一種三相不平衡智能補償裝置的制作方法
本發明屬于電力低壓配網技術領域，具體涉及用于低壓配電網的三相不平衡治理的一種三相不平衡智能補償裝置。
背景技術：
在我國低壓配電網中都采用三相四線制接線，由于低壓單相負荷不能人工完全均分，分配的負荷實際運行率不同等各種原因，而造成三相負荷不平衡現象是不可避免的。而這種三相負荷不平衡現象將必然導致損耗增加、用電效率下降、零序電流增加、縮短設備的使用壽命，嚴重時將導致電力設備不能正常工作。
對變壓器的危害：三相負荷不平衡將使得變壓器處于不對稱運行狀態，從而造成變壓器的損耗增大。根據變壓器運行規程規定，在運行中的變壓器中性線電流不能超過變壓器低壓側額定電流的25％。此外，三相負荷不平衡會造成變壓器零序電流過大，部分金屬件升溫增加，甚至導致變壓器燒毀。
中性線和中性點電壓問題：中性線零序電流過大，引起中性線燒毀，造成中性點電壓偏移過大等問題。
對用電設備的危害：三相電壓不平衡將使得電動機中逆扭矩增加，從而導致電動機升溫，效率下降，能耗增加等現象。因此三相電壓的不平衡會導致用電設備使用壽命縮短，加速設備部件更換頻率，增加設備維護成本。
在現有技術當中，與本專利申請的相關內容主要有以下文獻。
文獻一為由杭州得誠電力科技有限公司于 2011年3月18日申請，2013年11月27日公開的，公開號為102130462B的中國發明專利申請公開文件，用電負荷不平衡智能補償裝置，該專利中所述的零序補償裝置部分由曲折變壓器、交流接觸器、電抗器組成。該裝置中零序補償裝置采用無源方案，由于曲折變壓器與配電變壓器為并聯接在電網線路中，要使得流入曲折變壓器的零序電流大，必須使曲折變壓器的零序阻抗小于配電變壓器零序阻的10%以下,也就是零序補償效果受零序阻抗的影響很大，這樣曲折變壓器必定體積大，重量重，制作工藝復雜，處理零序電流的能力就受到限制。
用電負荷不平衡智能補償裝置，該專利中負序補償裝置部分由多組復合開關與相間補償電容器組組成，該補償電容器組采用三角形接線；采用電容進行負序補償造成投切精度不高，處理三相不平衡的效果不明顯，另外響應速度慢也是其一大缺點。
文獻二為中國船舶重工集團公司第七0四研究所于2014年2月18日申請，2014年4月30日公開的，公開號為CN103762597A的中國發明專利申請公開文件，一種無諧波檢測的并聯型電能質量調節器控制方法，該發明主電路由1個三相LCL濾波器和1個三相IGBT逆變橋構成，該發明主要是針對諧波、無功的檢測算法復雜、并導致誤差的問題，提出一種無諧波檢測的并聯型電能質量調節器控制方法。該電路是三相IGBT橋根據驅動信號開通和關斷，產生相應的電壓，電壓與電網電壓在LCL濾波器上產生相應的補償電流，達到調節電能質量的目的。該發明不需要對諧波進行檢測，通過直流側電壓外環和電流內環控制的無諧波檢測方法，但在現實配電網中，大量的非線性負載的接入配電網中，諧波電流必然存在，使電網的諧波電壓畸變率往往超過國標要求的5%,在實現設計產品時，不對諧波進行濾波檢測，很難做到對三相不平衡及無功的準確控制。該方法在真正實現產品時存在很大的局限性。
目前也有分相無功補償裝置對負荷進行補償，也只能將系統中的無功電流部分補掉，而對于不對稱的有功電流部分卻無能為力，有時無功補償后卻使電流的不平衡度有可能更大，因此電業供電部門只能采用人工分線的方式進行負荷調整。
用電系統的三相不平衡對變壓器、電氣設備以及用電系統的危害和影響是十分嚴重的，尤其是對電力能源的充分有效利用構成極大的障礙。隨著用電設備的增多，電網中的三相不平衡問題越來越多，對電網的損害非常之大。
由上述可知，在電力供應緊缺的今天，解決用電系統的三相不平衡問題已經是迫在眉睫的任務了。
技術實現要素：
本發明目的是解決上述現有無功補償裝置的局限性，提供一種三相不平衡智能補償裝置，能有效改善三相不平衡所引起的電能損耗和設備損害，有效補償電網中存在的零序電流和負序電流，正序電流相間轉移，使三相電流平衡，本發明響應速度快，跟蹤精度高，實現無級調節，可大大提高電網的穩定性和可靠性。
本發明包括信號采樣單元、中央控制單元、正序負序補償單元、零序補償單元；其特征在于：所述的信號采樣單元連接串聯在電網上的電壓采樣單元和電流采樣單元；所述的信號采樣單元將從所述的電壓采樣單元和電流采樣單元采樣到的信息發送給所述的中央控制單元進行處理分析，所述的中央控制單元控制連接在電網中的所述的正序負序補償單元和零序補償單元；所述的正序負序補償單元包括LCL 濾波器和正負序IGBT 逆變橋，所述的零序補償單元包括曲折變壓器T和零序IGBT 逆變橋。
采用以上結構后，本發明與現有技術相比，具有以下優點：
本發明公開一種三相不平衡智能補償裝置，信號采樣單元通過外接電壓采樣單元和電流采樣單元采樣電流、電壓并將信息發送給中央控制單元進行處理分析，以判斷系統是否處于不平衡狀態，同時計算出達到平衡狀態時各相所需轉換的電流值，然后分別控制零序補償單元的零序IGBT 逆變橋，使零序得到補償，信號發送給正序與負序補償單元控制 正負序IGBT 逆變橋并驅動其動作，將不平衡電流從電流大的相轉移到電流小的相，最后達到三相平衡狀態。直流工作電壓低，處理零序電流省電，可以對電流線性補償。另外零序補償電流要求高，直流母線電壓高，直流電容容量大，工作時有一定的危險，使用壽命短，采用曲折變壓器和零序分開補償，提高安全系數，延長使用壽命。
本發明通過采樣三相電壓、三相電流及零序補償單元來消除零線上的電流，實現零序補償；通過正序與負序補償單元來實現負序補償、正序有功電流轉移；由此來平衡負荷均等運行，達到三相平衡的效果。跟現有技術相比，本發明的優勢在于零序補償單元采用雙橋電路作為有源裝置和曲折變壓器結合的方式，使裝置不受零序阻抗影響，處理零序能力提高90%以上，另外本發明采用正序與負序補償單元和零序補償單元聯合處理電路中不平衡電流，減少IGBT的動作，延長其壽命。
作為改進，所述的正負序IGBT 逆變橋包括三個相互并聯的IGBT橋臂，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個同向串聯的開關管，串聯開關管中間節點為輸出端。
作為改進，所述的零序IGBT 逆變橋包括二個互相并聯的IGBT橋臂，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個并聯的IGBT，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個同向串聯的開關管，串聯開關管中間節點為輸出端，其中一個輸出端連接曲折變壓器。
作為改進，所述的零序IGBT 逆變橋包括零序開關，所述的曲折變壓器與所述的IGBT橋臂通過所述的零序開關連接在電網上。
作為改進，所述的正序負序補償單元和零序補償單元均通過電源開關連接在電網上。
作為改進，所述的信號采樣單元與所述的中央控制單元之間設有濾波單元。
作為改進，所述的中央控制單元連接顯示操作單元。
作為改進，所述的電流采樣單元包括分別設置在A相、B相、C相、零線N上用于電流信號采集的電流采樣互感器CT1、CT2、CT3、CT4。
作為改進，所述的電壓采樣單元包括分別設置在A相、B相、C相用于電壓信號采集的電壓采樣互感器PT1、PT2、PT3。
作為改進，所述的曲折變壓器TR為原、副邊繞組匝數相同的三相繞組變壓器，Ia1-2A相進，Ia1-1 連接Ib2-1，Ia2-1 連接Ic1-1，Ia2-2 連接Ic2-2，Ib1-1 連接Ic2-1，Ib1-2 B相進，Ib2-2 連接Ic2-2，，Ic1-2 C相進，Ic2-2連接零線N1。
綜合上述，所述的零序補償單元由曲折變壓器與接觸器KM1、兩組IGBT4~5、電容C2、N線電流采樣互感器CT4組成，曲折變壓器TR與接觸器KM1串聯連接，零序補償單元采用有源設計，降低曲折變壓器的生產工藝成本，處理零序電流能力大大提高；N線電流采樣互感器CT4采集零線N上電流信號，并把采集的電流信號傳給信號采樣單元；送入濾波單元，再經過中央控制單元分析計算，得到需要補償的零序電流信號，產生 PWM 脈沖信號，驅動IGBT4~5開關管的開通與關斷，使負載N線電流通過IGBT5、IGBT4流入曲折變壓器N1接線端子，由于曲折變壓器各相繞組相互交叉連接，通過互相補償鐵芯的磁通量，使各相繞組對正序、負序電壓形成高阻抗，而對零序電壓形成低阻抗。將曲折變壓器并聯接入系統中，利用曲折變壓器通低阻抗阻高阻抗，零序電流經過曲折變壓器，送回到A、B、C三相，使流回電網的零線電流大大減少，從而實現零序電流補償，曲折變壓器還有抑制高頻諧波的能力，使電網的質量大大提高。
所述的正序與負序補償單元包含三組IGBT1~3、電容C1和電感L1~3，IGBT1~3組成三相三橋臂電路，每個橋臂上的每組IGBT由兩個開關管同向串聯組成，串聯中間連接點為各橋輸出端，所述三個電感的輸入端分別與所述三相三橋臂電路的各橋輸出端相連；
所述的一種三相不平衡智能補償裝置首先由電壓互感器PT1、PT2、PT3采集A相、B相、C相上電壓Ua、Ub、Uc，負載電流采樣互感器CT1、CT2、CT3分別采集A相、B相、C相上電流Isa、Isb、Isc的電流信號送入采樣單元，采樣單元檢測將電網電壓、電流的變化量送入濾波單元，經過低通高通濾波器濾掉高、低頻干擾信號，再送入中央控制單元，得到電網電壓、電流差值信號和合適比例的矯正信號，產生需要的正序電流、負序電流的PWM信號，經過中央控制單元送入正序與負序補償單元，驅動IGBT1~3工作，處理掉電網中的正序、負序電流，進行有功轉移，減少線損，達到三相平衡的目的。
附圖說明
圖1為本發明的結構框圖。
圖2 為本發明的正序與負序補償單元圖。
圖3 為本發明的零序補償單元圖。
圖4 為本發明的曲折變壓器接線圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示本發明包括信號采樣單元、中央控制單元、正序負序補償單元、零序補償單元；其特征在于：所述的信號采樣單元連接串聯在電網上的電壓采樣單元和電流采樣單元；所述的信號采樣單元將從所述的電壓采樣單元和電流采樣單元采樣到的信息發送給所述的中央控制單元進行處理分析，所述的中央控制單元控制連接在電網中的所述的正序負序補償單元和零序補償單元；所述的正序負序補償單元包括LCL 濾波器和正負序IGBT 逆變橋，所述的零序補償單元包括曲折變壓器T和零序IGBT 逆變橋。所述的正負序IGBT 逆變橋包括三個相互并聯的IGBT橋臂，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個同向串聯的開關管，串聯開關管中間節點為輸出端。所述的零序IGBT 逆變橋包括二個互相并聯的IGBT橋臂，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個并聯的IGBT，每一個所述的IGBT橋臂包括兩個同向串聯的開關管，串聯開關管中間節點為輸出端，其中一個輸出端連接曲折變壓器。所述的零序IGBT 逆變橋包括零序開關，所述的曲折變壓器與所述的IGBT橋臂通過所述的零序開關連接在電網上。所述的正序負序補償單元和零序補償單元均通過電源開關連接在電網上。所述的信號采樣單元與所述的中央控制單元之間設有濾波單元。所述的中央控制單元連接顯示操作單元。所述的電流采樣單元包括分別設置在A相、B相、C相、零線N上用于電流信號采集的電流采樣互感器CT1、CT2、CT3、CT4。所述的電壓采樣單元包括分別設置在A相、B相、C相用于電壓信號采集的電壓采樣互感器PT1、PT2、PT3。所述的曲折變壓器TR為原、副邊繞組匝數相同的三相繞組變壓器，Ia1-2A相進，Ia1-1 連接Ib2-1，Ia2-1 連接Ic1-1，Ia2-2 連接Ic2-2，Ib1-1 連接Ic2-1，Ib1-2 B相進，Ib2-2 連接Ic2-2，，Ic1-2 C相進，Ic2-2連接零線N1。
本發明包括正序與負序補償單元、濾波單元、中央控制單元、信號采樣單元、顯示操作單元、零序補償單元、曲折變壓器TR、接觸器KM1、電流采樣互感器CT1~4、電壓采樣互感器PT1~3。所述的電流采樣互感器CT1~4設置在A相、B相、C相、零線N上，電壓采樣互感器PT1~3設置在電網中的A相、B相、C相上；當負載出現三相不平衡，首先由零序補償單元補償線路中的零序電流，使零序得到補償，再由正序與負序補償單元補償負序電流，相間轉移正序電流，達到三相平衡的目的。
如圖2所示正序與負序補償單元由三相三橋電路、電感L1、電感L2、電感L3和電容C1組成，三相三橋電路由相互并聯的三個橋臂組成，共包括六個開關管T1~T6，每個橋臂由兩個開關管同向串聯組成，串聯中間連接點a、b、c為各橋輸出端，三個電感 L1、L2、L3 的輸入端分別與三相三橋臂電路的各橋輸出端a、b、c相連；三個電感另一端接QF下端；
如圖3所示零序補償單元包括曲折變壓器TR與接觸器KM1串聯、IGBT4、IGBT5和電容C2，IGBT4和IGBT5組成相互并聯的雙橋電路，每個橋臂上的每組IGBT由兩個開關管同向串聯組成，共包括4個開關管T7~T10，串聯中間連接點e、f為各橋輸出端，一端接在曲折變壓器TR的N1端，另一端接在接觸器KM1下端N線上；
如圖4所示曲折變壓器TR接線圖，曲折變壓器TR為原、副邊繞組匝數相同的三相繞組變壓器，Ia1-2A相進，Ia1-1 連接Ib2-1，Ia2-1 連接Ic1-1，Ia2-2 連接Ic2-2，Ib1-1 連接Ic2-1，Ib1-2 B相進，Ib2-2 連接Ic2-2，Ic1-2 C相進，Ic2-2連接N零線。曲折變壓器TR的變比設置為1:1，即原、副邊繞組匝數相同，這樣可以使得在原邊輸入的電流與副邊感應的輸出電流相同。由曲折變壓器的接線方式得：
Ia1(t) = Ia2(t)Ib1(t) = Ib2(t)Ic1(t) = Ic2(t)
由原副邊變比關系
Ia2(t) = Ib1(t)Ib2(t) = Ic1(t)Ic2(t) = Ia1(t)
所以得出；Ia1(t) =Ib1(t) =Ic1(t)，即流入曲折變壓器TR原邊的電流幅值相等、相位相同，所以變壓器對零序電流是阻抗值很低的通路，所以將曲折變壓器并聯接入系統中，可使零序電流經過曲折變壓器而不再通過中性線。
所述的零序補償單元與電網之間設有電源開關QF；
上述一種三相不平衡智能補償裝置首先由電壓互感器PT1、PT2、PT3采集A相、B相、C相上電壓Ua、Ub、Uc，電流采樣互感器CT1、CT2、CT3分別采集A相、B相、C相上電流Isa、Isb、Isc的電流信號送入采樣單元，采樣單元檢測將電網電壓、電流的變化量送入濾波單元，經過低通高通濾波器濾掉高、低頻干擾信號，再送入中央控制單元，得到電網電壓、電流差值信號和合適比例的矯正信號，產生需要的正序電流、負序電流的PWM信號，經過中央控制單元送入正序與負序補償單元，驅動IGBT1~3工作，處理掉電網中的正序、負序電流，進行有功轉移，減少線損，達到三相平衡的目的。
上述一種三相不平衡智能補償裝置由電流采樣互感器CT4采集電路零線N上電流信號，并把采集的電流信號傳給信號采樣單元；送入濾波單元，再經過中央控制單元分析計算，得到需要補償的零序電流信號，產生 PWM 脈沖信號，驅動IGBT4~5開關管的開通與關斷，使負載N線電流通過IGBT5、IGBT4流入曲折變壓器TR的N1接線端子，由于曲折變壓器各相繞組相互交叉連接，通過互相補償鐵芯的磁通量，使各相繞組對正序、負序電壓形成高阻抗，而對零序電壓形成低阻抗。將曲折變壓器并聯接入系統中，利用曲折變壓器通低阻抗阻高阻抗，零序電流經過曲折變壓器，送回到A、B、C三相，使流回電網的零線電流大大減少，從而實現零序電流補償，曲折變壓器TR還有抑制高頻諧波的能力，使電網的質量大大提高。
上述一種三相不平衡智能補償裝置具有以下功能：通過采樣三相電壓、三相電流及零序補償單元來消除零線上的電流，實現零序補償；通過正序與負序補償單元來實現負序補償、正序有功電流轉移；由此來平衡負荷均等運行，達到三相平衡的效果。
本發明一種三相不平衡智能補償裝置結構較為靈活，性能穩定，并聯接入電網，安裝方便，使用簡單，適用于工礦、企業、交通運輸部門、居民區等低壓配電網，可以得到穩定快速的三相平衡控制效果，同時還可以相應的提高系統功率因素。而且，本發明的各部件均選用市面常用的產品，易于實現。
以上僅就本發明的最佳實施例作了說明，但不能理解為是對權利要求的限制。本發明不僅限于以上實施例，凡在本發明獨立權利要求的保護范圍內所作的各種變化均在本發明的保護范圍內。
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