应用于低压配网的治理三相不平衡的装置的制作方法

本实用新型属于低压配电网技术领域，尤其是一种应用于低压配网的治理三相不平衡的装置。

背景技术：

我国城乡居民和商业低压配电网中配电变压器均采用三相变压器，三相负荷与单相负荷共存。近年来，随着社会经济建设的发展，三相不平衡、功率因数低、电压质量不合格三方面问题已日益凸显，解决低压配电网电能质量尤其治理三相不平衡是电网规划和建设的主要任务之一。

当前治理农网三相不平衡的方法主要有均匀分布负荷、增加短路容量、电感与电容组合调整等方法，这些治理方法直接成本很低，能取得一定的效益，但是，上述技术方案都是依托单一的装置实现，受技术、客观性等因素的影响并不能取得很好的效果，还会造成大量的人力浪费，不能从根本上解决问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种设计合理、性能可靠且成本低廉的应用于低压配网的治理三相不平衡的装置。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种应用于低压配网的治理三相不平衡的装置，包括三个信号采集及调整单元、三个A/D转换单元、三个DSP处理模块、FPGA驱动控制模块、三个IGBT输出模块、RISC主控制器、人机交互界面模块和三遥接口模块，三个信号采集及调整单元同步采集电网三相电能参数并进行调整，三个信号采集及调整单元分别通过A/D转换单元连接各自的DSP处理模块，三个DSP处理模块输出PWM控制信号并连接到FPGA驱动控制模块；三个DSP处理模块还与RISC主控制器相连接，RISC主控制器与人机交互界面模块和三遥接口模块相连接，RISC主控制器还与FPGA驱动控制模块相连接并控制FPGA驱动控制模

块选择IGBT驱动信号并驱动IGBT单元。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本实用新型实现了低压配网三相不平衡的治理功能，并且能够进行无功补偿及稳定系统电压，有效地改善了配电网电能质量，解决了我国低压配电网因三相负荷不平衡、无功功率较大等因素引起的线路损耗增加，电能质量、安全可靠性降低及配电设备容量利用率降低等问题，实现了国家电网公司提出的建设安全可靠、运行灵活、节能环保、经济高效的配电网要求。

2、本实用新型通过治理三相不平衡、无功补偿、电压波动治理可以降低低压配电变压器及配网传输的线损，提高供电公司的售电收益、提高配电变压器的出力、设备使用率及寿命、提高农网配电功率因数。

3、本实用新型对提高低压配网安全可靠供电能力、电能质量和配电设备容量利用率，降低配网损耗，稳定系统电压具有确切效果，对满足人民生活发展和经济增长的需要具有积极意义。

附图说明

图1是本实用新型的电路方框图；

图2为补偿三相不平衡原理框图；

图3为补偿三相不平衡的处理步骤1原理框图；

图4为补偿三相不平衡的处理步骤2原理框图；

图5a为无功补偿单相原理图；

图5b为理想情况的单相等效电路图；

图5c为实际应用的单相等效电路图；

图5d为电流超前的相量图；

图5e为电流滞后的相量图；

图6为电压支撑原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种应用于低压配网的治理三相不平衡的装置，如图1所示，包括三个信号采集及调整单元(A相信号采集及调整单元、B相信号采集及调整单元、C相 信号采集及调整单元)、三个A/D转换单元、三个DSP处理模块(A相DSP处理模块、B相DSP处理模块和C相DSP处理模块)、FPGA驱动控制模块、三个IGBT输出模块(A相IGBT输出模块、B相IGBT输出模块和C相IGBT输出模块)、RISC主控制器、人机交互界面模块和三遥接口模块。三个信号采集及调整单元同步采集电网A、B、C三相的电能参数并进行调整，然后通过A/D转换单元后进入每相的DSP处理模块，每相DSP处理模块根据数据同步完成三相不平衡补偿、无功补偿、电压支撑(电压波动调节)所需PWM控制信号并连接到FPGA驱动控制模块；三个DSP处理模块还与RISC主控制器相连接，RISC主控制器与人机交互界面模块和三遥接口模块相连接实现人机交互功能、三遥通信功能，RISC主控制器还与FPGA驱动控制模块相连接并根据每相的DSP运算数据，自动分析三种补偿模式的优先级，从而触发FPGA驱动控制模块选择IGBT驱动信号并驱动IGBT单元，使电网的电能质量得到最优化的改善。

本实用新型的工作原理：

(1)补偿三相不平衡

本实用新型在运行时，会通过外接电流互感器(CT)实时检测电网电流，然后将CT采集到的电流信息发给内部控制器进行处理，经过控制器分析之后，装置就会发现系统的电流不平衡状态，同时计算出三相电流达到平衡状态所需转换的电流值，从而输出相应的PWM信号，驱动整流IGBT及逆变IGBT电路，实现了系统所需要补偿电流的输出，即将不平衡电流从电网负荷电流小的相输出到电网负荷电流大的相，使电网各相电流达到平衡状态，如图2所示。

如图3所示，电网电流出现了不平衡状态：A相电流为15安培、B相电流为10安培、C相电流为5安培，平衡状态应为A、B、C三相均为10安培电流，A相电流要达到平衡状态则需要减小5安培的电流，B相电流正好为10安培无需调整，C相电流如要达到平衡状态则需要增加5安培的电流，经过DSP运算完成之后，控制器就会通过IGBT驱动电路来驱动C相IGBT动作，将C相的交流电整流为直流电之后储存在装置内部的母线电容中；然后，控制器就会通过IGBT驱动电路来驱动A相IGBT动作，将装置内部的母线电容(A、B、C公用同一组母线电容)上的直流电进行逆变，然后输出到系统A相上，这样A、B、C三相 电流全部为10A，如图4所示。整个补偿不平衡的过程可以理解为：电网电流从系统C相流入该装置5安培，从该装置内部流出5安培到系统A相，从而使得A、B、C三相电流全部重新分配为10安培，而电网的三相总电流保持不变。其原理就是将某相可以额外输出的电流存储到装置母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。当然，这一系列的计算及控制动作都是在很短的时间内完成的，并且，在这一过程中该装置只是起到一个重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量(如风扇运转、控制器件的能量消耗、开关器件的能量消耗)。其动作是瞬时的，而在某一段时间内其收发电流的有效值却是平衡的，因此可以将其动作的结果理解为分流作用，使得系统三相电流的有效值达到一个平衡状态。当系统三相电流都偏离平衡点时，其补偿原理与两相偏离平衡点的状况类似。其根本原则依然是将某相可以额外输出的电流存储到该装置母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。

(2)无功补偿

本实用新型的无功补偿功能正常运行时就是先将电网电流进行整流，将直流电能存储于装置的电容中，相当于从电网中获取补偿无功功率所需的能量，然后通过电力电子开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，其核心就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波时该装置可以等效地被视为幅值和相位均可控的与电网同频率的交流电压源，它通过交流电感连接到电网上。无功补偿单相原理图如图5a所示，其工作原理可用图5b所示的等效电路来说明。设电网电压和该装置输出交流电压分别用相量和表示，则连接电感X上的电压即为和的相量差，而连接电感的电流是可以由其电压来控制的，这个电流就是装置从电网吸收的电流因此，改变该装置交流侧输出电压的幅值及其相对于的相位，就可以改变连接电感上的电压，从而控制该装置从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了装置吸收无功功率的性质和大小。在图5b中,将连接电感视为理想电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗,因此不必从电网吸收有功能量。在这种情况下，只需使与同相，仅改变的幅值大小即可以控制该装置从电网吸收的电流是超前还是滞后90°，并且能控制该电流的大小。如图 5b所示,当U₁大于Us时，电流超前电压90°，装置吸收容性的无功功率；当U₁小于Us时，电流滞后电压90°，装置吸收感性的无功功率。在实际应用中要考虑到连接电感的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)，并将总的损耗集中作为连接电感的电阻考虑，则该装置的实际等效电路如图5c所示,其电流超前和滞后工作的相量图如图5d和图5e所示。在这种情况下,变流器电压与电流仍是相差90°，因为变流器无需有功能量。而电网电压与电流的相差则不再是90°，而是比90°小了δ角，因此电网提供了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说，相对于电网电压来讲，电流中有一定量的有功分量。这个δ角也就是变流器电压与电网电压的相位差。改变这个相位差，并且改变的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，该装置从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。

(3)电压波动调节

如图6所示，本实用新型对补偿点电压进行采样，将电压信息传递给内部DSP，以判断补偿点电压是否超过设定值，当电压超过调压上限(Umax)时，装置内部发出PWM信号控制IGBT输出与电网电压相位滞后90°的电流，即感性电流，降低电压；当电压低于调压下限(Umin)时，装置内部发出PWM信号控制IGBT输出与电网电压相位超前90°的电流，容性电流，提升电压。最终使各相电压稳定在正常范围内。

本实用新型经试验，可以看出具有以下功能特点：

(1)具备三相不平衡补偿功能，三相不平衡度可降至3％以下；

(2)具备无功补偿功能，功率因数可达0.99级；

(3)具备电压支撑功能；

(4)容感性负载-1～1补偿效果可调。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。