CN109494770A - 一种三相负荷不平衡智能调节装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种三相负荷不平衡智能调节装置及方法，包括直流侧电容模块、主功率模块、滤波模块以及控制电路；直流侧电容模块与主功率模块相连，主功率模块与滤波模块相连，滤波模块与控制电路相连；直流侧电容模块采用多组电容串并联组成，主功率模块采用IGBT，交流输出侧连接滤波模块。本发明的三相负荷不平衡智能调节装置能实现精确的三相不平衡治理与无功补偿，响应速度小于5ms,功率损耗＜3％，动态性能好，具有有功平衡智能化自适应控制与并联运行控制机制等显著优点。并且在保证良好的治理效果的基础上，借助简单的拓扑结构与先进的控制算法，提高设备动态性能，降低设备体积与成本。

Description

一种三相负荷不平衡智能调节装置及方法

技术领域

本发明涉及一种三相负荷不平衡智能调节装置及方法。

背景技术

随着社会经济发展和人民生活水平的不断提升，配电变压器(简称配变)的负荷也在与日俱增。由于当下大多家用电器为单相用电设备，投入使用的时段无法确定，以及负载连接分配不均，时常会出现配变低压侧三相不平衡的现象。经调查取样，在冬季取暖和夏季制冷期间，很多台区的不平衡率都在30％以上，有的甚至超过了80％。这不仅导致了电能损耗的增加，严重时会直接导致设备过热烧毁，对人身、设备造成危害，后果不堪设想。

尽管配变三相不平衡现象频发，但是现阶段对于三相不平衡的治理手段还具有相当的局限性，目前常用的方法有：人工倒负荷法、使用电容型三相负荷自动调节装置、使用换相开关型三相负荷自动调节装置。此类方法均有明显不足之处，为此，对三相负荷不平衡智能调节装置进行研发，解决传统治理方式的缺点，能够最大程度上改善三相不平衡现象，降低电力系统、居民用户受到的影响。

现有技术中发明名称为：一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置与方法(CN106026140A)的控制装置原理图参见图1，环路控制流程图参见图2，该装置由三相开关控制电路、滤波模块和电流采样模块组成，通过三相开关控制电路的环路控制三相输出电流，使得输出三相电感电流分离出的各个负序分量瞬时值和零序分量瞬时值，和负载侧三相电流零序与负序分量大小相等方向相反，实现三相不平衡治理与无功补偿功能。

该专利(CN106026140A)采用了一种T型三电平拓扑电路，需要12只IGBT管，装置体积大，设备成本高，同时控制算法较为复杂，不便于维护。

现有技术中发明名称为：一种台区电能质量治理设备(CN107069731A)的原理图参见3，控制器结构参见图4，该装置由直流侧三条储能支路与一条放电支路，逆变侧三相PWM逆变器，输出侧LCL滤波器组成，控制器通过电流监测与指令生成电路从负载电流中提取出谐波电流、基波无功电流和不平衡电流分量，只保留三相平衡的基波有功分量，反极性作用后发出补偿电流指令信号，电流跟随控制电路根据补偿电流指令，计算出IGBT的触发脉冲，经脉宽调制驱动后作用于逆变电路交流侧的各IGBT，在恶劣电能质量环境下，治理三相不平衡，无功和谐波电流。

该专利(CN107069731A)采用了一种分裂电容式三相四线逆变拓扑结构，结构较为简单，但是电流跟踪控制电路设计时直接将abc坐标系下的电流指令值与瞬时值进行比较，然后进行跟踪控制，由于abc坐标系下的电流为正弦量，无法实现无静差跟踪，装置三相不平衡治理与无功补偿性能一般。

上述两个专利中均采用SPWM调制(正弦脉宽调制)，直流侧电压利用率低，导致直流侧电容量大，增加了设备的成本投入。

发明内容

本发明为解决现有技术中的问题，目的是提供一种响应速度快，动态跟踪性能好，能实现精确三相不平衡治理与无功补偿的三相负荷不平衡智能调节装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种三相负荷不平衡智能调节装置，包括直流侧电容模块、主功率模块、滤波模块以及控制电路；直流侧电容模块与主功率模块相连，主功率模块与滤波模块相连，滤波模块与控制电路相连；直流侧电容模块采用多组电容串并联组成，主功率模块采用IGBT，交流输出侧连接滤波模块，控制电路包括相连的电压与电流采样调理电路、AD转换电路、数字信号处理器以及驱动电路；滤波模块与电压与电流采样调理电路相连；驱动电路与IGBT相连。

本发明进一步的改进在于，在IGBT直流侧并联用于吸收由于直流侧电容杂散电感造成的尖峰电压的吸收电容。

本发明进一步的改进在于，滤波模块采用LCL型滤波器。

本发明进一步的改进在于，数字信号处理器为TMS320F28335型数字信号处理器。

本发明进一步的改进在于，AD转换电路采用先进的16位ADC数字芯片。

本发明进一步的改进在于，电压与电流采样调理电路包括电压检测电路、电流检测电路以及调理电路；其中电压检测电路通过电压互感器得到电网侧三相电压信号，电流检测电路通过电流霍尔采集逆变器三相电流信号，三相电压信号与三相电流信号检测完成后，经过调理电路滤除高频干扰后，输入到AD转换电路转换为数字信号。

本发明进一步的改进在于，数字信号输入到数字信号处理器中进行处理，然后通过控制电路输出驱动脉冲；驱动电路根据控制电路输出的驱动脉冲信号，控制IGBT开关，输出与指令值相等的理想电流。

一种三相负荷不平衡智能调节方法，包括以下步骤：

步骤S1，电压与电流采样与调理电路对电网侧三相电压、直流侧电容电压、三相输出电路与负载侧三相电流进行采样；

步骤S2，将电网侧电压借助锁相环得到坐标变换的基准相位，然后借助坐标变换与反变换算法，分离出装置输出侧与负载侧三相电流的正负零三序分量，其中，装置输出侧三序电流分量为瞬时反馈值，负载侧三序电流分量取反后作为电流给定指令值，以保证装置输出与负载侧不平衡电流大小相等相位相反的电流；

步骤S3，对于三序分量，将瞬时反馈值与给定指令值比较后经控制器得到三序基准电压，将三序基准电压合成得到基准电压向量；

步骤S4，采用SVPWM调制方法，根据步骤S3得到的基准电压向量，输出6路驱动脉冲，控制IGBT发出与负载侧负序电流和零序电流大小相等相位相反的电流。

本发明进一步的改进在于，对于零序分量，采用混合控制器，得到瞬时反馈值；对于正负序分量，变换到dq坐标系后采用了双闭环控制策略，得到瞬时反馈值。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

1)本发明设计的三相负荷不平衡智能调节装置能实现精确的三相不平衡治理与无功补偿，响应速度小于5ms,功率损耗＜3％，动态性能好，具有有功平衡智能化自适应控制与并联运行控制机制等显著优点。本发明能够在保证良好的治理效果的基础上，借助简单的拓扑结构与先进的控制算法，提高设备动态性能，降低设备体积与成本。

2)智能程度高

装置全智能化自动操作，装置安装调试完毕后，免操作，启动停止等功能完全自动实现，且装置可以根据负荷情况灵活控制，优化功率控制，使装置平均功率损耗最低。

3)有功平衡智能化自适应控制

通过在控制算法中设置补偿优先级，可以控制装置智能化自适应，优先治理三相不平衡，剩余容量补偿无功；或者优先补偿无功，剩余容量补偿三相不平衡。该功能已经集成到人机交互界面，手动操作即可切换装置的工作模式，简单方便，能灵活适应现场各种情况。

4)可靠、安全的防护措施

装置设计有过热保护、过流保护、过欠压保护、自动限流保护，完全保护内部运算电路的安全。且安装有避雷器，可感应雷、电网扰动等对装置造成影响，保证装置安全、可靠运行。

5)方便的远程处理功能

装置采用无线通信方式，装置参数调整、运行状况查看，实时数据、历史数据查看由互联网终端完成。只需要一台能上网的电脑登陆网站后台，即可实现上述功能，后台数据查看工作量小、可随时随地可查看。强大的网络数据存储功能，可保证所有数据的长期保存，不丢失。

进一步的，在IGBT直流侧并联吸收电容吸收由于直流侧电容杂散电感造成的尖峰电压，避免IGBT损坏。

进一步的，交流输出侧滤波模块采用LCL型滤波器，在滤波效果相同的前提下降低设计成本，使整个系统结构更为紧凑。

进一步的，AD转换电路采用先进的16位ADC数字芯片，输入电压范围宽，转换精度高。

进一步的，数字信号处理器为采用了TI公司TMS320F28335控制芯片，芯片主频150MHz、含有高性能32位CPU，CAN通讯模块、SCI接口和SPI接口便于处理器与外界交互。16通道的12位ADC可以进行双通道同步采样，可将ADC转换结果直接存入DSP的任一存储空间，高性能完全能满足系统响应需求。

附图说明

图1为现有技术中的一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置原理图。

图2为现有技术中的一种用于三相不平衡和无功补偿的控制装置环路控制流程图。

图3为现有技术中的一种台区电能质量治理设备原理图。

图4为现有技术中的一种台区电能质量治理设备控制器结构图。

图5为本发明的三相负荷不平衡智能调节装置原理图。

图6为本发明的三相负荷不平衡治理装置控制算法结构图。

图7为本发明的并联运行控制机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参见图5，本发明包括该装置采用了分裂电容式三相四线逆变拓扑结构，主要由直流侧电容模块、主功率模块、滤波模块、控制电路等部分组成。直流侧电容模块与主功率模块相连，主功率模块与滤波模块相连，滤波模块与控制电路相连；逆变电路直流侧采用多组电容串并联组成，主功率模块选取英飞凌(Infineon)公司额定电压1200V，额定电流300A的新型IGBT，开关性能优良，损耗小。同时根据工程经验，在IGBT直流侧并联吸收电容吸收由于直流侧电容杂散电感造成的尖峰电压，避免IGBT损坏。交流输出侧滤波模块采用LCL型滤波器，在滤波效果相同的前提下降低设计成本，使整个系统结构更为紧凑。控制电路由电压与电流采样调理电路、AD转换电路、基于TI公司TMS320F28335型数字信号处理器(DigitalSignal Processor DSP)的电流跟踪控制算法、驱动电路四部分组成。电压与电流采样调理电路经AD转换电路、TMS320F28335型数字信号处理器与驱动电路相连；驱动电路与IGBT相连；滤波模块与电压与电流采样调理电路相连。

本发明设计的三相负荷不平衡智能调节装置能实现精确的三相不平衡治理与无功补偿，响应速度小于5ms,功率损耗＜3％，动态性能好，具有有功平衡智能化自适应控制与并联运行控制机制等显著优点。

参见图5，IGBT直流侧并联吸收电容，交流输出侧连接滤波模块，滤波模块采用LCL型滤波器，控制电路包括电压与电流采样调理电路、AD转换电路、基于数字信号处理器(Digital Signal Processor DSP)以及驱动电路四部分组成。

装置主要采集电网侧三相电压，直流侧母线电压，逆变器三相输出电流，三相负载电流共计10路信号，同时为通讯界面等预留接口。电压与电流采样调理电路包括电压检测电路、电流检测电路以及调理电路；其中电压检测电路通过电压互感器得到电网侧三相电压信号，电流检测电路通过电流霍尔采集逆变器三相电流信号，电压电流信号检测完成后，经过调理电路滤除高频干扰后，输入给ADC转换为数字信号进行控制。

AD转换电路采用先进的16位ADC数字芯片，输入电压范围宽，转换精度高。

DSP控制器采用了TI公司TMS320F28335控制芯片，芯片主频150MHz、含有高性能32位CPU，CAN通讯模块、SCI接口和SPI接口便于处理器与外界交互。16通道的12位ADC可以进行双通道同步采样，可将ADC转换结果直接存入DSP的任一存储空间，高性能完全能满足系统响应需求。芯片执行装置的电流跟踪控制算法，控制电路输出驱动脉冲。

驱动电路根据控制电路输出的驱动脉冲信号，控制IGBT开关，输出与指令值相等的理想电流。

参见图6，本发明还提供了一种用于本三相负荷不平衡治理装置的电流跟踪控制算法，包括以下步骤：

步骤S1，采样与调理电路对网侧三相电压、直流侧电容电压、装置三相输出电路与负载侧三相电流进行采样。

步骤S2，将电网侧电压借助锁相环得到坐标变换的基准相位，然后借助先进的坐标变换与反变换算法，分离出装置输出侧与负载侧三相电流的正负零三序分量，其中装置输出侧三序电流分量为瞬时反馈值，负载侧三序电流分量取反后作为电流给定指令值，以保证装置输出与负载侧不平衡电流大小相等相位相反的电流。

步骤S3，对于零序分量，由于是正弦交流量，为了保证无静差跟踪效果，采用了PI+重复控制策略(即PI控制与重复控制的混合控制器)。对于正负序分量，变换到dq坐标系后采用了双闭环PI跟踪控制策略(即双闭环控制策略，包括电压外环，电流内环)。对于三序分量，将瞬时反馈值与给定指令值比较后经控制器得到三序基准电压，将三序基准电压合成得到基准电压向量。

步骤S4，采用一种先进的SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation空间矢量调制)调制方法，根据步骤S3得到的基准电压向量，输出6路驱动脉冲，控制IGBT发出与负载侧负序电流和零序电流大小相等相位相反的电流。相比于SPWM调制，该调制方法具有直流侧电压利用率更高，算法结构较为简单，易于软件实现的优点。

本发明具有以下特点：

1)智能程度高

装置全智能化自动操作，装置安装调试完毕后，免操作，启动停止等功能完全自动实现，且装置可以根据负荷情况灵活控制，优化功率控制，使装置平均功率损耗最低。

2)有功平衡智能化自适应控制

通过在控制算法中设置补偿优先级，可以控制装置智能化自适应，优先治理三相不平衡，剩余容量补偿无功；或者优先补偿无功，剩余容量补偿三相不平衡。该功能已经集成到人机交互界面，手动操作即可切换装置的工作模式，简单方便，能灵活适应现场各种情况。

3)可靠、安全的防护措施

装置设计有过热保护、过流保护、过欠压保护、自动限流保护，完全保护内部运算电路的安全。且安装有避雷器，可感应雷、电网扰动等对装置造成影响，保证装置安全、可靠运行。

门锁采用三角形自闭锁，可保证非工作人员无法打开柜门。

4)方便的远程处理功能

装置采用无线通信方式，装置参数调整、运行状况查看，实时数据、历史数据查看由互联网终端完成。只需要一台能上网的电脑登陆网站后台，即可实现上述功能，后台数据查看工作量小、可随时随地可查看。强大的网络数据存储功能，可保证所有数据的长期保存，不丢失。

5)并联运行控制机制

参见图7，本发明的装置单元间存在一种并联运行控制机制，可以通过对模块进行出厂编号读码，并进行相互间对码，码值优先的功率模块自动成为主机，其余设备自动成为从机，从而建立主从关系。

主从关系建立后，根据负荷不平衡电流的大小，自动关闭和开启装置模块，使功率模块尽可能工作在50％～85％的负载率，从而提升系统工作效率。

各机正常工作时，核心控制板进行统一的负载需求物理量采样，并接收各功率模块传送的物理量信息，依次送入算法控制模块，生成所需的电压电流信息；核心控制板统筹全部并联功率模块的总体容量情况，依据所需输出容量进行优化配置，其原则为取整轮休模式。

某个功率模块发生故障时，核心控制板快速检测故障点，进行故障定位，将本模块退出运行，并将相应故障信息上送主机，主机依据上送信息，调整剩余容量数据，调整其余模块相应输出状态，以适应系统需求。如果是主机故障，将故障模块退出运行之后，依据初始化排序结果，将控制权下发第二优先的模块，此模块自动晋升为主机，进行集中控制，在限幅模式下，继续运行。

借助于本装置拥有并联运行机制，可以实现模块化运行，增大设备总容量的同时，提高设备使用效率。

针对三相不平衡的治理，现有方法都有一定的缺陷，本发明能够在保证良好的治理效果的基础上，借助简单的拓扑结构与先进的控制算法，提高设备动态性能，降低设备体积与成本。

本发明的装置以及方法，在实际生产中成功使用：装置试制完成后，在海淀区进行了试点应用，目前，房山地区已投入使用100台。

实施例：

2018年7月5日13时，北京某区配变出现三相不平衡问题，该日抢修人员对设备运行数据进行了采集，并安装了三相负荷不平衡智能调节装置。2018年7月10日13时，工作人员再次对该配变进行数据采集，通过对比两次的运行数据，发现该智能补偿装置有效降低了各项电流的不平衡度，三相不平衡问题治理效果良好，数据见下表1。

表1不平衡数据比较表

	A相电流	B相电流	C相电流	电流不平衡度
					7月5日	151.14A	20.4A	25.74A	129.8％
7月10日	65.76A	60.36A	64.56A	1.7％

本发明的装置能够对配电变压器低压侧三相不平衡现象进行精准、实时、有效的治理。保证了电网设备的安全运行，确保了居民用户的正常用电。

Claims (9)

1.一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，包括直流侧电容模块、主功率模块、滤波模块以及控制电路；直流侧电容模块与主功率模块相连，主功率模块与滤波模块相连，滤波模块与控制电路相连；直流侧电容模块采用多组电容串并联组成，主功率模块采用IGBT，交流输出侧连接滤波模块，控制电路包括相连的电压与电流采样调理电路、AD转换电路、数字信号处理器以及驱动电路；滤波模块与电压与电流采样调理电路相连；驱动电路与IGBT相连。

2.根据权利要求1所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，在IGBT直流侧并联用于吸收由于直流侧电容杂散电感造成的尖峰电压的吸收电容。

3.根据权利要求1所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，滤波模块采用LCL型滤波器。

4.根据权利要求1所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，数字信号处理器为TMS320F28335型数字信号处理器。

5.根据权利要求1所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，AD转换电路采用先进的16位ADC数字芯片。

6.根据权利要求1所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，电压与电流采样调理电路包括电压检测电路、电流检测电路以及调理电路；其中电压检测电路通过电压互感器得到电网侧三相电压信号，电流检测电路通过电流霍尔采集逆变器三相电流信号，三相电压信号与三相电流信号检测完成后，经过调理电路滤除高频干扰后，输入到AD转换电路转换为数字信号。

7.根据权利要求6所述的一种三相负荷不平衡智能调节装置，其特征在于，数字信号输入到数字信号处理器中进行处理，然后通过控制电路输出驱动脉冲；驱动电路根据控制电路输出的驱动脉冲信号，控制IGBT开关，输出与指令值相等的理想电流。

8.一种基于权利要求1所述装置的三相负荷不平衡智能调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，电压与电流采样与调理电路对电网侧三相电压、直流侧电容电压、三相输出电路与负载侧三相电流进行采样；

步骤S2，将电网侧电压借助锁相环得到坐标变换的基准相位，然后借助坐标变换与反变换算法，分离出装置输出侧与负载侧三相电流的正负零三序分量，其中，装置输出侧三序电流分量为瞬时反馈值，负载侧三序电流分量取反后作为电流给定指令值，以保证装置输出与负载侧不平衡电流大小相等相位相反的电流；

步骤S3，对于三序分量，将瞬时反馈值与给定指令值比较后经控制器得到三序基准电压，将三序基准电压合成得到基准电压向量；

步骤S4，采用SVPWM调制方法，根据步骤S3得到的基准电压向量，输出6路驱动脉冲，控制IGBT发出与负载侧负序电流和零序电流大小相等相位相反的电流。

9.一种根据权利要求8所述的三相负荷不平衡智能调节方法，其特征在于，对于零序分量，采用混合控制器，得到瞬时反馈值；对于正负序分量，变换到dq坐标系后采用双闭环控制策略，得到瞬时反馈值。