检测以及对负荷电流进行精确的综合补偿。
控制DSP与逻辑信号处理DSP之间实现通讯。其中，控制DSP能够接收逻辑信号处理DSP的相关机器状态、故障等信息，并接收数据解析、发送控制参数以及机器状态信息和故障信息、发送数据解析等。控制DSP也能够实现与本地之间的通讯，主要为：发送故障保护信息、发送数据封装、接收人机界面的数据请求和定值、通讯协议解析等。同样地，逻辑信号处理DSP能够接收控制DSP的控制参数、状态和故障信息，并接收数据解析、发送机器状态信息和故障信息、发送数据解析等。逻辑信号处理DSP也能够实现与本地之间的通讯，主要为：发送故障信息、发送数据封装、接收人机界面的数据请求和定值、通讯协议解析等。
本实施例中，控制DSP通过CPLD输出12路SPWM信号，通过检测板做逻辑处理和电平转换后，送到驱动板隔离放大，驱动无源补偿模块和有源补偿模块中的功率模块的开通与关断。从控制板接入的PWMA1信号通过MOS管输出A1信号，A1信号与CLOSE1信号进行与非门后输出YA1信号，YA1信号经过推挽放大电路输出PWMA11信号接入主板M1，用于驱动功率模块。采用HCPL3120门极驱动光耦进行隔离，通过图腾柱电路对CPLD给出的驱动脉冲进行放大，以满足无源补偿模块和有源补偿模块中的功率模块的驱动能力。
本实施例中，无源补偿模块和有源补偿模块并联使用，依靠无源补偿模块实现无功及谐波的补偿，依靠有源补偿模块补偿系统中的三相不平衡及无功电流。
就有源补偿模块来说，图4以两个有源补偿模块为例，给出了这两个有源补偿模块的布置示意图。图5给出了有源补偿模块的一种具体的拓扑结构图，包括三电平变流器以及与三电平变流器相连的补偿电容。图6给出了无源补偿模块的一种具体的拓扑结构图，包括三相共补单元和分相单补单元。无源补偿模块采用分相分级连续补偿的方式，以三相共补与分相单补相结合。三相共补用于补偿三相平衡的无功缺额，分相单补用于补偿三相不平衡部分的无功缺额。三相共补与分相单补的配置应该灵活方便，根据系统无功变化，自动跟踪，智能补偿。有源补偿模块补偿系统中的谐波及三相不平衡，平滑无源补偿模块补偿后的无功电流。
由于无源补偿模块和有源补偿模块均属于常规技术，因此，除了图5和图6给出的拓扑结构之外，无源补偿模块和有源补偿模块还可以是现有的其他相关电路结构。而且，根据采集到的负荷电流和负荷电压进行无源补偿和有源补偿的控制过程也属于现有技术，这里也不再具体说明。
本实施例中，为了节约占地空间以及与变压器及负荷接线方便的考虑，采用柱上式安装，三相不平衡补偿装置柱上安装支持F杆、H杆及抱杆安装方式。H杆适用于在两个电线杆之间安装，F杆及抱杆适用于单杆安装。三相不平衡补偿装置依靠固定支架安装在电线杆上，与负荷并联接在台区变压器低压侧。
由于三相不平衡补偿装置为户外柱上式安装，考虑到人机交互，三相不平衡补偿装置设置有无线通讯模块，与数据处理模块相连接。本实施例中，无线通讯模块由WIFI模块与GPRS模块构成。距离三相不平衡补偿装置100米以内，可以使用WIFI模块，开启手机/平板电脑等移动终端的无线功能，通过APP搜索三相不平衡补偿装置的无线信号，与移动终端的无线信号连接。开启APP可以了解当前负荷的各项参数、三相不平衡补偿装置等相关设备的运行情况，并可对相关设备的参数进行调整，以及对相关设备进行控制操作。远距离可以使用内部GPRS功能，并可通过GPRS将数据传输至远程后台。
另外，可以将配电保护、计费计量及三相不平衡补偿装置集成设置，构成集成式系统，具有自身体积小、功率密度高、易安装等特点，解决了用户对台区整改需单独采购配套及安装困难等问题。
因此，本实施例提供的三相不平衡补偿装置为户外柱上安装式的综合补偿装置，可以满足台区的配电功能、计量计费功能及三相不平衡治理功能。依靠内部多DSP检测计算可以对系统内的三相不平衡、无功及谐波进行分析，通过无源补偿和有源补偿对系统的三相不平衡、无功及谐波进行有效的补偿。三相不平衡补偿装置的遥测、遥调及遥控可近距离通过APP进行操作(即通过移动终端)，远距离通过GPRS进行数据传输(比如通过PC电脑)。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
三相不平衡补偿装置实施例
本实施例提供一种三相不平衡补偿装置，该三相不平衡补偿装置在上述实施例中已给出了详细地描述，这里就不再具体说明。

Claims (10)

1.一种三相不平衡补偿装置，其特征在于，包括无源补偿模块、有源补偿模块、数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于采集负荷电流和负荷电压，并将采集到的负荷电流和负荷电压输出给数据处理模块，所述数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，所述数据采集与处理单元对所述负荷电流和负荷电压进行变换和处理，得到各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小，并输出给控制单元，控制单元根据所述数据采集与处理单元输出的数据信息生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿；逻辑信号处理单元用于实现无源补偿模块和有源补偿模块的状态控制。
2.根据权利要求1所述的三相不平衡补偿装置，其特征在于，所述补偿装置还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述数据处理模块相连接。
3.根据权利要求1所述的三相不平衡补偿装置，其特征在于，所述无源补偿模块包括三相共补单元和分相单补单元，所述有源补偿模块包括三电平变流器以及与三电平变流器相连的补偿电容。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的三相不平衡补偿装置，其特征在于，所述数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元均为DSP芯片。
5.一种三相配电系统，包括配电部分以及与配电部分相连的三相不平衡补偿装置，其特征在于，所述三相不平衡补偿装置包括无源补偿模块、有源补偿模块、数据采集模块和数据处理模块，所述数据采集模块用于采集负荷电流和负荷电压，并将采集到的负荷电流和负荷电压输出给数据处理模块，所述数据处理模块包括数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元，所述数据采集与处理单元对所述负荷电流和负荷电压进行变换和处理，得到各相所需补偿不平衡电流、无功、总谐波含量以及各次谐波含量大小，并输出给控制单元，控制单元根据所述数据采集与处理单元输出的数据信息生成对应的控制指令，控制无源补偿模块和有源补偿模块进行不平衡补偿；逻辑信号处理单元用于实现无源补偿模块和有源补偿模块的状态控制。
6.根据权利要求5所述的三相配电系统，其特征在于，所述配电系统还包括计量计费装置，所述计量计费装置包括电流检测模块、电压检测模块以及计算模块，所述电流检测模块和电压检测模块输出连接计算模块，计算模块用于根据检测到的电流数据和电压数据进行计量计费的计算。
7.根据权利要求5所述的三相配电系统，其特征在于，所述配电系统还包括浪涌保护器。
8.根据权利要求5所述的三相配电系统，其特征在于，所述补偿装置还包括无线通讯模块，所述无线通讯模块与所述数据处理模块相连接。
9.根据权利要求5所述的三相配电系统，其特征在于，所述无源补偿模块包括三相共补单元和分相单补单元，所述有源补偿模块包括三电平变流器以及与三电平变流器相连的补偿电容。
10.根据权利要求5-9任意一项所述的三相配电系统，其特征在于，所述数据采集与处理单元、控制单元以及逻辑信号处理单元均为DSP芯片。
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