一种三相电网功率平衡装置及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相电网功率平衡装置，包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一个中间电容，两个全桥电路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输出端分别与两个单相变压器的副边相连，两个单相变压器原边的一端分别与三相电网中的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连，控制单元与全桥电路相连，用于控制全桥电路的输出电流以实现三相电网基波正序无功、基波负序和谐波补偿的一种或多种组合。本发明的装置具有结构简单、功能全面等优点。本发明的方法则通过调整全桥电路的输出电流以实现不同的功能，具有操作简便、易于实现等优点。
【专利说明】
一种三相电网功率平衡装置及控制方法
技术领域
[0001] 本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种三相电网功率平衡装置及控制方 法。
【背景技术】
[0002] 三相电网中存在着大量的单相负荷(如机车)及不平衡负荷（电弧炉负荷），导致三 相电网不平衡，同时还存在谐波和无功等问题。目前针对三相电网不平衡问题补偿方案主 要采用的是角接、星接拓扑装置进行补偿，同时兼具无功及谐波治理，如角接SVG、角接SVC、 星接SVG。角接SVG存在线电流转换成相电流问题、控制复杂，角接SVC存在补偿时间慢问题 且补偿能力有限，星接SVG有补偿能力有限、补偿灵活性受限等问题。另外SVG和SVC都不能 实现有功功率平衡。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题就在于:针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种结构简单、功能全面的三相电网功率平衡装置，并相应提供一种操作简便、易于实现的三 相电网平衡装置的控制方法。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
[0005] -种三相电网功率平衡装置，包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一 个中间电容，两个全桥电路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输 出端分别与两个单相变压器的副边相连，两个单相变压器原边的一端分别与三相电网中的 两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连，控制单元与所述全 桥电路相连，用于控制所述全桥电路的输出电流以实现三相电网基波正序无功、基波负序 和谐波补偿的一种或多种组合。
[0006] 优选地，两个所述全桥电路均为由四个IGBT模块构成的H桥电路。
[0007]本发明还公开了一种基于如上所述的三相电网功率平衡装置的控制方法，其特征 在于，包括以下步骤：
[0008] (1)获取三相电网目标补偿电流Iq*和IC2*，同时将Udc与Udc_ref做差得AUdc处理成 基波正序有功分量Imt^PI2flp*a，作为损耗所需电流及供电需求电流或能量回馈电流，其中 Ud。为中间电容两端的电压，Uorf为目标维持电压;则两个全桥电路的工作指令电流IC1、IC2 由目标补偿电流Iq'Ic/和基波正序有功分量ImP、ImP*a相应叠加而成，如下式： 1I.cn - h +.1.2 f \p Ic2-Ic；+I2flp*a (1)；
[0010] ⑵将目标补偿电流IC1*和IC2*补偿至三相电网中，此时三相电网电流I A、IB、Ic等于 三相负载电流Ia、Ib、Ib与补偿电流之和，如下式： 1=1八
[0011] - 4 = A + (-,C1 U Jd+Ic2 (2).
[0012] 其中 la =I!lp+Iflc+If2+IaIl
[0013] ^ h=IjiP*CX2 +1/1, *?2+//2*?+4/, /c. = Inp *? + Ifig +{n *?2 + (3).
[0014]式（3)中，IfiP、IfiP*a2、Ifi p*a为A、B、C相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq*a2、Ifiq*a为A、 B、C相基波正序无功分量;If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量;I ah、Ibh、Ich分别为三相 负载电流谐波分量，a为复数算子，a = d12()°，其中l+a+a2 = 0;
[0015]通过全桥电路对三相电网目标补偿电流IC1*和IC2*进行调整，以实现基波正序无 功、基波负序和谐波补偿的一种或多种组合。
[0016]优选地，在步骤(2)中，当IC，和IY为下式时，能够实现基波正序无功、基波负序和 谐波治理， r n ^Cl =~If2~Iflq~Iah …
[0017] V . ⑷; A：： =~l i ' ^°- ~l ,\q *a'~hl,
[0018] 当Ic，和Ic/为下式时，能够实现基波负序治理， Uci=~Ir
[0019] \ t n. (5)；
[0020] 当IalPiy为下式时，能够实现基波负序和基波正序无功治理，
[0021] <{ , (6)； \lC2* = -ln*cr-l,^a
[0022]当为下式时，能够实现基波负序和谐波治理， = -Iak
[0023] / *--~-/ (7);
[iC2 _ if2 a Ich：
[0024] 当Ic，和Ic/为下式时，能够实现无功治理，
[0025] |/a- //1￥ ⑶； \Jc7 = *a
[0026] 当Iq*和Ic/为下式时，能够实现谐波治理，
[0027] 卜-1〇" (9)， =-
[0028]当为下式时，能够实现基波正序无功和谐波治理，
[0029] | (10)。
[ iC2 ~ I/Uj a 1ch
[0030]与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0031]本发明的三相电网功率平衡装置，不仅能够实现三相供电电网的电能治理，即负 序、无功及谐波补偿，功能全面且易于实现，而且采用单相变压器以及全桥电路构成，其结 构简单、成本较低。本发明的控制方法同样具有如上系统所述的优点，而且操作简单、功能 全面且易于实现。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的等效结构示意图。
[0033]图2为补偿指令电流的控制方框图。
[0034]图3为本发明的方框结构示意图。
[0035]图4为本发明中全桥电路的电路原理图。
[0036]图5为消耗电流的控制方框图。
【具体实施方式】
[0037] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0038] 如图1所示，本实施例的三相电网功率平衡装置，包括两个等效的独立可调电流源 IC1和IC2,具体包括控制单元、两个单相变压器、两个全桥电路和一个中间电容，两个全桥 电路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电路的交流输出端分别与两个单相变 压器的副边相连，两个单相变压器原边的一端分别与三相电网中的两相相连，两个单相变 压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连，控制单元与所述全桥电路相连，用于控制 所述全桥电路的输出电流以实现三相电网基波正序无功、基波负序和谐波补偿的一种或多 种组合。其其中全桥电路Hl(逆变器U1)可实现图1中电流源Icl功能，全桥电路H2(逆变器 U2)可实现图1中电流源Ic2。另外图5为图3中消耗电流指令获取框图，其中Udc为图3中Udc+与 Udc--之间的直流电压，Udc_ref为目标维持电压，Udc与Udc_ref做差得A Udc后，经过一个控制过 程，将其变化成基波正序有功消耗分量I2flp和I2flp*a，用于装置消耗及补偿谐波的可能消 耗。
[0039] 本发明相应公开了一种基于如上所述的三相电网功率平衡装置的控制方法，具体 为：
[0040] 图1中三相电网侧电流为14、18、1。，三相负载电流为13、1^1^因为三相系统不含有 零序分量，所以将负载电流分解为基波正序有功、基波正序无功、基波负序、谐波形式。如下 所示： 乂：Inp + I.nq+I.rALh
[0041 ] ^ 4 = lnP * + {fiq * ?2 + If2 * ? + hh Ic = Iflp * a +1fU] *a + Ir^a2+Iih ⑴
[0042]其中 Ifip、Ifip*a2、Ifip*a为A、B、C相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq*a 2、Ifiq*a为A、B、C 相基波正序无功分量；If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量；I ah、Ibh、Ich分别为三相负 载电流谐波分量，a为复数算子，a = ，其中1 +a+a2 = 0;
[0043] 在未补偿前，三相电网电流Ia、Ib、Ic等于三相负载电流13、1^1^加入补偿后电网 电流为负载电流与补偿电流之和，如下式： ^ a =K+ h'l
[0044] ' 二 ,'C = 4 + 人:2 (2)
[0045] 当有： h' =-ln _6] / *--/ l2 L c'2 ，2 汉 (：5>
[0047] 则-Ici*-Ic2* = lf2+If2*a2 = -If2*a，代入公式(2)中，即补偿后得到： K = {flp + hlq + 1 ah
[0048] <Ih=lfh*a2+Ifhl *a2+Ibh
[0049]即网侧三相电流中将无基波负序分量，在不考虑谐波情况下，实现网侧三相功率 平衡。
[0050] 同理，当有：
[0051] r " r * ^ r ^
[h-2* = -If2*a (6)
[0052] 则-IC1*-IC2* = -If2*a-Iflq*a2,代入式⑵中，即补偿后网侧三相电流中将无基波 负序分量，在不考虑谐波情况下，实现网侧三相功率平衡和无功补偿。
[0053] 当有： Uc* - ~4a
[0054] 1, 7 , , r
[^2=^/2 a ~hh (?)
[0055] 由于Iah+Ibh+Ich = 0,则-Ici*-Ic2* = -If2*a-Ibh，代入公式（2)后，即补偿后，网侧三 相电流中只有基波正序分量，实现三相功率平衡及谐波补偿。
[0056] 当有： C00571 |/C2* = -1,2*a2-Iflq *a-Ich ⑷
[0058]由于Iah+Ibh+Ich = 0,则-Ici*-Ic2* = -If2*a-Iflq*a2-Ibh，代入公式（2)后，即补偿后 供电网侧三相电流中只有基波正序有功，实现三相功率平衡、无功补偿及谐波补偿。
[0059]同理当不考虑三相电网负序分量时，补偿装置可以单独补无功或谐波。如式(8)、 式(9)、式(10)所示。 J'n = -
[0060] f t
[/C2 - Iflq a 〔8) \h'i = ~Kh
[0061] 1 L々'2--々/; .(9》 |7r] =-/，、- /a,,
[0062] \j _ ., 丨 a-!<lt (1〇)
[0063] 实际补偿装置损耗及谐波可能的有功消耗，需要从三相电网吸收一定有功，可以 在Ici、Ic2再分别叠加 l2flp和l2flp*a来实现，其中l2flp为从A相需要吸收的基波正序有功。另 外实现谐波分次补偿理论与基波类似。
[0064] 本实施例中，如图2所示，图2中2-1为一个目标电流分解运算模块，来获取三相电 网目标补偿电流，目标电流值1^和Ic/根据补偿目标按对应公式要求求解。可调电流源Icl 和Ic2的最终指令电流"和"再分别在和上叠加基波正序有功消耗分量I2flp和 I2fiP*a获取。即如公式⑴所示。 h-i=h-i +^2f\P
[0065] " * Ic2 - ICi + I2 fip a (1)
[0066] 在补偿负序时，由公式(5)代入(1)式获取得到最终指令电流ICjPIC2;
[0067] 补偿负序、无功时，由公式(6)代入(1)式获取得最终指令电流IcdPIC2;
[0068] 补偿负序、谐波时，由公式(7)代入(1)式获取得到最终指令电流IcdPIC2;
[0069] 补偿负序、无功、谐波时，由公式(4)代入(1)式获取得到最终指令电流ICjPIC2;
[0070] 补偿无功时，由公式(8)代入(1)式获取得到最终指令电流ICjPIC2。
[0071]以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【主权项】
1. 一种三相电网功率平衡装置，其特征在于，包括控制单元、两个单相变压器、两个全 桥电路和一个中间电容，两个全桥电路形成背靠背结构形式且共用中间电容，两个全桥电 路的交流输出端分别与两个单相变压器的副边相连，两个单相变压器原边的一端分别与三 相电网中的两相相连，两个单相变压器原边的另一端则与三相电网的第三相相连，控制单 元与所述全桥电路相连，用于控制所述全桥电路的输出电流以实现三相电网基波正序无 功、基波负序和谐波补偿的一种或多种组合。2. 根据权利要求1所述的三相电网功率平衡装置，其特征在于，两个所述全桥电路均为 由四个IGBT模块构成的Η桥电路。3. -种基于如权利要求1或2所述的三相电网功率平衡装置的控制方法，其特征在于， 包括以下步骤： ⑴获取三相电网目标补偿电流Iq*和Ic/，同时将Udc与Udo做差得AUdc处理成基波正 序有功分量l2flt^PI2flp*a，作为损耗所需电流及供电需求电流或能量回馈电流，其中U dc为 中间电容两端的电压，Udmf为目标维持电压;则两个全桥电路的工作指令电流Iq、IC2由目 标补偿电流lei'和基波正序有功分量l2flp、l2flp*a相应叠加而成，如下式：(1); (2)将目标补偿电流Iq*和IC2*补偿至三相电网中，此时三相电网电流1^18、1。等于三相 负载电流Wb、Ib与补偿电流之和，如下式： 其中式（3)中，Ifip、Ifip^a2、相基波正序有功分量；Ifiq、Ifiq^a2、Ifiq^c^AhB'C 相基波正序无功分量；If2、If2*a、If2*a2为A、B、C相基波负序分量；I ah、Ibh、Ich分别为三相负 载电流谐波分量，α为复数算子，a = d12()°，其中1 +α+α2 = 0; 通过全桥电路对三相电网目标补偿电流Ic，和Ic，进行调整，以实现基波正序无功、基 波负序和谐波补偿的一种或多种组合。4. 根据权利要求3所述的三相电网功率平衡装置的控制方法，其特征在于， 在步骤(2)中，当1^和Id为下式时，能够实现基波正序无功、基波负序和谐波治理，(4)1 当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序和基波正序无功治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现基波负序和谐波治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现无功治理，当Ic/和Id为下式时，能够实现谐波治理， ~ ^ch当Ic/和Id为下式时，能够实现基波正序无功和谐波治理，
【文档编号】H02J3/01GK105958507SQ201610367511
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】周方圆, 涂绍平, 龚芬, 龙礼兰, 黄燕艳, 邱文俊, 王才孝, 吴明水, 文韬, 胡前, 张典, 吕顺凯, 吴选保, 邓明, 朱建波
【申请人】株洲变流技术国家工程研究中心有限公司