CN205141694U - 三相电网相间不平衡治理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及三相电网相间不平衡治理电路，包括三个网侧电感(L1，L2和L3)、三个逆变电感(L4，L5和L6)、三相全波电路、电容组(C4，C5)，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个网侧电感的另一端分别与三相全波电路的逆变输出侧连接；电感器L1与电感器L4的连接点、电感器L2与电感器L5的连接点、电感器L3与电感器L6的连接点均连接有滤波电路，滤波电路的另一端连接于电网N线，电容组的中点与电网N线连接。解决了采用无源器件的补偿方式无法实现线性补偿的技术问题。本实用新型能治理三相不平衡，降低三相不平衡度。

Description

三相电网相间不平衡治理电路

技术领域

本实用新型涉及农村供电系统电能质量的改善，具体涉及一种治理三相电网相间不平衡的电网户外柱上装置。

背景技术

电网系统多为低压三相四线制供电，电网负荷多为单相负载、负荷分布不均衡、以及用电时间存在差异性，使得三相负荷不平衡，N线存在较大的电流，造成电网系统线损率高；三相不平衡引起变压器损耗增大，发热严重，变压器损坏严重，同时三相不平衡也降低了变压器的出力，严重影响了电网系统供电质量以及电网供电的安全性。

现有技术多数是使用三相电力电容器或者由三个单相电容器构成的三相电力电容器来补偿电力系统的无功功率。中国专利号为200510045751.6，名称为：“高效补偿三相不平衡负荷和无功功率的装置”采用△接法的补偿器(电容器或者电抗器)或用同一组Y接法的补偿器件，通过由功率控制器控制的单相开关使它们实现既能把它们同时加在各相上，也能加在不同的各相与各相之间或者各相与零线之间，即能用做三相共补，也能用做单相补偿，也能实现有功功率的平衡；中国专利号为201410330635.8，名称为：“一种有功功率平衡调节及无功补偿的装置”，无功共补智能电容器和A、B、C相分补无功补偿智能电容器，通过设置AB线有功平衡调节智能电容器Cab、BC线有功平衡调节智能电容器Cbc、CA线有功平衡调节智能电容器Cca，实现有功功率的平衡。现有技术也有采用有源器件构成的三相不平衡装置。中国专利号为201310224032.5，名称为：“一种负载不平衡补偿系统”采用DSP+FPGA控制架构的一种有源型负载不平衡补偿系统，虽说是详细描述了方法和实现过程，但是上述专利中都并未采用有效方法治理由于高频开关谐波对电网造成的电磁干扰污染，而且未处理与电网发生谐振的可能性，无法在电网电力系统应用。

现有技术通过无源器件，通过开关投切，组合的方式实现功率的平衡调节，但是以上方法存在阶梯型补偿的问题，而且会存在过补偿或者欠补偿，只能降低三相有功的平衡度，无法实现线性补偿，无法根本解决三相不平衡问题；而且采用开关投切组合的方式，尤其在电网系统中，负载波动非常频繁，将导致开关频繁地投切工作，容易造成开关器件的损坏，对于电网系统，维护性和操作性太差；采用无源器件投切的方式实现功率三相不平衡治理，容易造成与电网发生谐振，造成电网的不稳定；而且采用无源器件实现方法，存在体积大，重量大的问题，很难在电网户外柱上安装；所以目前有功功率平衡技术应用上还存在缺陷，尤其是很难在电网户外柱上使用。

发明内容

为了解决采用无源器件的补偿方式无法实现线性补偿、容易与电网发生谐振、补偿装置体积大、重量大、很难在电网户外柱上安装的技术问题，本实用新型提供一种三相电网相间不平衡治理装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

三相电网相间不平衡治理电路，包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相全波电路、电容C4和电容C5，所述三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，所述三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变侧电感的另一端分别与三相全波电路的逆变输出侧连接，所述电容C4、电容C5为三相全波电路直流侧的支撑电容；

电感器L1与电感器L4的连接点连接有串联的电阻R1与电容C1，电感器L2与电感器L5的连接点连接有串联的电阻R2与电容C2，电感器L3与电感器L6的连接点连接有串联的电阻R3与电容C3；所述电容C1、电容C2、电容C3的另一端连接于电网N线，电容C4、电容C5的中点与电网N线连接。

上述三相全波电路是由3个IGBT模块构成的。

三相电网相间不平衡治理系统，包括三相电网相间不平衡治理电路、检测采样调理单元、控制运算单元以及驱动单元，

所述检测采样调理单元用于采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处的三相逆变输出电流、三相逆变电感与三相全波电路连接处的三相LCL滤波电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；

所述控制运算单元包括软锁相环控制模块、提取模块以及SPWM调制模块，

所述软锁相环控制模块对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：

所述提取模块：基于对称分量法的一种自适应控制法，依据同步信号，将三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的正序分量电流、负序分量电流和零序分量电流的值：后将零序分量电流运算得到基波零序电流和谐波零序电流；最终将正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流，发送给SPWM调制模块；

所述SPWM调制模块：接收正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流相加后进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；

所述驱动单元：将三路PWM信号电平转换调理，得到6路隔离的PWM驱动信号，控制三相全波电路的IGBT模块。

上述控制运算单元还包括保护模块，用于依据电压、电流和频率保护设备。

上述控制运算单元基于DSP和FPGA。

三相电网相间不平衡治理方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处LCL滤波电流、三相逆变电感与三相全波电路连接处的三相逆变输出电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；

2)对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：

3)依据同步信号，将三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的正序分量电流、负序分量电流和零序分量电流的值：后将零序分量电流运算得到基波零序电流和谐波零序电流；最终将正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流；

4)接收正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流后进行相加，再进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；

5)将三路PWM信号电平转换调理，得到六路隔离的PWM驱动信号，控制三相全波电路的IGBT模块，采用闭环控制系统，得到需要输出的电流。

上述步骤3)基于对称分量法的一种自适应控制法。

本实用新型与现有技术相比，优点是：

1、本实用新型能治理三相不平衡，降低三相不平衡度：三相四线系统，由于单相负载的因素，导致三相不平衡，引起变压器损耗增大，变压器出力不足，线路损耗增大。本实用新型通过电流互感器检测负载电流，基于对称分量法的一种自适应控制法，提取出负序电流、正序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流，由DSP运算产生需要补偿的负序指令，正序指令、零序指令，将指令叠加作为电流给定，产生PWM控制信号，使设备输出相应的补偿电流，最终达到治理三相不平衡的目标，降低三相不平衡度；

2、本实用新型多倍N线电流治理：三相四线系统，由于单相负载的因素，导致三相不平衡，N线电流大，造成严重的电能损耗。本实用新型通过电流互感器检测负载电流，提取出零序电流，进一步得到基波零序、特征次谐波零序，电网系统零线电流主要为以上零序成分，DSP运算产生需要补偿的零序电流指令，基于SPWM调制技术，产生PWM控制信号，使设备输出相应的零序电流，补偿N线电流，最终消除N线电流，降低由于N线电流造成的线路损耗；

3、本实用新型能补偿无功：电网系统负载多为水泵、农用电机，需要从电网吸取无功，造成电网功率因数低，变压器出力不足，线路损耗大。本实用新型通过电流互感器检测负载电流，在补偿完零序、负序，剩余容量补偿无功，TTA电流检测算法，提取无功成分，由DSP运算产生无功补偿指令，产生PWM控制信号，使设备输出相应的无功电流，最终达到补偿无功，提高变压器出力，降低线路损耗，提高功率因数的目的。

4、本实用新型提出一种三相电网相间不平衡的治理方法及电网户外柱上装置，通过电流互感器检测负载电流，提取出三相不平衡电流，通过自适应控制算法，根据负载电流的实时数据，进行动态治理，响应速度快、可以线性补偿，不会与电网发生谐振，而且设备重量轻，容量大，非常适合在电网户外柱上安装使用，最终实现网侧三相有功功率平衡，三相不平衡度可以达到0，同时消除N线电流，达到降低线损、提高变压器出力，设备剩余容量可以补偿无功。

附图说明

图1是本实用新型的主电路结构图；

图2是本实用新型三相电网相间不平衡治理系统的示意图；

图3为对称分量法分解负序零序的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，三相电网相间不平衡治理电路，包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相全波电路、电容组(C4，C5)、三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相全波电路的逆变输出侧连接，电容C4、电容C5为三相全波电路直流侧的支撑电容；还包括滤波电路，包括电阻R1与电容C1、电阻R2与电容C2以及电阻R3与电容C3，主要是滤除开关次高频信号。

电感器L1与电感器L4的连接点连接有串联的电阻R1与电容C1，电感器L2与电感器L5的连接点连接有串联的电阻R2与电容C2，电感器L3与电感器L6的连接点连接有串联的电阻R3与电容C3；电容C1、电容C2、电容C3的另一端连接于电网N线，电容C4、电容C5的中点与电网N线连接。

其中三相全波电路是由3个IGBT模块构成的。

如图2所示，三相电网相间不平衡治理系统，包括三相电网相间不平衡治理电路、检测采样调理单元、控制运算单元以及驱动单元，

检测采样调理单元用于采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处的三相逆变输出电流、三相逆变电感与三相全波电路连接处的三相LCL滤波电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；

控制运算单元包括软锁相环控制模块、提取模块以及SPWM调制模块，

软锁相环控制模块对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：提取模块：基于对称分量法的一种自适应控制法，依据同步信号，将三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的正序分量电流、负序分量电流和零序分量电流i0的值：后将零序分量电流运算得到基波零序电流和谐波零序电流；最终将正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流，发送给SPWM调制模块；SPWM调制模块：接收正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流相加后进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；驱动单元：将三路PWM信号电平转换调理，得到6路隔离的PWM驱动信号，控制三相全波电路的IGBT模块。

为了保证整个电路系统的正常运行，控制运算单元还包括保护模块，用于保护电压和电流。控制运算单元基于DSP和FPGA。

本系统能够降低三相不平衡度，补偿基波负序电流、基波零序电流以及谐波零序电流，剩余容量补偿无功。

主电路为三相桥式两电平电压源变流器组成，功率开关器件采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块，直流侧储能元件采用电解电容，为逆变器提供直流电压支持，装置的输出回路采用LCL滤波，主要滤除功率开关器件高频开关噪声，设备通过电抗器与电网连接，装置不会与电网产生谐振。

由于配电网中功率的不平衡是由负载电流中的负序分量和零序分量叠加在正序分量上造成的。为了补偿使功率平衡，就要把这些不平衡分量从总电流中提取出来。首先利用对称分量法，将测量的三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的负序分量电流i2和零序分量电流i0的值：

将采集计算得到的零序分量电流进一步运算得到基波零序分量及谐波零序分量，加上负序分量和正序分量一起送至SPWM调制模块中，利用DSP进行SPWM控制，生成一系列的PWM信号，经驱动电路驱动IGBT模块，发出需要的补偿电流，这些补偿电流和不平衡电流大小相同方向相反，叠加后相抵消，从而实现功率不平衡的补偿。

整个系统具有方法科学、合理、能够对配电系统进行功率不平衡的补偿，补偿效果好等优点。

三相电网相间不平衡治理方法，包括以下步骤：

1)采样来自三个网侧电感和三相逆变电感连接点处的三相逆变输出电流、三相逆变电感与三相全波电路连接处的三相LCL滤波电流、外部加载的三相负载电流以及三相电网电压进行调理的输出调理信号；

2)对三相电网电压进行锁相，输出同步信号：

利用DSP的软锁相环控制模块，对电网电压进行锁相，作为控制系统同步信号，电网系统各种冲击性负荷多，电网电压电压波动范围大，而且电网电压存在较大的相位频率偏移，该锁相环针对电网应用增加了防抖动和相位偏移处理，适应较宽的电网频率波动范围，可以达到48Hz～52Hz；

3)依据同步信号，将测量的三相负载电流ia、ib、ic、由相分量变换为序分量，得到需要补偿的正序分量电流i1、负序分量电流i2和零序分量电流i0的值，装置依据检测负载电流成分，自适应确定装置补偿电流：

将采集计算得到的零序分量电流i0进一步运算得到基波零序、谐波零序；最终将三相不平衡电流分解为：正序、负序、基波零序、谐波零序电流分量，将分解得到的电流指令在DSP中叠加，利用DSP进行SPWM控制，生成一系列的PWM信号，经驱动电路信号放大，驱动IGBT模块，发出需要的补偿电流，这些补偿电流和不平衡电流大小相同方向相反，叠加后相抵消，从而实现三相功率不平衡的治理。

4)接收正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流后进行相加，再进行SPWM调制，得到三路PWM信号电平；

5)将三路PWM信号电平转换调理，得到六路隔离的PWM驱动信号，控制三相全波电路的IGBT模块，采用闭环控制系统，得到需要输出的电流。

三相电流的不平衡成分对应的正序分量电流、负序分量电流、基波零序电流和谐波零序电流，将电流指令相加，再由d,q坐标系转换到三相坐标系，得到三相坐标系的电流指令，基于DSP进行SPWM调制，得到三路PWM信号，DSP输出的PWM信号电平为3.3V，在外部经过信号放大，得到+15V、-10V电平的带死区隔离的6路驱动信号，6路3组驱动信号驱动IGBT工作，逆变输出通过电感器连接电网，采用闭环控制系统，精确得到需要输出的电流。

具体的工作步骤如下：

步骤一：根据电网负载电流，分析得到其中的不平衡分量(正序分量、负序分量、零序分量)的数据信息。

步骤二：将检测到需要补偿电流的数据信息送至设备的DSP中，DSP根据指令送出驱动IGBT的PWM信号，通过IGBT发出所需电流，进行补偿。

步骤三：系统采用LCL滤波器，具备良好的电磁兼容性：IGBT开关次高频谐波成分，如果不做相应的滤波处理，高频开关谐波流入电网，将造成严重的电磁干扰，甚者会造成接入电网系统的家用电器的损坏。本装置采用LCL滤波器，不仅能将高频开关次谐波滤除干净，而且不会与电网发生谐振，即使是在同一台区并接多台设备，也不会造成低频谐波放大，发生振荡风险。

步骤四：锁相技术

利用DSP的软锁相环控制模块，对电网电压进行锁相，做为控制系统同步信号，电网系统各种冲击性负荷多，电网电压电压波动范围大，而且电网电压存在较大的相位频率偏移，该锁相环针对电网应用增加了防抖动和相位偏移处理，适应较宽的电网频率波动范围，可以达到48Hz～52Hz；

步骤五：有源电流发生技术：

通过检测负载三相电流ia、ib、ic分别得到三相电流的不平衡成分对应的正序、负序、零序指令电流，将指令相加，再由d,q坐标系转换到三相坐标系，得到三相坐标系的电流指令，基于DSP进行SPWM调制，得到三路PWM信号，DSP输出的PWM信号电平为3.3V，在外部经过信号放大，得到+15V、-10V电平的带死区隔离的6路驱动信号，6路3组驱动信号驱动IGBT工作，逆变输出通过电感器连接电网，采用闭环控制系统，精确得到需要输出的电流。

在设备上选择基波零序电流、谐波零序电流、负序电流、正序电流和无功电流中的一种或者多种组合方式的补偿电流，并控制输出的功率大小，针对不同的应用场合可以设置选择补偿电流类型。

Claims (2)

1.三相电网相间不平衡治理电路，其特征在于：包括三个网侧电感、三个逆变电感、三相全波电路、电容C4和电容C5，所述三个网侧电感包括电感器L1、电感器L2和电感器L3，所述三个逆变电感包括电感器L4、电感器L5和电感器L6，三个网侧电感的一端分别与三相电网A、B、C连接，三个网侧电感另一端分别与三个逆变电感对应连接，三个逆变电感的另一端分别与三相全波电路的逆变输出侧连接，所述电容C4、电容C5为三相全波电路直流侧的支撑电容；

电感器L1与电感器L4的连接点连接有串联的电阻R1与电容C1，电感器L2与电感器L5的连接点连接有串联的电阻R2与电容C2，电感器L3与电感器L6的连接点连接有串联的电阻R3与电容C3；所述电容C1、电容C2、电容C3的另一端连接于电网N线，电容C4、电容C5的中点与电网N线连接。

2.根据权利要求1所述的三相电网相间不平衡治理电路，其特征在于：所述三相全波电路是由3个IGBT模块构成的。