專利名稱：有源電力負載平衡方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及電力領域，特別是涉及有源電力負載平衡方法和系統。
背景技術：
在實際用電中，電網的三相負載間普遍存在不平衡電流。當三相電流不平衡時，就會存在零線電流。在城市民用電網及農用電網中，存在大量的單相負荷，三相間電流不平衡現象尤為嚴重。而且電流不平衡的程度越大，零線電流就越大。當零線電流存在并達到一定值時，除了會增加線路和變壓器的損耗外，還將嚴重危及用電設備和電力供電系統的安全運行。降低零線電流的解決方法，目前主要采用的是合理分配用電負荷，主要有以下三種方案一在三相之間加入電容、電抗組成的LC回路轉移相的有功電流，通過對負載電路進行特定的移相匹配后，可以調節電網中有功電流的平衡，從而降低零線電流。方案二 采用“之”字型的變壓器繞組模式，通過改變變壓器繞組結構，可以在一定的負載范圍內調整電網負載的不平衡，起到降低零線電流的作用。方案三采用以電力有源濾波器為代表的電能質量調節裝置，在濾除電網諧波、補償無功電流的同時，可以調節電網不平衡電流，基本消除零線電流。現有技術的三種方案分別存在以下缺點方案一不能單獨進行零線電流的抑制，在消除零線電流的同時，一定會同時向電網中注入無功電流。只能對特定負載實現最好消除效果，要實現大范圍的調解必需采用有級調解。只能對負載基波分量產生效果，諧波電流可能會引發諧振，危害設備安全方案二 需要對現有變壓器繞組進行重新繞制或更換為定制特殊變壓器。采用變壓器鐵心飽和特性，會產生額外鐵心損耗。只能對負載基波分量產生效果，諧波電流可能會引發諧振或額外損耗，危害設備安全方案三信號檢測方法復雜，為實現對三相電網的諧波和無功電流的治理，就必須同時檢測三相信號，檢測電路復雜，實時性要求高。為取得電流控制指令，需要對三相信號進行多次數學變換，從當前電流中分別分離出有功電流，基波電流，各次諧波電流，各次電流正序、負序、零序電流。運算過程復雜，除了對控制系統的運算速度和處理能力要求較高外，計算所得的電流控制指令與實際理論中的電流控制指令存在一定的延時，對輸出控制帶來主要控制誤差。設備主要用于濾除電網諧波或無功電流，在此基礎上實現電網電流的平衡，從而消除零線電流，也即消除零線電流是濾除電網諧波或無功電流的結果。因此主要的設備容量用于解決諧波和無功電流。用于消除零線電流，設備的有效容量只能達到設備全部容量的很小一部分，設備的容量利用率過低。
發明內容
針對上述現有技術的問題，本發明提供了一種有源電力負載平衡方法和系統，能
4夠有效保證電網的平衡。本發明涉及一種有源電力負載平衡方法，具體地說是應用電力有源濾波器、電能質量調節設備和電力電子節能設備消除電網中零線電流的技術。其具體方法步驟為當檢測到所述電網的零線電流不為零時，根據零線電流得到零序電流；在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。在本發明的各實施例中，優選地，檢測的巡檢周期小于100微秒。在本發明的各實施例中，優選地，零線電流除以3，得到零序電流。在本發明的各實施例中，優選地，通過平衡裝置實現有源電力負載平衡，其中，所述平衡裝置包括主電路系統，其包括相互并聯的三相橋逆變器和半橋逆變器，其中，所述三相橋逆變器具有分別連接到所述電網的三相的三個連接端，所述半橋逆變器具有連接到所述電網的零線的連接端；和控制電路系統，其具有連接到電網的檢測端和連接到所述主電路系統的驅動端。在本發明的各實施例中，優選地，控制電路系統包括信號檢測電路、數字信號處理模塊、驅動電路。在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路具有連接到電網零線的所述檢測端和連接到所述數字信號處理模塊的輸出端；數字信號處理模塊具有連接到所述信號檢測電路的輸入端和連接到所述驅動電路的輸出端；驅動電路具有連接到所述數字信號處理模塊的輸入端和作為輸出端的所述驅動端。在本發明的各實施例中，優選地，驅動電路進一步包括放大電路。在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路包括一個DSP數字信號處理器；在本發明的各實施例中，優選地，數字信號處理模塊包括一個脈寬調制PWM控制模塊。在本發明的各實施例中，優選地，半橋逆變器的單臂電流容量為三相橋逆變器單臂電流容量的三倍以上。在本發明的各實施例中，優選地，根據零序電流，產生三相PWM脈沖控制信號，以此驅動三相逆變橋對電網相線注入與零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在本發明的各實施例中，優選地，根據零線電流，產生單相PWM脈沖控制信號，以此驅動半橋逆變器對零線注入大小相等方向相反的補償零線電流。在本發明的各實施例中，優選地，采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生三相PWM脈沖控制信號；在本發明的各實施例中，優選地，采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生單相PWM脈沖控制信號。本發明還涉及一種使用如前所述有源電力負載平衡方法實現的有源電力負載平衡系統，其特征在于，包括檢測模塊，用于檢測電網的零線電流；和執行模塊，用于當檢測到電網的零線電流不為零時根據零線電流得到零序電流， 在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流，在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。通過本發明提供的有源電力負載平衡方法和系統，能夠消除零線電流，降低線路和變壓器的損耗，保障用電設備和電力供電系統的安全運行，實現電網的平衡。
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，以下將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，以下描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖所示實施例得到其它的實施例及其附圖。圖1為有源電力負載平衡方法步驟圖。圖2為有源電力負載平衡系統的一種實施例的工作原理圖。圖3為控制電路系統的一種實施例的工作原理圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明各實施例的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例， 本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本發明所保護的范圍。本發明的主要目的是提供一種消除三相四線制電網中零線電流的方法。在電網中，任一負載供電系統中的三相電流都可以分解為正序、負序和零序電流，其中正負序電流為平衡分量，合成后電流之和為零，在零線中不會形成電流，零序分量合成之后，結果不為零，會在零線中合成為零線電流。本發明提供的方法主要是通過在負載間加入平衡裝置，并通過平衡裝置向電網注入特定電流，使網側電流平衡，從而使零線電流為零。通過本發明提供的有源電力負載平衡方法和系統，能夠消除零線電流，降低線路和變壓器的損耗，保障用電設備和電力供電系統的安全運行，實現電網的平衡。本發明涉及一種有源電力負載平衡方法，其具體方法步驟為當檢測到所述電網的零線電流不為零時，根據零線電流得到零序電流；在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。在本發明的各實施例中，優選地，檢測的巡檢周期小于100微秒。在本發明的各實施例中，優選地，零線電流除以3，得到零序電流。在本發明的各實施例中，優選地，通過平衡裝置實現有源電力負載平衡，其中，所述平衡裝置包括主電路系統，其包括相互并聯的三相橋逆變器和半橋逆變器，其中，所述三相橋逆變器具有分別連接到所述電網的三相的三個連接端，所述半橋逆變器具有連接到所述電網的零線的連接端；和控制電路系統，其具有連接到電網的檢測端和連接到所述主電路系統的驅動端。在本發明的各實施例中，優選地，控制電路系統包括信號檢測電路、數字信號處理模塊、驅動電路。
在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路具有連接到電網零線的所述檢測端和連接到所述數字信號處理模塊的輸出端；數字信號處理模塊具有連接到所述信號檢測電路的輸入端和連接到所述驅動電路的輸出端；驅動電路具有連接到所述數字信號處理模塊的輸入端和作為輸出端的所述驅動端。在本發明的各實施例中，優選地，驅動電路進一步包括放大電路。在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路包括一個DSP數字信號處理器；在本發明的各實施例中，優選地，數字信號處理模塊包括一個脈寬調制PWM控制模塊。在本發明的各實施例中，優選地，半橋逆變器的單臂電流容量為三相橋逆變器單臂電流容量的三倍以上。在本發明的各實施例中，優選地，根據零序電流，產生三相PWM脈沖控制信號，以此驅動三相逆變橋對電網相線注入與零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在本發明的各實施例中，優選地，根據零線電流，產生單相PWM脈沖控制信號，以此驅動半橋逆變器對零線注入大小相等方向相反的補償零線電流。在本發明的各實施例中，優選地，采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生三相PWM脈沖控制信號；在本發明的各實施例中，優選地，采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生單相PWM脈沖控制信號。如圖1有源電力負載平衡方法步驟圖所示，有源電力負載平衡方法具體步驟包括當檢測到所述電網的零線電流不為零時，根據零線電流得到零序電流；在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。在本發明的各實施例中，電網三相電流一相電流為負載電流，其他兩相電流為0， 零線中存在零線電流。在本發明的各實施例中，優選地，通過平衡裝置實現有源電力負載平衡，其中，所述平衡裝置包括主電路系統，其包括相互并聯的三相橋逆變器和半橋逆變器，其中，所述三相橋逆變器具有分別連接到所述電網的三相的三個連接端，所述半橋逆變器具有連接到所述電網的零線的連接端；和控制電路系統，其具有連接到電網的檢測端和連接到所述主電路系統的驅動端。在本發明的各實施例中，優選地，控制電路系統包括信號檢測電路、數字信號處理模塊、驅動電路，對電網的零線電流信號進行監測和處理。在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路具有連接到電網零線的所述檢測端和連接到所述數字信號處理模塊的輸出端；數字信號處理模塊具有連接到所述信號檢測電路的輸入端和連接到所述驅動電路的輸出端；驅動電路具有連接到所述數字信號處理模塊的輸入端和作為輸出端的所述驅動端。即信號檢測電路、數字信號處理模塊、驅動電路順次連接，組成控制電路系統。信號檢測電路連接到電網零線，驅動電路連接到主電路系統的驅動端，保證控制電路系統連接到主電路系統和電網。在本發明的各實施例中，優選地，驅動電路進一步包括放大電路，對處理后的零線電流信號進行信號調理并傳到主電路系統。
在本發明的各實施例中，優選地，信號檢測電路包括一個DSP數字信號處理器， DSP數字信號處理器不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，DSP數字信號處理器具有強大數據處理能力和高運行速度；優選地，數字信號處理模塊包括一個脈寬調制PWM控制模塊，以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。更優選地，驅動放大電路包括專用的集成電路芯片 (ASIC)，專用集成電路芯片的特點是面向特定用戶的需求，在批量生產時與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強、成本降低等優點。如圖2有源電力負載平衡系統的一種實施例的工作原理圖所示，圖中11是交流電網，12為用電負載；2是主電路系統；3是控制電路系統，31是信號檢測電路，32是數字信號處理模塊，33是驅動電路。在電網中，A、B、C為三相電流，N為零線電流。控制電路系統與電網和主電路系統連接，零線電流與信號檢測電路31連接，驅動電路33與主電路系統2的驅動端連接。當信號檢測電路31檢測到N線零線電流不為零時，數字信號處理模塊32對零線電流進行處理，將零線電流除以3得到零序電流分量，數字信號處理模塊32對零線電流和計算所得的零序電流分量分別進行單相PWM控制和三相PWM控制，驅動電路33根據零線電流對主電路系統2中的半橋逆變器發出單相PWM驅動信號，驅動半橋逆變器向零線輸入大小相等方向相反的補償零線電流，同時，驅動電路33根據零序電流分量對主電路系統 2中的三相橋逆變器發出三相PWM驅動信號，驅動三相橋逆變器向相線輸入大小相等方向相反的補償零序電流。如圖3控制電路系統的一種實施例的工作原理圖所示，零線電流經過交流/直流 (A/D)轉換，信號檢測電路檢測到零線電流不為零，數字信號處理模塊對零線電流進行信號處理，將所得零線電流除以3得到零序分量電流，數字信號處理模塊對零線電流和計算所得零序電流分量分別進行單相PWM控制和三相PWM控制。驅動電路直接對半橋逆變器發出單相PWM驅動信號，驅動半橋逆變器向零線輸入大小相等方向相反的補償零線電流；同時， 向數字信號處理模塊輸入三相電壓信號，驅動電路據此對三相橋逆變器發出三相PWM驅動信號，驅動三相橋逆變器向電網相線輸入大小相等方向相反的補償零序電流。在本發明的各實施例中，在加入平衡裝置前，電網負載為不平衡負載，零線中存在零線電流。對三相電流進行常規對稱分量法(將三個相量分解為對稱的分量組，用于分析三相電路不對稱運行狀態的一種方法)分解，可得結果為正負序電流和零序電流分量，正負序電流分量為對稱分量，矢量和始終為零，不在零線中產生電流；零序電流分量大小為零線電流的1/3，方向相反。三相零序電流矢量和即為反向零線電流。加入平衡裝置后，平衡裝置的信號檢測電路對零線中的瞬時零線電流進行巡檢周期小于100微秒的檢測，當檢測到零線電流為0時，平衡裝置不進行響應；當檢測到N線電流不為零時，平衡裝置即做出控制響應(如圖1有源電力負載平衡方法步驟圖)優選地，根據電網零序電流分量和零線中電流的簡單合成關系，將平衡裝置的控制系統檢測到的電路零線電流直接除以3即可以得到電網的瞬間零序電流分量。控制系統核心DSP微處理器(以數字信號來處理大量信息的器件，其工作原理是接收模擬信號，轉換為0或1的數字信號，再對數字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統芯片中把數字數據解譯回模擬數據或實際環境格式)根據零序分量電流，采用三角載波方法或滯環控制等常用方法通過三相脈寬調制PWM控制模塊產生三相PWM脈沖控制信號，優選地，驅動放大電路對該信號進行信號調理，然后將該信號傳達到平衡裝置主電路系統，驅動三相逆變橋對三相電網注入與零序電流大小相等方向相反的三相補償電流；和/或，優選地，DSP微處理器根據零線電流，采用三角載波方法或滯環控制等常用方法通過單相脈寬調制PWM控制模塊產生單相PWM脈沖控制信號，優選地，驅動放大電路對該信號進行信號調理，然后將該信號傳達到平衡裝置主電路系統，驅動單相逆變橋對零線注入與零線電流大小相等方向相反的單相補償電流。此時，從電網側觀察負載電流，負載側零序電流分量由平衡器提供，電網不再向負載提供零序電流，電網側的零序電流分量為零。從而實現了消除電網零線電流的效^ ο現對現有技術中三種方案存在的缺點進行描述方案一在三相之間加入電容、電抗組成的LC回路轉移相的有功電流，不能單獨進行零線電流的抑制，在消除零線電流的同時，一定會同時向電網中注入無功電流。只能對特定負載實現最好消除效果，要實現大范圍的調解必需采用有級調解。只能對負載基波分量產生效果，諧波電流可能會引發諧振，危害設備安全，當電網中同時存在容性無功電流和零線電流時，采用本方案抑制零線電流，就會加大電網無功電流，對電網造成額外的“污染”；同時當電網中存在諧波電流時，直接在電網中投入電容器，電容器很容易在電網中產生諧波放大現象，引起電網過壓過流，損壞電容器自身和其他電網設備。方案二 采用“之”字型的變壓器繞組模式，需要對現有變壓器繞組進行重新繞制或更換為定制特殊變壓器。采用變壓器鐵心飽和特性，會產生額外鐵心損耗。只能對負載基波分量產生效果，諧波電流可能會引發諧振或額外損耗，危害設備安全。當電網存在諧波電流時，會加大變壓器的鐵心飽和發熱現象，嚴重時會損壞變壓器設備本身。同時由于鐵心飽和后帶來的電磁非線性特性，極容易合電網中的容型回路產生自激振蕩，產生過壓過流損壞電網用電設備。 方案三采用以電力有源濾波器為代表的電能質量調節裝置，信號檢測方法復雜， 為實現對三相電網的諧波和無功電流的治理，就必須同時檢測三相信號，檢測電路復雜，實時性要求高。為取得電流控制指令，需要對三相信號進行多次數學變換，從當前電流中分別分離出有功電流，基波電流，各次諧波電流，各次電流正序、負序、零序電流。運算過程復雜， 除了對控制系統的運算速度和處理能力要求較高外，計算所得的電流控制指令與實際理論中的電流控制指令存在一定的延時，對輸出控制帶來主要控制誤差。設備主要用于濾除電網諧波或無功電流，在此基礎上實現電網電流的平衡，從而消除零線電流，也即消除零線電流是濾除電網諧波或無功電流的結果。因此主要的設備容量用于解決諧波和無功電流。用于消除零線電流，設備的有效容量只能達到設備全部容量的很小一部分，設備的容量利用率過低。 在本發明的各實施例中，本技術中的平衡裝置采用有源電路，即電力電子開關逆變電路，零線電流調節特性不受外部回路負載特性的影響，例如諧波和無功電流變化，使得有源電力負載平衡器技術能針對零線電流進行專項控制，保證設備容量100%地用于消除零線電流。同時，本發明的平衡裝置只需檢測電網的零線電流即可，檢測電路簡單。平衡裝置實時檢測零線電流的動態，并以此做簡單處理，優選地，零線電流除以3即可作為控制指令，大大簡化了平衡裝置的硬件電路和控制算法，大幅度縮減了計算所得的電流控制指令和實際理論中電流控制指令的延時，控制響應速度快，容易實現產品高頻化。由于電子開關電路的工作頻率越高，就越容易實現產品的小型化和低成本化。這樣，本發明就充分解決了現有技術方案中存在的問題。在本發明的各實施例中，由于零線電流大小是三相電路中需要補償的零序電流的三倍，那么對應的，提供相應補償電流的半橋逆變器的單臂電流容量為三相逆變器單臂電流容量的三倍以上，以保證兩個逆變器能同時達到最大電流容量，沒有容量空置。本發明同時提供了一種有源電力負載平衡系統，這種有源電力負載平衡系統是滿足可使用前述有源電力負載平衡方法實現的有源電力負載平衡系統，其特征在于，包括檢測模塊，用于檢測電網的零線電流；和執行模塊，用于當檢測到電網的零線電流不為零時根據零線電流得到零序電流，在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流，在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。本發明提供的各種實施例可根據需要以任意方式相互組合，通過這種組合得到的技術方案，也在本發明的范圍內。本發明可以應用到電力有源濾波器、電能質量調節設備和電力電子節能設備，消除電網中零線電流。顯然，本領域技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種有源電力負載平衡方法，包括以下步驟當檢測到電網的零線電流不為零時，根據零線電流得到零序電流；在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。
2.如權利要求1所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，所述檢測為巡檢周期小于100微秒的檢測。
3.如權利要求1或2所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，所述零線電流除以 3，得到零序電流。
4.如權利要求1至3之一所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，通過平衡裝置實現有源電力負載平衡，其中，所述平衡裝置包括主電路系統，其包括相互并聯的三相橋逆變器和半橋逆變器，其中，所述三相橋逆變器具有分別連接到所述電網的三相的三個連接端，所述半橋逆變器具有連接到所述電網的零線的連接端；和控制電路系統，其具有連接到電網的檢測端和連接到所述主電路系統的驅動端。
5.如權利要求4所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，所述控制電路系統包括信號檢測電路、數字信號處理模塊、驅動電路；所述信號檢測電路具有連接到電網零線的所述檢測端和連接到所述數字信號處理模塊的輸出端；所述數字信號處理模塊具有連接到所述信號檢測電路的輸入端和連接到所述驅動電路的輸出端；所述驅動電路具有連接到所述數字信號處理模塊的輸入端和作為輸出端的所述驅動端；優選地，驅動電路進一步包括放大電路。
6.如權利要求5所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，所述信號檢測電路包括一個DSP數字信號處理器；和/或所述數字信號處理模塊包括一個脈寬調制PWM控制模塊。
7.如權利要求1至6所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，所述半橋逆變器的單臂電流容量為三相橋逆變器單臂電流容量的三倍以上。
8.如權利要求1至7之一所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，根據所述零序電流，產生三相PWM脈沖控制信號，以此驅動三相逆變橋對電網相線注入與零序電流大小相等方向相反的補償零序電流；和/或根據所述零線電流，產生單相PWM脈沖控制信號，以此驅動半橋逆變器對零線注入大小相等方向相反的補償零線電流。
9.如權利要求8所述的有源電力負載平衡方法，其特征在于，采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生三相PWM脈沖控制信號；和/或采用三角載波方法和/或滯環控制方法產生單相PWM脈沖控制信號。
10.一種使用如權利要求1-9中任一項所述有源電力負載平衡方法實現的有源電力負載平衡系統，其特征在于，包括檢測模塊，用于檢測電網的零線電流；和執行模塊，用于當檢測到電網的零線電流不為零時根據零線電流得到零序電流，在所述電網的相線中注入與所述零序電流大小相等方向相反的補償零序電流，在所述電網的零線處注入與所述零線電流大小相等方向相反的補償零線電流。
全文摘要
本發明涉及電力領域，特別是涉及一種有源電力負載平衡方法，其包括以下步驟通過平衡裝置對零線電流進行檢測，當檢測到所述電網的零線電流不為零時，根據零線電流得到零序電流；在所述電網的相線中注入與所述零序電流相等且反向的補償零序電流；在所述電網的零線處注入與所述零線電流相等且反向的補償零線電流。本發明還提供一種使用所述方法實現的有源電力負載平衡系統。通過本發明提供的有源電力負載平衡方法和系統，能夠消除零線電流，降低線路和變壓器的損耗，保障用電設備和電力供電系統的安全運行，實現電網的平衡。
文檔編號H02J3/26GK102255326SQ20111018565
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月4日 優先權日2011年7月4日
發明者胡繼煒 申請人:胡繼煒