CN207638340U - 三相负荷不平衡自动调节装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种三相负荷不平衡自动调节装置，它包括三相电压采集单元、三相电流采集单元、控制单元、驱动单元和电流补偿单元；所述三相电压采集单元，用于采集配电变压器母线出线侧的母线电压信号并传输至所述控制单元；所述三相电流采集单元，用于采集负载电流信号并传输至所述控制单元；所述控制单元，对所述母线电压信号和所述负载电流信号处理后发送至所述驱动单元；所述驱动单元，控制所述电流补偿单元生成补偿电流；所述电流补偿单元采用三电平IGBT单元；所述三电平IGBT单元经LCL滤波单元，将所述补偿电流传输至所述配电变压器的输电线路上。本实用新型具有设计科学、兼容性强、稳定性好、输电效率高和生产成本低的优点。

Description

三相负荷不平衡自动调节装置

技术领域

本实用新型涉及电力技术领域，具体的说，涉及了一种三相负荷不平衡自动调节装置。

背景技术

三相负荷平衡是安全供电的基础，三相负荷平衡的危害有：增加配电变压器的电能损耗，配电变压器是低压电网的供电主设备，当其在三相负载不平衡工况下运行时，将会造成配变损耗的增加，因为配变的功率损耗是随负载的不平衡度而变化的；配变出力减少，配变出力减少程度与三相负载的不平衡度有关，三相负载不平衡越大，配变出力减少越多；影响用电设备的安全运行，在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。

采用三相四线制供电方式，由于用户比较分散，线路较长。一旦，存在三相负荷不平衡，将直接增加电能在线路的损耗，当三相负荷平衡时线耗最小；当一相负荷重，其他两相负荷轻的时候线损增量较小；当一相负荷重，一相负荷轻，第三相的负荷为平均负荷时，线损增量较大；当一相负荷轻，其他两相负荷重的时候线损增量最大。

传统解决方案有：(1)均匀分布负荷，但是用户的负荷量和用电时间不一致，无法从根本上解决问题；(2)增加短路容量，改善了用电环境，没有实质解决问题；(3)采用电感和电容组合，在不平衡三相中，选择在相与相之间的跨接电容和电阻，提高每相的功率因数，转移相间有功功率，但是这个方案需要在调节不平衡电流装置中安装电感，电感投入成本高，损耗大，且安装不方便。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、兼容性强、稳定性好、输电效率高和生产成本低的三相负荷不平衡自动调节装置。

为了实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种三相负荷不平衡自动调节装置，它包括三相电压采集单元、三相电流采集单元、控制单元、驱动单元和电流补偿单元；

所述三相电压采集单元，用于采集配电变压器母线出线侧的母线电压信号并传输至所述控制单元；

所述三相电流采集单元，用于采集负载电流信号并传输至所述控制单元；

所述控制单元，对所述母线电压信号和所述负载电流信号处理后发送至所述驱动单元；

所述驱动单元，控制所述电流补偿单元生成补偿电流；

所述电流补偿单元采用三电平IGBT单元；所述三电平IGBT单元经LCL 滤波单元，将所述补偿电流传输至所述配电变压器的输电线路上；

所述三电平IGBT单元为二极管钳位型三电平拓扑结构，包括三个桥臂；每个所述桥臂均包括四个开关管、四个反向恢复二极管和两个钳位二极管；所述驱动单元与所述开关管控制连接。

基于上述，所述控制单元包括指令电流运算单元，所述指令电流运算单元将所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据处理后传输至所述驱动单元。

基于上述，所述控制单元包括指令电流运算单元和电流跟踪控制单元，所述指令电流运算单元根据所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据生成指令电流信号；所述电流跟踪控制单元将所述指令电流信号和补偿电流信号处理后传输至所述驱动单元。

基于上述，所述电流跟踪控制单元包括第一比较器、比例积分放大器PI、双载波发生器和第二比较器，所述第一比较器输出端经所述比例积分放大器PI后连接至所述第二比较器，所述双载波发生器输出端连接第二比较器。

基于上述，所述指令电流运算单元包括正余弦信号发生电路、锁相环PLL、用于将三相电流转为两相电流的矩阵变换器C32、第一矩阵变换器C、第二矩阵变换器C、用于将两相电流转为三相电流的矩阵变换器C23和低通滤波器 LPF，所述锁相环PLL通过所述正余弦信号发生电路分别与所述第一矩阵变换器C和所述第二矩阵变换器C相连，所述矩阵变换器C32输出端经过所述第一矩阵变换器C连接至所述低通滤波器LPF输入端，所述低通滤波器LPF 输出端依次连接所述第二矩阵变换器C和所述矩阵变换器C23。

基于上述，所述驱动单元包括电平转换电路、信号放大电路和PWM信号输出电路。

本实用新型相对现有技术具有实质性特点和进步，具体的说：

1)本实用新型提供了一种三相负荷不平衡自动调节装置，它包括三相电压采集单元、三相电流采集单元、控制单元、驱动单元和电流补偿单元，所述驱动单元，控制所述电流补偿单元生成补偿电流。所述电流补偿单元经 LCL滤波单元，将所述补偿电流传输至所述配电变压器的输电线路上，实现了三相负荷的自动平衡调节；便于控制方案的实现：

2)兼容性强，适用于电网对称、不对称及谐波状况等，且节约成本，拓扑结构简单，适用范围广；

3)本实用新型设置了电流跟踪控制单元，所述电流跟踪控制单元根据所述电流补偿单元输出的补偿电流和所述指令电流运算单元输出的指令电流之间的相互关系，得出控制所述电流补偿单元中主电路各个IGBT通断的 PWM信号，提高了补偿电流的准确性，进一步保障了三相负荷的平衡度；

综上所述，本实用新型具有设计科学、兼容性强、稳定性好、输电效率高和生产成本低的优点。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型的电路图。

图3是本实用新型的所述指令电流运算单元的结构示意图。

图4是本实用新型的所述电流跟踪控制单元的结构示意图。

图5是本实用新型的载波层叠PWM原理图的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1所示，一种三相负荷不平衡自动调节装置，它包括三相电压采集单元、三相电流采集单元、控制单元、驱动单元和电流补偿单元；所述三相电压采集单元，用于采集配电变压器母线出线侧的母线电压信号并传输至所述控制单元；所述三相电流采集单元，用于采集负载电流信号并传输至所述控制单元；所述控制单元，对所述母线电压信号和所述负载电流信号处理后发送至所述驱动单元；所述驱动单元，控制所述电流补偿单元生成补偿电流。所述电流补偿单元采用三电平IGBT单元；所述三电平IGBT单元经LCL 滤波单元，将所述补偿电流传输至所述配电变压器的输电线路上，实现了三相负荷的自动平衡调节。

如附图2所示，本实用新型给出了一种所述电流补偿单元的具体实施方式，所述三电平IGBT单元为二极管钳位型三电平拓扑结构，包括三个桥臂；每个所述桥臂均包括四个开关管、四个反向恢复二极管和两个钳位二极管；所述驱动单元与所述开关管控制连接。

本实用新型的拓扑结构选择二极管钳位型三电平拓扑，其工作原理如下：二极管钳位型拓扑主要特点是直流侧电压由两个电容分开，用两个二极管来钳位中点电压。为了防止直通，S1和S3开关状态互补，S2和S4开关状态互补。当S1、S2开通，S3、S4关断时，输出电压为V^dc/2；当S2、S3开通， S1、S4关断时，输出端相当于与电容中点相连，输出电压为0；当S3、S4开通，S1、S2关断时，输出电压为-V^dc/2；输出相电压有三个电平，输出线电压有五个电平。

为了进一步提高补偿电流的准确性，本实用新型给出了一种所述控制单元的具体实施方式，所述控制单元包括指令电流运算单元和电流跟踪控制单元，所述指令电流运算单元根据所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据生成指令电流信号；所述电流跟踪控制单元将所述指令电流信号和补偿电流信号处理后传输至所述驱动单元。所述指令电流运算单元采用i_p、i_q法，指令电流计算方法兼容性强，可在电网对称、不对称及谐波状况下正常使用，适用范围广；所述电流跟踪控制单元采用三角载波层叠法，电流跟踪控制方法输出电压中所含谐波较少。

如附图3所示，所述指令电流运算单元包括正余弦信号发生电路、锁相环PLL、用于将三相电流转为两相电流的矩阵变换器C32、第一矩阵变换器C、第二矩阵变换器C、用于将两相电流转为三相电流的矩阵变换器C23和低通滤波器LPF，所述锁相环PLL通过所述正余弦信号发生电路分别与所述第一矩阵变换器C和所述第二矩阵变换器C相连，所述矩阵变换器C32输出端经过所述第一矩阵变换器C连接至所述低通滤波器LPF输入端，所述低通滤波器LPF输出端依次连接所述第二矩阵变换器C和所述矩阵变换器C23。指令电流运算单元的作用是根据三相负荷不平衡自动调节装置的补偿目的得出补偿电流的指令电流信号i_f，即期望由三相负荷不平衡自动调节装置产生的补偿电流信号。本装置采用i_p、i_q法来提取补偿电流的指令电流信号i_f。所述指令电流运算单元采用i_p、i_q法；所述电流跟踪控制单元采用三角载波层叠法，工作原理如下：正弦信号sinωt和对应的余弦信号-cosωt是与a相电网电压e_a同相位的，它们由一个锁相环PLL和一个正余弦信号发生电路得到。负载电流i_{a_load}、i_{b_load}、i_{c_load}经矩阵变换器C32、第一矩阵变换器 C变换后得到i_p、i_q，再经低通滤波器LPF后得出i_p、i_q的直流分量该直流分量对应于负载电流的基波正序分量，将该直流分量经第二矩阵变换器C、矩阵变换器C23逆变换后得到负载电流的基波正序分量i_a1、i_b1、i_c1；负载电流i_{a_load}、i_{b_load}、i_{c_load}减去负载电流的基波正序分量i_a1、 i_b1、i_c1即可得到负载电流的基波负序分量i_af、i_bf、i_cf，该信号即补偿电流的指令信号i_f。

如附图4和附图5所示，所述电流跟踪控制单元包括第一比较器、比例积分放大器PI、双载波发生器和第二比较器，所述第一比较器输出端经所述比例积分放大器PI后连接至所述第二比较器，所述双载波发生器输出端连接第二比较器。电流跟踪控制单元的作用是根据补偿电流的指令电流信号i_f和实际补偿电流i_c之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个 IGBT通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流能实时跟踪其指令信号的变化，因此电流跟踪控制单元采用跟踪型PWM控制方式，具体为三角载波层叠法(双载波)比较方式。将补偿电流的指令电流信号i_f和实际补偿电流i_c之间的偏差信号△i经比例积分放大器PI处理后，与双载波进行比较，进而得出控制IGBT的PWM信号。所述电流跟踪控制单元采用三角载波层叠法，三角载波层叠法是由两组频率和幅值相同的三角载波上下层叠，且两组载波对称分布于同一个调制波的正负半波。假设三个电平从高到低依次为p、o和n，当调制波的正半波大于上层载波时，输出电平为p；而调制波的负半波幅值小于下层载波时输出电平为n，其他情况输出电平为o。

所述驱动单元包括电平转换电路、信号放大电路和PWM信号输出电路，所述驱动单元为市场上常用的驱动电路。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述控制单元包括指令电流运算单元，所述指令电流运算单元将所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据处理后传输至所述驱动单元。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (6)

1.一种三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：它包括三相电压采集单元、三相电流采集单元、控制单元、驱动单元和电流补偿单元；

所述三相电压采集单元，用于采集配电变压器母线出线侧的母线电压信号并传输至所述控制单元；

所述三相电流采集单元，用于采集负载电流信号并传输至所述控制单元；

所述控制单元，对所述母线电压信号和所述负载电流信号处理后发送至所述驱动单元；

所述驱动单元，控制所述电流补偿单元生成补偿电流；

所述电流补偿单元采用三电平IGBT单元；所述三电平IGBT单元经LCL滤波单元，将所述补偿电流传输至所述配电变压器的输电线路上；

所述三电平IGBT单元为二极管钳位型三电平拓扑结构，包括三个桥臂；每个所述桥臂均包括四个开关管、四个反向恢复二极管和两个钳位二极管；所述驱动单元与所述开关管控制连接。

2.根据权利要求1所述的三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：所述控制单元包括指令电流运算单元，所述指令电流运算单元将所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据处理后传输至所述驱动单元。

3.根据权利要求1所述的三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：所述控制单元包括指令电流运算单元和电流跟踪控制单元，所述指令电流运算单元根据所述母线电压信号、所述负载电流信号和用于稳压的直流电压数据生成指令电流信号；所述电流跟踪控制单元将所述指令电流信号和补偿电流信号处理后传输至所述驱动单元。

4.根据权利要求3所述的三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：所述电流跟踪控制单元包括第一比较器、比例积分放大器PI、双载波发生器和第二比较器，所述第一比较器输出端经所述比例积分放大器PI后连接至所述第二比较器，所述双载波发生器输出端连接第二比较器。

5.根据权利要求2-4任一项所述的三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：所述指令电流运算单元包括正余弦信号发生电路、锁相环PLL、用于将三相电流转为两相电流的矩阵变换器C32、第一矩阵变换器C、第二矩阵变换器C、用于将两相电流转为三相电流的矩阵变换器C23和低通滤波器LPF，所述锁相环PLL通过所述正余弦信号发生电路分别与所述第一矩阵变换器C和所述第二矩阵变换器C相连，所述矩阵变换器C32输出端经过所述第一矩阵变换器C连接至所述低通滤波器LPF输入端，所述低通滤波器LPF输出端依次连接所述第二矩阵变换器C和所述矩阵变换器C23。

6.根据权利要求5所述的三相负荷不平衡自动调节装置，其特征在于：所述驱动单元包括电平转换电路、信号放大电路和PWM信号输出电路。