專利名稱：三相靜止功率平衡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電網(wǎng)用戶三相靜止功率側(cè)負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)裝置，具體是一種節(jié)約能源降低損耗的三相靜止功率平衡裝置。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量單相用電負(fù)荷的急劇增加，尤其是民用單相用電負(fù)荷的增加更為突出，加之用電負(fù)荷投入和退出的隨機(jī)性，由此導(dǎo)致大量的公用配電變壓器單相負(fù)荷嚴(yán)重超載，其他兩相負(fù)荷不足，配變用戶側(cè)電力負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，甚至引起配電變壓器單相線圈燒毀，造成供電中斷，影響供電可靠性。用戶側(cè)電力負(fù)荷不平衡影響配電線路和配電設(shè)備的實(shí)際出力，并且增加線路損耗和投資成本；縮短配電變壓器的使用壽命。另外用戶側(cè)三相功率不平衡引起單相電壓的下·降，導(dǎo)致負(fù)載端電壓降低，影響電網(wǎng)供電的穩(wěn)定和供電質(zhì)量，使負(fù)載工作環(huán)境惡化，工作效率降低，功耗增加。因此三相功率平衡補(bǔ)償長期以來都是供電部門和電力用戶研究的重要課題。傳統(tǒng)的三相功率平衡調(diào)節(jié)方法是采用人工統(tǒng)計(jì)各相負(fù)荷狀況，然后調(diào)整配電線路使各相的負(fù)載基本平衡，傳統(tǒng)功率平衡調(diào)節(jié)方法存在統(tǒng)計(jì)周期長、施工量大等缺點(diǎn)，無法快速實(shí)時(shí)各相負(fù)荷的變化，常出現(xiàn)剛施工調(diào)整完，又出現(xiàn)新的功率不平衡情況。使得供電部門不停地調(diào)整修改功率平衡方案，疲于奔命，因此供電部門急需一種快速實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)用戶側(cè)負(fù)荷平衡裝置。
發(fā)明內(nèi)容為克服上述問題，本實(shí)用新型提供一種節(jié)約能源降低損耗的三相靜止功率平衡裝置(CPA: Custom Power Adjust)。這種三相靜止功率平衡裝置是基于瞬時(shí)功率理論基礎(chǔ)和自換相變流技術(shù)研制出的新型靜止功率補(bǔ)償平衡裝置。它通過采用橋式電路的多重化、多電平和PWM技術(shù)處理，消除負(fù)荷的負(fù)序和零序不平衡分量以及由于諧波引起的不平衡分量，將三相功率重新分配，從而使得補(bǔ)償后的裝置一負(fù)荷聯(lián)合體呈現(xiàn)對稱平衡負(fù)荷特性，減小中線電流，降低損耗，避免因三相不平衡而可能引起的事故。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用以下技術(shù)方案—種三相靜止功率平衡裝置，包括信號調(diào)理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、主控制器，其特征在于信號調(diào)理電路和主控制器相連，主控制器與功率驅(qū)動(dòng)電路相連。所述的信號調(diào)理電路與電網(wǎng)相連接，負(fù)責(zé)整個(gè)平衡裝置的信號采集和處理，信號調(diào)理電路中連接有LEM電壓傳感器，LEM電壓傳感器負(fù)責(zé)對三相交流輸入電壓，三相輸出電流和直流側(cè)電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并對輸入電壓進(jìn)行過零比較處理，調(diào)理出電網(wǎng)頻率方波送給主控制器處理，三相交流電壓采集采用的是輸入交流電壓380V。所述的功率驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)電源、IGBT功率模塊、隔離驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，隔離驅(qū)動(dòng)電路連接IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電源連接IGBT并為IGBT供電；隔離驅(qū)動(dòng)電路連接并接收主控制器發(fā)出的PWM信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路后將驅(qū)動(dòng)信號送至IGBT，驅(qū)動(dòng)電源給IGBT供電；IGBT功率模塊把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，并可將檢測信號送到主控制器。所述的主控制器采用DSP數(shù)字信號處理器作為主控CPU，功率驅(qū)動(dòng)電路與主控CPU相連，功率驅(qū)動(dòng)電路與主控CPU的通信采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)，功率驅(qū)動(dòng)電路的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到主控制器，主控制器的主控CPU采集到驅(qū)動(dòng)信息后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；主控制CPU與上位系統(tǒng)之間采用的是RS232通訊模式進(jìn)行連接；系統(tǒng)的外部I/o輸入輸出經(jīng)隔離傳輸?shù)街骺谻PU的I/O 口，主控CPU根據(jù)設(shè)定的控制要求作出相應(yīng)的執(zhí)行控制；主控制器采用AT25128串行EEPROM保存上位系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)定參數(shù)值和存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。三相靜止功率平衡裝置還包括IXD顯示設(shè)備，IXD顯示設(shè)備與主控制器相連接，用來顯示功率因數(shù)、三相電壓、三相電流。人機(jī)界面與控制器的通訊是采用RS232接口，可以實(shí)時(shí)的觀察系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)和波形，人機(jī)界面采用的是LCD顯示屏，可以顯示功率因數(shù)、三相電壓、三相電流等等。電抗器和電容器，電抗器主要是作為IGBT功率模塊輸出電壓的濾波，直流側(cè)儲(chǔ)能電容作為整流后直流母線的濾波和儲(chǔ)能，其直流電壓作為系統(tǒng)的電壓指令以檢測。本實(shí)用新型無需交流電容器；無功和有功功率調(diào)節(jié)能力恒定，不隨系統(tǒng)電壓的變化；響應(yīng)速度快、使用壽命長；能夠發(fā)出和吸收無功功率；提高功率因數(shù)和電壓合格率；增強(qiáng)電力系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，阻尼功率振蕩；改善電網(wǎng)電壓和電流的不平衡度；三相靜止功率平衡裝置(CPA)對電力系統(tǒng)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)快速動(dòng)態(tài)平衡，提高功率因數(shù)、降低線損、挖掘輸配設(shè)備供電容量，降低投資成本低，具有良好的市場前景，三相靜止功率平衡裝置(CPA)可以實(shí)現(xiàn)功率無級連續(xù)調(diào)節(jié)、對抑制電力系統(tǒng)功率振蕩和次同步振蕩及大力發(fā)展FACTS技術(shù)提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和改善供電質(zhì)量將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益三相靜止功率平衡裝置(CPA)具有體積小、壽命長、投資成本較低，適于在我國電力系統(tǒng)普遍推廣使用。

圖I:三相靜止功率平衡裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2:三相靜止功率平衡裝置的單相等效電路；圖3:二相靜止功率平衡裝置的電流米樣調(diào)理電路；圖4:三相靜止功率平衡裝置的硬件原理結(jié)構(gòu)示意框圖；圖5:三相靜止功率平衡裝置的控制原理框圖；圖6 :二相靜止功率平衡裝置的主流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1-2所示由于CPA正常工作時(shí)就是通過電力半導(dǎo)體開關(guān)的通斷將直流側(cè)電壓轉(zhuǎn)換成交流側(cè)與電網(wǎng)同頻率的輸出電壓，就像一個(gè)電壓型逆變器，只不過其交流側(cè)輸出接的不是無源負(fù)載，而是電網(wǎng)和負(fù)載。因此，當(dāng)僅考慮基波頻率時(shí)，CPA可以等效地被視為幅值和相位均可以控制的一個(gè)與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源。它通過電抗器連接到電網(wǎng)上。所以，CPA的工作原理就可以用如圖2所示的單相等效電路圖來說明。設(shè)電網(wǎng)電壓和CPA輸出的交流電壓分別用相量匕和匕表示，則連接電抗X上的電壓:^即為匕和匕的相量差，而連接電抗的電流是可以由其電壓來控制的。這個(gè)電流就是CPA從電網(wǎng)吸收的電流/。因此，改變CPA交流側(cè)輸出電壓 的幅值及其相對于匕的相位，就可以改變連接電抗上的電
壓，從而控制CPA從電網(wǎng)吸收電流的相位和幅值，也就控制了 CPA向電網(wǎng)發(fā)出功率的性質(zhì)和大小。如圖3-5所示研制本裝置的目的是為了實(shí)現(xiàn)三相功率平衡改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，而最終實(shí)施仍然是對三相電網(wǎng)的電壓和電流的控制。由于本裝置是基于瞬時(shí)功率理論，故其控制方式采用矢量變換控制方法，矢量在靜止和旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系之間的變換，把電網(wǎng)ABC三相靜止坐標(biāo)系的電流la、lb、Ic、變換成兩相靜止坐標(biāo)系(Clarke變換)，也叫三相一二相變換，再從兩相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標(biāo)系(Park變換)，等效成同步旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系下的直流電流Iq、Id(Id相當(dāng)于無功電流；Iq相當(dāng)于與功率成正比的有功電流)，然后根據(jù)給定直流分量與反饋的直流分量經(jīng)，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)逆變換，實(shí)現(xiàn)對有功、無功分量的控制。三相交流電氣方程
Im = I: 5111( OJa * ,)
.Zm .
A : I: Ω(Μ · ! — —ζ-)
.. 4 .
L· = L suit ccJt# r — ^—)
3三相坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的變換方程(Clarke變換)
4- =
. I . , 2 ,萬,*
4+4-4=°靜止坐標(biāo)系到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換方程(Park變換)
= is, · cos(0r) + Isjt · Siu(Oe)
= —' sm(ft) + i球· cos(ft)Park 逆變換
Cd, q) -> (alfariserai讀=vq * ces ;θ ) + sir: ￠0}
Vp= q 士 sin θ )十-c = θ Clarke 逆變換
￥a = νβ￥b = up*、b "
Vc = f-νβ - - 'r<J- ,.. 二 本系統(tǒng)的控制采用改進(jìn)的空間矢量定向控制策略，控制系統(tǒng)采用電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，能獲得較好的電流跟蹤性能。電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。根據(jù)目前的微處理器DSP、A/D器件的水平，選擇合理的控制策略和優(yōu)化的控制軟件。在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，充分利用硬件資源，提
高產(chǎn)品集成度。如圖6所示由于系統(tǒng)采用全數(shù)字化控制方式，所有的控制策略全由軟件編程來實(shí)現(xiàn)，因而，軟件的設(shè)計(jì)決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能。控制策略采用電壓、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中電壓環(huán)采用PI調(diào)節(jié)、電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)，算法由DSP數(shù)字信號處理器軟件編程實(shí)現(xiàn)。整個(gè)軟件處理系統(tǒng)采用前后臺(tái)處理模式，程序的中斷服務(wù)采用嵌套處理的形式，以保證整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)信號的處理。系統(tǒng)保護(hù)中斷，檢測功率模塊的故障狀態(tài)和系統(tǒng)的保護(hù)中斷，在出現(xiàn)過流、過壓、鎖相失敗等故障時(shí)，系統(tǒng)關(guān)斷IGBT的輸出并停機(jī)上報(bào)系統(tǒng)的故障信息。如圖6所示電壓環(huán)中斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的電壓信息，電壓給定由人機(jī)界面設(shè)置輸入，檢測逆變器的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)值計(jì)算出當(dāng)前的電壓給定，根據(jù)給定電壓指令與電壓反饋計(jì)算誤差并進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，然后輸出iqref(有功電流給定)，根據(jù)設(shè)定的有功電流最大最小值限制iqref值,輸出iqref到電流環(huán)做為有功電流指令的給定。電流環(huán)中斷處理流程，霍爾傳感器檢測ia，ic兩相電流反饋值，計(jì)算出三相電流反饋值ib，根據(jù)電網(wǎng)A相電壓的鎖相計(jì)算出當(dāng)前電角度Θ，由ia、ib、ic進(jìn)行坐標(biāo)變換輸出i α和 β,由ia、i3進(jìn)行PARK變換輸出iq、id，根據(jù)電壓環(huán)輸出得有功給定和無功電流給定與反饋值求誤差并進(jìn)行PI調(diào)節(jié)輸出Vq、Vd，由Vq、Vd進(jìn)行PARK逆變換輸出Va、νβ，由Va、νβ進(jìn)行坐標(biāo)逆變換輸出Va、Vb、Vc，輸出三相Va、Vb、Vc PWM的占空比值到FPGA ;驅(qū)動(dòng)波形通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)給IGBT模塊。
權(quán)利要求1.一種三相靜止功率平衡裝置，包括信號調(diào)理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、主控制器，其特征在于信號調(diào)理電路和主控制器相連，主控制器與功率驅(qū)動(dòng)電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種三相靜止功率平衡裝置，其特征在于所述的信號調(diào)理電路與電網(wǎng)相連接，負(fù)責(zé)整個(gè)平衡裝置的信號采集和處理，信號調(diào)理電路中連接有LEM電壓傳感器，LEM電壓傳感器負(fù)責(zé)對三相交流輸入電壓、三相輸出電流和直流側(cè)電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并對輸入電壓進(jìn)行過零比較處理，經(jīng)LEM電壓傳感器調(diào)理出電網(wǎng)頻率方波傳送至主控制器處理，三相交流電壓采集采用的是輸入交流電壓380V。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種三相靜止功率平衡裝置，其特征在于所述的功率驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)電源、IGBT功率模塊、隔離驅(qū)動(dòng)電路三部分組成，隔離驅(qū)動(dòng)電路連接IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電源連接IGBT并為IGBT供電；隔離驅(qū)動(dòng)電路連接并接收主控制器發(fā)出的PWM信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)電路后將驅(qū)動(dòng)信號送至IGBT，驅(qū)動(dòng)電源給IGBT供電；IGBT功率模塊把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，并可將檢測信號送到主控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種三相靜止功率平衡裝置，其特征在于主控制器采用DSP數(shù)字信號處理器作為主控CPU，功率驅(qū)動(dòng)電路與主控CPU相連，功率驅(qū)動(dòng)電路與主控CPU的通信采用光耦隔離驅(qū)動(dòng)，功率驅(qū)動(dòng)電路的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到主控制器，主控制器的主控CPU采集到驅(qū)動(dòng)信息后，根據(jù)驅(qū)動(dòng)模塊狀態(tài)信息，調(diào)整系統(tǒng)的控制狀態(tài)；主控制CPU與上位系統(tǒng)之間采用的是RS232通訊模式進(jìn)行連接；系統(tǒng)的外部I/O輸入輸出經(jīng)隔離傳輸?shù)街骺谻PU的I/O 口，主控CPU根據(jù)設(shè)定的控制要求作出執(zhí)行控制；主控制器采用AT25128串行EEPROM保存上位系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)定參數(shù)值和存儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3所述的一種三相靜止功率平衡裝置，其特征在于還包括IXD顯示設(shè)備，IXD顯示設(shè)備與主控制器相連接，用來顯示功率因數(shù)、三相電壓和三相電流。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種三相靜止功率平衡裝置，包括信號調(diào)理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、主控制器，其特征在于信號調(diào)理電路和主控制器相連，主控制器與功率驅(qū)動(dòng)電路相連。這種三相靜止功率平衡裝置是基于瞬時(shí)功率理論基礎(chǔ)和自換相變流技術(shù)研制出的新型靜止功率補(bǔ)償平衡裝置；它通過采用橋式電路的多重化、多電平和PWM技術(shù)處理，消除負(fù)荷的負(fù)序和零序不平衡分量以及由于諧波引起的不平衡分量，將三相功率重新分配，從而使得補(bǔ)償后的裝置－負(fù)荷聯(lián)合體呈現(xiàn)對稱平衡負(fù)荷特性，減小中線電流，降低損耗，避免因三相不平衡而可能引起的事故，具有良好的市場前景。
文檔編號H02J3/38GK202772595SQ20122048976
公開日2013年3月6日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月24日
發(fā)明者李川, 王冰, 鮑小鋒, 雷霆, 王濤, 王玉榮, 米嘯云, 劉曜, 常榮 申請人:云南電網(wǎng)公司玉溪供電局