CN206697944U - 一种三相不平衡调节装置 - Google Patents

Abstract

一种三相不平衡调节装置,包括：断路器、预充电电阻、继电器开关、滤波电感、电压型PWM整流桥、直流母线电容、控制模块、IGBT驱动模块、其特征在于：断路器、继电器开关、滤波电感、电压型PWM整流桥、直流母线电容依次连接，预充电电阻与继电器开关并联，断路器控制主进电电流输入，本装置采用有源滤波及无功补偿具有高度的可控性和快速响应性，其特点是特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险，能补偿无功和各次谐波，可抑制闪变，容量小，滤波性能好。

Description

一种三相不平衡调节装置

技术领域

本实用新型涉及电网调节领域，具体涉及一种用于动态治理配网三相不平衡、补偿无功和谐波的新型电力电子装置。

背景技术

随着社会与经济的快速发展，工业用电和民用电的需求量都在增长，与此同时配网用户对电能质量提出了更高的要求，其中电力系统普遍存在的三相不平衡问题、无功功率问题及谐波电流严重的影响电力系统的运行。采用三相不平衡调节装置动态治理配网三相不平衡、补偿无功功率和补偿谐波电流，是消除不平衡、抑制谐波和无功污染的有效措施。

近年来，电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，给公用电网供电质量造成严重污染，向公用电网注入大量的谐波，并汲取较多的无功功率，导致电网中暂态冲击、无功功率、高次谐波及三相不平衡等问题日趋严重。对电网危害：可造成变压器损耗增加、效率降低，当三相不平衡运行时产生零序电流，使变压器局部发热，严重时可烧毁变压器；会增加高压线路的损耗，增加线路跳闸次数，缩短开关设备寿命；增加低压线路的损耗，造成低压某项电流过大，温度过高甚至烧毁。对用户危害：三相电压不平衡导致用户设备烧毁，一相或两相倚重，必导致过大线路压降，导致末端低电压，用电末端电压低，影响用户生产生活用电。目前市场上的三相不平衡调节设备，特别是实现无功补偿和谐波治理上仍然以无源滤波无功补偿装置分补为主，只适用于在谐波源处就地治理安装，集中补偿将不能避免谐振发生。虽然无源滤波无功补偿装置具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，但其滤波性能受系统和负载参数的影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消除特定次的谐波，动态性能相对较差；只适用于在谐波源处就地治理安装，集中补偿将不能避免谐振发生。

实用新型内容

本实用新型是针对供电系统的节能降损、提高电能质量、提升电网经济运行水平和抑制电网中谐波的要求而提出的。根据配网用户由于不同时间段或不同负荷导致的配网三相不平衡电流，利用先进控制算法分离出不平衡电流的正序、负序、零序、无功和谐波电流，通过触发功率器件IGBT，输出与之相反的抵消电流，达到消除不平衡及补偿无功和谐波的作用。

为了达到上述目的，本实用新型所提供的技术方案是：三相不平衡调节装置,包括：断路器、预充电电阻、继电器开关、滤波电感、电压型PWM整流桥、直流母线电容、控制模块、IGBT驱动模块、其特征在于：断路器、继电器开关、滤波电感、电压型PWM整流桥、直流母线电容依次连接，预充电电阻与继电器开关并联，断路器控制主进电电流输入，断路器闭合后系统直流母线电容电压缓慢充电，继电器开关控制主路交流电流的输入及预充电电阻短路，滤波电感是功率转化器与电力系统之间的功率传送接口元件，电压型PWM整流桥为三相不平衡装置的功率转换部件， 控制模块连接IGBT驱动模块驱动电压型PWM整流桥。电压型PWM整流桥由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成。控制模块为DSP控制器，其与电阻、电容光耦等电子元器件集成于一块电路板上。DSP控制器连接有检测负载电流或补偿点电压的检测接点。控制模块还连接有GPRS模块。

控制模块，其由DSP芯片（又称DSP控制器）及一些相关的电子元器件组成，其主要作用为对装置的采集到的数据进行分析处理，并控制装置针对分析到的问题进行处理。

DSP控制器实时检测负载电流，计算分析负载电流并判断系统是否处于不平衡状态，采用先进控制算法分离出不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，然后控制器实时驱动IGBT，输出出与负序分量和零序分量反向的电流，最后电网侧电流达到三相平衡状态。

DSP控制器实时检测补偿点电压数据，并判断补偿点电压是否超过设定值；超过电压上限（Umax）时，输出感性电流，补偿点电压降低；当低于电压下限（Umin）时，输出容性电流，补偿点电压提升；最终使各相电压稳定在正常范围内。

DSP控制器实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的无功电流数据；无功电流作为控制器的参考值，控制器实时驱动IGBT产生满足要求的无功补偿电流，最终实现动态无功补偿目的。

DSP控制器实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的2到50次谐波电流数据；各次谐波电流作为控制器的参考值，控制器实时驱动IGBT产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，主动消除电力谐波。

电压型PWM整流桥是有一些电子元器件和绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成，如图1所示当装置需要补偿电流时DSP控制器发出指令，通过IGBT驱动电路应用电压空间矢量调制技术驱动电压型PWM整流桥内部的IGBT产生补偿电流波形，GPRS模块与控制模块相连接可实现远程数据的监测与数据采集，支持手机APP与PC机远程操作。

本实用新型的技术效果如下：

先进的控制算法指的是改进的瞬时无功功率理论检测技术，本装置应用先进DSP芯片作为装置的控制核心，其具有强大的数据处理能力，而且采用软件编程具有高度的灵活性，能够实时快速地实现各种数字信号处理算法的特点。而装置在DSP芯片的基础上应用改进的瞬时无功功率理论检测技术，进一步的提高了装置的数据处理能力，快速准确的对数据进行处理。

与无源滤波无功补偿装置相比，本装置采用有源滤波及无功补偿具有高度的可控性和快速响应性，其特点是特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险，能补偿无功和各次谐波，可抑制闪变，容量小，滤波性能好，可以在谐波源处安装，也可以在变电所集中治理，以减少治理成本等。

附图说明

图1是三相不平衡调节装置系统原理图；

图2是三相不平衡补偿原理图；

图3是电网电压支撑原理图；

图4是无功补偿原理图；

图5是谐波补偿原理图。

具体实施方式

一种三相不平衡调节装置,包括：断路器1、预充电电阻2、继电器开关3、滤波电感4、电压型PWM整流桥5、直流母线电容6、控制模块7、IGBT驱动模块8、其特征在于：断路器1、继电器开关3、滤波电感4、电压型PWM整流桥5、直流母线电容6依次连接，预充电电阻2与继电器开关3并联，断路器1控制主进电电流输入，断路器闭合后系统直流母线电容6电压缓慢充电，继电器开关3控制主路交流电流的输入及预充电电阻2短路，滤波电感4是功率转化器与电力系统之间的功率传送接口元件，电压型PWM整流桥5为三相不平衡装置的功率转换部件， 控制模块7连接IGBT驱动模块8驱动电压型PWM整流桥5。电压型PWM整流桥5由绝缘栅双极晶体管 (IGBT)构成。控制模块7为DSP控制器，其与电阻、电容光耦等电子元器件集成于一块电路板上。DSP控制器连接有检测负载电流或补偿点电压的检测接点。控制模块还连接有GPRS模块9。

如图1所示，三相不平衡调节装置系统主要包括断路器、预充电电阻、继电器开关、滤波电感、电压型PWM整流桥、直流母线电容、控制模块、IGBT驱动。

如图所示断路器控制主进电电流输入，当器闭合后系统母线电容电压缓慢充电，当继电器开关控制主路交流电流的输入，同时将预充电阻短路；电感是功率转化器与电力系统之间的功率传送接口元件，一方面起储能作用，另一方面滤除高频开关纹波电流；电压型PWM整流桥为三相不平衡装置的功率转换部件，有绝缘栅双极晶体管（IGBT）构成，应用电压空间矢量调制（SVPWM）技术驱动IGBT产生补偿电流波形。DSP芯片能够对数据进行高速处理，其与电阻、电容光耦等电子元器件集成于一块电路板上，能够实现对装置监测和控制。

如图2所示，是本装置三相不平衡补偿原理，图中DSP控制器,DSP控制器即为DSP芯片，实时检测负载电流，计算分析负载电流并判断系统是否处于不平衡状态，采用先进控制算法分离出不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，然后控制器实时驱动IGBT，输出出与负序分量和零序分量反向的电流，最后电网侧电流达到三相平衡状态。

如图3所示，是本装置电网电压支撑原理，图中DSP控制器实时检测补偿点电压数据，并判断补偿点电压是否超过设定值；超过电压上限（Umax）时，输出感性电流，补偿点电压降低；当低于电压下限（Umin）时，输出容性电流，补偿点电压提升；最终使各相电压稳定在正常范围内。

如图4所示，是本装置无功补偿原理，图中DSP控制器实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的无功电流数据；无功电流作为控制器的参考值，控制器实时驱动IGBT产生满足要求的无功补偿电流（容性或感性），最终实现动态无功补偿目的。

如图5所示，是本装置谐波补偿原理，图中DSP控制器实时检测负载电流，计算分析得到负载电流的2到50次谐波电流数据；各次谐波电流作为控制器的参考值，控制器实时驱动IGBT产生与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，主动消除电力谐波。

本装置是基于高效的电力电子扩扑结构和先进的全数字控制技术的智能化、有源式新型电力电子设备，能够动态治理配网三相不平衡、补偿无功功率和补偿谐波电流，提高电力系统的电能质量。由于本装置采用了改进的瞬时无功功率理论的检测技术和LCL扩扑结构滤波,现有瞬时无功功率理论的检测技术因其电路简单、延迟短、实时性好，已广泛的应用于电路系统中，但现有技术的检测精度与响应时间之间存在矛盾，检测精度越高，动态的相应过程越慢，反之动态的相应过程越快检测精度越差；针对以上问题本装置在瞬时无功功率理论的检测技术的基础上应用一种新型的检测算法，不仅使装置拥有较高的检测精度，而且具有较快的跟踪速度，使装置能够实时的检测负序、零序电流，自动跟踪负载无功变化，在输出无功谐波电流的情况下，不会引入高频IGBT开关谐波干扰，保证装置的的稳定性、准确性；装置采用变流器模块化设计，体积小重量轻，功率密度高，安装维护方便，装置内部除断路器、继电器开关等元器件外还有一个模块单元，其将控制模块、IGBT、电容等器件集成于一个密封的单元，单元内部进行独立的风道设计，与外部风道不会相互影响，防止单元外部的粉尘进入单元内部，单元内外独立的风道设计也提高了装置的散热效率，有效的隔绝环境粉尘的粘附，从而提高产品的散热效率；物联网监控功能可通过GPRS模块实现,可以使装置可按一定时间间隔采集三相系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量、装置输出谐波电流等数据，并通过GPRS模块上传到数据库，实现远程数据监测和数据采集。

本装置是基于高效的电力电子扩扑结构和先进的全数字控制技术的调节装置，其特征在于：1、依托于改进的瞬时无功功率理论的检测技术，实现对负序、零序电流的实时监测，自动跟踪负载无功变化及谐波变化，有效的提高装置的可控性和快速响应性；2、采用LCL扩扑结构滤波，在输出无功谐波电流的情况下，不会引入高频IGBT开关谐波干扰，并且适用于任何现场电网系统阻抗，不会发生谐振；3、采用单模块独立风道的设计理念，有效的防止外界环境粉尘粘附于模块，提高装置的散热效率，更利于装置后期维护；4、物联网监控功能，装置可按一定时间间隔采集三相系统电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、谐波含量、装置输出谐波电流等数据，并通过GPRS模块上传到数据库，终端网页及APP能显示上述当前及历史数据，能对数据进行必要的筛选功能，同时能以word或PDF形式输出，能显示及记录当前及历史故障。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种三相不平衡调节装置,包括：断路器（1）、预充电电阻（2）、继电器开关（3）、滤波电感（4）、电压型PWM整流桥（5）、直流母线电容（6）、控制模块（7）、IGBT驱动模块（8）、其特征在于：断路器（1）、继电器开关（3）、滤波电感（4）、电压型PWM整流桥（5）、直流母线电容（6）依次连接，预充电电阻（2）与继电器开关（3）并联，断路器（1）控制主进电电流输入，断路器闭合后系统直流母线电容（6）电压缓慢充电，继电器开关（3）控制主路交流电流的输入及预充电电阻（2）短路，滤波电感（4）是功率转化器与电力系统之间的功率传送接口元件，电压型PWM整流桥（5）为三相不平衡装置的功率转换部件， 控制模块（7）连接IGBT驱动模块（8）驱动电压型PWM整流桥（5）。

2.根据权利要求1所述的三相不平衡调节装置，其特征在于：电压型PWM整流桥（5）由绝缘栅双极晶体管构成。

3.根据权利要求1所述的三相不平衡调节装置，其特征在于：控制模块（7）为DSP控制器，其与电阻、电容光耦集成于一块电路板上。

4.根据权利要求1所述的三相不平衡调节装置，其特征在于：DSP控制器连接有与电网检测负载电流或补偿点电压的检测接点。

5.根据权利要求1所述的三相不平衡调节装置，其特征在于：控制模块（7）还连接有GPRS模块（9）。