CN111342480A - 三相线路互馈功率平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相线路互馈功率平衡控制方法，通过控制三相线路的互馈功率，在同一时刻实现三相线路互馈功率的双向潮流流动，达到电网末端的三相平衡。步骤如下：1、将三相线路电压Ua、Ub、Uc分别与国标电压下限U_lgb和国标电压上限U_ugb比较，识别三相线路中的电压最高、电压次高和电压最低的相线路；同时计算电压最高相的电压值Uac_max与电压最低相电压值Uac_min的差值U_diff；2、依据电压最低相线路的阻抗r_min和优化功率系数ε，计算不同条件下的馈送功率值P_diff；3、当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb或Uac_max≥U_ugb或Uac_min≤U_lgb时，控制电压最高相线路对应的功率模块可控整流，并依据馈送功率值对电压最低相线路对应的功率模块逆变输出，将电压最高相线路功率馈送到电压最低相线路中，降低线路电压差值。Uac_max为电压最高相线路电压值，Uac_min为电压最低相线路电压值。

Description

三相线路互馈功率平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网末端三相平衡控制方法。

背景技术

由于电网的末端用户采用单相供电。随着单相家用电器、电动加工工具、电动交通工具等设备越来越多走入家庭，用电的随意性常伴有单相负荷增大，造成配网内的三相电压不平衡超标非常严重，尤其在农村，配电网基本以单相负荷为主，供电能力较弱，线路阻抗大，用电负荷分布不均的情况尤为突出。

目前，光伏的快速发展，使分布式光伏发电以区域形式爆发性地增长。在电网供电时，用电高峰期呈现严重的三相不平衡状态，造成某个单相电压过低。当区域内分布式光伏发电单相多点接入时，光伏的安装分布不均、潮流复杂的问题造成区域配电网波动、电压抬高或降低、三相不平衡，以及谐波电流增大，极易造成配电设施、光伏发电设备和用户设备无法正常运行，甚至损坏。弱电网中影响电网质量的主要原因之一，是由于有功功率的增加或减少使线路损耗同步增加或减小，造成电网电压波动变化，通过无功补偿方法是无法解决的。

目前，针对三相不平衡负荷的输出逆变器采用单向潮流控制，如于UPS、光伏、风电逆变器等，即三相四桥臂电路逆变器。

发明内容

本发明的目的是解决电网末端三相电压不平衡的问题，包括微电网和独立微电网，提出一种三相线路互馈功率平衡控制方法。

本发明通过安装在电网三相线路相对末端的三相线路互馈功率平衡控制装置，读取三相线路的电气参数，控制三相线路互馈功率平衡，在同一时刻实现三相线路互馈功率的双向潮流流动，达到电网末端三相平衡的目的。

应用本发明三相线路互馈功率平衡控制方法的三相线路互馈功率平衡控制装置主要由功率单元、DC/DC稳压电源U5、控制器U6和末端单相电源接入端组成。

所述的功率单元由功率模块A、功率模块B、功率模块C、功率模块N、滤波电容C1 和直流电压传感器U4组成。功率模块A、功率模块B、功率模块C和功率模块N并联，并联后的功率模块的正极和负极分别形成功率单元直流母线的正极和负极。所述直流母线的正、负极分别与DC/DC稳压电源U5的正极、负极的输入端连接，并与直流电压传感器U4、滤波电容C1并联。

所述的末端单相电源接入端由A相电源接入端A、B相电源接入端B、C相电源接入端C、零线接入端N、3组电感和3个交流电压传感器组成。3个交流电压传感器分别为U1、 U2和U3，其中交流电压传感器U1的两端分别与A相电源接入端A和零线公共接入端N 连接，同时A相电源接入端A又与电感L1的一端L1i连接，电感L1的另一端L1o与功率模块A的交流端Aac连接；交流电压传感器U2的两端分别与B相电源接入端B和零线公共接入端N连接，同时B相电源接入端B又与电感L2的一端L2i连接，电感L2的另一端 L2o与功率模块B的交流端Bac连接；交流电压传感器U3的两端分别与C相电源接入端C 和零线公共接入端N连接，同时C相的电源接入端C又与电感L3的一端L3i连接，电感 L3的另一端L3o与功率模块C的交流端Cac连接。

所述的控制器U6内嵌有输入接口和输出接口，所述输入接口中的Uai端与交流电压传感器U1的数据输出端连接，输入接口中的Ubi端与交流电压传感器U2的数据输出端连接，输入接口中的Uci端与交流电压传感器U3的数据输出端连接，输入接口中的Ui端与直流电压传感器U4的数据输出端连接，控制器U6通过输入接口实时读取每个电压传感器的电压值。电压传感器U1检测的A相电源相电压值为Ua，电压传感器U2检测B相电源相电压值为Ub、电压传感器U3检测C相电源相电压值为Uc、电压传感器U4检测直流母线电压值为Udc。

所述的输出接口分别与功率模块A、功率模块B、功率模块C、功率模块N的对应控制端连接，控制器U6通过输出接口输出指令，对功率模块A、功率模块B、功率模块C和功率模块N实时控制。

所述的DC/DC稳压电源U5的直流输入正端Udi+、直流输入负端Udi-分别与功率单元直流母线的正极U+、负极U-连接，DC/DC稳压电源U5的输出正端Udo+、直流输出负端 Udo-分别与控制器的正、负电源输入端连接，为控制器U6提供直流电源。

所述的功率模块A的交流端Aac与电感L1的一端L1o连接，功率模块B的交流端Bac与电感L2的一端L2o连接，功率模块C的交流端Cac与电感L3的一端L3o连接，功率模块N的交流端Dac与末端单相电源零线公共接入N端连接。

所述三相线路互馈功率平衡控制装置的三个末端单相电源接入端接入电网相对末端，电网相对末端的三个A、B、C单相对应接入到三相线路互馈功率平衡控制装置中的A相、B 相、C相上，零线共接在N端。

本发明装置的控制方法如下：

步骤一，控制器U6读取交流电压传感器U1、U2、U3的电压数据，把A相电压Ua、B 相电压Ub和C相电压Uc分别与国标电压下限U_lgb和国标电压上限U_ugb比较，识别出三相中电压最高相线路、电压次高相线路和电压最低相线路；并且依据历史数据分析、迭代、模型自学习及差值计算，得到优化功率系数ε和电压差值U_diff。

步骤二，计算向电压最低相线路馈送功率

控制器U6依据电压最低相的线路阻抗r_min和优化功率系数ε计算向电压最低相线路馈送功率值P_diff，约束条件为：

U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb和U_diff≥U_λ

Uac_max>U_ugb和Uac_min≤δ_uU_ugb

Uac_min<U_lgb和Uac_max≥δ_lU_lgb

步骤三，实现对功率模块的控制

当A相电压值Ua、B相电压值Ub和C相电压值Uc大于等于国标电压的下限值U_lgb且小于等于电压的上限值U_ugb，即U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，或电压最高相电压值Uac_max大于等于国标电压的上限值，即Uac_max≥U_ugb，或电压最低相电压值Uac_min小于等于国标电压的下限值U_lgb，即Uac_min≤U_lgb时，控制器控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲和功率模块N的续流二极管可控整流，并依据向电压最低相线路馈送功率值 P_diff，通过输出接口控制电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中；

其中，Ua、Ub、Uc分别为A相、B相和C相电压值；Uac_max为电压最高相电压值； Uac_med为电压次高相电压值；Uac_min为电压最低相电压值；U_lgb为国标电压的下限值； U_ugb为国标电压的上限值；P_diff为向电压最低相线路提供功率值；U_λ为电压最大偏差阈值；δ_l为下限电压倍率系数；δ_u为上限电压倍率系数。

各步骤具体如下：

步骤一中，当电网相对末端的三个A、B、C单相对应接入三相线路互馈功率平衡装置时，A、B、C三相线路中电压最高相电压U_{ac_max}，经功率单元对应功率模块和功率模块N不控整流，在直流母线产生直流电压

该直流电压同时经DC/DC稳压电源为控制器供电。控制器通过输入接口的Uai、Ubi、Uci、Ui端口分别读取电压传感器 U1、U2、U3、U4采集的电压数据：A相电压值Ua、B相电压值Ub、C相电压值Uc、直流母线电压Udc。

控制器将A相电压Ua、B相电压Ub和C相电压Uc分别与国标电压的下限值U_lgb和国标电压的上限值U_ugb比较，筛选出电压最高相电压值Uac_max、电压最低相电压值Uac_min 和电压次高电压相电压值Uac_med，即：

Uac_max＝max(Ua,Ub,Uc)

Uac_min＝min(Ua,Ub,Uc)Uac_med＝{U_a,U_b,U_c}-{max(U_a,U_b,U_c),min(U_a,U_b,U_c)}

同时识别出A、B、C三相中的电压最高相线路、电压次高相线路和电压最低相线路。电压最高相线路的电压值为Uac_max，反映该相线路相对负荷轻；电压最低相线路的电压值为Uac_min，反映该相线路相对负荷重；电压次高相线路的电压值为Uac_med。

计算电压最高相线路电压值Uac_max与电压最低相线路电压值Uac_min的差值U_diff：

Uac_max-Uac_min＝U_diff。

控制器依据历史数据分析、迭代、模型及自学习算法得到优化功率系数ε，随着数据量的增加该优化功率系数ε越精确。

步骤二中，所述的向电压最低相线路馈送功率计算方法如下：

①当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ时，依据电压最高相电压值Uac_max与电压最低相电压值Uac_min的差值U_diff，以及电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

其中，r_min为电压最低相的线路阻抗；U_λ为电压最大偏差阈值。

②如判断A、B、C三相线路中有电压最高相电压值Uac_max大于国标电压的上限值U_ugb，即Uac_max>U_ugb，或电压最高相电压值Uac_max和电压次高相电压值Uac_med均大于国标电压的上限值U_ugb，即(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且电压最低相电压值Uac_min 小于等于国标电压上限值U_ugb与上限电压倍率系数δ_u的乘积，即Uac_min≤δ_uU_ugb时，依据电压最高相电压值Uac_max、国标电压上限值U_ugb、上限电压倍率系数δ_u和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值P_diff：

ε为优化功率系数。

③如判断A、B、C三相线路中有电压最低相电压值Uac_min小于国标电压下限值U_lgb，即Uac_min<U_lgb，或电压最低相电压值Uac_min和电压次高相电压值Uac_med均小于国标电压下限值U_lgb，即(Uac_med,Uac_min)<U_lgb，且最高电压相电压值Uac_max大于等于国标电压下限值U_lgb与下限电压倍率系数δ_l的乘积，即Uac_max≥δ_lU_lgb时，依据电压最低相电压值Uac_min、国标电压下限值U_lgb、下限电压倍率系数δ_l和电压最低相的线路阻抗 r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值P_diff：

步骤三中，当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb或Uac_max≥U_ugb或Uac_min≤U_lgb时，控制器对电压最高相线路、电压最低相线路的对应功率模块进行控制，具体如下：

①在U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ的条件下时进入功率互馈控制。控制器通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器依据计算出的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出。

当电压最低相线路的负荷功率需求大于电压最高相线路所馈送功率时，由于线损原因造成电压最高相线路末端电压下降，当三相电压中的电压最高相线路电压值Uac_max等于电压次高相线路电压值Uac_med时，即：

Uac_max＝Uac_med，同时满足U_diff≥U_λ时，控制器分别对原电压最高相线路和原电压次高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，为电压最低相线路提供直流功率。与此同时，控制器以当前计算出的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，为电压最低相线路馈送功率，即将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中补充功率。

随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相线路与电压最低相线路之间的电压差值U_diff减小，向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足电压差值小于电压最大偏差阈值时，即U_diff<U_λ，控制器维持当前功率为电压最低相线路馈送功率。

其中，Ua为A相电压值，Ub为B相电压值，Uc为C相电压值，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，Uac_med为电压次高相电压值；P_diff为向电压最低相线路馈送功率值；U_λ为电压最大偏差阈值。

②在Uac_max>U_ugb或(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且Uac_min<δ_uU_ugb时进入功率互馈控制。控制器通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器依据计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N 输出PWM脉冲，实现逆变输出。随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相电压值与国标上限电压值U_ugb之间的电压差值减小，输出的馈送功率P_diff同步减小，当满足Uac_max<U_ugb且Uac_min<δ_uU_ugb时，控制器维持当前有功功率，为电压最低相线路补偿有功功率。δ_u为上限电压倍率系数。

③在Uac_min<U_lgb或(Uac_min,Uac_med)<U_lgb，且Uac_max≥δ_lU_lgb时，进入功率互馈控制。控制器通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器依据计算出的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出。随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最低相电压值与国标下限电压值U_lgb之间的电压差值减小，馈送的功率P_diff同步减小，当满足Uac_min>U_lgb且Uac_max≥δ_lU_lgb时，控制器维持当前功率，为电压最低相线路提供功率。δ_l为下限电压倍率系数。

附图说明

图1为系统组成结构示意图；

图2为三相线路互馈功率平衡控制装置拓扑图；

图3为三相线路互馈功率平衡控制装置控制方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明通过安装在电网三相线路相对末端的三相线路互馈功率平衡控制装置，读取三相线路的电气参数，控制三条线路功率平衡，在同一时刻实现三相线路互馈功率的双向潮流流动，达到电网末端三相平衡的目的。

如图2所示，应用本发明三相线路互馈功率平衡控制方法的三相线路互馈功率平衡控制装置主要由功率单元、DC/DC稳压电源U5、控制器U6和末端单相电源接入端组成。

所述的功率单元由功率模块A、功率模块B、功率模块C、功率模块N、滤波电容C1 和直流电压传感器U4组成。功率模块A、功率模块B、功率模块C和功率模块N并联，并联后的功率模块的正极和负极分别形成功率单元直流母线的正极和负极。所述直流母线的正、负极分别与DC/DC稳压电源U5的正极、负极的输入端连接，并与直流电压传感器U4、滤波电容C1并联。

所述的末端单相电源接入端由A相电源接入端A、B相电源接入端B、C相电源接入端C、零线接入端N、3组电感和3个交流电压传感器组成。3个交流电压传感器分别为U1、 U2和U3，其中交流电压传感器U1的两端分别与A相电源接入端A和零线公共接入端N 连接，同时A相电源接入端A又与电感L1的一端L1i连接，电感L1的另一端L1o与A功率模块的交流端Aac连接；交流电压传感器U2的两端分别与B相电源接入端B和零线公共接入端N连接，同时B相电源接入端B又与电感L2的一端L2i连接，电感L2的另一端L2o 与B功率模块交流端Bac连接；交流电压传感器U3的两端分别与C相电源接入端C和零线公共接入端N连接，同时C相的电源接入端C又与电感L3的一端L3i连接，电感L3的另一端L3o与C功率模块交流端Cac连接。

所述的控制器U6内嵌有输入接口和输出接口，所述输入接口中的Uai端与交流电压传感器U1的数据输出端连接，输入接口中的Ubi端与交流电压传感器U2的数据输出端连接，输入接口中的Uci端与交流电压传感器U3的数据输出端连接，输入接口中的Ui端与直流电压传感器U4的数据输出端连接，控制器U6通过输入接口实时读取每个传感器电压值。电压传感器U1检测的A相电源相电压值为Ua，电压传感器U2检测B相电源相电压值为 Ub、电压传感器U3检测C相电源相电压值为Uc、电压传感器U4检测直流母线电压值为 Udc。所述输出接口中的g1o端与功率模块A中的功率开关管Q1的控制端g1连接，输出接口中的g2o端与功率模块A中的功率开关管Q2的控制端g2连接，输出接口中的g3o端与功率模块B中的功率开关管Q2的控制端g3连接，输出接口中的g4o端与功率模块B中的功率开关管Q4的控制端g4连接，输出接口中的g5o端与功率模块C中的功率开关管Q5 的控制端g5连接，输出接口中的g6o端与功率模块C中的功率开关管Q6的控制端g6连接，输出接口中的g7o端与功率模块N中的功率开关管Q7的控制端g7连接，输出接口中的g8o 端与功率模块N中的功率开关管Q8的控制端g8连接。控制器U6通过所述的输出接口分别对功率模块A、功率模块B、功率模块C和功率模块N实时控制。所述的DC/DC稳压电源 U5的直流输入正端Udi+与功率单元直流母线正极U+连接，DC/DC稳压电源U5的直流输入负端Udi-与功率单元直流母线负极U-连接。DC/DC稳压电源U5的输出正极Udo+与控制器U6电源正极输入端E+连接，DC/DC稳压电源U5的输出负极Udo-与控制器U6的电源负极输入端E-连接，为控制器U6提供直流电源。

所述的功率模块A的交流端Aac与电感L1的一端L1o连接，功率模块B交的流端Bac与电感L2的一端L2o连接，功率模块C的交流端Cac与电感L3的一端L3o连接，功率模块N的交流端Dac与末端单相电源零线公共接入N端连接。

所述三相线路互馈功率平衡控制装置的三个末端单相电源接入端接入电网相对末端，电网相对末端的三个A、B、C单相对应接入到三相线路互馈功率平衡控制装置中的A相、B 相、C相上，零线共接在N端。

所述的功率模块A由功率开关管Q1、功率开关管Q2、续流二极管D1、续流二极管D2组成。其中功率开关管Q1的三只管脚分别为控制输入端g1、功率输入端Q1i和功率输出端Q1o；功率开关管Q2的三只管脚分别为控制输入端g2、功率输入端Q2i和功率输出端Q2o；功率开关管Q1的输入端Q1i和功率输出端Q1o反向并联续流二极管D1；功率开关管Q2的输入端Q2i和功率输出端Q2o反向并联续流二极管D2。功率开关管Q2的功率输入端Q2i 与功率开关管Q1的输出端Q1o串联，连接点为功率模块A的交流端Aac，Q1i端为A功率模块的正端，Q2o为功率模块A的负端。

功率模块B由功率开关管Q3、功率开关管Q4、续流二极管D3、续流二极管D4组成。其中功率开关管Q3的三只管脚分别为控制输入端g3，功率输入端Q3i和功率输出端Q3o；功率开关管Q4的三只管脚分别为控制输入端g4，功率输入端Q4i和功率输出端Q4o；功率开关管Q3的输入端Q3i和功率输出端Q3o反向并联续流二极管D3；功率开关管Q4的输入端Q4i和功率输出端Q4o反向并联续流二极管D4。功率开关管Q4的功率输入端Q4i与功率开关管Q3的输出端Q3o串联，连接点为功率模块B的交流端Bac，Q3i端为功率模块B 的正端，Q4o为功率模块B的负端。

功率模块C由功率开关管Q5、功率开关管Q6、续流二极管D5、续流二极管D6组成。其中功率开关管Q5的三只管脚分别为控制输入端g5，功率输入端Q5i和功率输出端Q5o；功率开关管Q6的三只管脚分别为控制输入端g6，功率输入端Q6i和功率输出端Q6o；功率开关管Q5的输入端Q5i和功率输出端Q5o反向并联续流二极管D5；功率开关管Q6的输入端Q6i和功率输出端Q6o反向并联续流二极管D6。功率开关管Q6功率输入端Q6i与Q5功率开关管的输出端Q5o串联，连接点为功率模块C的交流端Cac，Q5i端为功率模块C的正端，Q6o为功率模块C的负端。

功率模块N由功率开关管Q7、功率开关管Q8、续流二极管D7、续流二极管组D8成。功率开关管Q7的三只管脚分别为控制输入端g7，功率输入端Q7i和功率输出端Q7o；功率开关管Q8的三只管脚分别为控制输入端g8，功率输入端Q8i和功率输出端Q8o；功率开关管Q7的输入端Q7i和功率输出端Q7o反向并联续流二极管D7；功率开关管Q8的输入端 Q8i和功率输出端Q8o反向并联续流二极管D8。功率开关管Q8的功率输入端Q8i与功率开关管Q7的输出端Q7o串联，连接点为功率模块N的交流端Dac，Q7i端为N功率模块的正端，Q8o为功率模块N的负端。

如图2和图3所示，本发明三相线路互馈功率平衡控制方法步骤如下：

步骤一，控制器U6读取交流电压传感器U1、U2、U3的电压数据，把A相电压Ua、B 相电压Ub和C相电压Uc分别与国标电压下限U_lgb和国标电压上限U_ugb比较，识别出三相中电压最高相线路、电压次高相线路和电压最低相线路；并且依据历史数据分析、迭代、模型自学习及差值计算，得到优化功率系数ε和电压差值U_diff；

步骤二，计算向电压最低相线路馈送功率

控制器U6依据电压最低相的线路阻抗r_min和优化功率系数ε计算向电压最低相线路馈送功率值P_diff，约束条件为：

U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb和U_diff≥U_λ

Uac_max>U_ugb和Uac_min≤δ_uU_ugb

Uac_min<U_lgb和Uac_max≥δ_lU_lgb

步骤三，实现对功率模块的控制

当A相电压值Ua、B相电压值Ub和C相电压值Uc均大于等于国标电压的下限值U_lgb且均小于等于电压的上限值U_ugb，即U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，或电压最高相电压值 Uac_max大于等于国标电压的上限值，即：

Uac_max≥U_ugb，或电压最低相电压值Uac_min小于等于国标电压的下限值U_lgb，即Uac_min≤U_lgb时，控制器U6控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲和功率模块N的续流二极管可控整流，并依据向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中。

其中，Ua、Ub、Uc分别为A相、B相和C相电压值；Uac_max为电压最高相电压值；Uac_med为电压次高相电压值；Uac_min为电压最低相电压值；U_lgb为国标电压的下限值； U_ugb为国标电压的上限值；P_diff为向电压最低相线路馈送功率值；U_λ为电压最大偏差阈值；δ_l为下限电压倍率系数；δ_u为上限电压倍率系数。

各步骤具体如下：

步骤一中，当电网相对末端的三个A、B、C单相对应接入到三相线路互馈功率平衡装置时，A、B、C三相线路中电压最高相电压值Uac_max，经功率单元对应功率模块和功率模块N不控整流，在直流母线产生直流电压

该直流电压同时经DC/DC稳压电源为控制器U6供电。控制器U6通过输入接口的端口Uai、Ubi、Uci、Ui分别读取电压传感器U1、U2、U3、U4采集的电压数据：A相电压值Ua、B相电压值Ub、C相电压值Uc、直流母线电压Udc。

三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器U6将A相电压Ua、B相Ub和C相电压Uc 分别与国标电压的下限值U_lgb和国标电压的上限值U_ugb比较，在Ua、Ub、Uc中筛选出电压最高相电压值Uac_max、电压最低相电压值Uac_min和电压次高相电压值Uac_med，即：

Uac_max＝max(Ua,Ub,Uc)

Uac_min＝min(Ua,Ub,Uc)

Uac_med＝{U_a,U_b,U_c}-{max(U_a,U_b,U_c),min(U_a,U_b,U_c)}

同时识别出A、B、C三相中的电压最高相线路、电压次高相线路和电压最低相线路。电压最高相线路的电压值为Uac_max，反映该相线路相对负荷轻；电压最低相线路的电压值为Uac_min，反映该相线路相对负荷重；电压次高相线路的电压值为Uac_med。

计算电压最高相电压值Uac_max与电压最低相电压值Uac_min的差值U_diff：

Uac_max-Uac_min＝U_diff

控制器U6依据历史数据分析、迭代、模型及自学习算法得到的优化功率系数ε，随着数据量的增加该优化功率系数越精确。

步骤二中，所述的馈送功率计算方法如下：

①当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ时，依据电压最高相电压值Uac_max与电压最低相电压值Uac_min的差值U_diff和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

其中，Ua为A相电压值，Ub为B相电压值，Uc为C相电压值，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，r_min为电压最低相的线路阻抗；U_λ为电压最大偏差阈值。

②如判断A、B、C三相线路中有电压最高相电压值Uac_max大于国标电压的上限值U_ugb，即Uac_max>U_ugb，或电压最高相电压值Uac_max和电压次高相电压值Uac_med均大于国标电压的上限值U_ugb，即(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且电压最低相电压值 Uac_min小于等于国标电压上限值U_ugb与上限电压倍率系数δ_u的乘积，即 Uac_min≤δ_uU_ugb时，依据电压最高相电压值Uac_max、国标电压上限值U_ugb、上限电压倍率系数δ_u和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

③如判断A、B、C三相线路中有电压最低相电压值Uac_min小于国标电压下限值U_lgb，即Uac_min<U_lgb，或电压最低相电压值Uac_min和电压次高相电值Uac_med均小于国标电压下限值U_lgb，即(Uac_min,Uac_med)<U_lgb，且电压最高相电压值Uac_max大于等于国标电压下限值U_lgb与下限电压倍率系数δ_l的乘积，即Uac_max≥δ_lU_lgb时，依据电压最低相电压值Uac_min、国标电压下限值U_lgb、下限电压倍率系数δ_l和电压最低相的线路阻抗 r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

其中，r_min为电压最低相的线路阻抗。

步骤三中，当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb或Uac_max≥U_ugb或Uac_min≤U_lgb时，三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器U6对电压最高相线路、电压最低相线路对应的功率模块进行控制，控制方法如下：

①在U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ的条件下进入功率互馈控制。控制器U6通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器依据计算的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出。

当电压最低相线路的负荷功率需求大于电压最高相线路所馈送功率时，由于线损原因造成电压最高相线路末端电压下降，当三相电压中的电压最高相线路电压值Uac_max等于电压次高相线路电压值Uac_med，即：

Uac_max＝Uac_med，同时满足U_diff≥U_λ时，控制器U6分别对原电压最高相线路和原电压次高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，为电压最低相线路提供直流功率。与此同时，控制器U6以当前计算出的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向最低电压相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，为电压最低相线路馈送功率，将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中补充功率。

随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相线路与电压最低相线路之间的电压差值U_diff减小，向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足电压差值小于电压最大偏差阈值时，即U_diff<U_λ，控制器U6维持当前功率为电压最低相线路提供功率。

其中，Ua为A相电压值，Ub为B相电压值，Uc为C相电压值，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，Uac_med为电压次高相电压值；P_diff为向电压最低相线路提供功率值；U_λ为电压最大偏差阈值。

如图2和图3所示：

如当控制器U6判断A相电压Ua＝Uac_max、B相电压Ub＝Uac_med、C相电压 Uc＝Uac_min、ε＝0.9，并且U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb和Ua-Uc≥U_λ时，控制器U6通过输出接口中的go1端和go2端输出PWM脉冲，控制功率模块A中的端口g1和g2实现对功率开关管Q1、Q2的整流控制，并与功率模块N中的续流二极管D7、D8实现可控整流。

于此同时，控制器U6依据

通过输出接口中的端口go5、go6、go7和go8输出PWM脉冲，控制功率模块C和功率模块N中的端口g5、g6、g7和g8，实现对Q5、Q6、Q7和Q8功率开关管逆变输出控制，为C相补充功率。即将A相线路功率馈送到C相线路中，使三相电压趋近于平衡。

为满足C相负荷功率需求，A相提供功率增加，由于线损A相电压降低，当Ua＝Ub且Ua＝Ub-Uc≥U_λ时，控制器U6通过输出接口中的端口go1、go2、go3、go4输出PWM脉冲，控制功率模块A、功率模块B中的端口g1、g2、g3、g4实现对功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4 的控制，并与功率模块N中的续流二极管D7、D8实现可控整流。控制器U6依据

通过输出接口中的端口go5、go6、go7、go8输出PWM脉冲，控制功率模块C和功率模块N中的端口g5、g6、g7、g8，实现对功率开关管Q5、Q6、Q7和Q8的逆变输出控制，实现A相、B相线路同时为C相线路馈送功率。

②在Uac_max>U_ugb或(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且Uac_min<δ_uU_ugb时进入功率互馈控制，控制器U6通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器 U6依据计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出。随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相的电压值与国标上限电压值U_ugb之间的电压差值减小，输出的向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足Uac_max<U_ugb且Uac_min<δ_uU_ugb时，控制器U6维持当前有功功率，为电压最低相线路补偿有功功率。

δ_u为上限电压倍率系数，δ_l为下限电压倍率系数。

如图2和图3所示：

如Ua＝Uac_max≥U_ugb且Uac_min<δ_uU_ugb，取δ_u＝0.95、ε＝1.05条件下时进入功率互馈控制，控制器U6通过输出接口中的go1和go2输出PWM脉冲波，控制功率模块A中的g1和g2实现对Q1和Q2功率开关管整流控制，并与功率模块N中的D7和D8续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器U6依据向电压最低相线路馈送功率：

通过输出接口中的端口go5、go6、go7、go8输出PWM脉冲，控制功率模块C和功率模块N中的端口g5、g6、g7、g8，实现对功率开关管Q5、Q6、Q7和Q8的逆变输出控制，为C相线路补充功率。随着A相向C相馈送功率P_diff，A相电压Ua值与0.95U_ugb之间的电压差值减小，输出的功率P_diff同步减小，当满足Ua<U_ugb且Uc<δ_uU_ugb时，控制器U6维持当前功率为C相线路提供功率。

③在Uac_min<U_lgb或(Uac_min,Uac_med)<U_lgb，且Uac_max≥δ_lU_lgb时，进入功率互馈控制，控制器U6通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器U6依据计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出。随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最低相电压值与国标下限电压值U_lgb之间的电压差值减小，输出的向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足Uac_min>U_lgb且Uac_max≥δ_lU_lgb时，控制器U6维持当前功率，为电压最低相线路提供功率。

δ_u为上限电压倍率系数，δ_l为下限电压倍率系数。

如图2和图3所示：

如Uc＝Uac_min≤U_lgb且Ua＝Uac_max≥δ_lU_lgb取δ_l＝1.1、ε＝0.9条件下时进入功率互馈控制时，控制器U6通过输出接口中的端口go1、go2输出PWM脉冲，控制功率模块A 中的端口g1、g2实现对功率开关管Q1和Q2的整流控制，并与功率模块N中的续流二极管 D7、D8实现可控整流，同步进行功率因数校正。与此同时，控制器U6依据下式的向电压最低相线路馈送功率计算值：

通过输出接口中的端口go5、go6、go7、go8输出PWM脉冲，控制功率模块C和功率模块N中的端口g5、g6、g7、g8，实现对功率开关管Q5、Q6、Q7和Q8逆变输出控制，为C相补充功率。随着A相线路向C相线路馈送功率P_diff，A相电压Ua值与1.1U_lgb之间的电压差值减小，馈送功率P_diff同步减小，当满足Uc>U_lgb且Ua≥δ_lU_lgb时，控制器U6维持当前功率为C相线路提供功率。

Claims (3)

1.一种三相线路互馈功率平衡控制方法，其特征在于，所述的控制方法通过安装在电网三相线路相对末端的三相线路互馈功率平衡控制装置读取三相线路的电气参数，控制三相线路的互馈功率平衡，在同一时刻实现三相线路互馈功率的双向潮流流动，使电网末端三相平衡；

所述三相线路互馈功率平衡控制装置的三个末端单相电源接入端接入电网相对末端，电网相对末端的A、B、C单相对应接入三相线路互馈功率平衡控制装置的A相、B相、C相，零线共接在N端；

所述控制方法步骤如下：

步骤一，所述三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器读取交流电压传感器U1、U2、U3的电压数据，把A相电压Ua、B相电压Ub和C相电压Uc分别与国标电压下限U_lgb和国标电压上限U_ugb比较，识别出三相中电压最高相线路、电压次高相线路和电压最低相线路；并且依据历史数据分析、迭代、模型自学习及差值计算，得到优化功率系数ε和电压差值U_diff；

步骤二，计算馈送功率

所述三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器依据电压最低相的线路阻抗r_min和优化功率系数ε计算向电压最低相线路馈送功率值P_diff，约束条件为：

U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb和U_diff≥U_λ

Uac_max>U_ugb和Uac_min≤δ_uU_ugb

Uac_min<U_lgb和Uac_max≥δ_lU_lgb；

步骤三，实现对功率模块的控制

当A相电压值Ua、B相电压值Ub和C相电压值Uc均大于等于国标电压的下限值U_lgb且均小于等于国标电压的上限值U_ugb，即U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，或电压最高相电压值Uac_max大于等于国标电压的上限值，即：

Uac_max≥U_ugb，或电压最低相电压值Uac_min小于等于国标电压的下限值U_lgb，即Uac_min≤U_lgb时，所述三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲和功率模块N续流二极管可控整流，并依据向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中。

2.按照权利要求1所述的三相线路互馈功率平衡控制方法，其特征在于，所述步骤二的向电压最低相线路馈送功率计算方法如下：

①当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ时，依据电压最高相电压值Uac_max与电压最低相电压值Uac_min的差值U_diff和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

其中，Ua为A相电压值，Ub为B相电压值，Uc为C相电压值，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，r_min为电压最低相的线路阻抗；U_λ为电压最大偏差阈值；

②如判断A、B、C三相线路中有电压最高相电压值Uac_max大于国标电压的上限值U_ugb，即Uac_max>U_ugb，或电压最高相电压值Uac_max和电压次高相电压值Uac_med均大于国标电压的上限值U_ugb，即(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且电压最低相电压值Uac_min小于等于国标电压上限值U_ugb与上限电压倍率系数δ_u的乘积，即Uac_min<δ_uU_ugb时，依据电压最高相电压值Uac_max、国标电压上限值U_ugb、上限电压倍率系数δ_u和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

ε为优化功率系数；

③如判断A、B、C三相线路中有电压最低相电压值Uac_min小于国标电压下限值U_lgb，即Uac_min<U_lgb，或电压最低相电压值Uac_min和电压次高相电压值Uac_med均小于国标电压下限值U_lgb，即(Uac_min,Uac_med)<U_lgb，且电压最高相电压值Uac_max大于等于国标电压下限值U_lgb与下限电压倍率系数δ_l的乘积，即Uac_max≥δ_lU_lgb时，依据电压最低相电压值Uac_min、国标电压下限值U_lgb、下限电压倍率系数δ_l和电压最低相的线路阻抗r_min，并依据电功原理得到向电压最低相线路馈送功率值：

3.按照权利要求1所述的三相线路互馈功率平衡控制方法，其特征在于，所述步骤三中，当U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb或Uac_max≥U_ugb或Uac_min≤U_lgb时，所述三相线路互馈功率平衡控制装置的控制器对电压最高相线路、电压最低相线路的对应功率模块进行控制，方法如下：

①在U_lgb≤(Ua,Ub,Uc)≤U_ugb，且U_diff≥U_λ时进入功率互馈控制；通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正；与此同时，控制器依据计算出的向电压最低相线路馈送功率值P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出；

当电压最低相线路的负荷功率需求大于电压最高相线路所馈送功率时，由于线损原因造成电压最高相线路末端电压下降，当三相电压中的电压最高相线路电压值Uac_max等于电压次高相线路电压值Uac_med时，即：

Uac_max＝Uac_med，同时满足U_diff≥U_λ时，控制器分别对原电压最高相线路和原电压次高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，为电压最低相线路提供直流功率；与此同时，控制器以当前计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出，为电压最低相线路馈送功率，将电压最高相线路的功率馈送到电压最低相线路中补充功率；

随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相线路与电压最低相线路之间的电压差值U_diff减小，向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足电压差值小于电压最大偏差阈值时，即U_diff<U_λ，控制器维持当前功率为电压最低相线路提供功率；

其中，Ua为A相电压值，Ub为B相电压值，Uc为C相电压值，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，Uac_med为电压次高相电压值；P_diff为向电压最低相线路馈送功率值；U_λ为电压最大偏差阈值；

②在Uac_max>U_ugb或(Uac_max,Uac_med)>U_ugb，且Uac_min<δ_uU_ugb时进入功率互馈控制；控制器通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正；与此同时，依据计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出；随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最高相的电压值与国标上限电压值U_ugb之间的电压差值减小，输出的馈送功率P_diff同步减小，当满足Uac_max<U_ugb且Uac_min<δ_uU_ugb时，控制器维持当前有功功率，为电压最低相线路补偿有功功率；

③在Uac_min<U_lgb或(Uac_min,Uac_med)<U_lgb，且Uac_max≥δ_lU_lgb时，进入功率互馈控制；通过输出接口控制电压最高相线路对应的功率模块输出PWM脉冲，并与功率模块N中的续流二极管实现可控整流，同步进行功率因数校正；与此同时，控制器依据计算出的向电压最低相线路馈送功率P_diff，向电压最低相线路对应的功率模块和功率模块N输出PWM脉冲，实现逆变输出；随着电压最高相线路向电压最低相线路馈送功率，电压最低相电压值与国标下限电压值U_lgb之间的电压差值减小，输出的向电压最低相线路馈送功率P_diff同步减小，当满足Uac_min>U_lgb且Uac_max≥δ_lU_lgb时，维持当前功率，为电压最低相线路提供功率；

δ_u为上限电压倍率系数，δ_l为下限电压倍率系数，U_lgb为国标电压的下限值，U_ugb为国标电压的上限值，Uac_max为电压最高相线路对应的电压值，Uac_min为电压最低相线路对应的电压值。

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