一种新型换相开关装置的制作方法

本申请涉及一种新型换相开关装置，可应用于配电台区解决台区三相负荷不平衡问题。

背景技术

配电网处于电力系统的末端，传输距离长，降压层次多，点多面广，运行状态受运行方式和负荷变化的影响较大，这些状况导致配电网在一定区域和时段处于非经济运行状态，需要对电压和无功等指标进行协调控制。在低压三相四线制的供电系统中，用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，并且负荷大小不同和用电时间的不同，因此导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡。

针对三相负荷不平衡，目前主要的解决方案有前期配电网建设规划时将负荷均匀分配，在实际运行中根据负荷平衡情况，部分三相不平衡地区一般采用手动或自动投切的电容器组进行补偿。手动调整，效率低下，影响供电连续性。此外即使是最先进的晶闸管分相投切电容组,只能解决功率因数的补偿问题,也不能有效的平衡三相负荷。

当前出现了两种三相负荷不平衡治理装置，分别是电力电子型和换相开关型。电力电子型三相不平衡治理装置，是以igbt(绝缘栅双极晶体管)开关为核心，采用先进的pwm脉宽调制技术，实现电能变换的一种全数字化电力电子装置，能够针对波动负载进行快速有效的动态无功补偿，对电压波动与闪变、负荷不平衡、功率因数、谐波进行补偿，在有效改善电能质量。但其存在自身损耗高、噪音及谐波污染等弊端。换相开关型三相负荷不平衡治理装置，是一种分散安装到配电台区通过切换单相负荷到不同相以实现三相负荷调平的装置，如图1所示，换相开关型三相负荷不平衡治理装置包括一个安装到台区的主控制器，一定数量的安装到三相转单相负荷处的换相开关，主控制器负责测量总的三相电压电流以及每个开关的相位及电压电流信息，通过特定的控制策略调整换相开关所带单相负荷所处的相位，以达到台区总电流调平的目的。

技术实现要素：

针对当前换相开关式三相负荷不平衡治理装置在换相过程中必然存在的换相时间可能影响用户用电连续性的问题，本发明提出了一种新型换相开关装置，既保证了换相开关型三相负荷不平衡治理装置自身损耗低的优点，又避免了其换相断电时间，弥补了其本身存在的缺点。

本发明提供了一种新型换相开关装置，所述新型换相开关装置包括：监控单元，换相开关单元，补偿单元；

所述监控单元包括控制模块、模拟量测量模块、换相开关触发及反馈模块、补偿触发及反馈模块、通信模块；

所述通信模块接收三相负荷不平衡治理装置的主控制器控制指令及发送所述换相开关装置的反馈信息至所述主控制器；

所述模拟量测量模块用于采集换相开关单元及补偿单元的电压和/或电流信息，并将该信息传送到控制模块；

所述换相开关触发及反馈模块用于对换相开关单元进行控制及采集换相开关单元的反馈信息；

所述补偿触发及反馈模块用于对补偿单元进行控制及采集补偿单元的反馈信息；

所述控制模块接收所述通信模块传输的所述控制指令、所述模拟量测量模块采集的电压和/或电流信号、以及所述换相开关触发及反馈模块和所述补偿触发及反馈模块的反馈信息，通过控制策略发出对所述换相开关单元及所述补偿单元的控制命令，完成单相负荷在交流电三相间不断电的任意切换。

示例性地，所述控制策略用于使补偿单元输出与切换前的当前相相位及幅值一致的电压波形，然后完成移相使补偿单元输出与目标相相位及幅值一致的电压波形。

示例性地，所述控制策略包括：控制模块采用pr控制，在所述换相开关单元取得换相指令后，启动所述补偿单元；

采样电网三相电压，通过pll锁相器进行锁相，获得输出电压相位θ；

在所述监控单元断开所述换相开关单元当前相后，根据得到要切换的目标相，选择相位移相范围；

将选择好的移相相位与pll锁相器输出相位做求和处理，通过斜坡函数后与锁相器输出电压u^*形成电压矢量，引入电压反馈控制参量u0，将所述锁相器输出电压u^*和电压反馈控制参量u0叠加，作为pr控制器的输入量，经所述pr控制器调节后，产生pwm控制脉冲，控制所述补偿单元输出与当前相相位及幅值一致的电压波形。

示例性地，所述pr控制器包括比例调节器和谐振调节器。

示例性地，所述谐振调节器包括所述pr控制器的输入量经过和后，输出结果；并与所述比例调节器的输出结果叠加，作为pr控制器的输出量。

示例性地，所述换相开关单元还包括：至少一个换相开关，其中每个换相开关包括两个单刀双掷开关及一个单刀单掷开关；所述两个单刀双掷开关为第一开关和第二开关；所述单刀单掷开关为第三开关；电网a相接线端和b相接线端分别与所述第一开关的两个输入端子电连接；所述第一开关的输出端子和电网c相接线端分别与所述第二开关的两个输入端子电连接；所述第二开关的输出端子依次通过所述第三开关、电流传感器与所述模拟量测试模块输入端子电连接；所述第三开关的两端并联有晶闸管。

示例性地，所述换相开关单元还包括：所述换相开关单元的三相输入端具有相同的结构，均包括第一并联支路和第二并联支路，所述第一并联支路包括一开关，所述第二并联支路包括一晶闸管，每相支路串联一熔断器，三个熔断器的一端共同连接电流传感器，然后与所述模拟量测量模块输入端子电连接。

示例性地，所述补偿单元还包括单相全桥逆变电路或单相半桥逆变回路，以产生单相电压波形。

示例性地，所述补偿单元还包括全桥整流电路或电池或超级电容储能的方式，以提供直流侧能量。

示例性地，所述通信模块的通信方式包括无线通信、电力载波通信、光纤通信、gprs通信中的至少一种。

示例性地，在换相开关单元取得换相指令后，启动补偿单元，通过pll锁相，通过pr控制，以及输出电压uo的反馈，产生pwm脉冲，控制补偿单元输出与当前相相位及幅值一致的电压波形，在监控单元断开换相开关单元当前相后，根据得到要切换的目标相，控制策略选择相位移相120°还是240°，移相完成后，补偿单元得到与目标相相位及幅值一致的电压波形，监控单元接通换相开关单元目标相，补偿单元结束工作。

本发明具有的优点和积极效果是：

新型换相开关装置可用于三相负荷不平衡治理装置，使三相负荷不平衡治理装置具备常规的调平台区负荷的功能，同时还可避免常规换相开关型三相负荷不平衡治理装置换相过程中存在的换相时间，可做到零切换时间，保证了供电连续性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术中的换相开关型三相负荷不平衡治理装置的示意图。

图2为实现本发明一实施例的示意性原理图。

图3为实现本发明另一实施例的示意性原理图。

图4为实现本发明又一实施例的示意性原理图。

图5为实现本发明的示意性控制策略示意图。

图6为换相开关单元一结构示意图。

图7为换相开关单元另一结构示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

首先，参考图2-图4来描述用于实现本发明实施例的换相开关装置的示意性原理图。

如图2-图4所示，一种新型换相开关装置，该装置包括监控单元1、换相开关单元2、补偿单元3，所述监控单元1包含控制模块、模拟量测量模块、换相开关触发及反馈模块、补偿触发及反馈模块、通信模块11。

所述通信模块接收三相负荷不平衡治理装置主控制器的指令及反馈当前装置的反馈信息至所述主控制器；所述通信模块可采用不同通信方式，包括但不限于无线通信、电力载波通信、光纤通信、gprs通信等。

所述模拟量测量模块用于采集换相开关单元及补偿单元的电压电流信息，并将该信息传送到控制模块。

所述换相开关触发及反馈模块用于对换相开关内器件进行控制及采集其反馈信息。

所述补偿触发及反馈模块用于对补偿单元内电力电子器件进行控制及采集其反馈信息。

所述控制模块接收所述通信模块传输的换相命令以及接收模拟量测量模块采集的电压电流信号，通过一定的控制策略发出对换相开关单元及补偿单元的控制命令，并接收以上所述换相开关触发及反馈模块和所述补偿触发及反馈模块返回的信息。

所述换相开关单元可以实现将单相负荷在交流电三相间任意切换，其实现方式有多种，作为一个实施例，换相开关单元可以采取如图6所示的结构，换相开关单元的三相输入端具有相同的结构，均包括第一并联支路和第二并联支路，第一并联支路包括一开关(s1、s2、s3)，第二并联支路包括一晶闸管(t1、t2、t3)，每相支路串联一熔断器，三个熔断器的一端共同连接电流传感器，然后与模拟量测量模块输入端子电连接。

以a相切换到b相为例，正常运行时，a相开关s1处于闭合状态，其他两相开关以及所有的晶闸管均处于断开状态，此时负载由a相供电。当终端接收到切换指令时，控制模块便给晶闸管t1发出触发脉冲，晶闸管t1导通后关断开关s1，待s1完全关断，撤去晶闸管t1的触发信号，晶闸管t1在撤去触发脉冲信号后的第1次电流过零点自然关断。为了避免出现相间短路情况，在检测到a相晶闸管t1完全关断后，再触发b相的晶闸管t2导通，t2导通后触发b相开关s2闭合，随后断开t2，由b相给负载供电。至此，由a相切换到b相的相别切换过程结束。其他切换过程与上述过程类似，在此不再叙述。该换相开关单元能够实现切换过程平稳、迅速，能满足敏感性负载的供电要求。

作为一个实施例，图7示出了换相开关单元的另一种形式：换相开关单元的结构为每个换相开关包括两个单刀双掷开关及一个单刀单掷开关；所述两个单刀双掷开关为第一开关和第二开关；所述单刀单掷开关为第三开关；电网a相接线端和b相接线端分别与第一开关的两个输入端子电连接；所述第一开关的输出端子和电网c相接线端分别与第二开关的两个输入端子电连接；所述第二开关的输出端子依次通过第三开关、电流传感器与模拟量测试模块输入端子电连接；所述第三开关的两端并联有晶闸管。

本发明提出的采用两个单刀双掷开关，及一个单刀单掷开关，该方案在换相期间除能够做到“电流过零切除，电压过零投入”外，三相切换相互闭锁，不会出现相间短路，并且开关体积比其它方案都小，利于开关的小型化设计。

所述开关包括磁保持继电器或接触器。

所述补偿单元3可以采用多种方式实现，产生单相电压波形可采用本发明所描述的单相全桥逆变电路，也可采用单相半桥逆变回路等多种拓扑。

所述补偿单元的直流侧能量可采用多种方式实现，作为一个实施例，如图3所示，采用交流侧通过整流取得直流电压，可节省电容容量，整流电路32采用全桥整流方式。作为一个实施例，如图4所示，采用电池33或者超级电容31进行储能，可与用户储能进行结合。

下面进一步阐述为实现本发明的具体控制策略。传统pi瞬时值控制具有结构简单、控制参数易于整定、应用广泛等优点，但在静止坐标系下存在着稳态误差，造成并网电流的谐波增大、鲁棒性小等不足。

本发明的一个实施例中采用比例谐振控制方法(pr控制)，其能在静止坐标系下跟踪参考电流实现零稳态误差控制，有效改善并网电流波形，具体过程如下：

在换相开关取得换相指令后，启动补偿单元，采样电网三相电压uan、ubn、ucn通过pll锁相器进行锁相，获得一个输出电压相位θ，在监控单元断开换相开关单元当前相后，根据得到要切换的目标相，选择相位移相120°还是240°，将选择好的移相相位与pll锁相器输出相位做求和处理，通过斜坡函数ramp和三角函数cos后与锁相器输出电压u^*形成电压矢量，引入电压反馈控制参量u0，两者叠加，作为pr控制器的输入量，pr控制器包括比例调节器p和谐振调节器，所述pr控制器的输入量一路输入比例调节器p，输出比例调节器p的结果；另一路输入谐振调节器中的然后经过接着进行限幅后，输出谐振调节器的结果；所述比例调节器p的结果与所述谐振调节器的结果二者相加输入限幅后最终产生pwm控制脉冲，控制补偿单元输出与当前相相位及幅值一致的电压波形，移相完成后，补偿单元得到与目标相相位及幅值一致的电压波形，监控单元接通换相开关单元目标相，补偿单元结束工作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。