三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法与流程

本发明属于电力供配电技术领域，具体涉及三相供电系统单相负载供电的相别调整控制方法。

背景技术：

供电系统中广泛存在着单相负载，这些单相负载分散且随机地接入、切出供电系统，因此，供电系统在实际运行过程中，总是或多或少地存在着三相的不平衡，供电系统运行的效益及经济性受到影响。为了让供电系统三相平衡，保证供电系统的经济运行，人们设想了多种运行方式、手段，以实现供电系统三相的平衡。然而，由于单相负载的大小及接入、切出电网时间的随机性，三相供电系统的不平衡是经常性存在的。这就有了如何实施供电系统三相平衡运行的需求，怎样控制单相负载的接入及调整的问题，从而保证供电系统的三相平衡。

对于单相负载接入的相别选择已经有专利介绍。但在含有较多单相负载接入的供电系统中，虽然借助于相别选择实现了后续负载接入时的相别控制，以追求供电系统的三相平衡，但在所接入的单相负载中，由于其功率大小的不同，实际系统运行的不平衡是必然存在的。为此，需要寻求实施单相负载供电相别的动态调整，以此获得三相供电系统的平衡运行。

公共电网提供的电源是三相彼此之间相位相差120°的正弦交流电源，三相电源平均分担负荷是公共电网经济运行的重要保证。通过单相负载接入的相别调整，可以使公共电网的三相电源尽可能平均分担负载电流，三相系统趋于平衡。公共电网的三相电源一般定义为a相、b相、c相，彼此之间依次相位相差120°，即a相超前于b相120°，a相超前于c相240°(或者说c相超前于a相120°)。

正常供电的单相负载相别转移不可以影响负载的供电，需要快速实施并完成切换到后续供电的相别。晶闸管作为电子开关，可以满足快速断开、接入的开关操作，是实现单相负载相别调整控制的理想元件。然而，在实施快速地从一相切换到另一相时，需要保证不仅要快速地实现供电相别的快速切换，还要保证电路供电相别转换安全可靠地完成，不至于出现两相之间的短路，需要保证相别调整电路工作的可靠性。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法，可以根据系统要求实施单相负载供电相别的调整，以使供电系统趋于三相平衡，提升供电系统运行的经济性。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法，该三相供电系统包括总控制器和各个分控制器，各个分控制器对应各个负载单元，负载单元包括第一负载单元、第二负载单元到第n负载单元；该三相供电系统的第一负载单元包括a相电源、b相电源和c相电源；所述的a相电源与第一晶闸管t1的阳极、第四晶闸管t4的阴极相连，所述的b相电源与第三晶闸管t3的阳极、第六晶闸管t6的阴极相连，所述的c相电源与第五晶闸管t5的阳极、第二晶闸管t2的阴极相连；所述的第一晶闸管t1、第三晶闸管t3、第五晶闸管t5的阴极与第四晶闸管t4、第六晶闸管t6、第二晶闸管t2的阳极均分别与单相负载z1的一端相连，单相负载z1的另一端与电源中点相连；以此类推，第二负载单元到第n个负载单元连接与第一负载单元的连接方式相同，其中n为负载单元的个数；所述的总控制器借助于电源输入端及各连接单元电路处的负载电流检测元件ct∑a、ct∑b、ct∑c、ct1、ct2、……ctn检测三相总电流ia、ib、ic及各单相负载电流ij，总控制器通过检测出的三相总电流ia、ib、ic的情况，比较其大小，并从后接单相负载z1、z2、……zn中寻找功率大小合适的单相负载作为调节负载，根据相别调整规则发出相别调整指令；相应的分控制器接受指令，使调节负载由原来输入总电流较大的相别以在线不停电控制转换方式调整到输入总电流较小的相别，以此追求供电系统三相的平衡运行。

进一步地，所述的相别调规则如下表所示：

其中，ij表示为后续单相负载中满足表格条件的单相负载电流，j＝1…n，n为负载单元的个数。

进一步地，所述的根据相别调规则发出相别调整指令，包括如下步骤：

1)根据后接负载情况，控制器发出相别调整命令；分控制器获得相别调整控制指令后，立即封锁即将被断开的相别，撤除该相所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号，该相别的晶闸管将继续导通，直至负载电流下降到零，两只晶闸管关断，该相别的电源与负载断开，包括的情形如下表所示：

2)分控制器系统获得相别调整控制指令，从撤除该相别所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号后，需要等待10ms的时间，再给系统要求接入相别的两只反并联晶闸管以驱动信号，开放对应相别的两只反并联晶闸管，让接入的相别电源继续给后接负载供电；相别调整指令处在不同情况下的实施过程如下表：

进一步地，所述的相别调规则中，对所有需要导通的两只反并联晶闸管的驱动采用过零触发方式，触发的的脉冲宽度为从所连接相电压过零点开始的5ms宽度，即正向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度，反向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度(所有要导通的晶闸管正向触发与负向触发所给脉冲均为5ms宽度)。

进一步地，所述的相别调规则中，各相别控制导通关断的两只反并联晶闸管(t1和t4、t3和t6、t5和t2)可以用双向晶闸管取代，取代后，双向晶闸管的触发信号为该相电源电压正、反向过零点开始之后的5ms宽度脉冲触发信号。

进一步地，该方法适用于三相供电系统下的单相阻性、感性、容性负载的相别调整。

有益效果：与现有技术相比，本发明的三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法，不仅可以为即将投入的单相负载提供供电电源的相别选择，让三相供电系统的各相负载趋于平衡，而且可以在连有众多单项负载的三相供电系统中，让负荷大小合适的单相负载从负载较重的相别在线动态转移至负载较小的相别，以进一步让三相供电系统接近平衡。

附图说明

图1是单相负荷相别调整电路；

图2是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，到负载电流反向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图；

图3是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的正向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图；

图4是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管反向电压过零后，到负载电流正向到零之前获得相别转移信号情况下a相到b相的相别调整图；

图5是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的反向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图；

图6是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，到负载电流反向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；

图7是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的正向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；

图8是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管反向电压过零后，到负载电流正向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；

图9是单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的反向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，c相的相别调整图；

图10是单相负载容性，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整控制图；

图11是单相负载容性，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整控制图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的说明。

三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法，包括以下步骤：

1、当前各单相负荷已经接受a相、b相或者c相中某一相电源供电，该相电源所对应的两个反向并联的晶闸管被正常触发导通，单相负荷从该相获取电能；但因用户整体电源输入端三相负荷不平衡，控制系统便向后接的单相负载中合适的单相载发出相别调整指令，需要该单相负载从正在供电的电源相别转移到另一相别，另一相别可以是滞后于本相120°的一相，也有可以是超前于本相120°的一相；

2、该单相负载的相别控制器接收到相别转移控制信号后，随即将正在导通相别的两个晶闸管触发脉冲移除，所导通的晶闸管中流过的电流将随着时间的推移逐步减小，当晶闸管中流过的电流降为零后便自然关断，该相别电源与本单相负载断开；

3、从该单相负荷的相别控制器接收到相别转移控制信号开始，经过10ms时间的等待，再开放控制系统要求供电的相别，使需要开放的电源相别所连的晶闸管获得触发信号，所要求即将开放的电源相别便通过晶闸管给该单相负载供电，实现供电相别的动态转移；

4、为保证开关晶闸管正常导通，给负载供电，给晶闸管提供的触发脉冲为对应于导通相相电压过零点开始的宽度为90°的触发脉冲；

5、为保证电路正常进行相别转移，后续触发脉冲的开放必须满足，从接受相别调整指令到后续相别开放触发脉冲之间有10ms的脉冲封锁时间。

三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法，该三相供电系统包括总控制器和各个分控制器，各个分控制器对应各个负载单元，负载单元包括第一负载单元、第二负载单元到第n负载单元；该三相供电系统的第一负载单元包括a相电源、b相电源和c相电源；所述的a相电源与第一晶闸管t1的阳极、第四晶闸管t4的阴极相连，所述的b相电源与第三晶闸管t3的阳极、第六晶闸管t6的阴极相连，所述的c相电源与第五晶闸管t5的阳极、第二晶闸管t2的阴极相连；所述的第一晶闸管t1、第三晶闸管t3、第五晶闸管t5的阴极与第四晶闸管t4、第六晶闸管t6、第二晶闸管t2的阳极均分别与单相负载z1的一端相连，单相负载z1的另一端与电源中点相连；以此类推，第二负载单元到第n个负载单元连接与第一负载单元的连接方式相同，其中n为负载单元的个数；所述的总控制器借助于电源输入端及各连接单元电路处的负载电流检测元件ct∑a、ct∑b、ct∑c、ct1、ct2、……ctn检测三相总电流ia、ib、ic及各单相负载电流ij，总控制器通过检测出的三相总电流ia、ib、ic的情况，比较其大小，并从后接单相负载z1、z2、……zn中寻找功率大小合适的单相负载作为调节负载，根据相别调整规则发出相别调整指令；相应的分控制器接受指令，使调节负载由原来输入总电流较大的相别以在线不停电控制转换方式调整到输入总电流较小的相别，以此追求供电系统三相的平衡运行。

进一步地，相别调规则如下表所示：

其中，ij表示为后续单相负载中满足表格条件的单相负载电流，j＝1…n，n为负载单元的个数。ua、ia分别表示给单相负载zj供电的a相电压、a相电流，ub、ib转移到b相供电时加到单相负载zj上的b相电压、b相电流；uc、ic分别为给单相负载zj上的c相电压、c相电流。

进一步地，根据相别调规则发出相别调整指令，包括如下步骤：

1)根据后接负载情况，控制器发出相别调整命令；分控制器获得相别调整控制指令后，立即封锁即将被断开的相别，撤除该相所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号，该相别的晶闸管将继续导通，直至负载电流下降到零，两只晶闸管关断，该相别的电源与负载断开，包括的情形如下表所示：

2)分控制器系统获得相别调整控制指令，从撤除该相别所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号后，需要等待10ms的时间，再给系统要求接入相别的两只反并联晶闸管以驱动信号，开放对应相别的两只反并联晶闸管，让接入的相别电源继续给后接负载供电；相别调整指令处在不同情况下的实施过程如下表：

对所有需要导通的两只反并联晶闸管的驱动采用过零触发方式，触发的的脉冲宽度为从所连接相电压过零点开始的5ms宽度，即正向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度，反向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度(所有要导通的晶闸管正向触发与负向触发所给脉冲均为5ms宽度)。

各相别控制导通关断的两只反并联晶闸管(t1和t4、t3和t6、t5和t2)可以用双向晶闸管取代，取代后，双向晶闸管的触发信号为该相电源电压正、反向过零点开始之后的5ms宽度脉冲触发信号。

该方法适用于三相供电系统下的单相阻性、感性、容性负载的相别调整。

实施例1

如图1所示，单相负荷供电的相别调整电路中，第一晶闸管t1、第四晶闸管t4实施a相电源的接入或切出操作；第三晶闸管t3、第六晶闸管t6实施b相电源的接入或切出操作；第二晶闸管t2、第五晶闸管t5实施c相电源的接入或切出操作；z为单相负载。a相电源与第一晶闸管t1的阳极、第四晶闸管t4的阴极相连，b相电源与第三晶闸管t3的阳极、第六晶闸管t6的阴极相连，c相电源与第五晶闸管t5的阳极、第二晶闸管t2的阴极相连；第一晶闸管t1、第三晶闸管t3、第五晶闸管t5的阴极与第四晶闸管t4、第六晶闸管t6、第二晶闸管t2的阳极以及单相负载z的一端相连，单相负载z的另一端与电源中点相连。

如图2所示，单相负载z感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，到负载电流反向到零之前获得相别转移控制信号情况下，a相到b相的相别调整图。上面两组图为相别调整电路从a相到b相转换过程中晶闸管的驱动脉冲，正脉冲表示给a、b相电源至负荷方向导通的晶闸管触发信号，负脉冲表示相应相反向并联的晶闸管触发信号，下组图表示了相别调整电路a相到b相调整情况下负荷上的电压电流波形。图中，ua、ia、ub、ib分别表示给单相感性负载供电的a相电压、a相电流，及其转移到b相供电时加到单相感性负载上的b相电压、流过负载的b相电流。

首先，为保证供电相的电源正常给负荷供电的情况下，负荷上需要获得完整的正弦交流电，因此，给该相正反向并联的晶闸管提供的触发脉冲必须保证晶闸管被正常触发导通(包括正、负半周)。针对负荷而言，现实负荷基本以感性负荷为主，少许阻性负荷，极少的容性负荷，因此，在考虑电路设计时，主要考虑功率因数滞后的情况。当然，阻性负荷与感性负荷类似，可视为滞后0°的感性负荷。

在工频感性负荷情况下，其负荷电流滞后于电压，但滞后的电角度一定小于90°，在时间上，负荷电流滞后于电压小于四分之一的工频周期，即＜5ms。因此，设计给晶闸管的触发脉冲为90°脉宽，即5ms宽，采用电压过零方式启动触发。也就是说，在正常工作情况下，导通的对应相别晶闸管的触发脉冲是该相电源电压过零点开始的90°宽的触发脉冲。

其次，从a相到b相转换过程中，必须保证a相的晶闸管已经关断，方可给b相晶闸管施加触发信号，否则会造成a相与b相之间的短路故障。为此，设置控制规则为：一旦相别调整指令到来，随即封锁当前导通相的正反向触发脉冲，正在导通的晶闸管因有负荷电流存在并未关断，当前相电源继续给负载供电。待一段时间后，当前相电流变成零，晶闸管自然关断。为确保原来导通相的晶闸管关断截止，后续要导通的相别晶闸管触发脉冲设置为，收到相别调整指令开始的半个工频周期时间(即10ms)之后开放，如图2阴影部分所示。

由于，后续将触发导通的相电源不一定处在该相电源正反向过零处，但实际使用时，需要给即将导通的相一开放即有触发信号，因此，所有相的正反向晶闸管的触发信号是一直存在的，只是控制装置控制触发脉冲送到晶闸管门极的时刻，在需要的时刻才开始开放，将触发脉冲送到相应晶闸管的门极。

原来导通的a相电流降为零后，晶闸管截止，a相与负荷断开。后续的b相通过晶闸管与负荷连接，在b相电源电压作用下，电路存在一个短暂的暂态过程，随后进入稳态，b相正常给负荷供电。

图2表示了a相到b相转换过程的一种情况，经过分析，相别调整转换控制方法在其他三种情况下，按照该控制规则，可以保证a相到b相的转换调整，如图3至图5所示，图3为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的正向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图；图4为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管反向电压过零后，到负载电流正向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图；图5为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的反向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整图。图中，ua、ia、ub、ib分别表示给单相感性负载供电的a相电压、a相电流，及其转移到b相供电时加到单相感性负载上的b相电压、流过负载的b相电流。

如图6至图9所示，图6为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，到负载电流反向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；图7为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的正向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；图8为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管反向电压过零后，到负载电流正向到零之前获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图；图9为单相负载感性，电流滞后，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管的反向晶闸管导通之后，获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整图。图中，ua、ia、uc、ic分别表示给单相感性负载供电的a相电压、a相电流，及其转移到c相供电时加到单相感性负载上的c相电压、流过负载的c相电流。为按照之前所述控制规则，也可以完成a相到c相的相别调整。与a相到b相的相别调整区别在于，a相到b相的相别调整，负荷断电时间总是小于半个周期，即＜10ms；而a相到c相的相别调整，负荷断电时间会超过半个周期，即＞10ms，最大可达到240°，即13.33ms。

三相系统对单相负载供电的在线不停电相别调整控制方法,包括如下步骤：

1)根据后接负载情况，控制器获得相别调整控制指令后，立即封锁即将被断开的相别，撤除该相所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号，该相别的晶闸管将继续导通，直至负载电流下降到零，两只晶闸管关断，该相别的电源与负载断开；

2)控制器获得相别调整控制指令，从撤除该相别所串接的正反并联的两只晶闸管的驱动信号后，需要等待10ms的时间，再给系统要求接入相别的两只反并联晶闸管以驱动信号，开放对应相别的两只反并联晶闸管，让接入的相别电源继续给后接负载供电。相别调整指令处在不同情况下的实施过程如下表1所示：

表1相别调整指令处在不同情况下的实施过程(感性负载条件)

对所有需要导通的两只反并联晶闸管的驱动采用过零触发方式，触发的的脉冲宽度为从所连接相电压过零点开始的5ms宽度，即正向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度，反向导通的晶闸管从其阳极电压正向过零点开始的5ms宽度。

各相别控制导通关断的两只反并联晶闸管可以用双向晶闸管取代，取代后，双向晶闸管的触发信号为该相电源电压正、反向过零点开始之后的5ms宽度脉冲触发信号。

该方法适用于三相供电系统下的单相阻性、感性、容性负载的相别调整。

实施例2

图1中负载z成为容性负载情况下，a相到c相、a相到b相的转换情况。

因为是容性负荷，交流激励情况下负荷电流超前于电压，当按照前述规则采用过零触发时，则晶闸管一导通，便在负载回路中流过容性电流，电源快速对电容充电，其充电电流较大。电源电压越过峰值点之后，电源电压按照正弦规律下降，若负载时间常数较大，电容对负载电阻放电缓慢于电源电压下降的速率，负载端口电压将高于电源电压，晶闸管承受反向电压关断，电容对负载电阻放电。若负载时间常数较小，电容对负载电阻放电快于电源电压下降的速率，负载端口电压等于电源电压，晶闸管持续导通，电源对负载电阻供电。但不论何种情况，负荷的容性电流总是在电源电压上升段电流数值较大，电源电压下降段数值较小，波形表现为前倾状，体现负荷的容性特性。相别调整指令处在不同情况下的实施过程如下表2所示：

表2相别调整指令处在不同情况下的实施过程(容性负载条件)

图10为单相负载容性，控制系统要求从a相供电转移到c相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，获得相别转移信号情况下，a相到c相的相别调整控制图；图11为单相负载容性，控制系统要求从a相供电转移到b相供电，a相连接的两只反并联晶闸管正向电压过零后，获得相别转移信号情况下，a相到b相的相别调整控制图。图10中，ua、ia、uc、ic分别表示给单相容性负载供电的a相电压、a相电流，及其转移到c相供电时加到单相容性负载上的c相电压、流过负载的c相电流。图11中，ua、ia、ub、ib分别表示给单相容性负载供电的a相电压、a相电流，及其转移到b相供电时加到单相容性负载上的b相电压、流过负载的b相电流。由图10-11分析可见，容性负荷情况下，仍可以采用前述规则实施相别调整。因此，该控制规则适用于各种负荷形式，其控制方法类同，不再赘述。