CN204465011U - 配网电力损耗动态优化平衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种配网电力损耗动态优化平衡装置，设置在交流电源与负载之间，包含：电压采样单元，用于采集电网的电压信号；电流采样单元，用于采集电网的电压信号；指令电流运算电路，分别与所述的电压采样单元及电流采样单元连接；电流跟踪控制电路，与所述指令电流运算电路连接；驱动电路，与所述电流跟踪控制电路连接，用于传输驱动信号；主电路，与所述驱动电路连接；所述主电路包含多个补偿电路，所述多个补偿电路分别连接负载侧的A相、B相、C相及中性线N。本实用新型采用先进的电力电子技术，自动平衡三相功率，同时消除中性线的基波电流，从而解决三相不平衡造成的线路损耗、提高线路输电能力、提高电网的可靠性。

Description

配网电力损耗动态优化平衡装置

技术领域

本实用新型涉及低压配网技术领域，具体涉及一种配网电力损耗动态优化平衡装置。

背景技术

三相功率不平衡问题很早已经被提出，在郊区电网改造时对于三相功率平衡问题已经得到重视，通过优化配电网络等方式，对三相不平衡问题有了一定改善。但由于郊区电网改造规模大、任务重、时间紧，不可能面面俱到（如规划调平三相负荷）；加之改造资金有限，为了降低费用，架设了一定数量的单相两线线路，尤其是低压分支线路中，单相两线线路占一定比例；还有在下户线接火施工中，一些施工人员素质低，没有三相负荷平衡的概念，施工中或随意接单相负荷，或为了不接成380V，把单相负荷都接到中间两根线上，这在一定程度上加重了三相不平衡度。尤其在实施“家电下乡”政策后，大功率家用电器进入寻常百姓家，家用电器单台容量大多数从几百瓦到几千瓦不等，而且都是采用单相220V电源供电，造成单相负荷激增，而且客户用电水平高低不齐，再加上由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，客观上给调查和测量工作带来了困难，很容易造成负荷不平衡。

现阶段郊区电网配电解决三相不平衡问题主要依靠人为经验，造成各地三相不平衡情况参差不齐，仍然存在较大的线路损耗问题，尤其中性线电流，工作人员靠观测台区变压器出线端三相电流大小判断不平衡电流，然而中性线电流往往被忽视，造成较大的电能损失，同时影响了电网运行的安全。随着国家对节能以及人民对用电可靠性要求的不断提高，需要对郊区电网中存在的三相功率不平衡问题进行更加深入的分析，同时采用先进的技术手段，尽可能减少人为参与因素，解决三相功率不平衡问题。

现阶段，广泛采用的方式为柱上无功补偿装置，安装在台区变压器低压出线侧，一般采用分相无功补偿方式，消除不平衡的无功功率，已达到平衡功率的目的，这种方式实际应用时存在很多问题，一方面，三相功率不平衡除了无功不平衡，同时包含有功不平衡，无功补偿装置无法满足平衡有功不平衡的功能；另一方面，用电负荷组成越来越复杂，无功已经不单单是以感性无功方式出现，仍起不到消除无功不平衡的作用；第三方面，郊区电网三相不平衡造成的线路损耗主要集中在台区变压器低压线缆，在变压器低压出线安装补偿装置，仍旧无法解决低压线路的损耗；第四方面，由于无法实现连续性，电容分相补偿适用范围大大降低。

目前国内外解决三相功率平衡的手段主要有两种：一种是通过合理配置各相负载，使各相负载平衡，从而实现功率平衡的目的。此方法是解决功率不平衡的基本手段，但是由于用户用电的随机性以及用电设备性质不完全一直，无法彻底解决不平衡问题。国外发达国家采用此方法较多，主要是因为电网智能化程度较高，三相功率不平衡问题解决较好；另一种方法是采用功率平衡装置，平衡三相功率。

国内外功率平衡技术主要经历了三个阶段，第一个阶段是采用无功补偿手段解决三相不平衡，此方法较为简单，一般采用分相电容补偿方式，消除三相不平衡的无功功率，达到三相平衡的目的，但从其采用的技术方式可以看出，电容补偿仅仅可以解决无功的不平衡，对于有功不平衡及零序电流无法有效解决，存在很大的局限性，尤其用电设备复杂程度越来越高，电容分相补偿已经无法很好的解决三相不平衡问题。随着无功补偿技术的发展，又出现了SVC（静止无功补偿器）与SVG（静止无功发生器）无功补偿方式，可以很好解决电容补偿存在的连续性问题以及补偿方向问题（可容性与感性双向补偿），但仍旧输出无功补偿范畴，无法彻底解决功率三相不平衡问题。

第二个阶段是采用RLC方式，即通过给线路增加电阻、电感、电容，从物理方面，改变负载特性，电容与电感起到补偿容性无功与感性无功的目的，电阻起到平衡有功的目的，该方法硬件结构简单，但问题也比较突出，一方面电阻、电感、电容参数是固定的，无法动态调节，适应性差，另一方面，采用电阻后，损耗较大，造成电能损失，因而该技术没有得到广泛应用。

第三阶段是采用电力电子技术，随着电力电子技术的快速发展，相关应用越来越广泛，电力电子技术衍生的相关设备已经成为电能转换的主要设备。无论在输电环节（直流输电）还是配电环节（变频器、UPS、LED等）以及新型的无功补偿装置（SVG）都广泛应用，因而电力电子技术为解决三相功率不平衡问题提供了解决方案。现阶段，国内外研究主要集中在三相无功功率方面，通过SVG分相补偿解决三相无功问题，目前主要集中在工矿企业大功率补偿的应用。对于有功平衡研究较少，尤其对于郊区电网用电分散的场合，还没有太多研究与应用。

综合现有问题，需要采用新的技术手段，主要是通过在台区变压器低压配电网分散安装主动式功率平衡装置，优化配电网络三相功率平衡，同时减少中线电流，起到降低线路损耗以及提高配电网络可靠性的目标。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种配网电力损耗动态优化平衡装置，采用先进的电力电子技术，自动平衡三相功率（包括平衡有功功率及无功功率），同时消除中性线的基波电流，从而解决三相不平衡造成的线路损耗、提高线路输电能力、提高电网的可靠性。

为了达到上述目的，本实用新型通过以下技术方案实现：一种配网电力损耗动态优化平衡装置，设置在交流电源与负载之间，其特点是，包含：

电压采样单元，用于采集电网的电压信号，包含分别设置在交流电源侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电压互感器；

电流采样单元，用于采集电网的电流信号，包含分别设置在交流电源侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电流互感器；

指令电流运算电路，分别与所述的电压采样单元及电流采样单元连接，根据电压信号及电流信号生成指令电流；

电流跟踪控制电路，与所述指令电流运算电路连接，根据指令电流生成驱动信号；

驱动电路，与所述电流跟踪控制电路连接；

主电路，与所述驱动电路连接，根据驱动信号对电网进行电流补偿；

所述主电路包含多个补偿电路，所述多个补偿电路分别连接负载侧的A相、B相、C相及中性线N；

所述补偿电路包含依次连接的桥式变流器、电抗器、电阻及交流接触器；

所述桥式变流器连接驱动电路；

所述交流接触连接负载侧的电路。

所述的指令电流运算电路包含：

同步信号生成单元，其输入端连接电压采样单元的输出端；

电压控制单元，其输入端连接所述电压采样单元的输出端；

指令生成单元，输入端分别连接所述电流采样单元的输出端、同步信号生成单元的输出端及电压控制单元的输出端；

所述的指令生成单元的输出端与所述电流跟踪控制电路的输入端连接。

所述的同步信号生成单元包含：

锁相环，其输入端连接电压采样单元的输出端；

三角函数运算模块，输入端连接锁相环的输出端，其输出端连接指令生成单元的输入端。

所述的电压控制单元包含：

参考电压输入模块；

减法器，输入端连接所述参考电压输入模块的输出端及电压采样单元的输出端；

比例积分调节器，输入端连接所述减法器的输出端，其输出端连接指令生成单元的输入端。

所述的指令生成单元包含：

瞬时无功正变换模块，输入端分别与所述电流采样单元的输出端及三角函数运算模块的输出端连接；

第一加法器，输入端连接所述瞬时无功正变换模块的输出端及比例积分调节器的输出端；

瞬时无功反变换模块，输入端分别连接第一加法器的输出端及瞬时无功正变换模块的输出端，其输出端连接所述电流跟踪控制电路的输入端。

所述的电流跟踪控制电路包含：

三角波发生单元及分别与所述三角波发生单元连接的两个控制支路；

其中每一控制支路包含；

第二加法器，输入端连接所述瞬时无功反变换模块的输出端；

运算放大器，其输入端连接所述第二加法器的输出端；

第三加法器，其输入端分别连接所述运算放大器的输出端及三角波发生单元的输出端；

比较器，输入端连接所述第三加法器的输出端，其输出端连接所述驱动电路的输入端。

所述的补偿电路进一步包含一低压断路器，设置在交流接触器与负载侧电网之间。

所述的补偿电路中桥式变流器与所述电抗器之间通过焊接钢管连接。

所述的桥式变流器包含：

第一功率开关管；

第一二极管；

第二功率开关管；

第二二极管；

电容器，其中；

所述的第一功率开关管的基极通过驱动电路连接至其中一个控制支路；

所述的第一功率开关管的发射极连接第一二极管的阳极及第二功率开关管的集电极；

所述的第一功率开关管的集电极连接第一二极管的阴极及电容器的一端，所述电容器的另一端连接第二功率开关管的发射极；

所述的第二功率开关管的基极通过驱动电路连接至另一个控制支路；

所述的第二功率开关管的发射极连接第二二极管的阳极；

所述的第二功率开关管的集电极连接第二二极管的阴极。

所述的第一功率开关管及第二功率开关管分别为绝缘栅双极型晶体管。

本实用新型配网电力损耗动态优化平衡装置与现有技术相比具有以下优点：通过采集电网中实时的电压、电流信号，生成指令电流，分别补偿A、B、C、N的电流；自动平衡三相功率，同时消除中性线的基波电流，从而解决三相不平衡造成的线路损耗、提高线路输电能力、提高电网的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型配网电力损耗动态优化平衡装置的整体结构示意图；

图2为主电路整体结构示意图；

图3为指令电流运算电路整体结构示意图；

图4为电流跟踪控制电路整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本实用新型做进一步阐述。

本实用新型的配网电力损耗动态优化平衡装置为电力电子设备，采用先进的控制策略，在不改变负载总功率的前提下，对三相负载功率消耗进行重新分配，使单相、两相功率消耗或者三相功率消耗不平衡，向三相功率消耗均匀分配，在解决电流幅值相等解决三相功率相等的同时，三相相位相差120度，消除中线电流。对于电网侧，三相功率总和不变，但每一相功率大小相等，即达到三相平衡的目的。

如图1及图2所示，本发明设置在交流电源1与负载2之间，装置包含：电压采样单元，电压采样单元包含分别设置在交流电源1侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电压互感器，用于采集电网的电压信号；电流采样单元，电流采样单元包含分别设置在交流电源1侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电流互感器，用于采集电网的电压信号，电压互感器与电流互感器可组合成电压/电流互感器7，如图1所示；指令电流运算电路3，分别与所述的电压采样单元及电流采样单元连接，根据电压信号及电流信号生成指令电流；电流跟踪控制电路4，与所述指令电流运算电路3连接，根据指令电流生成驱动信号；驱动电路5，与所述电流跟踪控制电路4连接；主电路6，与所述驱动电路5连接，根据驱动信号对电网进行电流补偿；所述主电路6包含多个补偿电路，所述多个补偿电路分别连接负载侧的A相、B相、C相及中性线N；所述补偿电路包含依次连接的桥式变流器、电抗器L1~L4、电阻R1~R4及交流接触器KM1、KM2；所述桥式变流器连接驱动电路5；所述交流接触器KM连接负载侧的电路，交流接触器KM用于远程控制电力的开断，电抗器L作为变流器的输出滤波器，实现滤波的作用。

如图3所示，所述的指令电流运算电路3包含：同步信号生成单元31，其输入端连接电压采样单元的输出端；电压控制单元32，其输入端连接所述电压采样单元32的输出端；指令生成单元33，输入端分别连接所述电流采样单元的输出端、同步信号生成单元31的输出端及电压控制单元32的输出端；所述的指令生成单元33的输出端与所述电流跟踪控制电路4的输入端连接。

所述的同步信号生成单元31包含：锁相环311（型号为：CD4046芯片），其输入端连接电压采样单元的输出端，输入A、B两相的电势差e_ab；三角函数运算模块312，输入端连接锁相环311的输出端，其输出端连接指令生成单元33的输入端。所述的电压控制单元32包含：参考电压输入模块321；减法器322，输入端连接所述参考电压输入模块321的输出端                                                及电压采样单元的输出端；比例积分调节器323（型号为：SL209PI-T0121的控制器），输入端连接所述减法器322的输出端，其输出端连接指令生成单元33的输入端。所述的指令生成单元33包含：瞬时无功正变换模块331，输入端分别与所述电流采样单元的输出端及三角函数运算模块312的输出端连接；第一加法器332，输入端连接所述瞬时无功正变换模块331的输出端及比例积分调节器323的输出端；瞬时无功反变换模块333，输入端分别连接第一加法器332的输出端及瞬时无功正变换模块331的输出端，其输出端连接所述电流跟踪控制电路4的输入端。

如图4所示，所述的电流跟踪控制电路4包含：三角波发生单元41及分别与所述三角波发生单元连接的两个控制支路；其中每一控制支路包含第二加法器42，输入端连接所述瞬时无功反变换模块333的输出端；运算放大器43（型号为：LM725高精度运算放大器），其输入端连接所述第二加法器42的输出端；第三加法器44，其输入端分别连接所述运算放大器43的输出端及三角波发生单元41的输出端；比较器45，输入端连接所述第三加法器44的输出端，其输出端连接所述驱动电路5的输入端。

如图2所示，所述的补偿电路进一步包含一低压断路器QF，设置在交流接触器KM与负载2侧电网之间，用于在电路发生短路或严重过载时，能自动切除故障电路，保护后面的电气设备，所述的补偿电路中桥式变流器与所述电抗器L之间通过焊接钢管SC1~SC42（GB/T3640-88型号套管）连接，用于保护电线。所述的桥式变流器包含：第一功率开关管N1~N4；第一二极管D1~D4；第二功率开关管N5~N8；第二二极管D5~D8；电容器C1~C8，作为储能元件；其中，所述的第一功率开关管的基极通过驱动电路连接至其中一个控制支路；所述的第一功率开关管的发射极连接第一二极管的阳极及第二功率开关管的集电极；所述的第一功率开关管的集电极连接第一二极管的阴极及电容器的一端，所述电容器的另一端连接第二功率开关管的发射极；所述的第二功率开关管的基极通过驱动电路连接至另一个控制支路；所述的第二功率开关管的发射极连接第二二极管的阳极；所述的第二功率开关管的集电极连接第二二极管的阴极。所述的第一功率开关管及第二功率开关管分别为绝缘栅双极型晶体管（富士公司的2MBI25L-120）。

本实用新型的原理是电压、电流采样单元通过电压、电流互感器采集电网中的电压、电流信号，指令电流运算电路根据采集到的电压信号及电流信号生成指令电流，该指令电流通过电流跟踪控制电路产生驱动信号，使得驱动电路工作，从而控制主电路中各开关管的通断，通过主电路中的各个补偿电路，实现对电网A相、B相、C相及N相的电流补偿。

同步信号生成单元产生一个变换矩阵，线路电流i_L通过瞬时无功正变换剔除零序电流分量，得到瞬时电流的直流分量i_p。电压控制单元对实际电压值与参考直流电压值做差，差值通过比例积分调节器得到调节信号Δi_p，并叠加到瞬时有功电流的直流分量i_p上，经过瞬时无功反变换产生补偿电流指令信号i_c*，并包含一定的基波有功电流，实现了直流侧电压的稳定和电容中点电压的平衡。该信号与实际电流i_c比较，其偏差通过运算放大器，然后通过三角波比较后产生控制电路中开关通断的PWM信号。

本实用新型的指令电流运算电路及电流跟踪控制电路中的各模块组成控制***。控制***主要分为两部分，一部分是平衡电流生成***，另一部分是控制功率单元的驱动信号。

从数学的角度，电流可分解为：，其中负序电流体现了三相不平衡程度，零序电流体现了中线电流，所以实现三相功率平衡，需要把电流中的负序分量与零序分量剔除掉，从而实现三相功率平衡。控制***的平衡电流生成***主要实现这一部分功能，通过电流采样单元采集电网中的电流信号及瞬时无功算法，计算出负载侧电流中的负序电流与零序电流，不是直接检测负序和零序电流的。电流跟随控制***是将平衡电流生成***的指令转换为***功率单元可接受的指令，使三相功率平衡装置输出相应电流，抵消负载的负序电流与零序电流，从而实现三相功率平衡以及消除中线电流的目的。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种配网电力损耗动态优化平衡装置，设置在交流电源与负载之间，其特征在于，包含：

电压采样单元，用于采集电网的电压信号，包含分别设置在交流电源侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电压互感器；

电流采样单元，用于采集电网的电流信号，包含分别设置在交流电源侧的A相、B相、C相及中性线N上的四个电流互感器；

指令电流运算电路，分别与所述的电压采样单元及电流采样单元连接，根据电压信号及电流信号生成指令电流；

电流跟踪控制电路，与所述指令电流运算电路连接，根据指令电流生成驱动信号；

驱动电路，与所述电流跟踪控制电路连接，用于传输驱动信号；

主电路，与所述驱动电路连接，根据驱动信号对电网进行电流补偿；

所述主电路包含多个补偿电路，所述多个补偿电路分别连接负载侧的A相、B相、C相及中性线N；

所述补偿电路包含依次连接的桥式变流器、电抗器、电阻及交流接触器；

所述桥式变流器连接驱动电路；

所述交流接触连接负载侧的电路。

2.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的指令电流运算电路包含：

同步信号生成单元，其输入端连接电压采样单元的输出端；

电压控制单元，其输入端连接所述电压采样单元的输出端；

指令生成单元，输入端分别连接所述电流采样单元的输出端、同步信号生成单元的输出端及电压控制单元的输出端；

所述的指令生成单元的输出端与所述电流跟踪控制电路的输入端连接。

3.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的同步信号生成单元包含：

锁相环，其输入端连接电压采样单元的输出端；

三角函数运算模块，输入端连接锁相环的输出端，其输出端连接指令生成单元的输入端。

4.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的电压控制单元包含：

参考电压输入模块；

减法器，输入端连接所述参考电压输入模块的输出端及电压采样单元的输出端；

比例积分调节器，输入端连接所述减法器的输出端，其输出端连接指令生成单元的输入端。

5.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的指令生成单元包含：

瞬时无功正变换模块，输入端分别与所述电流采样单元的输出端及三角函数运算模块的输出端连接；

第一加法器，输入端连接所述瞬时无功正变换模块的输出端及比例积分调节器的输出端；

瞬时无功反变换模块，输入端分别连接第一加法器的输出端及瞬时无功正变换模块的输出端，其输出端连接所述电流跟踪控制电路的输入端。

6.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的电流跟踪控制电路包含：

三角波发生单元及分别与所述三角波发生单元连接的两个控制支路；

其中每一控制支路包含；

第二加法器，输入端连接所述瞬时无功反变换模块的输出端；

运算放大器，其输入端连接所述第二加法器的输出端；

第三加法器，其输入端分别连接所述运算放大器的输出端及三角波发生单元的输出端；

比较器，输入端连接所述第三加法器的输出端，其输出端连接所述驱动电路的输入端。

7.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的补偿电路进一步包含一低压断路器，设置在交流接触器与负载侧电网之间。

8.如权利要求1所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的补偿电路中桥式变流器与所述电抗器之间通过焊接钢管连接。

9.如权利要求6所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的桥式变流器包含：

第一功率开关管；

第一二极管；

第二功率开关管；

第二二极管；

电容器，其中；

所述的第一功率开关管的基极通过驱动电路连接至其中一个控制支路；

所述的第一功率开关管的发射极连接第一二极管的阳极及第二功率开关管的集电极；

所述的第一功率开关管的集电极连接第一二极管的阴极及电容器的一端，所述电容器的另一端连接第二功率开关管的发射极；

所述的第二功率开关管的基极通过驱动电路连接至另一个控制支路；

所述的第二功率开关管的发射极连接第二二极管的阳极；

所述的第二功率开关管的集电极连接第二二极管的阴极。

10.如权利要求9所述的配网电力损耗动态优化平衡装置，其特征在于，所述的第一功率开关管及第二功率开关管分别为绝缘栅双极型晶体管。