一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的制作方法
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器。
背景技术：
电能作为现代社会中使用最广泛的能源,其电能质量是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。由于电力电子技术的飞速发展,电力电子设备得到了广泛的使用。随着办公的自动化和家用电器的日益普及,三相四线制系统中出现了大量的单相非线性用户,如计算机、打印机、日光灯、变频空调、电梯、电视机、洗衣机、电冰箱等，都呈现出较大的用电时空特性离散性，因此低压配电网三相负荷不平衡问题长期客观存在。随着220v单相新能源的接入，配电网负荷不平衡问题将会更加突出。
目前普遍应用技术是在用户端与线路中增加无功补偿装置。但是当系统三相不平衡度较大，出现严重三相不平衡，无功补偿不能达到要求，则需要进行负荷换相，得出最优算法后通过载波传输控制智能开关模块并发出命令，进行换相。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种能够自动选择在系统三相不平衡度较小的情况下采用有源滤波器进行无功补偿，而在系统出现严重三相不平衡时采用负荷换相的三相不平衡调节器及利用三相不平衡调节器调节配电网负荷不平衡的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器，包括380v三相四线输电线路和用户，还包括四桥臂三相四线制有源电力滤波器、智能换相开关模块和控制模块；四桥臂三相四线制有源电力滤波器与用户并联接入380v三相四线输电线路，智能换相开关模块输入端与380v三相四线输电线路连接，输出端与用户连接，智能换相开关模块通过物联网与控制模块连接。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，四桥臂三相四线制有源电力滤波器采用四桥臂电压型变流器，包含三相并联整流桥式电路与滤波阻抗；三相并联整流桥式电路与滤波阻抗串联，并与380v三相四线输电线路相连接。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，滤波阻抗包含滤波电感l1，l2，l3与交流电抗等效电阻r1，r2，r3；三相并联整流桥式电路的每个桥臂包括两个绝缘栅双极型晶体管igbt模块串联，每个模块包括一个二极管和一个绝缘栅双极型晶体管igbt并联，直流侧包括两个电容c1与c2并联，均压电容的中点接380v三相四线输电线路零线n，且与各桥臂中点相连，并与滤波阻抗相连形成中点钳位电路。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，智能换相开关模块包含电力电子开关单元、智能选相开关控制器、载波模块；电力电子开关单元通过a、b、c三相低压导线与380v三相四线输电线路相连接，并通过a、b、c三相低压导线与智能选相开关控制器相连接，智能选相开关控制器通过rs485接口与载波模块连接，载波模块与控制模块基于gprs通信。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，控制模块包括数据采集模块、谐波检测模块和计算单元；数据采集模块利用电流互感器采集三相电流数据。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，滤波阻抗参数选取公式为：
式中，vdc为直流母线电压，fs为开关频率，vm为电路输出电压幅值，im为电路输出电流幅值，δimax为交流侧电流波动的最大值，ω为电源电压角频率；
直流侧电容的选取公式为：
式中，pdc为直流侧消耗有功功率，δvdcmax为直流侧电压波动的最大值。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器中，在四桥臂三相四线制有源电力滤波器的电压环引入陷波器，其参数为:
式中ωc为谐振频率，取值与二次谐波的频率波动有关，波动越大，取值越大；
对o轴与d-q轴分别设计pr调节器，o轴pr控制器传递函数：
d-q轴的pr控制器传递函数：
式中，kp为比例项系数，ki为谐振项系数。
本发明还提供了一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法，包括以下步骤：当三相电流不平衡度达到一定的阈值时，通过电流互感器采集三相电流数据，计算三相电流不平衡度，从而判断是否进行用户换相；若电流三相不平衡度较小，则启动四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿；利用零序网络降低零序不平衡度，将用户功率因数补偿到0.9；若电流三相不平衡度很大，则进行用户换相。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法中，若三相电流不平衡度小于10％，则启动四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿；若三相电流不平衡度大于10％，则进行用户换相。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法中，四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿的具体步骤包括：首先谐波检测模块进行用户端的输入电流监测，并进行内部dsp计算，获得当前电流的谐波和无功分量；然后通过pwm信号发送给四桥臂三相四线制有源电力滤波器，产生一个和用户谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，利用零序网络降低零序不平衡度，将用户功率因数补偿到0.9，消除不平衡度。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法中，用户换相具体步骤包括：
步骤1、首先初始化，设置三相电流不平衡度检测时间间隔t和三相电流不平衡度单位统计时间t0；
步骤2、置三相电流不平衡度检测计时器t1初始值为0，三相电流不平衡度超限次数计数器t2初始值为0；
步骤3、通过数据采集模块采集三相电流数据，并通过计算单元计算三相电流不平衡度；
步骤4、判断三相电流不平衡度是否超标；若未超标，执行步骤5；若超标，则将三相电流不平衡度超限次数计数器t2增加1并执行步骤6；
步骤5、比较三相电流不平衡度检测计时器t1和三相电流不平衡度单位统计时间t0，若t1>t0，执行步骤2，若t1<t0，则延时t执行步骤3；
步骤6、判断三相电流不平衡度超限次数计数器t2的值是否超标；若未超标，执行步骤5；若超标，则执行步骤7；
步骤7、通过数据采集模块采集配变低压侧三相电流、各用户支路的电流、相序实时数据，并输入至计算单元；
步骤8、通过遗传算法得到各低压用户的最优换相控制命令；
步骤9、将计算单元得到的最优换相命令通过gprs通讯传递至载波模块，再传递至选相开关控制器单元；
步骤10、通过智能选相开关控制器进行数据处理，对电力电子开关单元发出换相命令。
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法中，零序网络补偿参数的计算公式如下：设容性无功为正，感性无功为负；
式中，
在上述的基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法中，步骤8遗传算法的具体实现包括，根据向量基因编码策略进行染色体编码，产生初始种群，计算种群中每个个体的适应度函数，不断进行选择优化，在达到迭代次数的要求下，得到各低压用户的最优换相控制命令。
本发明的有益效果是：在用于电力系统运行时支持自动检测，节约大量的人力物力，提高了设备的安全性以及供电的可靠性。
附图说明
图1为本发明一个实施例基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器结构示意图；
图2为本发明一个实施例四桥臂三相四线制有源电力滤波器的电路图；
图3为本发明一个实施例的智能换相开关模块电路图；
图4-1、4-2、4-3为本发明一个实施例的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例采用如下技术方案来实现，一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器，包括380v三相四线输电线路和用户，还包括四桥臂三相四线制有源电力滤波器、智能换相开关模块和控制模块；四桥臂三相四线制有源电力滤波器与用户并联接入380v三相四线输电线路，智能换相开关模块输入端与380v三相四线输电线路连接，输出端与用户连接，智能换相开关模块通过物联网与控制模块连接。
进一步，四桥臂三相四线制有源电力滤波器采用四桥臂电压型变流器，包含三相并联整流桥式电路与滤波阻抗；三相并联整流桥式电路与滤波阻抗串联，并与380v三相四线输电线路相连接。
进一步，滤波阻抗包含滤波电感l1，l2，l3与交流电抗等效电阻r1，r2，r3；三相并联整流桥式电路的每个桥臂包括两个绝缘栅双极型晶体管igbt模块串联，每个模块包括一个二极管和一个绝缘栅双极型晶体管igbt并联，直流侧包括两个电容c1与c2并联，均压电容的中点接380v三相四线输电线路零线n，且与各桥臂中点相连，并与滤波阻抗相连形成中点钳位电路。
进一步，智能换相开关模块包含电力电子开关单元、智能选相开关控制器、载波模块；电力电子开关单元通过a、b、c三相低压导线与380v三相四线输电线路相连接，并通过a、b、c三相低压导线与智能选相开关控制器相连接，智能选相开关控制器通过rs485接口与载波模块连接，载波模块与控制模块基于gprs通信。
进一步，控制模块包括数据采集模块、谐波检测模块和计算单元；数据采集模块利用电流互感器采集三相电流数据。
进一步，滤波阻抗参数选取公式为：
式中，vdc为直流母线电压，fs为开关频率，vm为电路输出电压幅值，im为电路输出电流幅值，δimax为交流侧电流波动的最大值，ω为电源电压角频率；
直流侧电容的选取公式为：
式中，pdc为直流侧消耗有功功率，δvdcmax为直流侧电压波动的最大值。
更进一步，在四桥臂三相四线制有源电力滤波器的电压环引入陷波器，其参数为:
式中ωc为谐振频率，取值与二次谐波的频率波动有关，波动越大，取值越大；
对o轴与d-q轴分别设计pr调节器，o轴pr控制器传递函数：
d-q轴的pr控制器传递函数：
式中，kp为比例项系数，ki为谐振项系数。
一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器的调节方法，包括以下步骤：当三相电流不平衡度达到一定的阈值时，通过电流互感器采集三相电流数据，计算三相电流不平衡度，从而判断是否进行用户换相；若电流三相不平衡度较小，则启动四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿；利用零序网络降低零序不平衡度，将用户功率因数补偿到0.9；若电流三相不平衡度很大，则进行用户换相。
进一步，若三相电流不平衡度小于10％，则启动四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿；若三相电流不平衡度大于10％，则进行用户换相。
进一步，四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿的具体步骤包括：首先谐波检测模块进行用户端的输入电流监测，并进行内部dsp计算，获得当前电流的谐波和无功分量；然后通过pwm信号发送给四桥臂三相四线制有源电力滤波器，产生一个和用户谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，利用零序网络降低零序不平衡度，将用户功率因数补偿到0.9，消除不平衡度。
进一步，用户换相具体步骤包括：
步骤1、首先初始化，设置三相电流不平衡度检测时间间隔t和三相电流不平衡度单位统计时间t0；
步骤2、置三相电流不平衡度检测计时器t1初始值为0，三相电流不平衡度超限次数计数器t2初始值为0；
步骤3、通过数据采集模块采集三相电流数据，并通过计算单元计算三相电流不平衡度；
步骤4、判断三相电流不平衡度是否超标；若未超标，执行步骤5；若超标，则将三相电流不平衡度超限次数计数器t2增加1并执行步骤6；
步骤5、比较三相电流不平衡度检测计时器t1和三相电流不平衡度单位统计时间t0，若t1>t0，执行步骤2，若t1<t0，则延时t执行步骤3；
步骤6、判断三相电流不平衡度超限次数计数器t2的值是否超标；若未超标，执行步骤5；若超标，则执行步骤7；
步骤7、通过数据采集模块采集配变低压侧三相电流、各用户支路的电流、相序实时数据，并输入至计算单元；
步骤8、通过遗传算法得到各低压用户的最优换相控制命令；
步骤9、将计算单元得到的最优换相命令通过gprs通讯传递至载波模块，再传递至选相开关控制器单元；
步骤10、通过智能选相开关控制器进行数据处理，对电力电子开关单元发出换相命令。
进一步，零序网络补偿参数的计算公式如下：设容性无功为正，感性无功为负；
式中，
更进一步，步骤8遗传算法的具体实现包括，根据向量基因编码策略进行染色体编码，产生初始种群，计算种群中每个个体的适应度函数，不断进行选择优化，在达到迭代次数的要求下，得到各低压用户的最优换相控制命令。
具体实施时，如图1所示，一种基于无功补偿和智能换相的三相不平衡调节器，包括四桥臂三相四线制有源电力滤波器、智能换相开关模块和控制模块；四桥臂三相四线制有源电力滤波器并联于380v三相四线输电线路；智能换相开关模块同样并联于380v三相四线输电线路；智能换相开关模块的三相电流输入端与380v三相四线输电线路相连接；智能换相开关模块通过物联网与控制模块连接；智能换相开关模块的三相电流输出端与用户相连接。
而且，控制模块监测负荷不平衡度并发出选相切换命令，与连接于三相低压导线的智能换相开关模块进行信息交流，判断换相器是否工作。
而且，四桥臂三相四线制有源电力滤波器采用四桥臂电压型变流器,并联接入电网,以受控电流源方式工作。控制模块根据数据采集模块的电流互感器采集三相电流数据，计算系统的三相不平衡度，首先看能否通过四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿将功率因数调到0.9以上来消除不平衡度，若可以，则无需进行换相操作；若不能，则再进行用户换相。本实施例的三相不平衡调节器是在无功补偿无法达到要求时，能够进行自动换相的装置。
如图2所示，四桥臂三相四线制有源电力滤波器包含三相并联整流桥式电路y与滤波阻抗z；三相并联整流桥式电路与滤波阻抗相串联，并共同通过a、b、c三相低压导线与380v三相四线输电线路相连接。滤波阻抗z包含滤波电感l1，l2，l3与交流电抗等效电阻r1，r2，r3；三相并联整流桥式电路y中每个桥臂有两个绝缘栅双极型晶体管igbt模块串联构成，每个模块由一个二极管和一个绝缘栅双极型晶体管igbt并联构成，直流侧由两个电容c1与c2并联构成，均压电容的中点是零线n，中点和各桥臂中点相连，并与滤波阻抗z相连构成中点钳位电路。
如图3所示，智能换相开关模块包含电力电子开关单元、智能选相开关控制器、载波模块。电力电子开关单元通过a、b、c三相低压导线与380v三相四线输电线路相连接，并同样通过a、b、c三相低压导线与智能选相开关控制器相连接，见图3中m；每个电力电子开关包括开关电路p1、p2二部分；智能选相开关控制器同时与载波模块相连，根据接受的换相命令对用户的开关进行控制；载波模块与控制模块进行基于gprs的通信，如图3中n；对换相命令以及换相方式进行信息的交换。
控制模块应用于的用户换相，根据负荷的不平衡度建立遗传算法的数学模型，得出最优换相方式并通过gprs传递给载波模块，再通过rs485接口传递至智能选相开关控制器进行换相开关动作。
具体工作原理如下：在配电箱的三相电流不平衡度达到一定的阈值时，控制模块根据数据采集模块的电流互感器采集三相电流数据，并开始进行分析计算；若系统三相电流不平衡度较小，并未出现严重三相电流不平衡，则启动四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿：首先控制模块中的谐波检测模块进行用户端的输入电流监测，并进行内部dsp计算，获得当前电流的谐波和无功分量；然后通过pwm信号发送给内部四桥臂三相四线制有源电力滤波器，控制该逆变器产生一个和用户谐波大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，利用零序网络降低零序不平衡度，将用户功率因数补偿到0.9，以满足无功补偿的要求，消除不平衡度；若系统三相不平衡度很大，则进行用户换相。
本实施例的工作流程如图4-1、图4-2、图4-3所示，
第一步、开始，上电自检测是否出错，如果是进行第二步，如果否控制器闭锁，记录故障。
第二步、初始化，设置三相电流不平衡度检测时间间隔t，三相电流不平衡度单位统计时间t0的值。
第三步、置三相电流不平衡检测计时器t1的初始值为0，置三相电流不平衡度超限次数计数器t2的值为0。
第四步、启动三相电流不平衡度超限次数计数器t2。
第五步、读取配变低压侧某回出线的三相电流实时数据，生成三相电流不平衡度指标。
第六步、判断该回出线端口三相电流不平衡度是否超标，如果是执行第七步，如果否执行第九步。
第七步、三相电流不平衡度超限次数计数器t2的值增加1。
第八步、判断三相电流不平衡度超限次数计数器t2的值是否超标；如果是执行第十步；如果否执行第九步。
第九步、判断三相电流不平衡度检测计时器t1的值是否大于t0，若t1>t0，执行第三步，若t1<t0，则延时t执行第五步。
第十步、采集配变电压侧三相电流、各用户支路的电流、相序实时数据。
第十一步、判断三相电流不平衡度是否超过10％，如果是执行第十三步；如果否执行第十二步。
第十二步、采用四桥臂三相四线制有源电力滤波器进行无功补偿，使功率因数达到0.9以上，执行至第二十步。
第十三步、输入采集的电流、相序数据，设置迭代次数a＝0。
第十四步、根据微量基因编码策略进行染色体编码，产生初始种群，计算种群每个个体的适应度函数。
第十五步、用适应函数对种群进行运算、判断、选择双亲双子单点向量基因整体交叉；优秀基因进行复制，基因在[100][010][001]三个基因向量间变异，生成新一代种群。
第十六步、判断是否达到迭代次数，如果是执行第十七步；如果否置a＝a+1执行第十五步。
第十七步、得到各低压用户最优换相控制指令。
第十八步、判断第1个…第i个…第n个换相装置是否需要换相操作，如果是执行第十九步，如果否则执行第十二步。
第十九步、发送最优换相控制指令给第1个…第i个…第n个自动换相装置完成操作，执行第二十步。
第二十步、消除谐波，结束。
本实施例工作流程中采用的相应算法如下：
一、计算零序补偿网络参数
计算三相电流的不平衡度，当不平衡度在2％～5％时，采用无功补偿的方式进行不平衡度的调节。由推导可得，容量最优条件下的功率形式如下：(公式均以容性无功为正，感性无功为负)
式中，
二、四桥臂三相四线制有源电力滤波器的参数选取
滤波电抗器的选取：
其中，vdc为直流母线电压，fs为开关频率，vm为电路输出电压幅值，im为电路输出电流幅值，δimax为交流侧电流波动的最大值，ω为电源电压角频率。
直流侧电容的选择：
其中，pdc为直流侧消耗有功功率，δvdcmax为直流侧电压波动的最大值。
三、无谐波检测法
为了抑制不平衡用户导致的零线电流必须采用三相dqo旋转坐标变换。
其中，由于要达到抑制零线电流的目的，则四桥臂三相四线制有源电力滤波器电容中点会流过较大的零序电流，这会导致四桥臂三相四线制有源电力滤波器直流侧电压产生较大的二次谐波，影响滤波效果。在电压环引入陷波器，主要滤除直流二次谐波。所设计的陷波器为:
式中ωc为谐振频率，它的取值与二次谐波的频率波动有关，波动越大，取值越大。
根据四桥臂三相四线制有源电力滤波器的特殊性，需要对d-q轴与o轴分别设计pr调节器。
o轴pr控制器传递函数：
d-q轴的pr控制器传递函数为：
其中，kp为比例项系数，ki为谐振项系数。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
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