CN108879739A - 一种三相不平衡调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相不平衡调节装置，包括：用于获取电网的电流信号的获取模块，控制器，三电平变流器，驱动模块，多个电容器及编组开关；控制器，用于通过编组开关将电容器接入各个相间，以转移各个相间的有功电流；还用于分析电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据正序分量、负序分量和零序分量生成驱动信号；驱动模块，用于在接收到驱动信号后，驱动三电平变流器输出与负序分量和零序分量反向的补偿电流。本发明首先对三相不平衡电流进行无源补偿，然后对三相不平衡电流进行有源补偿，使电网侧的电流达到三相平衡状态，同时消除掉负序分量和零序分量，可以改善供电品质，提高电网安全运行的稳定性。

Description

一种三相不平衡调节装置

技术领域

本发明涉及配电领域，特别是涉及一种三相不平调节装置。

背景技术

三相不平衡是指电力***中三相电流(或电压)幅值不一致，且幅值差超过规定范围。在低压三相四线制的农网供电***中，大部分配电变压器均采用三相变压器，变压器出口的三相负荷在理论上应该达到对称，但是由于用户多为单相负荷，负荷分布不均衡，容易产生大量不平衡电流，使供电质量降低，同时低压电网与电气设备安全运行受到严重威胁。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相不平衡调节装置，首先对三相不平衡电流进行无源补偿，然后对三相不平衡电流进行有源补偿，使电网侧的电流达到三相平衡状态，同时消除掉负序分量和零序分量，可以改善供电品质，提高电网安全运行的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种三相不平衡调节装置，包括：

用于获取电网的电流信号的获取模块，控制器，三电平变流器，驱动模块，多个电容器及编组开关；

所述控制器，用于通过所述编组开关将所述电容器接入各个相间，以转移各个所述相间的有功电流；还用于分析所述电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据所述正序分量、所述负序分量和所述零序分量生成驱动信号；

所述驱动模块，用于在接收到所述驱动信号后，驱动所述三电平变流器输出与所述负序分量和所述零序分量反向的补偿电流。

优选的，所述控制器还用于，通过所述编组开关将所述电容器接入各个相零间，以补偿各个所述相间的无功功率。

优选的，所述分析所述电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量的过程具体为：

对所述电流信号进行傅里叶分解得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量。

优选的，该三相不平衡调节装置还包括：

与所述三电平变流器连接的滤波模块，用于消除所述补偿电流中的高频杂波。

优选的，所述滤波模块包括多个直流平波电容及LCL滤波器。

优选的，所述控制器包括数字信号处理DSP控制器。

优选的，所述控制器还包括现场可编程逻辑门阵列FPGA。

优选的，所述获取模块包括：

采样单元，用于采集电网的模拟电流信号；

A/D转换单元，用于将所述模拟电流信号转换为数字电流信号；

则所述分析所述电流信号的过程具体为：

分析所述数字电流信号。

优选的，所述三相不平衡调节装置还包括：

通讯接口，用于与上位机通讯。

优选的，所述通讯接口为RS485通讯接口。

本发明提供了一种三相不平衡调节装置，包括：用于获取电网的电流信号的获取模块，控制器，三电平变流器，驱动模块，多个电容器及编组开关；控制器，用于通过编组开关将电容器接入各个相间，以转移各个相间的有功电流；还用于分析电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据正序分量、负序分量和零序分量生成驱动信号；驱动模块，用于在接收到驱动信号后，驱动三电平变流器输出与负序分量和零序分量反向的补偿电流。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，首先通过编组开关和电容器对三相不平衡电流进行无源补偿，然后通过获取模块、控制器、三电平变流器及驱动模块对三相不平衡电流进行有源补偿，可以更为精确地降低三相不平衡度，使电网侧的电流达到三相平衡状态，同时消除掉负序分量和零序分量，可以改善供电品质，提高电网安全运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种三相不平衡调节装置的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种三相不平衡调节装置的局部结构示意图；

图3为本发明所提供的一种三相不平衡调节装置的原理图；

图4为本发明所提供的另一种三相不平衡调节装置的局部结构示意图；

图5为本发明所提供的另一种三相不平衡调节装置的局部结构示意图；

图6为本发明所提供的另一种三相不平衡调节装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种三相不平衡调节装置，首先对三相不平衡电流进行无源补偿，然后对三相不平衡电流进行有源补偿，使电网侧的电流达到三相平衡状态，同时消除掉负序分量和零序分量，可以改善供电品质，提高电网安全运行的稳定性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明所提供的一种三相不平衡调节装置的结构示意图，包括：

用于获取电网的电流信号的获取模块1，控制器2，三电平变流器3，驱动模块4，多个电容器C及编组开关5；

具体的，本发明所提供的三相不平衡调节装置包括两部分：分别是无源不平衡补偿部分及有源不平衡补偿部分。无源不平衡补偿部分由控制器2、多个电容器C及编组开关5构成，有源不平衡补偿部分由获取模块1、控制器2、三电平变流器3、驱动模块4组成，其具体结构参照图2所示，本发明中的三电平变流器是一种由IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)功率器件组成的二极管钳位型三电平逆变电路，相应的，驱动模块4为IGBT驱动模块。其中，无源不平衡补偿部分的电容器C包括低压电力电容器。

控制器2，用于通过编组开关5将电容器C接入各个相间，以转移各个相间的有功电流；还用于分析电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据正序分量、负序分量和零序分量生成驱动信号；

具体的，根据王氏定理在两相间跨接电容可以在两相间转移有功电流，具体的，参照图3所示，电容器C跨接在A相与B相之间，电容器C两端为线电压，从A相看，电容器C的电流Ica超前线电压Uab 90°，Ica可以分解成两部分，一部分为超前Ua 90°的容性电流Iac，一部分为与Ua方向相反的有功电流Iar，意味着A相的有功电流减少，从B相看，电容器C的电流Icb超前线电压Uba 90°，Icb可以分解成两部分，一部分为超前Ub 90°的容性电流Ibc，一部分为与Ub方向相同的有功电流Ibr，意味着B相的有功电流增加。因此在A相与B相之间跨接电容器C，不但在A相与B相出现容性无功电流，而且可以将一部分有功电流从A相转移到B相，考虑至此，参照图4所示，本发明通过控制器2控制自行设计的编组开关5在各个相间投入不等量的电容器C，使得电容器C不等量任意混接，来转移三相间的有功电流，将有功负荷均匀的分配到三相上去，从而达到调整三相不平衡电流的目的。

驱动模块4，用于在接收到驱动信号后，驱动三电平变流器3输出与负序分量和零序分量反向的补偿电流。

具体的，本发明通过控制器2先控制无源补偿部分运行，补偿一定的不平衡电流，然后再控制有源补偿部分运行，补偿剩余的不平衡电流，更为精确地降低三相不平衡度。有源补偿部分采用先进的电力电子技术和数字信号处理技术，驱动三电平变流器3，输出连续可控的补偿电流，配合无源补偿部分工作，整体提高三相不平衡调节装置的补偿精度。

具体的，控制器2对获取模块1获取的电网的负载侧的电流信号进行分析，判断电力***是否存在不平衡电流，若是，采用先进控制算法分离出不平衡电流中的正序分量、负序分量和零序分量，然后控制器2通过驱动模块4实时驱动三电平变流器3中的IGBT功率器件，以使三电平变流器3可以输出与负序分量和零序分量反向的补偿电流进行抵消，最后使电网的电网侧的电流达到三相平衡状态。

其中，获取模块1用于检测电网的电压、电流信号，具体可以包括采集电网的模拟电流/电压信号的采样单元，及将模拟电流信号转换为数字电流信号的A/D转换单元，其中采样单元可以为采集电流/电压信号的传感器或采集芯片等，将采集到的模拟电流信号通过A/D转换单元转换为数字电流信号，并输入控制器2，在控制器2中经过滤波、放大、运算等处理，得到电网的实时不平衡分量，即正序分量、负序分量和零序分量。

本发明提供了一种三相不平衡调节装置，包括：用于获取电网的电流信号的获取模块，控制器，三电平变流器，驱动模块，多个电容器及编组开关；控制器，用于通过编组开关将电容器接入各个相间，以转移各个相间的有功电流；还用于分析电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据正序分量、负序分量和零序分量生成驱动信号；驱动模块，用于在接收到驱动信号后，驱动三电平变流器输出与负序分量和零序分量反向的补偿电流。

可见，在实际应用中，采用本发明的方案，首先通过编组开关和电容器对三相不平衡电流进行无源补偿，然后通过获取模块、控制器、三电平变流器及驱动模块对三相不平衡电流进行有源补偿，可以更为精确地降低三相不平衡度，使电网侧的电流达到三相平衡状态，同时消除掉负序分量和零序分量，可以改善供电品质，提高电网安全运行的稳定性。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，控制器2还用于，通过编组开关5将电容器C接入各个相零间，以补偿各个相间的无功功率。

具体的，根据王氏定理，在三相四线的***中，将电容器C接在不同的相线对零线之间，即可以抵消零线电流。因此，参照图5所示，本申请在相零间投入有不同容量的补偿电容，以补偿各相之间的无功功率，提高功率因数。

作为一种优选的实施例，分析电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量的过程具体为：

对电流信号进行傅里叶分解得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量。

具体的，控制器2在对电流信号进行分析时，根据瞬时无功理论提取无功成分，通过快速傅里叶分解将谐波与基波分离，分析出不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量。

请参照图6，图6为本发明所提供的另一种三相不平衡调节装置的结构示意图，该三相不平衡调节装置在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，该三相不平衡调节装置还包括：

与三电平变流器3连接的滤波模块，用于消除补偿电流中的高频杂波。

作为一种优选的实施例，滤波模块包括多个直流平波电容及LCL滤波器6。

具体的，考虑到三电平变流器3输出的补偿电流中，可能存在交流分量，因此，本申请还设有直流平波电容，将叠加在直流补偿电流上的交流分量限定在某一规定值，保持整流电流连续，减小电流脉动值，抑制三电平变流器3产生的谐波，另外，补偿电流输出至电网侧，因此，在三电平变流器3和电网侧之间还串联有LCL滤波器6，消除高频杂波，参照图6所示。

作为一种优选的实施例，控制器2包括数字信号处理DSP控制器2。

作为一种优选的实施例，控制器2还包括现场可编程逻辑门阵列FPGA。

具体的，本发明的控制器2采用高速DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)及FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)组成的组合控制器，DSP处理速度快，FPGA控制能力强，通过二者组合对电流信号进行分析，得到不平衡电流的正序分量、负序分量及零序分量，并根据正序分量、负序分量、零序分量计算出用于补偿负序分量和零序分量的补偿电流的大小，生成与该补偿电流大小相对应的SVPWM信号，以便驱动模块4在接收到该SVPWM信号后，驱动三电平变流器3中对应的IGBT功率器件导通/关断，以输出该补偿电流。

作为一种优选的实施例，三相不平衡调节装置还包括：

通讯接口7，用于与上位机通讯。

作为一种优选的实施例，通讯接口7为RS485通讯接口。

具体的，本发明所提供的三相不平衡调节装置还包括通讯接口7，以便上位机对多个模块统一管理。通讯接口7可以采用抗共模干扰能力强、抗噪声干扰性好的RS485通讯接口，且由于RS485通讯接口的电气特性：其接口信号电平低，能与TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)的电平兼容，可方便与TTL电路连接，因此，采用RS485通讯接口7，更便于各个功率单元与人机界面通讯，集中控制。

综上所示，本发明所提供的一种三相不平衡调节装置通过其无源不平衡补偿部分可以补偿一定的不平衡电流和全部无功功率，通过其有源不平衡补偿部分补偿剩余的不平衡电流，使电网侧的电流快速、精确地达到三相平衡状态，从而能够有效地降低变压器铜损和铁损，缓解变压器过载情况，降低了配电变压器单相或两相过负荷烧毁的机率；另外，本发明消除掉负序分量和零序分量，改善了供电质量，提高了电网安全运行的稳定性，使电网侧的电流达到三相平衡状态，减小了中性线电流和发热问题，延长了用电设备寿命，提高设备使用效率。本发明所提供的一种三相不平衡调节装置采用模块化设计，体积小、重量轻，功率密度高，结构统一，安装维护方便，且能够多模块并联运行，提供统一的标准通讯接口7，方便集中管理监控。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种三相不平衡调节装置，其特征在于，包括：

用于获取电网的电流信号的获取模块，控制器，三电平变流器，驱动模块，多个电容器及编组开关；

所述控制器，用于通过所述编组开关将所述电容器接入各个相间，以转移各个所述相间的有功电流；还用于分析所述电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量，根据所述正序分量、所述负序分量和所述零序分量生成驱动信号；

所述驱动模块，用于在接收到所述驱动信号后，驱动所述三电平变流器输出与所述负序分量和所述零序分量反向的补偿电流。

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，所述控制器还用于，通过所述编组开关将所述电容器接入各个相零间，以补偿各个所述相间的无功功率。

3.根据权利要求2所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述分析所述电流信号，得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量的过程具体为：

对所述电流信号进行傅里叶分解得到不平衡电流的正序分量、负序分量和零序分量。

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，该三相不平衡调节装置还包括：

与所述三电平变流器连接的滤波模块，用于消除所述补偿电流中的高频杂波。

5.根据权利要求4所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述滤波模块包括多个直流平波电容及LCL滤波器。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理DSP控制器。

7.根据权利要求6所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述控制器还包括现场可编程逻辑门阵列FPGA。

8.根据权利要求7所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述获取模块包括：

采样单元，用于采集电网的模拟电流信号；

A/D转换单元，用于将所述模拟电流信号转换为数字电流信号；

则所述分析所述电流信号的过程具体为：

分析所述数字电流信号。

9.根据权利要求8所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述三相不平衡调节装置还包括：

通讯接口，用于与上位机通讯。

10.根据权利要求9所述的三相不平衡调节装置，其特征在于，所述通讯接口为RS485通讯接口。