CN216016456U - 基于三相四桥臂的功率平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于三相四桥臂的功率平衡装置，属于配电网功率平衡技术领域；包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的驱动接口；负载侧穿接对负载电流i_la、i_lb、i_lc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路；通过增加零线控制，采用8管IGBT拓扑结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制；让功率平衡系统运行更加平稳，控制精度大大提高。

Description

基于三相四桥臂的功率平衡装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于三相四桥臂的功率平衡装置，属于配电网功率平衡技术领域。

背景技术

随着电网日益复杂、非线性和冲击性负载增加，配电网中无功功率、谐波、三相不平衡等问题越来越严重。目前市场上的三相电流平衡设备，特别是大功率三相有功平衡设备仍然以无源无功补偿装置为主，少部分对安装条件要求较高的采用有源电力滤波器和静止无功发生器。无源无功补偿装置本身有很大缺陷，不能达到最优化的不平衡补偿要求，因此需要发展有源电力电子技术的三相功率平衡系统。

三相功率平衡系统是一种用于动态无功补偿、滤除谐波、平衡三相负载的新型电力电子装置。该装置具有体积小、效率高、可靠性好的特点，主要应用于无功功率不平衡、电压质量低、线损严重的配电网中，通过动态补偿无功、平衡三相负载、滤除低次电流谐波，改善配电网电能质量、提高变压器的利用率、降低线损。三相功率平衡系统是随着现代电力电子技术发展起来的高科技装备，是电力系统三相电流不平衡、有功转移、无功补偿、谐波治理的最终和最优解决方案。随着电力电子技术的进步和生产规模的扩大，动态无功发生及三相功率平衡系统的成本逐渐下降，其巨大的技术优势、强大功能、更高的适应性、更简单的安装方式，必将最终取代无功补偿装置占据市场主流。

目前市场的功率平衡系统都是沿用了有源滤波器的拓扑结构，主要的拓扑结构有三种，一种是三相三线制拓扑，零线接在直流侧电容的中间点，这种拓扑结构可以实现三相四线的补偿功能，但是对直流侧电压的控制要求比较高，容易产生直流电容电压拉偏；一种是三单相构成的四线制拓扑结构，这种结构对零线的补偿能力有了很大的提高，功率平衡的调节能力优于第一种方式，但是这种拓扑多用了三组IGBT，因此硬件成本增加不少；第三种，就是三相四线制的8管拓扑结构，不仅减少了IGBT的使用，在拓扑结构上增加了零线电流控制的灵活性；不仅能够精准的控制输出直流电压，对补偿输出有很好的跟踪特性，补偿效果好。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种基于三相四桥臂的功率平衡装置，保留三相三线制功率平衡装置的基本拓扑结构，增加零线电流控制通道，更有效的解决有功功率平衡问题，是一种功能与成本双优选的功率平衡装置。

本实用新型所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，

还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，

在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；

在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；

在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；

控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的驱动接口；负载侧穿接对负载电流i_la、i_lb、i_lc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。

通过增加零线的电压采样互感器和输出电流互感器，从而增加零线控制通道，而采用三相四桥臂变流器结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制。

优选地，所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。

采用8管四组IGBT拓扑结构，进一步的既增加了控制的稳定性，进一步的又增加了直流侧直流电压的稳定控制。

优选地，所述IGBT采用绝缘栅双极型晶体管。

进一步控制成本。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，通过增加零线控制通道，而采用8管四组IGBT拓扑结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制；通过对零线电流的控制让功率平衡系统运行更加平稳，控制精度大大提高，是一种功能与成本双优选的功率平衡装置。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置的结构示意图；

图2为本实用新型所述的三相四桥臂变流器的结构拓扑图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，本实用新型所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，

还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，

在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；

在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；

在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；

控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的四组IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动接口；另外负载侧穿接对负载电流i_la、i_lb、i_lc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。

通过增加零线的电压采样互感器和输出电流互感器，从而增加零线控制通道，而采用三相四桥臂变流器结构，既增加了控制的稳定性，又增加了直流侧直流电压的稳定控制。

在此，所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。

具体的，如图1所示，一种基于三相四桥臂的功率平衡装置，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn、与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器；

在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；

在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；

在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；

控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的四组IGBT绝缘栅双极型晶体管的驱动接口；另外负载侧穿接对负载电流i_la、i_lb、i_lc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。

如图2所示，一种三相四桥臂变流器，包括8只IGBT绝缘栅双极型晶体管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、两组直流电容器组C1、C2；

S1、S2串联成一组，其中点连接到A相电流i_ca输出电缆；S3、S4串联成一组，其中点连接到B相电流i_cb输出电缆；S5、S6串联成一组，其中点连接到C相电流i_cc输出电缆；S7、S8串联成一组，其中点连接到N相电流in输出电缆；四组IGBT绝缘栅双极型晶体管并联，其直流侧连接到C1、C2串联的直流电容组的两端。

采用8管四组IGBT拓扑结构，进一步的既增加了控制的稳定性，进一步的又增加了直流侧直流电压的稳定控制。

进一步的，所述IGBT采用绝缘栅双极型晶体管，控制成本。

本实用新型所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，工作过程如下：

步骤1)、根据三相四桥臂的功率平衡系统的变流器结构，其内部共有8个IGBT绝缘栅双极型晶体管，组成四个桥臂，每个桥臂的开关管互补导通，假设每个桥臂的开关函数如下：

式中：k_a，k_b，k_c，k_n表示四个桥臂的开关状态；

步骤2)、根据基于三相四桥臂的功率平衡系统的系统拓扑结构，并根据回路电压定律可得出，四个桥臂的回路电压方程如下：

式中：u_sa、u_sb、u_sc表示三相交流电源，i_ca、i_cb、i_cc为装置输出的补偿电流，i_la、i_lb、i_lc、i_ln为非线性负载的电流，u_ca、u_cb、u_cc、u_cn为逆变桥的输出电压，U_dc为直流侧电容电压，C为直流侧电容值，L为电感值，R为电感等效的阻抗；

步骤3)、将经过系统电压采样互感器检测三相系统电源电压u_sa、u_sb、u_sc的电压值，采样值的电压值为离散数值，经过一个工频周期的锁存后，采样值为一个周期的离散数据序列，经过锁相环PLL得到电压相位和进行park变化的COS和SIN序列；

步骤4)、通过负载电流采样互感器检测三相负载电流i_la、i_lb、i_lc，并根据步骤3中的COS和SIN序列经过park变换，包括C₃₂变换和C变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波(LPF)，再根据步骤3中的COS和SIN序列经过park反变换，得到三相负载基波电流，三相瞬时值电流之和就可以得到零线基波电流，四相的基波电流与实际负载电流相减，便得到四相补偿目标电流i_ca、i_cb、i_cc、i_cn；

步骤5)、通过输出电流采样互感器的Ta、Tb、Tc、Tn输出端到控制系统的输出电流采样电路，检测出四相输出电流，以四相补偿目标电流i_ca、i_cb、i_cc、i_cn为目标，通过电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值；

步骤6)、根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过四相电流补偿目标值i_ca、i_cb、i_cc、i_cn和四相输出电流的相位校对，并经过PI控制得到重复控制目标值；将重复控制目标值通过步骤2计算，可得到四组IGBT的开关序列和开通时间，并按SVPWM空间矢量排布，生成触发脉冲序列，经IGBT驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和关断，从而控制变流器输出达到补偿目标值。

Claims (3)

1.一种基于三相四桥臂的功率平衡装置，包括系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与系统电源Usa、Usb、Usc、Usn的四相输出端相连接的电抗器La、Lb、Lc、Ln，其特征在于，

还包括与电抗器La、Lb、Lc、Ln相连接的是三相四桥臂变流器，

在系统电源Usa、Usb、Usc、Usn与电抗器La、Lb、Lc、Ln之间连接有系统电压采样互感器，系统电压采样互感器的输出端连接到控制系统的系统电压采样电路；

在电抗器La、Lb、Lc、Ln与三相四桥臂变流器之间穿有输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn，输出电流互感器Ta、Tb、Tc、Tn的输出端连接到控制系统的输出电流采样电路；

在三相四桥臂变流器直流侧每一组电容上连接有直流电压采样互感器，直流电压采样互感器的输出端连接到控制系统的直流电压采样电路；

控制系统的SPWM信号发生电路连接到SPWM驱动电路，SPWM驱动电路的输出信号连接到三相四桥臂变流器的驱动接口；负载侧穿接对负载电流i_la、i_lb、i_lc采样的负载电流采样互感器，负载电流采样互感器的二次输出端连接到控制系统的负载电流采样电路。

2.根据权利要求1所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，其特征在于：所述三相四桥臂变流器包括四组IGBT和两组直流电容器组，四组IGBT并联，四组IGBT直流侧连接到串联的直流电容组的两端；两个IGBT串联成一组，每组串联的两个IGBT的中点分别连接到A、B、C、N相电流输出电缆。

3.根据权利要求2所述的基于三相四桥臂的功率平衡装置，其特征在于：所述IGBT采用绝缘栅双极型晶体管。

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