低壓配電網(wǎng)的有源三相不平衡補(bǔ)償裝置應(yīng)用分析

丁寧

摘要：由于供電范圍和供電需求在近年來極大地?cái)U(kuò)張，導(dǎo)致電能的質(zhì)量難以得到充分的保證，三相不平衡作為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，其分布的均勻情況與電流的質(zhì)量密切相關(guān)，若電流的三相由于其他的中性點(diǎn)電流而導(dǎo)致在電路中存在明顯的不平衡狀態(tài)，那么則會(huì)為客戶帶來嚴(yán)重的用電安全隱患，為此，本文對電路中的三相不平衡補(bǔ)償裝置的應(yīng)用進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：低壓配電網(wǎng);有源三相裝置;不平衡補(bǔ)償

電能作為一種環(huán)保型易于傳輸?shù)木G色能源，在我國的社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著巨大的作用，并且隨著人們生活水平的提升，我國城市化建設(shè)與工業(yè)化建設(shè)步伐的邁進(jìn)，對電能的需求呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢，對我國供電企業(yè)的供電規(guī)模與供電效率提出了更高的要求，與此同時(shí)，保證電能的質(zhì)量也是不容忽視的一部分工作，良好穩(wěn)定的電能供應(yīng)對于人們生活的正常有序進(jìn)行十分重要，同時(shí)也是各種電力系統(tǒng)與電力設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的保證。電路系統(tǒng)中的三相不平衡不僅有可能在電路中產(chǎn)生諧波電流進(jìn)而損壞電路中的變壓器，線路中由于三相不平衡電流導(dǎo)致的無功電流增大還會(huì)導(dǎo)致線路的損壞以及變壓器的耗損，導(dǎo)致線路中的電壓出現(xiàn)過高或過低的問題，電能的質(zhì)量將大幅下降。由此可見，在電能質(zhì)量評估的過程中，三相不平衡已經(jīng)成為了一項(xiàng)重要的指標(biāo)，對低壓配電網(wǎng)下的有源三相不平衡電流補(bǔ)償方式與補(bǔ)償裝置的研究對提升供電企業(yè)的供電質(zhì)量和供電安全性能具有非常積極的作用。

一、有源三相不平衡補(bǔ)償裝置概述

近年來，電力技術(shù)與電子行業(yè)以較快的速度取得了巨大的發(fā)展，而絕大部分電力裝置四基于非線性的用電負(fù)載進(jìn)行工作的，由于低壓配電網(wǎng)環(huán)境之下的用戶絕大部分是采取單相負(fù)荷的形式用電，并且用電得到時(shí)間具有不協(xié)調(diào)和不確定性，導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)在工作過程當(dāng)中極易出現(xiàn)三相不平衡問題，對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和用電設(shè)備的正常工作造成了消極影響，長期處于這樣工作狀態(tài)下的用電設(shè)備損耗速度與損耗程度均增大，不利于社會(huì)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，所以對三相不平衡的電能進(jìn)行補(bǔ)償和調(diào)節(jié)使其平衡度有所提升是我國研究學(xué)者的研究熱點(diǎn)內(nèi)容之一。傳統(tǒng)意義上的三相不平衡補(bǔ)償裝置分為有源補(bǔ)償裝置和無源補(bǔ)償裝置兩種[1]。

無源補(bǔ)償裝置往往是通過采取手動(dòng)進(jìn)行電容器或者電抗器電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，在線路中找到對地的電容不平衡的一相在其中設(shè)計(jì)電容器或者是電抗器使得線路的三相得到有效的調(diào)節(jié)，在參數(shù)上達(dá)到平衡，這種方法具有操作簡單和經(jīng)濟(jì)成本低的特征，所以在早期的三相不平衡補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)過程中得到了十分廣泛的使用，這黃忠補(bǔ)償方法是一種無源的補(bǔ)償方式，原理是通過對電力系統(tǒng)中的容性無功進(jìn)行吸收，與此同時(shí)在線路中釋放出感性無功進(jìn)而實(shí)現(xiàn)三相平衡度的提升[2]，以電容補(bǔ)償器為例，電路示意圖如圖1所示。但是由于這種方法需要對線路中各相電流的具體參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量才能實(shí)現(xiàn)理想的補(bǔ)償效果，而現(xiàn)代的供電線路日趨復(fù)雜，并且無時(shí)不刻處于變化的狀態(tài)當(dāng)中，對其參數(shù)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確的測量，并且電網(wǎng)在實(shí)際的運(yùn)行過程當(dāng)中不斷變化，采用傳統(tǒng)的方法非但不能快速精確跟蹤到電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況以及具體參數(shù)情況[3]，還不能實(shí)現(xiàn)對三相不平衡過電壓的抑制，由于在線路中還可能存在高次諧波，采用電容補(bǔ)償?shù)姆绞綍?huì)將諧波放大，調(diào)節(jié)不靈活而導(dǎo)致這種補(bǔ)償模式下的動(dòng)態(tài)三相不平衡補(bǔ)償效果欠佳。通過同步電機(jī)為線路中的電能提供無功功率是另一種無源三相不平衡補(bǔ)償?shù)姆绞絒4]，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電路中存在不平衡過電壓時(shí)，電機(jī)的工作模式則確定在欠勵(lì)磁模式下運(yùn)行，在此模式下工作的同步電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對電路中無功功率的吸收，使得系統(tǒng)的電壓整體降低，而如果電路中的電壓較低，則電機(jī)工作在過勵(lì)磁的模式之下，這種模式使得系統(tǒng)的無功功率增加，電壓上升，通過這樣的調(diào)節(jié)模式實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)中電壓的穩(wěn)定，能夠?qū)﹄娐返碾妷簩?shí)現(xiàn)雙向的調(diào)節(jié)，這種裝置的示意圖如圖2所示。但是電機(jī)在工作過程中容易產(chǎn)生較大的噪聲，并且系統(tǒng)對三相不平衡狀況的調(diào)節(jié)速度較慢，實(shí)時(shí)性不佳。靜止無功補(bǔ)償器作為另一種常見的無源三相不平衡補(bǔ)償裝置，主要是通過控制不同的開關(guān)對電容或電抗進(jìn)行投切，使得補(bǔ)償裝置能夠具備吸收或者釋放無功電流和無功功率的功能，在線路中為不平衡的一相電流提供穩(wěn)定的系統(tǒng)電壓并且實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的優(yōu)化，對于不平衡系統(tǒng)中原有的高頻震蕩電流也有一定的抑制作用[5]，但是這種系統(tǒng)在電路的電壓下降到一定程度時(shí)釋放和吸收無功功率的功能就會(huì)有所下降，對于系統(tǒng)的補(bǔ)償效果不理想。

由此可見，無源的三相不平衡補(bǔ)償裝置已經(jīng)無法適應(yīng)電網(wǎng)的高速運(yùn)行對補(bǔ)償裝置提出 的更高需求，而有源三相不平衡補(bǔ)償裝置則能夠彌補(bǔ)無源裝置的缺陷，對于傳統(tǒng)意義上的交流電傳輸模式進(jìn)行改進(jìn)，使得電路的不平衡可控性得到大幅度的提升與改進(jìn)，這一過程主要依賴于全控電力電子器件的使用，具有代表性的是通過有源濾波器方法削弱系統(tǒng)中的高頻諧波并且對線路中少量的電流三相不平衡進(jìn)行補(bǔ)償，裝置主要是基于運(yùn)算電路和補(bǔ)償電路兩大組成部分完成補(bǔ)償功能，在工作過程中，運(yùn)算電路能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的電壓與電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測與采集記錄，通過其運(yùn)算和分析計(jì)算出系統(tǒng)所需要的無功功率補(bǔ)償量，再由已經(jīng)設(shè)計(jì)好的補(bǔ)償電路對電路中不平衡的三相分別進(jìn)行補(bǔ)償，這種方法具有較好的實(shí)時(shí)性，響應(yīng)速度較快，并且在補(bǔ)償電路三相不平衡的同時(shí)還具有提升系統(tǒng)的原有功率因數(shù)的作用，具有良好的電路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能[6]，同時(shí)能夠抑制電路中的諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)，示意電路圖如圖3所示。此外，靜止同步補(bǔ)償也是一種常用的有源三相不平衡補(bǔ)償裝置，基于自換相變流技術(shù)原理，裝置將直流電容和變壓器等電力設(shè)備結(jié)合起來，使得電壓在出現(xiàn)不平衡狀況時(shí)裝置隨時(shí)切換不同的工作狀態(tài)對不平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)無功功率的釋放或者吸收功能，當(dāng)裝置工作于感性狀態(tài)時(shí)，具有釋放無功功率的功能，能夠使得系統(tǒng)的過電壓狀態(tài)得到緩解，當(dāng)其工作于容性狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)所具備的功能是吸收無功功率，使得電路系統(tǒng)的電壓升高。這種補(bǔ)償方法具有易于控制且裝置體積較小的特點(diǎn)，并且電路中涉及到的電抗值較小，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的三相不平衡調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性均比較理想，對于系統(tǒng)瞬時(shí)穩(wěn)定性的改進(jìn)和調(diào)整性能均有較大幅度的改進(jìn)，整個(gè)系統(tǒng)中噪聲較小，阻尼震蕩被抑制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對電路電壓的穩(wěn)定控制，補(bǔ)償效果良好。裝置示意圖如圖4所示。該方法已經(jīng)逐步發(fā)展成為有源三相不平衡補(bǔ)償裝置的主要發(fā)展方向之一，但是由于其發(fā)展時(shí)間有限，所以在某些設(shè)計(jì)技術(shù)方面仍舊處于初級的理論研究階段。

二、有源三相不平衡補(bǔ)償裝置中電流的檢測方法

2.1優(yōu)勢特征

從上文的分析可以看出有源三相補(bǔ)償裝置與傳統(tǒng)的無源三相不平衡補(bǔ)償裝置相比具有非常明顯的優(yōu)勢，首先是能夠在接入補(bǔ)償裝置的同時(shí)最大程度維護(hù)原有電路的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，與原有的電路網(wǎng)絡(luò)具有較為良好的友好性，如果對有源三相不平衡補(bǔ)償裝置的功率控制電路以及濾波電路進(jìn)行改進(jìn)還能夠極大程度地控制電網(wǎng)在運(yùn)行過程中的信號干擾問題和電路污染問題，保證在接入補(bǔ)償裝置的同時(shí)不影響原有電網(wǎng)的抄表工作順利進(jìn)行。其次，能夠?qū)τ谟秒娤到y(tǒng)中存在的問題進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與及時(shí)地解決，通過在有源三相不平衡補(bǔ)償裝置中加入電能質(zhì)量的監(jiān)控設(shè)備對電能的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出電路系統(tǒng)中存在的安全隱患，基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測技術(shù)加以分析[7]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在客戶端電路工作效率的提升與進(jìn)一步優(yōu)化，創(chuàng)新與改進(jìn)原有的電路網(wǎng)絡(luò)治理方案。最后，有源三相不平衡補(bǔ)償裝置在具備高可靠性、環(huán)境適應(yīng)性的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)線上的實(shí)時(shí)通訊，將系統(tǒng)分析得出的電路網(wǎng)絡(luò)問題實(shí)時(shí)上傳使得在電網(wǎng)系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程通信具有了更多的可能性，同時(shí)在實(shí)際的工作過程中具有更高的補(bǔ)償效率，理想的補(bǔ)償裝置能夠達(dá)到接近于98.5%的補(bǔ)償效率，對補(bǔ)償裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，更為科學(xué)的濾波單元設(shè)計(jì)能夠?qū)⒀a(bǔ)償效率進(jìn)一步提升，補(bǔ)償裝置的性能與其他裝置相比優(yōu)勢十分顯著。

有源三相不平衡補(bǔ)償裝置的主體是大功率的電力電子元件，可以在通過對此元件中的電路進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)其在電網(wǎng)中的變流功能，主要依賴于主動(dòng)對電路中的不平衡電流進(jìn)行檢測并且提供用于補(bǔ)償電路中不平衡的無功電流所需的電流信號進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路中三相不平衡的補(bǔ)償，該裝置在實(shí)際的工作過程當(dāng)中可以將其等效為一個(gè)流控電壓源，逆變器在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中利用了三相四線的橋臂電路結(jié)構(gòu)，使得電路具有了較高的直流側(cè)電壓利用效率，在濾波單元采用具有較高功率因數(shù)的濾波電路設(shè)計(jì)，在裝置的實(shí)際工作過程中，通過基于電流互感器的電流信號采集裝置對電路系統(tǒng)中的電流信號進(jìn)行采集，在此基礎(chǔ)上通過控制器將電流信號中的零序與負(fù)序電流進(jìn)行分離，之后通過功率變換器產(chǎn)生用于抵消系統(tǒng)中這些電流的電流信號進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路中存在的三相不平衡補(bǔ)償電流，這一調(diào)節(jié)過程隨著電流的動(dòng)態(tài)變化也處于動(dòng)態(tài)的變化和不斷的調(diào)節(jié)過程當(dāng)中。

2.2電流檢測方法分析與研究

在有源三相不平衡補(bǔ)償裝置的工作過程當(dāng)中，對系統(tǒng)的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測是非常重要的一部分。從檢測原理方面考慮，現(xiàn)有的電流檢測方法有以下幾種：

其一，通過傅里葉時(shí)域分析法進(jìn)行檢測，這種檢測模式下，對于系統(tǒng)中存在的異?；冸妷汉碗娏鞯幕ㄖC波特性能夠?qū)崿F(xiàn)同步檢測，并且能夠通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析與推算得出系統(tǒng)中其他的參數(shù)分量，但是在這種檢測模式下，需要進(jìn)行的計(jì)算過程比較復(fù)雜，并且由于涉及到了積分運(yùn)算使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性欠佳，此外如果系統(tǒng)的電壓存在畸變的問題，那么在分析過程中消耗的時(shí)間將對系統(tǒng)的檢測精度造成影響，并且這種檢測模式在開始計(jì)算時(shí)就對電路波形的參數(shù)進(jìn)行了假設(shè)，預(yù)設(shè)電路系統(tǒng)當(dāng)中的波形處于穩(wěn)態(tài)并且采樣的周波為整數(shù)，當(dāng)電路系統(tǒng)中的電能具有了高頻或者低頻信號時(shí)，其采樣的頻率就不能滿足系統(tǒng)的需求，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性下降，不適合處于動(dòng)態(tài)變化的電路三相不平衡補(bǔ)償裝置中電流信號的檢測與數(shù)據(jù)的提取采集。

其二是基于小波變換的電流檢測方式，這種方式由傅里葉方式進(jìn)行改進(jìn)之后得出，通過采用小波函數(shù)對電路系統(tǒng)中的電流信號進(jìn)行伸縮與變換操作實(shí)現(xiàn)小波正交的分解操作，在此基礎(chǔ)之上對電流信號的時(shí)域與評與特性進(jìn)行分析和采集，這種方法已經(jīng)被廣泛使用于電路系統(tǒng)的電流檢測工作過程當(dāng)中，并且由于計(jì)算過程的優(yōu)化，克服了傅里葉變換方法中的延時(shí)性問題，但是計(jì)算的復(fù)雜度并沒有降低，導(dǎo)致在采用這種方法進(jìn)行電流檢測的過程中對于軟件功能的依賴性較大，如果軟件算法設(shè)計(jì)不合理，將使得裝置的工作效率和檢測精度受到影響，并且雖然對于動(dòng)態(tài)的電流信號具有良好的跟蹤與檢測效果，但是在靜態(tài)諧波的檢測方面靈敏度不高，相關(guān)的研究工作目前也有待進(jìn)一步深化和完善。

其三是在電力系統(tǒng)電流檢測算法的設(shè)計(jì)中靈活運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行信號的分析，將電流信號作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入信號，在網(wǎng)絡(luò)模型的輸出端得出信號的不同特征計(jì)算結(jié)果，具有良好的理論研究成果，但是這種檢測模式在實(shí)際的運(yùn)用過程當(dāng)中存在沒有大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練的問題，并且這一問題在較短的一段時(shí)間之內(nèi)難以有效解決，實(shí)際應(yīng)用與電流系統(tǒng)的檢測還有待進(jìn)一步開發(fā)和實(shí)踐。

其四是 電流檢測方法，這種方法主要是針對APF、SVG方法下的三相不平衡補(bǔ)償裝置對系統(tǒng)中的電流進(jìn)行補(bǔ)償，由傳統(tǒng)的 電流檢測方式演變而來，檢測的具體過程是通過對系統(tǒng)中的不含零序電流進(jìn)行park變換之后得出電流中的 分量與 分量，繼而通過裝置的濾波單元實(shí)現(xiàn)直流分量的提取最終得到理想的基波正序平衡電流參數(shù)，對系統(tǒng)中瞬時(shí)的電流變化進(jìn)行檢測與計(jì)算分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電路中三相不平衡的補(bǔ)償，在這種方法中最后能夠得出電路系統(tǒng)中平衡的基波正序分量表達(dá)式如下所示：

（1.1）

從上面的公式中能夠看出在電路系統(tǒng)中的 方向基波的正序分量是表現(xiàn)為直流的分量，由此可以進(jìn)一步推測出基波負(fù)分量在實(shí)際裝置工作過程中的推算過程，整個(gè)計(jì)算過程是一種非線性的變換過程，是通過頻率的變換以及坐標(biāo)系的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)中不平衡的補(bǔ)償，在進(jìn)行變換的過程中，原始的電路信號在裝置中會(huì)發(fā)生變化，直接轉(zhuǎn)換為直流的電路信號對其數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使得原始信號在此過程中頻率發(fā)生變化，其中的差頻信號也被有效地體現(xiàn)出來，可以看出電流信號具備了一定的二倍頻脈動(dòng)特性，所以只有在頻率符合一定條件時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)直流分量的轉(zhuǎn)換，在工作過程中需要主義保持原有信號的頻率穩(wěn)定狀況。該種方法在實(shí)際中也存在一定的局限性，如果系統(tǒng)中發(fā)生了不對稱的電流狀況，將使得系統(tǒng)檢測的精度大幅度下降，為了保證裝置電流的檢測精度，在實(shí)際 的運(yùn)用過程中要充分確認(rèn)裝置中合成的電路矢量與計(jì)算得出的基波分量具有相同的同步相位，盡可能消除相位差對檢測精度帶來的消極影響。

三、低壓配電網(wǎng)下有源三相不平衡補(bǔ)償裝置應(yīng)用步驟

在補(bǔ)償裝置的電路參數(shù)確認(rèn)過程當(dāng)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)裝置能夠輸出接近理想狀態(tài)的直流電容電壓波形，有必要對裝置在工作過程中實(shí)際輸出的電流信號進(jìn)行功率的分析，主要對電路中的負(fù)序信號數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和采集，更有針對性地對電路系統(tǒng)中的諧波電流進(jìn)行采集與補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上基于傅里葉變換的原理對輸出的信號進(jìn)行優(yōu)化，提升電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波率并且與此同時(shí)降低系統(tǒng)基波中諧波電流的成分含量。此外，基于仿真軟件對補(bǔ)償裝置的實(shí)際工作狀況進(jìn)行仿真也是十分必要的，在此過程中主要是獲取電路中不同相位的阻值以及電流的不平衡狀態(tài)，分析之后可以適當(dāng)對補(bǔ)償裝置的個(gè)數(shù)和分布的位置進(jìn)行調(diào)整，提升對電路無功功率的補(bǔ)償效率。

另外，在電流采集方式的選擇過程中，負(fù)荷端電流采集方式作為比較基本并且操作簡答的電流采集方式，雖然通過將電路系統(tǒng)中符合端的電流作為運(yùn)算和分析信號的方式能夠?qū)崿F(xiàn)對電流信號更好的跟蹤性能，但是由于信號的分析時(shí)基于負(fù)載短短分析，而三相不平衡補(bǔ)償裝置不僅僅要實(shí)現(xiàn)在負(fù)載端的不平衡補(bǔ)償，還需要對電源端的三相不平衡進(jìn)行補(bǔ)償，所以補(bǔ)償效果不均衡。而電流端的電流采集方式雖然能夠避免上一種方法的缺陷，同時(shí)能夠?qū)ρb置中輸出的電能質(zhì)量進(jìn)行評估，但是明顯提升了裝置的設(shè)計(jì)與控制難度。復(fù)合電流采集的方式則是將兩種不同的電流采集方式結(jié)合在一起，這種采集模式之下，能夠?qū)⒅暗膬煞N模式中體現(xiàn)出來的補(bǔ)償優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起，顯著提升系統(tǒng)的三相不平衡補(bǔ)償效果，本文最終選擇這種采集方式作為補(bǔ)償裝置的電流采集模式，其原理圖如下：

四、結(jié)束語

綜上所述，在電力系統(tǒng)需求和規(guī)模不斷擴(kuò)大的發(fā)展階段，電能質(zhì)量的保證與提升成為了供電企業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題之一，通過對有源三相不平衡補(bǔ)償裝置中的運(yùn)算算法和濾波方式進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化有望實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效率的顯著提升。

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