CN111224567A - 三相电压不平衡治理电路拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构，包括电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载，所述电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载依次连接，所述电源系统与电力变压器相连构成三线系统，电力变压器与三相全桥整流电路输入端连接构成交流三相四线系统，其中N线接地，三相全桥整流电路输出端与三相四桥臂逆变电路输入端通过直流电路相连，三相四桥臂逆变电路输出端与含单相光伏的三相不平衡负载相连构成交流三相四线系统。本发明实时响应，无延迟时间。

Description

三相电压不平衡治理电路拓扑结构
技术领域
本发明属于配电网三相电压不平衡治理技术，具体为一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构。
背景技术
国内外围绕电力系统的三相不平衡治理做了大量研究，目前治理三相不平衡的措施主要有换相和附加补偿，主要包括利用自动换相装置换相以及电容型三相不平衡补偿。其中，自动换相装置可以自动切换用户的相序来对三相不平衡进行治理，避免了人工换相操作不便的弊端。自动换相装置主要由台区控制终端和智能换相开关组成。台区控制终端采集三相电流和零线电流并计算出平衡度，根据节点的接入相序和用户负载情况设置换相控制策略，通过智能换相开关调整单相用户的用电相别，减小三相不平衡度。电容型三相不平衡补偿主要是在电力系统中，在相间安装无功补偿装置改善系统的不平衡度，附加的补偿部分也可利用这部分的裕度。
然而，通过换相装置来调节三相负荷有如下问题：
1、换相时间长，虽然小于10ms左右，无法全部保证满足电网中所有电器设备的用电要求。
2、最大调整三相负荷差额电流，要通过无线通迅来保证，可靠的通迅保证难以满足三相不平衡调节的要求。
3、安装不方便、施工点多，施工过程停电影响大。
4、由于其造价高、安装麻烦、可靠性差、通讯时由于干扰度大会影响抄表系统。
电容型三相不平衡补偿装置有如下问题：
1、电容调补，功率因数高的网络上难见效果。
2、该模式仅通过相间功率转移实现配变低压出口三相负荷平衡，不能从根本上解决实际负荷均衡分配问题。
3、慢响应补偿方式，连续可控能力差。
4、过补或者欠补或造成系统电压的过压或者欠压。
5、使用寿命短，需定期更换电容器。
6、只能进行有级调节，不能进行平滑调节。
7、电容器运行温度高易发生膨胀爆炸，电压特性不好，对短路稳定性差，切除后有残余电荷，无功补偿精度低，易影响补偿效果。并联电容器会对电网中的高次谐波电流产生影响，甚至使谐波电流放大。另外，并联电容器合闸时会产生很大的合闸涌流，有时甚至激发谐振过电压。
目前，越来越多的光伏电站和家用单相光伏发电系统并入了配电网，使配电网由单电源的辐射结构变成了遍布电源的网络，潮流的方向、大小和分布也随之发生变化。由于受光照强度变化的影响，并网光伏发电系统的功率输出具有随机性，所以光伏并网在缓解配电网供电压力的同时，也增加了配电网运行的不确定性因素，使网络潮流发生随机变化，也给电网三相不平衡治理带来了新的难点。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构，包括电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载，所述电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载依次连接，所述电源系统与电力变压器相连构成三线系统，电力变压器与三相全桥整流电路输入端连接构成交流三相四线系统，其中N线接地，三相全桥整流电路输出端与三相四桥臂逆变电路输入端通过直流电路相连，三相四桥臂逆变电路输出端与含单相光伏的三相不平衡负载相连构成交流三相四线系统。
优选地，所述三相全桥整流电路包括六个晶闸管KP1-KP6，晶闸管KP1的一端与晶闸管KP4的一端连接，晶闸管KP3的一端与晶闸管KP6的一端连接，晶闸管KP5的一端与晶闸管KP2的一端连接，晶闸管KP1的另一端、晶闸管KP3的另一端以及晶闸管KP5的另一端连接在一起作为输出端，晶闸管KP4的另一端、晶闸管KP6的另一端以及晶闸管KP2的另一端连接在一起作为另一个输出端，晶闸管KP1与晶闸管KP4的连接线接a相，晶闸管KP3和KP6的连接线接b相，晶管KP5和KP2的连接线接c相，晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。
优选地，所述三相四桥臂逆变电路包括八个绝缘栅双极型晶体管IGBT Q1-Q8，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q1、IGBT Q2相连构成第一桥臂，且二者相连端接于a相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q3、IGBT Q4相连构成第二桥臂，且二者相连端接于b相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q5、IGBT Q6相连构成第三桥臂，且二者相连端接于c相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q7、IGBT Q8相连构成第四桥臂，且二者相连端接于n相。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明实时响应，无延迟时间；2)本发明设备简单、造价低、安装便捷、不受负荷侧电压不平衡度影响、不依赖通讯系统，因此不会对抄表系统造成影响；3)当功率因数高采用传统电容补偿方式不起作用时，本发明仍能较好消除用户侧三相电压不平衡对网侧电压的影响；4)本发明元器件较少，其接入对电网电能质量影响较小；5)本发明能够适应光伏发电接入导致的配电网不确定性情况。。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明所述的电路拓扑结构图。
图2为本发明所述的三相全桥整流电路示意图。
图3为本发明所述的三相全桥整流电路的触发脉冲。
图4为本发明所述的三相四桥臂逆变电路示意图。
图5为本发明所述的simulink仿真模型图。
图6为本发明所述的逆变侧三相电压波形图。
图7为本发明所述的整流侧及变压器T低压侧三相电压波形图。
图8为本发明所述的变压器T高压侧三相电压波形图。
具体实施方式
如图1所示，一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构，包括电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载，所述电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载依次连接，所述电源系统与电力变压器相连构成三线系统，电力变压器与三相全桥整流电路输入端连接构成交流三相四线系统，其中N线接地，三相全桥整流电路输出端与三相四桥臂逆变电路输入端通过直流电路相连，三相四桥臂逆变电路输出端与含单相光伏的三相不平衡负载相连构成交流三相四线系统。其中三相全桥整流电路输入端为电网侧，输出端为直流侧。
如图2所示，进一步的实施例中，所述三相全桥整流电路包括六个晶闸管KP1-KP6，六个晶闸管KP1-KP6连接成三相全控桥，晶闸管KP1的一端与晶闸管KP4的一端连接，晶闸管KP3的一端与晶闸管KP6的一端连接，晶闸管KP5的一端与晶闸管KP2的一端连接，晶闸管KP1的另一端、晶闸管KP3的另一端以及晶闸管KP5的另一端连接在一起作为输出端，晶闸管KP4的另一端、晶闸管KP6的另一端以及晶闸管KP2的另一端连接在一起作为另一个输出端，晶闸管KP1与晶闸管KP4的连接线接a相，晶闸管KP3和KP6的连接线接b相，晶管KP5和KP2的连接线接c相。晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。三相全控桥的三个输入端分别与电力变压器的副边绕组三个输出端相连，三相全控桥的两个输出端与三相四桥臂逆变电路的两个输入端相连。
如图4所示，进一步的实施例中，所述三相四桥臂逆变电路包括八个绝缘栅双极型晶体管IGBT Q1-Q8，三相四桥臂的两个输入端与三相全桥整流电路的两个输出端相连，三相四桥臂的四个输出端与含单相光伏的三相不平衡负载相连。绝缘栅双极型晶体管IGBTQ1、IGBT Q2相连构成第一桥臂，且二者相连端接于a相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q3、IGBTQ4相连构成第二桥臂，且二者相连端接于b相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q5、IGBT Q6相连构成第三桥臂，且二者相连端接于c相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q7、IGBT Q8相连构成第四桥臂，且二者相连端接于n相。。在传统的三相全桥逆变器的基础上增加一个桥臂构成的三相四桥臂逆变器可以产生三个独立的输出电压。其中IGBT Q1-Q6组成三相全桥逆变电路，增加的一个桥臂由IGBT Q7-Q8组成。
所述三相全桥整流电路控制方法具体为：
通过对三相全桥整流电路进行正弦波PWM控制，使得三相全桥整流电路的交流输入端产生正弦PWM电压，对各相电压进行控制，就可以使各相电流为正弦波且和电压相位相同，从而使功率因数为1。当电路工作在整流状态下，能量从电网侧流向直流侧的负载；当电路工作在再生状态下，类似于三相PWM电压型逆变器，将直流侧的能量回馈到交流电网侧。
在三相桥式整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制，控制角都是α。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一半。
为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。
晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。
下面研究几个特殊控制角，先分析α＝0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。
为了分析方便起见，把一个周期等分6段，如图3所示。
在第(1)段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管KP1被触发导通，b相电位最低，所以共阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为ud＝ua-ub＝uab
经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KP1继续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KP1、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为ud＝ua-uc＝uac
再经过60°，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为ud＝ub-uc＝ubc
余相依此类推。
所述三相四桥臂逆变电路控制方法具体为：逆变模块为PWM控制的三相四桥臂逆变器，逆变电路由八个IGBT构成，在传统的三相全桥逆变器的基础上增加一个桥臂构成的三相四桥臂逆变器可以产生三个独立的输出电压。通过所增加的第四个桥臂产生一个自由度来控制中性点电压，可以使逆变器具有带不平衡负载的能力。
在传统的三相三桥臂PWM逆变器拓扑结构的基础上增加了一个桥臂，多产生一个回路(IGBT Q7-Q8)供零序电流流入，可对零序电流和电压进行精确控制。当接入的负载不平衡时，负载电流流入第四桥臂(IGBT Q7-Q8)，对输出电压和电流的控制也就增加了一个自由度，减小不平衡负载对三相输出电压精度的影响，使系统具有输出相对独立的给定三相电压的能力。由于中线电感的存在，相应地减小逆变系统的滤波体积与重量。此拓扑具有较高的直流利用率，无需对直流电容进行电压平衡控制以及相对小的直流侧电容要求；开关器件少，使得系统更加稳定易于控制。结构简单，体积小重量轻，电压利用率高，增加的多一个自由度，可以在输出电压不平衡时对中性点电压进行控制，以输出三相平衡电压，具有很强的带不平衡负载能力。
PWM控制基本原理：控制方式就是对整流逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。
例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(即冲量)相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。
根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。
本发明的工作原理为：电源系统通过电力变压器将AC10kV转换成AC380V，三相全桥整流电路将AC380V转换成DC350V，三相四桥臂逆变电路将DC350V转换成AC380V供用户负荷。当用户侧负荷三相不平衡导致用户侧电压三相不平衡时，通过三相四桥臂逆变电路和三相全桥整流电路使电网侧交流电压仍能维持三相平衡，通过在每个配变台区装设该本发明，减少用户侧电压三相不平衡对整个电网电能质量的影响。
在simulink中搭建仿真模型，如图5所示，以单个500kVA配变台区为例。设用户侧接入的单相光伏为5.2kW，三相负荷之比为4:5:6，运行得到逆变侧三相电压波形见图6。由图6可知，由于用户侧三相负荷不平衡以及单相光伏的接入，导致用户侧三相电压不平衡。
配变低压侧三相电压波形见图7。由图7可知，通过三相四桥臂逆变电路以及三相全桥整流电路的作用，用户侧三相电压不平衡时，整流侧三相电压仍然能保持平衡。
配变高压侧三相电压波形见图8。由图8可知，配变高压侧三相电压仍能保持平衡，说明该配变台区用户存在三相负荷不平衡以及有分布式光伏接入导致三相电压不平衡时，通过本发明不会对上级配电网的电能质量造成影响。

Claims (3)

1.一种三相电压不平衡治理电路拓扑结构，其特征在于，包括电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载，所述电源系统、电力变压器、三相全桥整流电路、三相四桥臂逆变电路、含单相光伏的三相不平衡负载依次连接，所述电源系统与电力变压器相连构成三线系统，电力变压器与三相全桥整流电路输入端连接构成交流三相四线系统，其中N线接地，三相全桥整流电路输出端与三相四桥臂逆变电路输入端通过直流电路相连，三相四桥臂逆变电路输出端与含单相光伏的三相不平衡负载相连构成交流三相四线系统。
2.根据权利要求1所述的三相电压不平衡治理电路拓扑结构，其特征在于，所述三相全桥整流电路包括六个晶闸管KP1-KP6，晶闸管KP1的一端与晶闸管KP4的一端连接，晶闸管KP3的一端与晶闸管KP6的一端连接，晶闸管KP5的一端与晶闸管KP2的一端连接，晶闸管KP1的另一端、晶闸管KP3的另一端以及晶闸管KP5的另一端连接在一起作为输出端，晶闸管KP4的另一端、晶闸管KP6的另一端以及晶闸管KP2的另一端连接在一起作为另一个输出端，晶闸管KP1与晶闸管KP4的连接线接a相，晶闸管KP3和KP6的连接线接b相，晶管KP5和KP2的连接线接c相，晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。
3.根据权利要求1所述的三相电压不平衡治理电路拓扑结构，其特征在于，所述三相四桥臂逆变电路包括八个绝缘栅双极型晶体管IGBT Q1-Q8，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q1、IGBT Q2相连构成第一桥臂，且二者相连端接于a相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q3、IGBT Q4相连构成第二桥臂，且二者相连端接于b相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q5、IGBT Q6相连构成第三桥臂，且二者相连端接于c相，绝缘栅双极型晶体管IGBT Q7、IGBT Q8相连构成第四桥臂，且二者相连端接于n相。
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