一种三相不平衡智能补偿装置的制作方法

本发明属于电力低压配网技术领域，具体涉及用于低压配电网的三相不平衡治理的一种三相不平衡智能补偿装置。

背景技术：

在我国低压配电网中都采用三相四线制接线，由于低压单相负荷不能人工完全均分，分配的负荷实际运行率不同等各种原因，而造成三相负荷不平衡现象是不可避免的。而这种三相负荷不平衡现象将必然导致损耗增加、用电效率下降、零序电流增加、缩短设备的使用寿命，严重时将导致电力设备不能正常工作。

对变压器的危害：三相负荷不平衡将使得变压器处于不对称运行状态，从而造成变压器的损耗增大。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器中性线电流不能超过变压器低压侧额定电流的25％。此外，三相负荷不平衡会造成变压器零序电流过大，部分金属件升温增加，甚至导致变压器烧毁。

中性线和中性点电压问题：中性线零序电流过大，引起中性线烧毁，造成中性点电压偏移过大等问题。

对用电设备的危害：三相电压不平衡将使得电动机中逆扭矩增加，从而导致电动机升温，效率下降，能耗增加等现象。因此三相电压的不平衡会导致用电设备使用寿命缩短，加速设备部件更换频率，增加设备维护成本。

在现有技术当中，与本专利申请的相关内容主要有以下文献。

文献一为由杭州得诚电力科技有限公司于 2011年3月18日申请，2013年11月27日公开的，公开号为102130462B的中国发明专利申请公开文件，用电负荷不平衡智能补偿装置，该专利中所述的零序补偿装置部分由曲折变压器、交流接触器、电抗器组成。该装置中零序补偿装置采用无源方案，由于曲折变压器与配电变压器为并联接在电网线路中，要使得流入曲折变压器的零序电流大，必须使曲折变压器的零序阻抗小于配电变压器零序阻的10%以下,也就是零序补偿效果受零序阻抗的影响很大，这样曲折变压器必定体积大，重量重，制作工艺复杂，处理零序电流的能力就受到限制。

用电负荷不平衡智能补偿装置，该专利中负序补偿装置部分由多组复合开关与相间补偿电容器组组成，该补偿电容器组采用三角形接线；采用电容进行负序补偿造成投切精度不高，处理三相不平衡的效果不明显，另外响应速度慢也是其一大缺点。

文献二为中国船舶重工集团公司第七0四研究所于2014年2月18日申请，2014年4月30日公开的，公开号为CN103762597A的中国发明专利申请公开文件，一种无谐波检测的并联型电能质量调节器控制方法，该发明主电路由1个三相LCL滤波器和1个三相IGBT逆变桥构成，该发明主要是针对谐波、无功的检测算法复杂、并导致误差的问题，提出一种无谐波检测的并联型电能质量调节器控制方法。该电路是三相IGBT桥根据驱动信号开通和关断，产生相应的电压，电压与电网电压在LCL滤波器上产生相应的补偿电流，达到调节电能质量的目的。该发明不需要对谐波进行检测，通过直流侧电压外环和电流内环控制的无谐波检测方法，但在现实配电网中，大量的非线性负载的接入配电网中，谐波电流必然存在，使电网的谐波电压畸变率往往超过国标要求的5%,在实现设计产品时，不对谐波进行滤波检测，很难做到对三相不平衡及无功的准确控制。该方法在真正实现产品时存在很大的局限性。

目前也有分相无功补偿装置对负荷进行补偿，也只能将系统中的无功电流部分补掉，而对于不对称的有功电流部分却无能为力，有时无功补偿后却使电流的不平衡度有可能更大，因此电业供电部门只能采用人工分线的方式进行负荷调整。

用电系统的三相不平衡对变压器、电气设备以及用电系统的危害和影响是十分严重的，尤其是对电力能源的充分有效利用构成极大的障碍。随着用电设备的增多，电网中的三相不平衡问题越来越多，对电网的损害非常之大。

由上述可知，在电力供应紧缺的今天，解决用电系统的三相不平衡问题已经是迫在眉睫的任务了。

技术实现要素：

本发明目的是解决上述现有无功补偿装置的局限性，提供一种三相不平衡智能补偿装置，能有效改善三相不平衡所引起的电能损耗和设备损害，有效补偿电网中存在的零序电流和负序电流，正序电流相间转移，使三相电流平衡，本发明响应速度快，跟踪精度高，实现无级调节，可大大提高电网的稳定性和可靠性。

本发明包括信号采样单元、中央控制单元、正序负序补偿单元、零序补偿单元；其特征在于：所述的信号采样单元连接串联在电网上的电压采样单元和电流采样单元；所述的信号采样单元将从所述的电压采样单元和电流采样单元采样到的信息发送给所述的中央控制单元进行处理分析，所述的中央控制单元控制连接在电网中的所述的正序负序补偿单元和零序补偿单元；所述的正序负序补偿单元包括LCL 滤波器和正负序IGBT 逆变桥，所述的零序补偿单元包括曲折变压器T和零序IGBT 逆变桥。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明公开一种三相不平衡智能补偿装置，信号采样单元通过外接电压采样单元和电流采样单元采样电流、电压并将信息发送给中央控制单元进行处理分析，以判断系统是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后分别控制零序补偿单元的零序IGBT 逆变桥，使零序得到补偿，信号发送给正序与负序补偿单元控制 正负序IGBT 逆变桥并驱动其动作，将不平衡电流从电流大的相转移到电流小的相，最后达到三相平衡状态。直流工作电压低，处理零序电流省电，可以对电流线性补偿。另外零序补偿电流要求高，直流母线电压高，直流电容容量大，工作时有一定的危险，使用寿命短，采用曲折变压器和零序分开补偿，提高安全系数，延长使用寿命。

本发明通过采样三相电压、三相电流及零序补偿单元来消除零线上的电流，实现零序补偿；通过正序与负序补偿单元来实现负序补偿、正序有功电流转移；由此来平衡负荷均等运行，达到三相平衡的效果。跟现有技术相比，本发明的优势在于零序补偿单元采用双桥电路作为有源装置和曲折变压器结合的方式，使装置不受零序阻抗影响，处理零序能力提高90%以上，另外本发明采用正序与负序补偿单元和零序补偿单元联合处理电路中不平衡电流，减少IGBT的动作，延长其寿命。

作为改进，所述的正负序IGBT 逆变桥包括三个相互并联的IGBT桥臂，每一个所述的IGBT桥臂包括两个同向串联的开关管，串联开关管中间节点为输出端。

作为改进，所述的零序IGBT 逆变桥包括二个互相并联的IGBT桥臂，每一个所述的IGBT桥臂包括两个并联的IGBT，每一个所述的IGBT桥臂包括两个同向串联的开关管，串联开关管中间节点为输出端，其中一个输出端连接曲折变压器。

作为改进，所述的零序IGBT 逆变桥包括零序开关，所述的曲折变压器与所述的IGBT桥臂通过所述的零序开关连接在电网上。

作为改进，所述的正序负序补偿单元和零序补偿单元均通过电源开关连接在电网上。

作为改进，所述的信号采样单元与所述的中央控制单元之间设有滤波单元。

作为改进，所述的中央控制单元连接显示操作单元。

作为改进，所述的电流采样单元包括分别设置在A相、B相、C相、零线N上用于电流信号采集的电流采样互感器CT1、CT2、CT3、CT4。

作为改进，所述的电压采样单元包括分别设置在A相、B相、C相用于电压信号采集的电压采样互感器PT1、PT2、PT3。

作为改进，所述的曲折变压器TR为原、副边绕组匝数相同的三相绕组变压器，Ia_1-2A相进，Ia_1-1 连接Ib_2-1，Ia_2-1 连接Ic_1-1，Ia_2-2 连接Ic_2-2，Ib_1-1 连接Ic_2-1，Ib_1-2 B相进，Ib_2-2 连接Ic_2-2，，Ic_1-2 C相进，Ic_2-2连接零线N1。

综合上述，所述的零序补偿单元由曲折变压器与接触器KM1、两组IGBT4~5、电容C2、N线电流采样互感器CT4组成，曲折变压器TR与接触器KM1串联连接，零序补偿单元采用有源设计，降低曲折变压器的生产工艺成本，处理零序电流能力大大提高；N线电流采样互感器CT4采集零线N上电流信号，并把采集的电流信号传给信号采样单元；送入滤波单元，再经过中央控制单元分析计算，得到需要补偿的零序电流信号，产生 PWM 脉冲信号，驱动IGBT4~5开关管的开通与关断，使负载N线电流通过IGBT5、IGBT4流入曲折变压器N1接线端子，由于曲折变压器各相绕组相互交叉连接，通过互相补偿铁芯的磁通量，使各相绕组对正序、负序电压形成高阻抗，而对零序电压形成低阻抗。将曲折变压器并联接入系统中，利用曲折变压器通低阻抗阻高阻抗，零序电流经过曲折变压器，送回到A、B、C三相，使流回电网的零线电流大大减少，从而实现零序电流补偿，曲折变压器还有抑制高频谐波的能力，使电网的质量大大提高。

所述的正序与负序补偿单元包含三组IGBT1~3、电容C1和电感L1~3，IGBT1~3组成三相三桥臂电路，每个桥臂上的每组IGBT由两个开关管同向串联组成，串联中间连接点为各桥输出端，所述三个电感的输入端分别与所述三相三桥臂电路的各桥输出端相连；

所述的一种三相不平衡智能补偿装置首先由电压互感器PT1、PT2、PT3采集A相、B相、C相上电压Ua、Ub、Uc，负载电流采样互感器CT1、CT2、CT3分别采集A相、B相、C相上电流Isa、Isb、Isc的电流信号送入采样单元，采样单元检测将电网电压、电流的变化量送入滤波单元，经过低通高通滤波器滤掉高、低频干扰信号，再送入中央控制单元，得到电网电压、电流差值信号和合适比例的矫正信号，产生需要的正序电流、负序电流的PWM信号，经过中央控制单元送入正序与负序补偿单元，驱动IGBT1~3工作，处理掉电网中的正序、负序电流，进行有功转移，减少线损，达到三相平衡的目的。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2 为本发明的正序与负序补偿单元图。

图3 为本发明的零序补偿单元图。

图4 为本发明的曲折变压器接线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示本发明包括信号采样单元、中央控制单元、正序负序补偿单元、零序补偿单元；其特征在于：所述的信号采样单元连接串联在电网上的电压采样单元和电流采样单元；所述的信号采样单元将从所述的电压采样单元和电流采样单元采样到的信息发送给所述的中央控制单元进行处理分析，所述的中央控制单元控制连接在电网中的所述的正序负序补偿单元和零序补偿单元；所述的正序负序补偿单元包括LCL 滤波器和正负序IGBT 逆变桥，所述的零序补偿单元包括曲折变压器T和零序IGBT 逆变桥。所述的正负序IGBT 逆变桥包括三个相互并联的IGBT桥臂，每一个所述的IGBT桥臂包括两个同向串联的开关管，串联开关管中间节点为输出端。所述的零序IGBT 逆变桥包括二个互相并联的IGBT桥臂，每一个所述的IGBT桥臂包括两个并联的IGBT，每一个所述的IGBT桥臂包括两个同向串联的开关管，串联开关管中间节点为输出端，其中一个输出端连接曲折变压器。所述的零序IGBT 逆变桥包括零序开关，所述的曲折变压器与所述的IGBT桥臂通过所述的零序开关连接在电网上。所述的正序负序补偿单元和零序补偿单元均通过电源开关连接在电网上。所述的信号采样单元与所述的中央控制单元之间设有滤波单元。所述的中央控制单元连接显示操作单元。所述的电流采样单元包括分别设置在A相、B相、C相、零线N上用于电流信号采集的电流采样互感器CT1、CT2、CT3、CT4。所述的电压采样单元包括分别设置在A相、B相、C相用于电压信号采集的电压采样互感器PT1、PT2、PT3。所述的曲折变压器TR为原、副边绕组匝数相同的三相绕组变压器，Ia_1-2A相进，Ia_1-1 连接Ib_2-1，Ia_2-1 连接Ic_1-1，Ia_2-2 连接Ic_2-2，Ib_1-1 连接Ic_2-1，Ib_1-2 B相进，Ib_2-2 连接Ic_2-2，，Ic_1-2 C相进，Ic_2-2连接零线N1。

本发明包括正序与负序补偿单元、滤波单元、中央控制单元、信号采样单元、显示操作单元、零序补偿单元、曲折变压器TR、接触器KM1、电流采样互感器CT1~4、电压采样互感器PT1~3。所述的电流采样互感器CT1~4设置在A相、B相、C相、零线N上，电压采样互感器PT1~3设置在电网中的A相、B相、C相上；当负载出现三相不平衡，首先由零序补偿单元补偿线路中的零序电流，使零序得到补偿，再由正序与负序补偿单元补偿负序电流，相间转移正序电流，达到三相平衡的目的。

如图2所示正序与负序补偿单元由三相三桥电路、电感L1、电感L2、电感L3和电容C1组成，三相三桥电路由相互并联的三个桥臂组成，共包括六个开关管T1~T6，每个桥臂由两个开关管同向串联组成，串联中间连接点a、b、c为各桥输出端，三个电感 L1、L2、L3 的输入端分别与三相三桥臂电路的各桥输出端a、b、c相连；三个电感另一端接QF下端；

如图3所示零序补偿单元包括曲折变压器TR与接触器KM1串联、IGBT4、IGBT5和电容C2，IGBT4和IGBT5组成相互并联的双桥电路，每个桥臂上的每组IGBT由两个开关管同向串联组成，共包括4个开关管T7~T10，串联中间连接点e、f为各桥输出端，一端接在曲折变压器TR的N1端，另一端接在接触器KM1下端N线上；

如图4所示曲折变压器TR接线图，曲折变压器TR为原、副边绕组匝数相同的三相绕组变压器，Ia_1-2A相进，Ia_1-1 连接Ib_2-1，Ia_2-1 连接Ic_1-1，Ia_2-2 连接Ic_2-2，Ib_1-1 连接Ic_2-1，Ib_1-2 B相进，Ib_2-2 连接Ic_2-2，Ic_1-2 C相进，Ic_2-2连接N零线。曲折变压器TR的变比设置为1:1，即原、副边绕组匝数相同，这样可以使得在原边输入的电流与副边感应的输出电流相同。由曲折变压器的接线方式得：

I_a1(t)=I_a2(t)I_b1(t)=I_b2(t)I_c1(t)=I_c2(t)

由原副边变比关系

I_a2(t)=I_b1(t)I_b2(t)=I_c1(t)I_c2(t)=I_a1(t)

所以得出；I_a1(t)=I_b1(t)=I_c1(t)，即流入曲折变压器TR原边的电流幅值相等、相位相同，所以变压器对零序电流是阻抗值很低的通路，所以将曲折变压器并联接入系统中，可使零序电流经过曲折变压器而不再通过中性线。

所述的零序补偿单元与电网之间设有电源开关QF；

上述一种三相不平衡智能补偿装置首先由电压互感器PT1、PT2、PT3采集A相、B相、C相上电压Ua、Ub、Uc，电流采样互感器CT1、CT2、CT3分别采集A相、B相、C相上电流Isa、Isb、Isc的电流信号送入采样单元，采样单元检测将电网电压、电流的变化量送入滤波单元，经过低通高通滤波器滤掉高、低频干扰信号，再送入中央控制单元，得到电网电压、电流差值信号和合适比例的矫正信号，产生需要的正序电流、负序电流的PWM信号，经过中央控制单元送入正序与负序补偿单元，驱动IGBT1~3工作，处理掉电网中的正序、负序电流，进行有功转移，减少线损，达到三相平衡的目的。

上述一种三相不平衡智能补偿装置由电流采样互感器CT4采集电路零线N上电流信号，并把采集的电流信号传给信号采样单元；送入滤波单元，再经过中央控制单元分析计算，得到需要补偿的零序电流信号，产生 PWM 脉冲信号，驱动IGBT4~5开关管的开通与关断，使负载N线电流通过IGBT5、IGBT4流入曲折变压器TR的N1接线端子，由于曲折变压器各相绕组相互交叉连接，通过互相补偿铁芯的磁通量，使各相绕组对正序、负序电压形成高阻抗，而对零序电压形成低阻抗。将曲折变压器并联接入系统中，利用曲折变压器通低阻抗阻高阻抗，零序电流经过曲折变压器，送回到A、B、C三相，使流回电网的零线电流大大减少，从而实现零序电流补偿，曲折变压器TR还有抑制高频谐波的能力，使电网的质量大大提高。

上述一种三相不平衡智能补偿装置具有以下功能：通过采样三相电压、三相电流及零序补偿单元来消除零线上的电流，实现零序补偿；通过正序与负序补偿单元来实现负序补偿、正序有功电流转移；由此来平衡负荷均等运行，达到三相平衡的效果。

本发明一种三相不平衡智能补偿装置结构较为灵活，性能稳定，并联接入电网，安装方便，使用简单，适用于工矿、企业、交通运输部门、居民区等低压配电网，可以得到稳定快速的三相平衡控制效果，同时还可以相应的提高系统功率因素。而且，本发明的各部件均选用市面常用的产品，易于实现。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。