一种分布式的三相负荷自动平衡装置的制作方法

本发明属于低压三相配电技术领域，尤其涉及一种分布式的三相负荷自动平衡装置。

背景技术：

在低压配电网侧，由于越来越多的大功率负荷、非线性负载接入电网，以及用户用电的随机性和不确定性，导致负荷的不平衡分布，电网中存在着严重的三相不平衡现象。电网在三相负荷不平衡的条件下运行，会产生零序电流，该电流随三相负荷不平衡的程度变化，不平衡度越大，零序电流也越大。零序电流会增加变压器的损耗，严重时还会损害变压器。所以，解决三相不平衡问题既是对能源合理利用的要求，更是建立环境友好型社会和智慧城市的要求。

目前解决三相不平衡的办法主要有：1.采用人工换相的方法，经过长时间三相负荷不平衡的累积，切断电源，通过人工的方式调节平衡，这种方法较为常见，通常情况下，农网用电作为三相不平衡调解过程中的牺牲品，也会带来很大的损失；2.利用无功补偿装置进行补偿，但是该装置只能在出现不平衡时进行补偿，且调节效果有限，并不能从根本上解决三相不平衡；3.智能机械开关方式的换相技术，该技术虽然能够在整体上平衡，但仍然存在对负载冲击大等缺点。

尽管目前三相不平衡治理存在多种解决办法，但都不能从根本上解决。本发明另辟蹊径，从引起单相不平衡的负荷不平衡来考虑，提出了三相负荷平衡的解决思路，当电网中出现不平衡时，将负载从电流较大的一相切换到电流较小的一相上来，并解决了在换相过程中负荷无感知换相的技术问题。

技术实现要素：

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种分布式的三相负荷平衡装置。通过在台区检测电网中的三相不平衡度，发送指令到换相电源执行换相，且保证负荷在换相过程中正常工作，从而实现三相负荷平衡的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明一种分布式的三相负荷平衡装置，包括总控制单元、三相子结点单元和换相电源单元。总控制单元由电压电流采集电路、通讯单元和显示单元组成，实现台区内三相不平衡度的监测、分析、发送和显示；三相子结点单元为换相电源单元上属区域的划分，由电压电流采集电路、通讯单元和信息存储单元组成；换相电源单元为整个装置的核心组成部分，包括包括控制单元、通信单元、ac-dc整流电路，dc-ac逆变电路，滤波网络，可调式升压变压器以及开关组单元；换相电源在接收到换相指令时进入工作模式，在换相完成和未接收到换相指令时退出工作模式。

可选地，其控制结构包括三层控制单元，第一层控制为总控制单元，负责整个台区的控制指令；第二层控制为三相子结点控制单元，负责台区下属区域的控制指令；第三层控制为单相电用户侧控制单元（换相电源控制单元），负责接收控制指令并执行换相。

可选地，还包括通讯单元，所述通讯单元分别连接在所述台区总控单元和所述单相电用户侧控制单元，分别负责发送总控单元的控制指令和接收台区总控单元的指令。

可选地，还包括数据处理单元，所述数据处理单元将所述台区总控单元和各个三相子结点控制单元采集到的数据进行存储、计算；当台区内三相不平衡超过设定值时，数据处理单元经过分析，得出需要换相的结果并生成换相指令。

可选地，所述换相电源单元的各个部分的连接方式为，四线端入口分别接一个开关元件，以此把换相电源接在不同的相上，将三相电压上开关的另一端连接在一起与零线上开关的一端分别作为升压变压器的两个输入端；升压变压器输出端接整流电路，整流电路输出经过电容滤波接逆变电路，所述逆变电路输出连接lc滤波网络，输出端各连接一个开关，将开关的输出端连接到两端接线口，连接负载。

可选地，还包括定时单元，电压电流采集单元由定时单元触发，在保证数据有效的前提下，进行有间隔的采样。

可选地，所述换相电源单元还包括相位信号提取电路，包括三相电压信号采集，过零比较器，施密特触发器，用于提取各相电压的相位信号。

可选地，所述换相电源单元dc-ac逆变电路包括四个mos管或其他功率开关管，连接在所述dc-dc整流电路之后。

可选地，还包括锁频锁相单元，将所述施密特触发器整形后的相位信号送入控制器，所述控制器通过改变驱动信号改变逆变电压的相位。

可选地，还包括闭环控制单元，将所述滤波网络输出端通过电压隔离采样，将模拟信号转化为数字信号，输入所述控制单元，控制单元通过改变驱动信号稳定逆变输出电压。

可选地，还包括选相开关组单元，开关组分别连接在三相子节点单元与所述换相电源单元之间，换相电源单元与用户侧负载之间以及三相子节点单元与用户侧负载之间，分别控制将用户侧负载接在哪一相上，包括至少9个开关为一组。

可选地，所述换相电源单元输出220v/50hz电压。

可选地，还包括弱电电源单元，包括降压变压器、整流电路、稳压电路，输出可供所述控制单元、通讯单元、信号提取电路的弱电电源。

可选地，还包括大数据处理单元，负责分析所采集到的数据，根据采集到的数据，分析并预测某个时间段内为用电高峰期，预测可能出现的三相不平衡，并提前换相。

本发明提供的一种分布式的三相负荷平衡装置的有益效果：

本发明通过主控制单元对台区三相不平衡度的检测，并发送指令给换相电源单元；换相电源单元作为负载在换相过程中电网的替代电源，可以实现在换相过程中负载无感换相。本发明从三相不平衡产生的根本原因上来解决问题，不仅对电网冲击小，而且不影响用电器的正常工作，减少了由于三相不平衡造成的对电网资源的浪费，具有十分重要的意义。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例的系统结构框图；

图2为本发明实施例换相电源的组成示意图；

图3为本发明实施例换相电源连接示意图；

图4为本发明实施例相位信号提取结构示意图；

具体实施方法:

为了使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。

参照附图1，本发明提供的一种分布式的三相负荷平衡装置，包括三层结构，总控制单元（1）负责整个区域范围内的三相不平衡度检测，经过算法分析，发送换相指令，保证整个区域内的三相平衡；三相子结点单元（2）负责检测下属区域内的三相不平衡度，负责将下属的单相用电侧进行区域划分；负载侧（3）即为单相用电侧，通过换相电源单元（4）连接用户的单相用电器；其中总控制单元下分为n个三相子结点单元（2），三相子节点单元（2）下可接n个负载（3）。

参照附图2，换相电源单元（4）包括三相四线输入端（5）和负载输出端（3），其中，输入端（5）接三相子结点单元（2），输出端接负载（3）；三相电压输入连接开关组单元（7），三个开关（100、101、102）分别控制换相电源单元的接在不同的相位上，经过开关组单元（7）之后，输出为单相电压，连接升压变压器（8），由于后级逆变电路会消耗电压，为了保证换相电源输出电压与电网电压大小相等，需要在前级接入升压变压器（8）；升压后的电压信号经过整流电路（9）输出直流信号，在经过逆变电路（10）和滤波网络（11）后输出交流信号，该交流信号频率与电网频率相同，与电网电压幅度相同，且相位信号可控；滤波之后的电压信号连接开关单元（6）（200、201），这两路开关负责在负载（3）换相时，控制负载接在换相电源单元。

参照附图3，本发明提出一种分布式的三相负荷平衡器的核心换相电源单元，换相过程包括一组开关单元至少9个为一组执行换相；具体换相执行过程为：

步骤1：电网中三相不平衡度可通过电流不平衡度来表示，三相不平衡度的计算公式为，最大相电流与三相平均电流的商乘以100%；其中最大相电流和三相平均电流可以通过总控制单元（1）中的电压电流采集电路计算得到，经过算法分析之后得到最大相负载向最小相切换的指令；

步骤2：换相电源单元接收到信号之后，开始换相，假设收到指令为将负载从a相切换到b相，此时负载接在a相上，此时开关组单元（301）和（304）闭合，其余开关断开；换相开始1）开关组单元（103）闭合，此时换相电源单元（4）由c相电网供电，换相电源此时输出与a相同相位的电压波形，先闭合开关组单元（200）和（201），将负载接入换相电源单元（4），此时换相电源单元与电网a相并联，然后断开开关组单元（301）和（304）；2）稳定后，换相电源单元（4）切换相追踪信号，将追踪相位信号a切换到目标相位b相上，换相电源单元（4）输出信号与b相同相；3）负载相位过渡到b相之后，闭合开关组单元（302）和开关组单元（304），此时，换相电源单元（4）与电网b相并联，然后分别切断开关组单元（200）、（201）和（103），换相电源单元退出工作，换相完成。

参照附图4，相位信号提取电路提取三相电网的相位信号，通过霍尔传感器（13）提取信号，将提取到的电压信号输给比较器（14），经过比较器（14）输出方波信号，在经过施密特触发器（15）进行整形，输出的方波信号包含了电网的相位信号，输入给换相电源单元（4）的控制单元，其中换相电源单元共包括3路相位信号提取电路。

可选地，主控制单元选择stm32处理器，包括读取电能计量芯片、数据的存储分析以及通讯指令的发送。stm32具有低功耗、低成本、高性能的特点，可以外接sram存储单元，可并行处理任务，且处理速度快效率高。

具体地，换相电源单元控制部分控制逆变电路的驱动信号、锁频锁相、电压闭环控制以及通讯指令的接收和发送。其中，逆变电路控制部分的相位追踪过程为：

步骤1：逆变电路驱动信号选择svpwm的数字实现，将功率开关管导通或关闭的时间存储在控制器中，输出与电网电压同频率的正弦波；

步骤2：三路相位信号提取部分方波（20）信后输入换相电源控制部分（18），此时，逆变器追踪相位的过程为：1）定时器捕获一路相位信号的输出，判断输入信号的上升沿，并记录高电平的时间，计算输入信号的频率并判断是否为有效信号；2）若输入信号为有效信号，在捕获到上升沿时，触发定时器中断，从过零点输出正弦波，此时，逆变器输出信号与捕获电网信号同相位；3）在从a相切换到b相时，控制器先打开捕获a相的定时器，等到输出电压信号与a相相位信号相同时，关闭捕获a相信号的定时器，打开捕获b相的定时器，根据步骤2.2，输出电压信号与b相同相，逆变电路的换相追踪完成；

具体地，各个部分的弱电电源部分从电网取电，电网电压输出接降压变压器，通过稳压隔离分别输出可供控制器，采集电路，通讯模块，相位信号提取模块等弱电单元的使用。

综上所述，仅为本发明的较佳实例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明说上的内容，凡依本发明的要求范围所述的形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求。