CN204905881U - 配电变压器三相电流动态平衡装置 - Google Patents

配电变压器三相电流动态平衡装置 Download PDF

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吴志坚
王靓
李培培
沈飞
陈国宇
缪凯
汤永进
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Abstract

配电变压器三相电流动态平衡装置。涉及一种中低压电流平衡装置，尤其涉及一种三相电流动态平衡装置。自动化实现对低压供电网络进行平衡，扩展性强、可靠性高、动态补偿精度高。包括模块单元、电流采集单元、远程通讯单元和人机交互单元。模块单元并联于电网公共连接点；模块单元包括LCL滤波器、逆变器、驱动电路和中央控制器。中央控制器、驱动电路、逆变器和LCL滤波器依次连接。实时监测，实时全面反映负荷情况，及时精准的将电流情况反馈给中央控制器，中央控制器能够实时、动态、精准地调整三相负荷电流，提高动态电流调整的准确性；灵活增减投运模块，降低了产品功耗，节约能源。

Description

配电变压器三相电流动态平衡装置
技术领域
本实用新型涉及一种中低压电流平衡装置，尤其涉及一种三相电流动态平衡装置。
背景技术
低压配电网中存在大量的单相负荷，由于单相负荷分布的不均衡和投入不同时性，使得三相负荷不平衡成为低压电网运行维护中一个比较突出的问题。三相负荷不平衡将增加电网损耗，严重影响供电质量，对低压电网、配电变压器、10～35kV高压线路均造成危害。随着社会经济的发展，人们生活水平的日益提高，大量大功率的单相家用电器如：空调器、热水器、微波炉、电磁炉等进入普通家庭，这些家用电器给人们带来舒适、方便、快捷生活的同时，造成了单相负荷激增，进一步加剧了低压供电***三相负荷不平衡的影响。低压电网的三相不平衡一直是困扰供电单位的主要问题。
低压配电网的三相负荷平衡工作已经受到了电力部门越来越多的关注和重视，但受到现有技术水平和测量仪器的限制，低压三相负荷的平衡工作仍然只停留在定期测试和根据经验去调整负荷，并且平衡点仅着眼于变压器低压侧出线等少数测试点处平衡，而没考虑到低压供电网络内部的平衡，所以调整的效果不明显。
实用新型内容
本实用新型针对以上问题，提供了一种自动化实现对低压供电网络进行平衡，且扩展性强、可靠性高、动态补偿精度高的配电变压器三相电流动态平衡装置。
本实用新型的技术方案是：
包括若干模块单元、电流采集单元、远程通讯单元和人机交互单元，其特征在于，所述模块单元并联于电网公共连接点；
所述模块单元包括LCL滤波器、逆变器、驱动电路、强制风冷散热器和中央控制器；
所述LCL滤波器与电网相连；
所述中央控制器、驱动电路、逆变器和LCL滤波器依次连接；
所述中央控制器设有电压检测装置；
所述电压检测装置与逆变器连接；
所述电流采集单元与电网之间连接设有电流检测装置，
所述远程通讯单元和人机交互单元分别与中央控制器相连。
所述LCL滤波器包括三个电容支路、三个谐振吸收支路、网侧电感和出口侧电感；
三个所述电容支路为Y型连接；
三个所述电容支路与三个所述谐振吸收支路分别并联连接；
所述网口侧电感和出口侧电感分别与所述电容支路串联连接。
所述电容支路包括电容和电容电阻；
所述电容和电容电阻串联连接；
所述Y型连接的连接节点位于电容电阻一侧。
所述谐振吸收支路包括电感和电感电阻；
所述电感电阻与所述电感串联连接。
所述中央控制器包括DSP模块和FDGA模块；
所述DSP模块和FDGA模块相互连接实现相互之间的通讯。
所述DSP模块上有RS485通讯接口；
所述RS485通讯接口与远程通讯单元连接，实现相互通讯。
所述人机交互单元设置有RS485通讯接口，通过远程通讯单元与DSP模块实现通讯。
所述逆变器包括三相功率单元和两个直流侧电压支撑电容；
两个所述直流侧电压支撑电容串联连接；
所述三相功率单元与两个所述直流侧电压支撑电容并联连接。
所述强制风冷散热器与中央控制器连接。
本实用新型中采用电流检测装置对全时段对低压供电线路的三相负荷电流进行实时监测，能够全面反映负荷情况，及时精准的将电流情况反馈给中央控制器，使得中央控制器能够实时、动态、精准地调整三相负荷电流，大大提高了动态电流调整的准确性；采用模块化设计，构成冗余***，能够根据使用情况增减投运模块，从而提高了装置的可靠性，降低了产品功耗，节约能源，提高了装置的扩展性，有较高的推广应用价值和社会经济效益。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图，
图2是模块单元结构示意图，
图3是LCL滤波器结构示意图，
图4是逆变器结构示意图，
图5是本实用新型的***构成原理图，
图6是中央控制器指令电流运算的原理图，
图7是三角载波比较控制原理图，
图8是直流侧电压控制原理图，
图9是直流侧电压支撑电容均压控制原理图；
图中1是模块单元，2是电流采集单元，3是远程通讯单元，4是人机交互单元，5是电网公共连接点，101是中央控制器，102是LCL滤波器；103是逆变器，104是电压检测装置，105是强制风冷散热器，106是驱动电路，1021是电容支路，1022是谐振吸收支路，1023是网口侧电感，1024是出口侧电感，1031是三相功率单元，1032是直流侧电压支撑电容，201是电流检测装置。
具体实施方式
本实用新型如图1-4所示，变压器连接到电网上，高压电经变压器降压后输送至负载。本实用新型并联在变压器与负载之间的电网公共连接点5上。包括若干模块单元1、电流采集单元2、远程通讯单元3、人机交互单元4，所述模块单元1并联于电网公共连接点5；所述模块单元1包括LCL滤波器102、逆变器103、驱动电路106、强制风冷散热器105和中央控制器101；所述LCL滤波器102与电网相连；所述逆变器103与LCL滤波器102和中央控制器101分别相连；所述中央控制器101与所述强制风冷散热器105和驱动电路106分别相连；所述中央控制器101与所述电流采集单元2连接；所述中央控制器101设有电压检测装置104；所述电采集单元2有一个与之连接的电流检测装置201；电流检测装置201置于近负载侧的电网上。所述电流检测装置201与电网连接；所述远程通讯单元3和人机交互单元4分别与中央控制器101相连。
负载为三相不平衡负载，同时产生谐波和无功功率，危害电网安全。三相电流动态平衡装置并联在线路上，通过电流采集单元2和电流检测装置201，运用基于瞬时无功功率理论的电流检测算法，计算出负载电流iL中的不平衡分量，将其作为三相电流平衡装置的电流指令ic*，让三相电流平衡装置侧的电流ic=ic*，即可实现电网侧电流is三相平衡。电流采集单元2和电流检测装置201能够实现实时监控，所以三相电流动态平衡装置能够实现实时调整，提高了调整精度。
所述LCL滤波器102包括三个电容支路1021、三个谐振吸收支路1022、网侧电感1023和出口侧电感1024；三个所述电容支路1021为Y型连接；三个所述电容支路1021与三个所述谐振吸收支路1022分别并联连接；所述网口侧电感1023和出口侧电感1024分别与所述电容支路串1021联连接。
所述电容支路1021包括电容和电容电阻；所述电容和电容电阻串联连接；所述Y型连接的连接节点位于电容电阻一侧。
所述谐振吸收支路1022包括电感和电感电阻；所述电感电阻与所述电感串联连接。
所述中央控制器包括DSP模块和FDGA模块；所述DSP模块和FDGA模块相互连接实现相互之间的通讯。
所述DSP模块上有RS485通讯接口；所述RS485通讯接口与远程通讯单元连接，实现相互通讯。
所述人机交互单元4设置有RS485通讯接口，通过远程通讯单元与DSP模块实现通讯。
所述逆变器103包括三相功率单元1031和两个直流侧电压支撑电容1032；、两个所述直流侧电压支撑电容1032串联连接；所述三相功率单元1031与两个所述直流侧电压支撑电容1032并联连接。
如图2所示，是模块单元1内部结构连接示意图。模块单元1包括LCL滤波器102、逆变器103、驱动电路106、强制风冷散热器105、和中央控制器101；所述LCL滤波器102与电网相连；所述逆变器103与LCL滤波器102和中央控制器101分别相连；所述中央控制器101与所述强制风冷散热器105和驱动电路106分别相连；所述中央控制器101与所述电流采集单元2连接；所述中央控制器101设有电压检测装置104；中央控制器101向驱动电路105发送指令，由驱动电路驱动LCL滤波器102、逆变器103、强制风冷散热器105工作。LCL滤波器102的功能是将电网中能够危害电网安全运行的杂波过滤，逆变器103的功能是将过滤后的直流电逆变成为与电网中交流电的幅值，相位都一致的交流电后回馈到电网。强制风冷散热器105在模块单元1过热时可以迅速为模块单元1降温，保证模块单元1的正常运行。
LCL滤波器102和逆变器103共同构成主电路。采用由全控型电力电子器件IGBT组成的三相桥式电路，通过PWM脉冲控制IGBT的开通和关断，即可使得装置输出特定的电流。
如图3所示，是LCL滤波器结构示意图。包括三个电容支路1021、三个谐振吸收支路1022、网侧电感1023和出口侧电感1024；三个所述电容支路1021为Y型连接；三个所述电容支路1021与三个所述谐振吸收支路1022分别并联连接；所述网口侧电感1023和出口侧电感1024分别与所述电容支路串1021联连接。
所述电容支路1021包括电容和电容电阻；所述电容和电容电阻串联连接；所述Y型连接的连接节点位于电容电阻一侧。
所述谐振吸收支路1022包括电感和电感电阻；所述电感电阻与所述电感串联连接。
如图4所示，是逆变器结构示意图。包括三相功率单元1031和两个直流侧电压支撑电容1032；、两个所述直流侧电压支撑电容1032串联连接；所述三相功率单元1031与两个所述直流侧电压支撑电容1032并联连接。逆变器的出口对应接LCL滤波器的网侧电感。
如图5所示，es表示配电变压器低压出口侧的电压，负载为三相不平衡负载，同时产生谐波、消耗无功，三相电流平衡装置并联在线路上。通过基于瞬时无功功率理论的电流检测算法，计算出负载电流iL中的不平衡分量，将其作为三相电流平衡装置的电流指令ic*，通过基于瞬时无功功率理论的电流检测算法法让三相电流平衡装置侧的电流ic=ic*，即可实现电网侧电流is三相平衡。
控制电路即中央控制器，包括指令电流运算电路和电流跟踪控制电路。指令电流运算电路的核心是计算负载电流iL中的不平衡分量、无功分量和谐波分量，将其作为装置的电流指令ic*；电流跟踪控制电路的核心是电流控制器，控制装置输出电流ic快速、准确跟踪其指令电流ic*，其输出是一系列PWM信号。
驱动电路的功能是将电流跟踪控制电路产生的PWM信号进行放大，并将控制电路（弱电部分）与主电路（强电部分）进行隔离，驱动电路输出的PWM脉冲即可驱动主电路中的IGBT，产生相应的补偿电流ic送入电网以消除不平衡。
dq坐标变换矩阵和其反变换矩阵分别如下式所示：
所提取的基波电流分量为：
这样，提取到的补偿电流指令为：
如图6所示，指令电流的运算以瞬时无功功率理论为基础，对负载电流进行采样，通过一定的坐标变化，获得最终的补偿电流指令。
将A相电网电压通过锁相环（PLL），获得时间变量(ωt)的相关信息，即三相abc坐标系中旋转电压矢量的位置。将检测到的三相负载电流iLa、iLb、iLc从三相abc坐标系转换到以电网相电压基波角频率(ω)同步旋转的两相dq坐标系中，该两相dq坐标系中的d轴定向为电压矢量方向，因此，变换到d轴的电流分量id即为有功电流分量，变换到q轴的分量iq即为无功电流分量，i0为零序电流分量。三相abc坐标系的第n次正序分量经过坐标变换后，在两相dq同步旋转坐标系中将变为第(n-1)次分量；而三相abc坐标系的第n次负序分量经过坐标变换后，在两相dq同步旋转坐标系中将变为第(n+1)次分量。这样，所有分量中只有基波正序分量在同步坐标系中成为直流量，而其他分量仍然为交流量；对于直流量可以通过低通滤波器(LPF)将其提取出来。对于d轴分量的直流分量，代表基波有功电流分量，将（d轴指令）、0（q轴指令）、0（零轴指令）从两相dq坐标系变换到三相abc坐标系得到三相基波有功电流iaf、ibf、icf，即电网侧仅希望的电流分量。根据电路KCL定律，将负载电流与所希望的电网侧电流相减，即得装置需要发出的补偿电流。
如图7所示，中央控制器的电流跟踪控制采用三角载波控制。其控制原理是将装置的实际补偿电流i c 与指令电流i c * 进行比较，将其偏差Δi送入电流环控制器，得到调制波信号，将调制信号与三角载波进行实时比较，生成PWM信号。将此PWM信号经过驱动电路放大后，即可驱动三相桥式电路中的IGBT，三相桥式电路输出相应的电压波形，该电压与电网电压的差值作用在输出电抗器上，即可产生需要的补偿电流波形。
如图8所示，是直流侧电压的控制原理图。由于装置必须从***中吸收有功能量来维持电容电压的稳定，所以装置发出的补偿电流中就必须包含有功电流成分。将直流侧电压指令值Udc*与直流侧电压值Udc相比较，将偏差△Udc送入电压控制器进行调节，电压控制器的输出△id即为稳压的有功分量，加入到图1所示的中，使装置的补偿电流指令中含有稳压所需的有功电流成分，以维持三相桥式电路直流侧电压的恒定。
如图9所示，通过调节装置零线电流的方法来调节直流侧电压支撑电容1032的电压。其中，U dc1和U dc2分别表示装置直流侧上、下两个电容的电压值，将其差值送入电压控制器，得到Δi 0，将它均分为三份后叠加到图5中的零轴指令中去，从而使得在装置的零线电流指令中出现直流分量，以维持直流侧电压支撑电容1032的电压的电压均衡。
配电变压器三相电流动态平衡装置采用电流检测装置对全时段对低压供电线路的三相负荷电流进行实时监测，能够全面反映负荷情况，及时精准的将电流情况反馈给中央控制器，使得中央控制器能够实时、动态、精准地调整三相负荷电流，大大提高了动态电流调整的准确性；采用模块化设计，构成冗余***，能够根据使用情况增减投运模块，从而提高了装置的可靠性，降低了产品功耗，节约能源，提高了装置的扩展性，有较高的推广应用价值和社会经济效益。

Claims (9)

1.配电变压器三相电流动态平衡装置，包括若干模块单元、电流采集单元、远程通讯单元和人机交互单元，其特征在于，所述模块单元并联于电网公共连接点；
所述模块单元包括LCL滤波器、逆变器、驱动电路、强制风冷散热器和中央控制器；
所述LCL滤波器与电网相连；
所述中央控制器、驱动电路、逆变器和LCL滤波器依次连接；
所述中央控制器设有电压检测装置；
所述电压检测装置与逆变器连接；
所述电流采集单元与电网之间连接设有电流检测装置，
所述远程通讯单元和人机交互单元分别与中央控制器相连。
2.根据权利要求1所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述LCL滤波器包括三个电容支路、三个谐振吸收支路、网口侧电感和出口侧电感；
三个所述电容支路为Y型连接；
三个所述电容支路与三个所述谐振吸收支路分别并联连接；
所述网口侧电感和出口侧电感分别与所述电容支路串联连接。
3.根据权利要求2所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述电容支路包括电容和电容电阻；
所述电容和电容电阻串联连接；
所述Y型连接的连接节点位于电容电阻一侧。
4.根据权利要求2所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述谐振吸收支路包括电感和电感电阻；
所述电感电阻与所述电感串联连接。
5.根据权利要求1所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述中央控制器包括DSP模块和FDGA模块；
所述DSP模块和FDGA模块相互连接实现相互之间的通讯。
6.根据权利要求5所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述DSP模块上有RS485通讯接口；
所述RS485通讯接口与远程通讯单元连接，实现相互通讯。
7.根据权利要求3所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述人机交互单元设置有RS485通讯接口，通过远程通讯单元与DSP模块实现通讯。
8.根据权利要求3所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述逆变器包括三相功率单元和两个直流侧电压支撑电容；
两个所述直流侧电压支撑电容串联连接；
所述三相功率单元与两个所述直流侧电压支撑电容并联连接。
9.根据权利要求3所述的配电变压器三相电流动态平衡装置，其特征在于，所述强制风冷散热器与中央控制器连接。
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