CN112994049B - 一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法及设备。方法包括：分别提取三个相电压矢量相角，采样每相负载电流瞬时值并结合对应相电压相角得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，再通过代数计算确定由并网点分相流入设备的电流矢量在上述两个方向上的投影值，然后结合相电压矢量相角得到设备分相注入并网点的电流瞬时值，最后进行功率放大，从并网点吸收实际的一次电流。基于该技术的配电网三相不平衡治理设备，接入电网前无需测量***是否正序，减小现场安装调试的工作量，避免二次停电，提升用户的用电体验。

Description

一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法及设备
技术领域
本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，还涉及一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备。
背景技术
在400V低压配电网中，由于220V单相民用负荷的分散性，三相电流往往具有相当大的不平衡度。不平衡的相电流不仅会导致在三相总有功功率一定的情况下线损增大，而且会导致10kV/400V配变出现每相负荷不均、某相长期重载甚至过载的问题。
现有技术中，通常采用基于电力电子技术的三相不平衡治理设备并联在配变400V出线处，通过实时监测计算负载电流中的负序分量和零序分量，控制自身电力电子功率器件开关进而向并网点注入反相的负序分量和零序分量，从而使得配变400V侧三相电流趋于平衡。
传统的电力电子型的三相不平衡治理设备通常要求接入的三根相线电压呈正序。对于400V民用电，一般负荷均为单相，不关注***电压是正序或者负序。所以在安装三相不平衡治理设备时，存在无相序表盲接或者仅根据配变上标示的ABCN来确定***是否正序的情况。一旦相序接错，若治理设备无法自适应正负序，势必需要二次断电重新接线，影响居民的生活用电体验。
现有专利CN107769203A公开了一种用于电能质量治理装置的相序自适应方法，首先基于快速傅立叶变换，通过三相***电压的基波分量的正序有效值和负序有效值的比较，判断当前***电压的相序接法，并计算正序相位角和负序相位角的步骤；在正序接法下，基于Park变换和Park反变换，生成与正序接法对应的瞬时补偿电流的步骤；以及在负序接法下，结合负序相位角进行Park变换，再计算Park反变换所需的角度进行Park反变换，生成与负序接法对应的瞬时补偿电流的步骤。该发明仍需要根据计算得到电压正序有效值和负序有效值来对***正负序进行判断，在不同的相序情况下进入不同的逻辑分支，无法实现完全的相序自适应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，解决了现有技术中需要判断正负序的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。
第一方面，本发明提供了一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，包括以下过程：
采样电网的三相电压瞬时值，分别计算得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值；
采样电网的三相负载电流瞬时值，结合三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，分别计算得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值；
基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值；
基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值；
以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
可选的，所述基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值，包括：
基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向的投影值，计算得到水平方向投影平均值；基于三相负载电流矢量在相电压矢量垂直方向的投影值，计算得到垂直方向投影平均值；
每相电流矢量在对应相电压矢量水平方向的投影平均值减去该相负载电流在该方向上的投影值，得到由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量水平方向上的投影值；
每相电流矢量在对应相电压矢量垂直方向的投影平均值减去该相负载电流在该方向上的投影值，得到由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量垂直方向上的投影值。
可选的，所述基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值，包括：
以A相为例，流入设备A相的电流瞬时值=A相电压矢量相角余弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量水平方向上的投影值+ A相电压矢量相角正弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量垂直方向上的投影值。
可选的，所述以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流，包括：
采用逆变器以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
可选的，所述逆变器为三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器。
第二方面，本发明还提供了一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，包括：相电压矢量相角计算模块、相负载电流矢量投影值计算模块、设备电流矢量投影值计算模块、设备电流瞬时值计算模块和功率放大模块；
相电压矢量相角计算模块，用于采样电网的三相电压瞬时值，分别计算得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值；
相负载电流矢量投影值计算模块，用于采样电网的三相负载电流瞬时值，结合三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，分别计算得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值；
设备电流矢量投影值计算模块，用于基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值；
设备电流瞬时值计算模块，用于基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值；
功率放大模块，用于以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
可选的，所述相电压矢量相角计算模块中，通过电压互感器采样电网的三相电压瞬时值。
可选的，所述相负载电流矢量投影值计算模块中，通过电磁式电流互感器采样电网的三相负载电流瞬时值。
可选的，所述功率放大模块中，采用逆变器以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
可选的，所述逆变器为三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明无论***正序或者负序，所有功能模块保持不变，所以能实现完全的***相序自适应，减少设备现场的安装调试工作量，避免二次停电，提升居民用电体验。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需使用的附图做简单介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他附图。
图 1 为本发明实施例中提出的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备接入配电网方式的示意图；
图 2 为本发明实施例中提出的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备的各功能模块信号连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明的发明构思是：使用三个单相锁相环分别提取三个相电压矢量相角，采样每相负载电流瞬时值并结合对应相电压相角得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，再通过代数计算确定由并网点分相流入设备的电流矢量在上述两个方向上的投影值，然后结合相电压矢量相角得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值，最后进行功率放大，从并网点吸收实际的一次电流。基于该技术的配电网三相不平衡治理设备，接入电网前无需测量***是否正序，减小现场安装调试的工作量，避免二次停电，提升用户的用电体验。
本发明的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，包括以下过程：
步骤1，采样电网的A、B、C三相电压瞬时值，分别计算得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值；
通过电压传感器采样电网的A、B、C三相电压瞬时值，每相电压分别通过一个单相锁相环，锁相环使用常规的基于单旋转坐标系的算法，分别计算得到A、B、C三相电压矢量相角的正弦值和余弦值。
步骤2，采样电网的A、B、C三相负载电流瞬时值，结合三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，分别计算得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值；
通过电磁式电流互感器采样电网的A、B、C三相负载电流瞬时值，结合A、B、C三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，通过傅立叶变换，得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，水平方向的投影值即为该相负载电流有功分量，垂直方向的投影值即为该相负载电流无功分量。
以A相为例，基于A相负载电流瞬时值和A相电压矢量相角的正弦值和余弦值，通过傅立叶变换，计算得到A相负载电流矢量在A相电压矢量水平方向投影值和垂直方向投影值。
步骤3，基于三相六个投影值，代数计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值；
基于前面计算得到的三个水平方向的投影值，计算得到水平方向投影平均值（三者之和求平均），同理，基于前面计算得到的三个垂直方向的投影值计算得到垂直方向投影平均值。
为了满足网侧电流三相平衡，按上述描述可知，水平方向投影值为有功分量，垂直方向投影值为无功分量，设每相负载有功电流分别为PLa、PLb、PLc，设每相负载无功电流分别为QLa、QLb、QLc，设最终流入治理设备的每相有功电流分别为Pa、Pb、Pc，设最终流入治理设备的每相无功电流分别为Qa、Qb、Qc，设网侧每相有功电流分别为PGa、PGb、PGc，设网侧每相无功电流分别为QGa、QGb、QGc。
设备运行后网侧三相电流平衡，那么有功电流与无功电流应分别平衡，有
PGa=PGb=PGc；QGa=QGb=QGc
再根据基尔霍夫电流定律和上面描述的电流正方向，有：
PGa=PLa+Pa；PGb=PLb+Pb；PGc=PLc+Pc
QGa=QLa+Qa；QGb=QLb+Qb；QGc=QLc+Qc
再考虑到治理设备三相总体上不从并网点吸收有功和无功，有：
Pa+Pb+Pc=0；Qa+Qb+Qc=0
联立上述各式，得到：
Pa=(PLa+PLb+PLc)/3-PLa
Pb=(PLa+PLb+PLc)/3-PLb
Pc=(PLa+PLb+PLc)/3-PLc
Qa=(QLa+QLb+QLc)/3-QLa
Qb=(QLa+QLb+QLc)/3-QLb
Qc=(QLa+QLb+QLc)/3-QLc
即由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值分别为该方向上的投影平均值减去该相负载电流在该方向上的投影值。
以A相为例，A相电流的矢量在A相电压矢量水平方向上的投影值，为水平方向上的投影平均值减去A相负载电流在A相电压矢量水平方向上的投影值；A相电流的矢量在A相电压矢量垂直方向上的投影值，为垂直方向上的投影平均值减去A相负载电流在A相电压矢量垂直方向上的投影值。
步骤4，基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，并结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值；
以A相为例，流入设备A相的电流瞬时值=A相电压矢量相角余弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量水平方向上的投影值+ A相电压矢量相角正弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量垂直方向上的投影值。
步骤5，将由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，采用逆变器进行功率放大，从并网点吸收实际的一次电流。
治理设备为一台三相四线三电平逆变器，逆变器以由并网点分相流入设备的电流瞬时值为电流目标值，受控从并网点吸收相应大小的一次电流。
本发明方法，所有的算法都是在单相上实施，包括负载电流投影值提取、设备电流计算等，无论***正序或者负序，都不需要对算法进行调整。因此实现接入电网前无需测量***是否正序，减小现场安装调试的工作量，避免二次停电，提升用户的用电体验。
实施例2
基于与实施例1同样的发明构思，如图1所示，本发明提供一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，以三相四线形式接入10kV/400V配变的低压侧。设备核心硬件结构为一台采用三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器，该拓扑可实现相与相的解耦，确保可实现完全独立的分相电流控制。设备使用电磁式电流互感器作为外置电流传感器对三相负载电流进行采样。
如图2所示，本发明提供的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，包括相电压矢量相角计算模块、相负载电流矢量投影值计算模块、设备电流矢量投影值计算模块、设备电流瞬时值计算模块和功率放大模块。
相电压矢量相角计算模块：使用设备内置电压传感器，采样每相电网电压瞬时值，每相电压分别通过一个单相锁相环，锁相环使用常规的基于单旋转坐标系的软件算法，最终得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值。相电压矢量相角计算模块输出各相电压的相角正弦及余弦值到相负载电流矢量投影值计算模块、设备电流瞬时值计算模块，
相负载电流矢量投影值计算模块：使用外置电磁式电流互感器，采样每相负载电流瞬时值，结合相电压矢量相角计算模块中的每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，通过傅立叶变换，得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，水平方向的投影值即为该相负载电流有功分量，垂直方向的投影值即为该相负载电流无功分量。相负载电流矢量投影值计算模块输出相负载电流水平、垂直方向投影值到设备电流矢量投影值计算模块，
设备电流矢量投影值计算模块：使用相负载电流矢量投影值计算模块中的三个水平方向的投影值计算得到水平方向投影平均值，使用相负载电流矢量投影值计算模块中的三个垂直方向的投影值计算得到垂直方向投影平均值，则为了满足网侧电流三相平衡，由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值分别为该方向上的投影平均值减去该方向上的该相负载电流投影值。设备电流矢量投影值计算模块输出水平、垂直方向投影平均值到设备电流瞬时值计算模块，
设备电流瞬时值计算模块：使用设备电流矢量投影值计算模块中的由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，并结合相电压矢量相角计算模块中的相电压矢量相角，得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值。以A相为例，流入设备A相的电流瞬时值=A相电压矢量相角余弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量水平方向上的投影值+ A相电压矢量相角正弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量垂直方向上的投影值。设备电流瞬时值计算模块输出流入设备各相电流瞬时值到功率放大模块。
功率放大模块：使用设备电流瞬时值计算模块中的由并网点分相流入设备的电流瞬时值，采用逆变器进行功率放大，由并网点吸收实际的一次电流。
所述功率放大模块可采用三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器，实现每相的独立控制。
本发明提供一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，实现无论接入正序电网或者负序电网，设备的所有功能模块不变，减小现场安装调试的工作量，避免二次停电，提升用户的用电体验。
本发明装置的各模块的具体实现过程参见实施例1中方法的各步骤过程。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，其特征是，包括以下过程：
采样电网的三相电压瞬时值，分别计算得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值；
采样电网的三相负载电流瞬时值，结合三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，分别计算得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值；
基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值；
基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值；
以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流；
其中，所述基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值，包括：
基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向的投影值，计算得到水平方向投影平均值；基于三相负载电流矢量在相电压矢量垂直方向的投影值，计算得到垂直方向投影平均值；
每相电流矢量在对应相电压矢量水平方向的投影平均值减去该相负载电流在该方向上的投影值，得到由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量水平方向上的投影值；
每相电流矢量在对应相电压矢量垂直方向的投影平均值减去该相负载电流在该方向上的投影值，得到由并网点流入设备每相电流的矢量在对应相电压矢量垂直方向上的投影值。
2.根据权利要求1所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，其特征是，所述基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值，包括：
以A相为例，流入设备A相的电流瞬时值＝A相电压矢量相角余弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量水平方向上的投影值+A相电压矢量相角正弦值×流入设备A相的电流矢量在A相电压矢量垂直方向上的投影值。
3.根据权利要求1所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，其特征是，所述以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流，包括：
采用逆变器以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
4.根据权利要求3所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理方法，其特征是，所述逆变器为三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器。
5.一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，其特征是，包括：相电压矢量相角计算模块、相负载电流矢量投影值计算模块、设备电流矢量投影值计算模块、设备电流瞬时值计算模块和功率放大模块；
相电压矢量相角计算模块，用于采样电网的三相电压瞬时值，分别计算得到每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值；
相负载电流矢量投影值计算模块，用于采样电网的三相负载电流瞬时值，结合三相电压矢量相角的正弦值和余弦值，分别计算得到每相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值；
设备电流矢量投影值计算模块，用于基于三相负载电流矢量在相电压矢量水平方向和垂直方向的投影值，计算得到由并网点分相流入设备的电流矢量在对应相电压矢量水平方向和垂直方向上的投影值；
设备电流瞬时值计算模块，用于基于由并网点分相流入设备的电流矢量投影值，结合每个相电压矢量相角的正弦值和余弦值，计算得到由并网点分相流入设备的电流瞬时值；
功率放大模块，用于以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
6.根据权利要求5所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，其特征是，所述相电压矢量相角计算模块中，通过电压互感器采样电网的三相电压瞬时值。
7.根据权利要求5所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，其特征是，所述相负载电流矢量投影值计算模块中，通过电磁式电流互感器采样电网的三相负载电流瞬时值。
8.根据权利要求5所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，其特征是，所述功率放大模块中，采用逆变器以获得的由并网点分相流入设备的电流瞬时值作为电流目标值，从并网点吸收相应大小的一次电流。
9.根据权利要求8所述的一种相序自适应的配电网三相不平衡治理设备，其特征是，所述逆变器为三相四线中点钳位三电平拓扑的逆变器。
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