智能型有源三相功率平衡装置的制造方法
【技术领域】
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[0001]本项发明属于电力系统的自动化控制技术领域，具体涉及一种提高供电可靠性、助力电网节能降损的户外智能型有源三相功率平衡装置。
【背景技术】
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[0002]随着现代科技的发展，电力系统中负载形式的多样化，对电能质量造成了一定的影响，而各种设备对电能质量的要求愈益提高。负载的不平衡会导致电网的供电质量劣化，线路损耗增加等一系列不利因素。为了减少负载不平衡对系统供电质量的影响，应使系统负载平衡化。目前，应用最广泛的是静止无功补偿装置(SVC)，可对不平衡负载进行分相补偿，其典型方式是固定电容器+晶闸管控制电抗器(FC+TCR);还有晶闸管投切电容器(TSC)也获得了广泛应用，TSC只能分组投切，和TCR配合使用，连续调节无功功率，对系统不平衡负载进行分相控制，能达到平衡负载的目的。但SVC补偿装置固有的缺点是含有较多的无源器件-电抗器或电容器，体积庞大。而且TCR这些类型的SVC本身还会产生低次谐波电流，也需安装滤波器，通常采用无源滤波器与SVC并联使用，这样会增加成本，甚至在实际运行时可能出现谐波严重放大而不是衰减。另外，SVC的工作范围较窄，当系统电压降低到一定程度时，输出的无功将随电压的下降而大幅下降，无法对系统提供足够的无功支持。
[0003]同样可实现分相补偿的静止无功发生器(SVG)也可对不平衡负载进行平衡化补偿，是一种比SVC更先进的补偿装置。当SVG在其直流侧接有电源或储能装置时，可独立地输出或吸收有功功率，补偿系统不平衡负载达到平衡化，同时，SVG可以从输电和配电系统中的动态电压控制、功率震荡的阻尼、暂态稳定性等多个方面改善电力系统的性能，是一种发展前景好的补偿装置。
[0004]本项发明提出的智能型有源三相功率平衡装置，采用了先进的电力电子(PE)技术，利用三相桥式全控PWM变流技术，自动平衡三相的有功功率和无功功率。同时可消除中性线的基波电流，使三相功率完全平衡。从而解决三相不平衡导致的线路损耗，提高线路输电能力、提高电网的电力品质和供电的可靠性。
【发明内容】
[0005]本项发明三相功率平衡装置，其基本工作原理是通过检测负载连接点的电压和负载电流，通过指令电流运算电路，推知此时负载功率情况，检测出此功率平均分配到三相时每相对应的指令电流幅值，加上维持直流侧电压恒定时对应的指令电流幅值，即为要求的指令电流幅值。再由检测到电压值通过运算电路计算得到三相电压的相位，与指令电流幅值相乘后便可得到期望的电源电流指令电流。通过运算电路与实际的电源电流比较、作差后得到误差信号，通过补偿器开关管的导通和关断，使得实际电流值跟踪期望的指令电流值，最终达到补偿负载为平衡的目的。
[0006]因此，三相功率平衡装置由两大部分组成:即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测补偿对象中的功率情况，计算负载平衡时的电源电流指令电流。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算部分得出的指令信号，控制电路产生实际的电源电流。
[0007]常用的控制方法有三种:(I)检测负载电流的控制方式；⑵检测电源电流的控制方式；(3)复合控制方式，即同时检测负载电流和电源电流的控制方式。我们所采用的就是复合控制方式，如图1所示，图中的补偿装置主要包括畸变电流检测电路，电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路等。在此方式下，指令电流信号主要来自负载电流，在其作用下，可对负载中的谐波电流进行较好的补偿。而电源电流的作用主要是抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振，使系统有较好的稳定性。可以看出，复合控制方式综合了前二种控制方式的优点。经实践证明，其补偿效果也是最优的。图2为有源三相功率平衡装置的主电路。
[0008]本项发明有源三相功率平衡装置的系统控制框图如图3所示。
【附图说明】
[0009]图1为有源三相功率平衡装置的复合控制方式
[0010]图中，1-非线性负载；2-平衡(补偿)装置；3-畸变电流检测电路；4-电流跟踪控制电路；5_驱动电路；6_主电路；7_三相交流电源。
[0011]图2为平衡装置的主电路图
[0012]图中，1-不平衡负载；2-不平衡补偿器。
[0013]图3为有源三相功率平衡装置的系统控制框图
[0014]图中，1-主电路；2_隔离、驱动、保护电路；3_电压传感器；4_A/D转换器；5_中央处理器；6_电压控制程序模块；7_电流控制程序模块；8_电流传感器；9_控制变压器；10-空间矢量PffM脉冲信号；11-指令电流运算电路和电流跟踪控制电路。
[0015]具体实施方法
[0016](I)低通滤波器的设计本项发明有源三相功率平衡装置，其控制系统的设计包括:指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令运算电路主要是根据检测到的瞬时值按照选定的算法计算出电源电流基准值。此过程中，低通滤波器的设计很关键，这里我们选用巴特沃斯(Butter worth)低通滤波器，能确保电源电流指令电流的准确性并获得理想的补偿效果。
[0017](2)控制环节的设计采用了双环控制，即Pl电压外环和Pl电流内环控制。电压外环的主要作用是控制补偿装置直流测电容的电压维持在额定值附近；而电流环的主要作用是控制电源电流值。具体过程是以电压外环的输出和控制算法的结果为基准值，与实际检测到的电源电流比较；通过坐标变换，此误差信号在旋转坐标中经Pi电流调节器进行控制，使三相电源电流正弦对称，实现负载平衡，补偿负载谐波和无功功率。
[0018](3)空间矢量脉宽调制(SVPffM)的选用
[0019]与常规的正弦波脉宽调制(SPffM)方法对比，SVPffM调制具有电压利用率高的优点(提高了 15.47%)。并且，SVPffM能使电机转矩脉动降低，电流波形畸变减小，更易于实现数字化。同时，还可证明电压SVPffM调制技术可等效为注入一定零序分量的SPWM。
[0020](4)控制系统中的元器件及设计参数的选定
[0021]按照图3的系统控制框图，三相电源电压有效值为55V，负载电流有效值< 3A，连接电感选为3mH，直流测电容选为470 μ F，电容电压基准值设为165V，开关管选用SSH10N110的功率M0SFET，开关频率是20KHz。
[0022]选用10位ADC转换器，其最小转换时间为500ns，16个多路复用的输出通道，可触发两个8通道输入A/D转换器。
[0023]电压检测采用控制变压器(工频)检测，变比为220/6
[0024]电流传感器采用LA28-NP型，设定的原付边变比为3/1000
[0025]选用1R2130作为补偿装置开关管的驱动芯片，只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，驱动电路简单可靠。
[0026]由图3可知，控制系统的基本流程为:通过电压、电流传感器，检测系统运行时的系统参数，具体是电网相电压ea、eb,电源电流isa、isb，负载电流ila、ilb以及补偿装置直流侧电压Udc,经A/D转换后，分别送入数字处理芯片，经过控制算法的处理，产生开关控制信号，发生脉冲，经隔离后驱动主电路的开关管，控制补偿电流，间接控制电源电流，使其三相正弦对称，平衡负载。其中，指令电流产生模块是以DSP TMS320LF2407为核心建立的，主要完成控制算法，其中包括稳定直流侧电压的算法，SVPffM信号的产生算法，以及提供装置的各种过流、过压、限幅等故障保护功能。
【主权项】
1.一种户外智能型有源三相功率平衡装置，包括主电路(1)，驱动、隔离、保护电路(2)，电压传感器(3)，电流传感器(8)，控制变压器(9)以及指令电流运算电路和电流跟踪控制电路(11)。其特征在于指令运算电路主要根据检测到的瞬时值按照选定的逻辑方法得出电源电流基准值，为确保电源电流指令电流的准确性，选用了 Butter Worth低通滤波器。2.根据权利要求1所述的智能型有源三相功率平衡装置，其特征在于采用了双环控制，即Pl电压外环和Pl电流内环的控制。3.根据权利要求1所述的智能型有源三相功率平衡装置，其特征在于选用了空间矢量脉宽调制SVPWM。
【专利摘要】本项发明三相功率平衡装置由两大部分组成：即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。该三相功率平衡装置的系统控制框图如附图所示。由图可知，控制系统的基本流程为：通过电压、电流传感器，检测系统运行时的参数，具体是电网相电压ea、eb，电源电流isa、isb，负载电流ila、ilb以及补偿装置直流侧电压Udc，经A/D转换后，分别送入数字处理芯片，经过控制算法的处理，控制补偿电流，间接控制电源电流，使其三相正弦对称，平衡负载。其中，指令电流产生模块是以DSP？TMS320LF2407为核心建立的，主要完成控制算法，其中包括稳定直流侧电压的算法，SVPWM信号的产生算法，以及提供装置的各种过流、过压、限幅等故障保护功能。
【IPC分类】H02J3/26
【公开号】CN105576676
【申请号】CN201410532417
【发明人】邓隐北, 张子亮, 唐庆伟
【申请人】河南汇德电气有限公司
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2014年10月11日