三相不平衡补偿

三相不平衡补偿（精选9篇）

三相不平衡补偿 第1篇

三相不平衡度是电力系统的重要指标,超过国家标准时会引起诸多危害:电机附加发热和振动;以负序分量为启动元件的保护误动;变流设备产生附加电流;变压器某相线圈会过热;线路损耗增加等。同时,功率因数也是电力系统需要重点考虑治理的指标。鉴于治理不平衡度和改善功率因数都需投用电容器,因此将两者结合起来进行综合补偿,研制出三相不平衡补偿装置,以有效提高电网的综合指标,并节约投入。

1 三相不平衡度算法

三相不平衡补偿装置动作与否主要依据三相不平衡度来判定。当三相不平衡度ε高于2%时,补偿投入;当低于1.3%时,退出补偿。三相不平衡度定义式为:

式中,I2、I1分别指负序电流、正序电流。其计算式为:

其离散化的瞬时值为:

其有效值为:

将式(6)、式(7)代入式(1)即可得到三相不平衡度。

当负载电流三相不平衡度超过国家规定标准时就将三相不平衡补偿装置投入。

2 无功补偿算法

改善三相不平衡度有以下方法。

(1)将不平衡负荷分散到不同的供电点,以减少集中连接造成的不平衡度超标。

(2)将负荷合理分配到各相,尽可能使其平衡。

(3)将不对称负荷接到更高一级,以使连接点的短路容量Sk尽可能高。

(4)使用平衡化装置。

提高功率因数有自然法和人工补偿法。其中,自然法主要是通过选用合适的设备来降低无功功率;人工补偿法主要是通过投切电容来降低无功功率,也可使用其它方法。

2.1 全电容补偿算法

由于电容体积小,价格相对较低,因此电容补偿成为不平衡补偿及无功补偿的一种常用方法。电容补偿连接图如图1所示。

用表示三角形连接中A、B相间的电容器无功容量,用表示三角形连接中B、C相间的电容器无功容量,用表示三角形连接中C、A相间的电容器无功容量;用表示Y形连接中A相电容器无功容量,用表示Y形连接中B相电容器无功容量,用表示Y形连接中C相电容器无功容量。补偿容量的计算式为:

式中,Qx为调节值。通过调整Qx,可使补偿效果和电容器配置都达到最优。

采用全电容补偿时,需同时不小于零,且F1QxF2。

在[F1,F2]区间内,可寻找到若干个Qx形成若干组方案,但需经优化处理才能得到最佳方案。

补偿后的值为:

其优化方案应使中性线上的零序电流最小,最理想的情况是中性线上的零序电流为零。即优化目标函数H=min,展开后为:

式中,

在若干组电容器补偿方案中,选择一组使得最小的作为最终方案。

2.2 电容电感混合补偿

要想使用全电容进行补偿,则必须满足、、都同时不小于零,且要满足F1QxF2。但是,如果F1≥F2,那么使用全电容补偿是不可能有很好的补偿效果的。

如,当Pa=619W,Pb=507W,Pc=1W,Q=-449var,Qb=-530var,Qc=-1var时,F1=-65.6651,F2=-713.625 9。由于F1≥F2,因此无法找到一个Qx,使其能满足F1QxF2,此时就需使用电感对线路进行不平衡及无功补偿。

为了节约成本,尽量减少电感的使用数量,采用三角形的补偿方案。其补偿的算法为:

式(23)～式(25)是在确定负载为三角形接法时才成立,如果负载为星形接法,则不成立,这给补偿带来了诸多不便。

本设计将负载看成一个黑盒子,通过测量可得出负载外部的电压和电流。无论盒子内部如何,从其外部的电流来考虑,都可将负载等效为星形连接,只要通过公式转换就可求出等效的三角形负载连接方案。计算过程如下:

(1)通过测量可得出负载的相电流、线电压,并计算出P,Q,S。

(2)根据S=P+jQ=GU2+jBU2,可得出G=P/U,B=Q/U2;再根据YΦ=G+jB,ZΦ=1/YΦ,可求出每相的阻抗Zφ。

(3)根据星形阻抗转三角形阻抗转换公式求出三角形阻抗。

(4)由各相阻抗,求出各自的导纳,YΦΦ=1/ZΦΦ,GΦΦ=ReYΦΦ,BΦΦ=ImYΦΦ。

将计算出的相间GΦΦ、BΦΦ代入式(23)～式(25),就可得到需要补偿电纳B。B若为正值,则需要补偿电容;若为负值,则需要补偿电感。通过编写程序实现上述步骤的运算,就可以求出需补偿的电容和电感,再利用微机装置控制与电容或电感相连的晶闸管,在电流过零时投入需要补偿的电感或电容。

3 系统仿真

为了验证三相不平衡度及无功补偿的效果,用Matlab中的Powersimulink建立仿真模型。图2是利用全电容进行补偿的仿真模型,图3是超出全电容补偿范围后利用电容电感进行混合补偿的仿真模型。仿真模型中,通过3-Phase Sequence Analyzer测量正序分量、负序分量、零序分量来分析补偿效果,用一个Current Measurement来测量中性线中流过的零序电流。仿真结果显示,针对不同情况,使用全电容补偿或电容电感混合补偿都能达到很好的补偿效果。

参考文献

[1]林雪海.电力系统的三相不平衡[M].北京:中国电力出版社,1998

[2]郭峰,姚莉娜,刘恒,等.引入三相不平衡度的低压电网理论线损计算[J].电力自动化设备,2007,27(11):51-53

[3]Lee S Y.Wu C J.Reactive Power Compensation and Load Balancing for Unbalanced Three-Phase Four-Wire System by a Combined System of an SVC and a Series Active Filter [J].IEEE roceeding Electric Power Apply,2000(6 ):563 - 568

[4]谢连富,单铁铭.不平衡电流无功补偿方法的研究[J].继电器,2006,34(9):76-79

[5]黄国栋,杨仁刚,冯小明.三相不平衡负载无功补偿方法的研究[J].电测与仪表,2011(4):23-26

[6]雷志涛,唐云峰.新型三相不平衡负荷无功补偿算法[J].电力电子技术,2010,44(10):48-50

[7]单铁铭,杨仁刚.不平衡电流无功补偿方法的研究[J].电力自动化设备,2004,24(12):26-29

[8]李钦,温柏坚.广东电网电厂AVC子站建设研究[J].电力系统保护与控制,2008,36(21):38-42

三相不平衡补偿 第2篇

近年来欧阳海水电站因供电负荷不断增长，原来的两台变压器容量已不能满足需求，常过载运行。为了增加供电量，故将2号变压器容量由4MVA更换为6.3MVA，型号为GS9-6300/10，结线为y,d11。2号变压器安装前按规程规定进行了各项测试工作，测试结果正常。安装就位后又进行了必要的测试及耐压试验，都合格。于是进行冲击合闸试验，冲击合闸试验也未出现异常现象。但当检查变压器副边三相对地电压时，却发现中压不平衡，分别为Uao = 6.8kV，Ubo = 6.2kV，Uco = 5.9kV，线电压基本平衡。该变压器安装前是由一台4MVA的变压器供电，现已将该4MVA的变压器移至1号变压器位置，其母线电压是平衡的。新变压器空载时只带Ⅱ段母线及母线上一组电压互感器，由电压互感器TV测得相电压不平衡。为了查明原因，验证TV及表计完好，将2号变退出，由1号变（4MVA变压器）带I、II段母线测电压，I、II段母线三相电压都是平衡的，由此可以排除TV及表计问题。

将2号变停电退出进行，测试未发现问题，再投入空载运行，现象同前。为了查明原因和对用户负责，未送电，将上述情况告知厂家。厂家对该变压器进行了全面的测试，也未发现问题，得出结论该变压器无质量问题，合格。于是将该变压器又投入空载，检查副边电压，现象仍如前。究竟是什么原因产生这种现象的呢？对用户是否会有影响呢？厂家也不能肯定。而用户急着用电，不能久拖。最后与厂家、用户协商，投入该变压器运行。先投入一条长约4km的空载线路，测母线三相对地电压，分别为Uao = 6.6kV，Ubo = 6.3kV，Uco = 6.1kV。发现三相电压的偏差在变小，继而再投入其它线路，并且投入用户变压器，测用户变压器低压侧（400V侧）电压，看三相电压相差多少，能否使用，于是到用户变压器低压侧测电压，测得三相电压分别为Uao = 235V，Ubo = 234V，Uco = 234V，相电压、线电压都平衡。用户投入各类负荷运行正常。回来后，再测Ⅱ段母线电压，测得电压分别为Uao = 6.3kV，Ubo = 6.3kV，Uco = 6.3kV，三相电压完全平衡。由此进行了总结，得出结论：该变压器空载（只带母线）时三相对地电压不平衡，带上负荷后，电压完全平衡，用户可以放心使用。

三相不平衡补偿 第3篇



关键词：三相UPS; 不平衡负载; 重复控制

中图分类号： TM762 文献标识码：A

输出电压的对称性是衡量三相交流电源性能的一个重要指标,三相输出电压不平衡的抑制对大功率UPS的控制尤为重要.UPS逆变器若采用半桥式结构,在直流母线上的两个串联电容的中点和交流输出的中性点相连,三相可独立控制［1］,但电容在单相负载时必须承受全负载相电流,所需电容量较大,直流电压利用率低.若采用三相四桥臂结构,则具有固有的不平衡消除能力,但开关频率低,限制了调节带宽,也不适用于输入输出隔离的逆变器［2］.对于大功率UPS,应用最多的还是三相四线式结构,在三桥臂逆变器和负载间有隔离变压器,变压器次级绕组的Y0接法给负载不平衡所产生的中线电流提供一个通路,Δ形连接的初级绕组让三相不平衡所产生的零序电流在变压器初级绕组线圈内形成环流［3］.

UPS带平衡负载运行时,基于同步旋转坐标系的PI控制器能使输出电压很好地跟踪参考正弦信号［3-4］,但是这种控制器在不平衡负载下的补偿作用是有限的.为此,文献［5］提出了使用两组PI控制器,一组在同步旋转坐标系下的PI控制器用于正序分量的调节,另一组在反向旋转坐标系下的PI控制器补偿负序分量的影响.这种方法改善了逆变器输出在不平衡线性负载下运行的性能,但对于非线性负载来说起不到很好的谐波抑制作用.文献［6］加入了谐波补偿器,针对5次、7次谐波进行了补偿,在输出电压不平衡和谐波抑制方面都取得了很好的效果.但控制系统复杂,且只能对特定阶次谐波进行补偿.

文中分析了三相UPS输出电压不平衡产生的机理,结合重复控制和PI控制的优点,分别使用两组重复控制与PI复合控制器控制正序和负序电压,有效地抑制了UPS三相输出电压的不平衡和谐波分量,样机验证了理论分析结果的有效性.

4 结论

输出电压不平衡的抑制是三相大功率UPS电源控制的关键技术.本文对在不平衡负载和非线性负载情况下的UPS三相输出电压的不平衡的机理进行了分析.结合重复控制和PI控制的优点,分别使用了两组基于同步旋转坐标系的重复控制+PI复合控制器对正序和负序电压分量进行控制,基本消除了负序分量,有效地抑制了零序分量,对三相输出不平衡起到了良好的抑制作用,并能有效地抑制非线性负载导致的谐波分量.与企业合作,实现了大功率UPS的产业化.样机实验结果表明了基于复合控制的方案在非线性和不平衡负载的情况下,具有良好的对输出不平衡和谐波的抑制能力.

参考文献

［1］ JEONG C Y, CHO J G,KANG Y,et al.A 100 kVA power conditioner for threephase fourwire emergency generators［C］//Fukuoka, Japan:PESC’98,29th IEEE, 1998:1906 -1911.

［2］ 孙驰,马伟明,鲁军勇. 三相逆变器输出电压不平衡的产生机理分析及其矫正［J］.中国电机工程学报,2006, 26(21): 57-64.

SUN Chi,MA Weiming,LU Junyong. Analysis of the unsymmetrical output voltages distortion mechanism of inverter and its corrections［J］.Proceedings of the CSEE, 2006, 26(21): 57-64. (In Chinese)

［3］ 白丹, 蔡志凯,彭力等.三相逆变电源不平衡负载研究［J］.电力系统自动化,2004,28(9): 53-57.

BAI Dan,CAI Zhikai,PENG Li,et,al.Study on the unbalanced load of a threephase inverter［J］.Automation of Electric Power System, 2004,28(9): 53-57. (In Chinese)

［4］ BORUP U,ENJETI P N,BLAABJERG F. A new spacevectorbased control method for UPS systems powering nonlinear and unbalanced loads［J］. IEEE Trans Ind Appl, 2001, 37(6):1864-1870.

［5］ HSU P,BEHNKE M. A Threephase synchronous frame controller for unbalanced load［C］// PESC’98, 29th IEEE.1998.1369-1374.

［6］ KIM K H,PARK N J,HYUN D S. Advanced synchronous reference frame controller for threephase UPS powering unbalanced and nonlinear loads ［C］//PESC’05, 36th IEEE. 2005: 1699-1704.

［7］ 彭力,白丹,康勇,等. 三相逆变器不平衡负载抑制研究［J］. 中国电机工程学报,2004,24(5):174-178. 

PENG Li, BAI Dan, KANG Yong,et al.Research on threephase inverter with unbalanced load［J］. Proceedings of the CSEE,2004, 24(5):174-178. (In Chinese)

［8］ MICHELS L,PINHEIRO H,GRUNDLING H A.Design of PlugIn repetitive controllers for singlephase PWM inverters［C］//Industry Applications Conference, 39th IAS Annual Meeting. IEEE, 2004: 163-170.

［9］ ESCOBAR G,VALEZ A A J. LeyvaRamos. Repetitivebased controller for a UPS inverter to compensate unbalance and harmonic distortion ［J］.IEEE Trans. On Industrial Electronics, 2007, 54(1):504-510.

［10］裴雪军,段善旭,康勇等.基于重复控制与瞬时值反馈控制的逆变电源研究［J］.电力电子技术,2002,36(1): 12-14. 

PEI Xuejun, DUAN Shanxu, KANG Yong,et al. Study of inverter with repetitive control and instantaneous feedback control［J］.Power Electronics,2002,36(1): 12-14. (In Chinese)

［11］廖慧,涂用军,丘水生,等.三相UPS输出电压的一种新型控制方案［J］.湖南大学学报:自然科学版,2008, 35(12):42-47. 

三相不平衡补偿 第4篇

目前只有分相无功补偿装置对负荷电流中的无功部分进行补偿,这种方法只能将电网中的无功电流补偿掉,而对于不平衡的有功电流却无能为力,有时候进行无功补偿后可能会使有功电流的不平衡更加严重。

为了克服现有技术中存在的问题,笔者现介绍一种配电变压器三相不平衡电流检测补偿装置,利用其可有效改善三相电流不平衡的问题,减少电能损耗和设备损坏。

配电变压器三相不平衡电流检测补偿装置包括三相电流检测装置、控制器、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)驱动器和补偿电流发生器。控制器的一端与三相电流检测装置进行连接,另一端与IGBT驱动器进行连接,IGBT驱动器的控制信号与补偿电流发生装置进行连接。

控制器包括模数转换模块、信号处理器和数模转换模块,各个模块顺次进行连接。补偿电流发生器的电路结构是由电力电子器件IGBT组成的全桥拓扑结构。补偿电流发生器的补偿电流经过电抗器后回馈到配电变压器的负荷侧。

电流检测装置采用电流互感器安装在配电变压器的负荷侧的三相电路中,用于测量输电线路中的电流大小。控制器位于装置的箱体内,外部留有电流检测装置的电流信号输入端子和IGBT驱动器所需的控制信号输出端子。IGBT驱动器输入端与控制器的控制信号输出端连接,输出端与补偿电流发生器的信号输入端连接。补偿电流发生器发出的补偿电流,需要经过电抗器和开关器件输出到负荷侧电路中,其中电抗器起到抑制谐波和维持电流导通的作用。

当设备安装到位,对控制器和IGBT驱动器上电,合上补偿电流发生器和配电变压器负荷侧的断路器,装置开始检测配电变压器的负荷电流值。假设装置检测到U,V,W三相负荷电流分别为15,10,5 A,经过控制器进行分析之后,就会给IGBT驱动器发出指令,使装置U相输出电流为5 A,V输出电流为零,W相输入电流为5 A,从而使配电变压器U相电流减少5 A,V相电流保持不变,W相电流增加5 A,最终使配电变压器三相电流均为10 A,使得配电变压器三相电流达到一个平衡状态。

三相不平衡补偿 第5篇

电能质量通常是由供电电压的频率、偏移、波动、闪变、间断、塌陷、尖峰、谐波、畸变、三相不平衡和高频干扰等指标来表征。作为电能质量重要指标之一的“三相不平衡”是针对正常不平衡运行工况而定的[1]。当三相电路中的电源、负载、输电线路阻抗三部分有一部分或几个部分不对称时,电路为不对称三相电路。电力系统正常性三相不平衡主要是由于三相负荷不对称所致,电力用户中单相负载在三相系统中的不均衡分配也是导致三相电压不平衡的主要原因之一[2],一些补偿装置也在大量的投入运用。统一电能质量控制器(UPQC)是FACTS家族中功能最强大的平衡补偿装置,能同时控制系统的电压、相角及阻抗等参数。可实现对系统潮流和电压的控制,提高系统输送容量、稳定性和动态补偿[3]。

参考文献[4]的方法能有效地进行功率控制和电压不平衡补偿,动态性能良好。但该方法仅讨论了带单相线性负荷所造成的电压不平衡问题,没有解决三相以及非线性的不平衡问题。参考文献[5,6]分别对并联晶闸管投切电容器(TSC)和静止同步补偿器(SVG)装置进行不平衡补偿,其基本原理都是采用并联电能质量调节器来抑制电压不平衡,通过补偿线路电流来实现不平衡补偿。控制和调节都很灵活,但是在负载出现严重不平衡的情况下,由并联电能质量调节器注入的补偿电流的幅值将急剧增加,甚至会超过电能质量调节器的额定值。本文是根据参考文献[7,8]的UPQC的补偿装置进行了简化,得到UPQC装置,提高了UPQC控制单元的灵活性和速动性,同时也降低了成本。

1 平衡补偿原理

不对称系统的运行是电力系统普遍存在的问题。发电机和变压器输出的三相电压都或多或少存在不对称,这类不对称称为电源不对称;负载大小和功率因数的不一致所产生的不对称称为负载不对称,而负载电压的不对称现象一般不会太严重,在电能质量中更多的是关注电流的不平衡。所以本文讨论的“平衡补偿”是指在三相电压源对称的条件下,通过补偿方式使流过电源的三相不平衡电流得到平衡。这种平衡控制的前提条件是,平衡补偿系统不能产生附加的有功损耗。负载自身不对称现象是由负载本身的特性所决定的,也是无法实施平衡控制的。

理论上讲,不对称系统中的平衡补偿目标至少应包含以下几点特征:

(1)补偿后系统的三相线电流幅值相同。

(2)补偿后系统的三相线电流相角相差120°。

(3)在可能的情况下,应尽量使各相功率因数为“1”。

(4)系统中所有运行设备经平衡补偿后都能稳定工作在额定运行状态。

(5)补偿系统自身不产生任何有功损耗。

第三和第五种情况都是在理想情况下才能实现的,一般第一、第二和第四种情况才是判断平衡补偿的依据。

负载的不对称无外乎有以下几种表现形式:

(1)三相线路电流幅值相同,功率因数有差异。

(2)线路电流的幅值不同,功率因数各异。

(3)线路电流的幅值不同,但功率因数相同。

从三相电路的基本概念出发,任何三相三线制的复杂结构(其中包括负载由多个三角形和多个星形负载的并联结构)的三相负载都可以等效为星形连接的三相负载,而每相负载的等效阻抗均可表示为ZLk=rLk+jxLk,其中k表示a、b、c三相。

无论是怎样的不对称表现形式,要实现系统的平衡补偿,一般可采取以下三种形式之一实现平衡控制:

(1)通过幅值和相位均可调节的电流源注入到线路之中,通过电流合成的方法取得线路电流平衡,这种方法一般是通过在线路上并联电抗来实现平衡补偿。(2)在线路中串联一个幅值和相位均可调节的电压源,通过电压的矢量合成改变负载电压的幅值和相位,从而达到三相线路电流的平衡,一般通过电磁耦合的方式得到不同相位电压源。(3)通过串并联组合方式实现平衡补偿,例如采用独立三相电压输出的统一潮流控制器UPQC来进行平衡补偿控制。

第一种平衡补偿方法的成本最低,可在配电网中广泛推广应用,但补偿所能取得的效果必须经过最优运算,较繁琐;第二种方法由于主要应用电磁耦合的原理得到不同相位和幅值串联电压源,所需设备的体积较大、质量较大,绕组也比较多,不容易实现精确平衡补偿,但运行的可靠性一般较高;第三种方法是目前比较看好的一种方法,它不仅能实现智能无功的平衡补偿,还能在同一条线路的不同相之间进行有功功率传递,本文主要研究UPQC的平衡补偿控制。

2 不对称系统的UPQC平衡补偿

随着电力电子技术的不断发展,反映各种不同功能的全控型逆变器已大量投入运行,特别是PWM技术的发展,以使得这些逆变器的输出电压不仅能实现幅值的均匀变化,也能够非常方便地改变输出电压的矢量方向。这种平衡补偿结构就是20世纪90年代已投入应用的统一潮流控制器UPQC[9]。准确地讲,这种补偿结构应属于串并联组合型平衡补偿类型,但考虑到它已不是基于绕组切换的简单补偿方式,而是一种体现了现代电力电子技术智能应用的一个大的发展方向或趋势。

2.1 串联型平衡补偿

参考文献[4,5,6]所述属于并联型平衡补偿,其基本原理都是通过对线路注入不同相位的电流,以实现电源电流的平衡;而串联型平衡补偿的机理则是通过在线路中串联一个电压源,以改变负载的实际工作电压,从而使三相电源电流得到平衡。

图1即为实现这种串联平衡补偿的等效原理图,其中的Uqk(t)(k表示a、b、c三相)为串入到线路中的等效电压源。若这三个串入线路的三相电压源幅值和相位能够实现各自独立的调节,则能非常方便地实现三相电源的平衡补偿。

在下文中为了计算简便均假设负载阻抗ZLk中包含了线路阻抗ZL的因素。根据三相电路的基本概念可知,经过串联平衡补偿后,负载中性点与电源中性点之间的电压可表示为:

其中,电源等效输出电压Uek=Uk+Uqk。

2.2 UPQC平衡补偿原理

UPQC平衡补偿的基本途径就是通过对图2中串联电压Uqk的幅值和相位能够根据平衡补偿的需求实施任意控制。图3为其平衡补偿控制的矢量图。由矢量图可知,不论负载不平衡程度有多严重,总能在串联电压终端轨迹中找到一补偿电压使得三相电源电流得到平衡。这种任意控制的逆变器不仅包含无功功率的交换,同时还伴随着有功功率的交换。

UPQC是将STATCOM和静止同步串联补偿器(SSC)的直流侧连接起来的组合装置,考虑到UPQC控制单元中既要控制STATCOM又要控制SSC,从而使得灵活性和速动性有些降低而且成本比较高。而UPQC的补偿原理主要是通过SSC交流侧输出一串联的电压以改变负载的实际工作电压,从而使三相线路电流得到平衡。对STATCOM部分不要实施控制,因此可以将UPQC中STATCOM部分的全控型电力电子器件换成二极管,这样就增加了装置灵活性和速动性,如图2所示。STATCOM是并联在电网上,而SSC则是串联在电网中,通过直流电路的互通,可将从STATCOM获得的有功功率传送到SSC;反过来,也能将从SSC吸收的有功功率传递到STATCOM,从而保证SSC和STATCOM都能实现有功和无功功率的控制。若忽略UPQC中各器件的损耗,则SSC吸收的有功功率应等于从STATCOM得到的有功功率;反之,STATCOM吸收的有功功率也应等于从SSC得到的有功功率。当无需有功功率参与调节时,两者均能独立实现无功功率的自动控制,并以“无功电源”的方式运行。

一般而言,UPQC都是安装在变电站内或变电站附近,然后再经过传输线送给负载,如图2所示。图中Uqa、Uqb和Uqc为UPQC三个单相逆变器对应的输出电压。无论不对称系统的不平衡度有多严重,都是由于负载不对称产生的。负载的不对称并不会影响电源的对称性,除非出现电站变压器不对称的磁路饱和的运行状态,因而可认为三相电压源总是对称的,这也是不对称系统分析的基本条件。由于三相整流器的电源输入端直接并接在三相电源的母线或出线上,即UPQC整流器的三相输入电压源是完全对称的。为了满足系统平衡补偿的要求,UPQC的三个逆变器输出电流幅值和相位可能会出现严重的不对称,但这并不会影响三相整流器的输入电流为完全对称的事实。因此,逆变器的平衡控制策略中可以不必考虑整流电路的分流作用,以及它对平衡补偿效果的影响。

当然,三相整流电流中会含有一定的谐波成分,而整流电流的大小又与三个逆变器的输出电流大小和运行状态有关。当逆变器采用PWM调制技术后,其输出电压中除了占有绝大部分的基波分量外,其余的均为高次谐波分量,而高次谐波很容易通过滤波器得到基本消除。这个结论即使是对于采用多重化技术实现的逆变器也是成立的,只是此时逆变器输出的电压谐波相对低一些。例如,对于大量使用的12脉冲的多重化逆变器而言,其交流输出电压的谐波频率为fh=12n·f1±1,其中,f1为基波频率;n为正的整自然数。而对于更多脉冲数的多重化逆变器,则谐波频率也会更高一些。但多重化逆变器的交流输出电压幅值不能像PWM调制那样容易实现,而只能通过直流电压的幅值变化来改变交流输出电压的幅值,这就要求整流电路必须采用晶闸管器件,这样会增加控制的复杂性。使用三电平逆变器原本应该是一个比较好的选择,但它不便用于单相逆变器。总之,无论采用什么样的逆变器结构,总是可通过不太麻烦的滤波方式将谐波滤除。因此,在UPQC的控制单元中不考虑谐波的存在(假设逆变器的输出电流为理想的正弦波)。

2.3 UPQC的平衡补偿控制

由于负载的不对称性较大,其电压也有较大的差异,因此SSC逆变器交流侧输出的三相电压应根据负载的电压不同而进行独立的控制。当系统在基波频率下运行时,串联注入电压矢量的幅值和相位角都是可控的[10]。令η为各相串联电压与电源电压的幅值之比,各逆变器的PWM幅值调制比为mk,因而逆变器输出的基波电压的有效值为Uqk=mk·η·U,电源电压与对应串联电压的相位之差用ρk表示。由图2可知,在UPQC的控制单元中只需调节串联电压与电源电压的幅值之比η、各逆变器的PWM幅值调制比mk、对应串联电压的相位之差ρk,就能得到准确的串联补偿电压从而使得三相电源电流得到平衡补偿。则式(1)可改写为:

而经串联补偿后的各相电流可表示为:

将式(2)代入式(3)得:

因此,串联补偿后的三相电流分别为:

上式中大方括弧中的部分即为三相电源分别对应的等效导纳。它们可简单地表示为:

串联型平衡补偿的等效导纳的实部ykr和虚部ykj总是可以表示为η、mk和ρk的函数。由式(5)可知,三相电源电压是完全对称的,欲使系统得到完全平衡,就应使流过电源的电流矢量为三相对称电流。也即是要求|Ya|=|Yb|=|Yc|,φa=φb=φc。这种平衡要求也就是求解下列平衡方程:

利用三个独立控制的单相逆变器具有以下几个特征:

(1)通过对逆变器PWM输出的幅值调制比变化对串联电压Uqk的幅值实施独立控制;

(2)能够对串联电压Uqk的相位进行超前或滞后控制;

(3)各个串联绕组均能提供或吸收有功功率和无功功率,该功能为补偿电压相位的均匀变化提供了有力支撑;

(4)由于三个串联变压器都是单相变压器,不存在磁耦合问题,因而无需考虑三个变压器不对称运行的影响。

以上四个特征正好克服了单纯采用串联变压器所带来的不便,使式(6)中的串联电压与电源电压的幅值之比η、各逆变器的PWM幅值调制比mk、对应串联电压的相位之差ρk成为真正的独立变量,因而能得到非常大的寻优空间,从而为经济、可靠、稳定的平衡补偿控制奠定了有力的基础。采用UPQC的最优平衡计算可直接根据式(6)的原则进行。将式(5)已求出的各相导纳的实部和虚部代入上面等式,列出目标函数:

由式(7)根据非线性规划算法进行迭代使得目标函数趋近于零,计算得出UPQC控制单元的调节参数mk、η和ρk的值,从而就能得到合理的串联补偿电压,使得三相电源电流得到平衡补偿。

3 算例

广东某一35 k V大型企业专用线路的设计容量为10 MVA,采用三相三线制传输方式。在某一时段变电站所测得的a、b、c三相的有功潮流数据分别为1.2、2.3、1.68 MW,无功功率分别为滞后的0.23、0.31、1.22 Mvar,实时测得的三相电压均为35.6 k V,三相不对称负载分别为:

ZLa=345.71∠10.85°Ω;ZLb=181.98∠7.68°Ω;ZLc=203.01∠35.99°Ω。

现要在该变电站设计出现采用二极管整流电路实现的UPQC装置对不平衡系统进行平衡补偿。具体过程如下:

3.1 模型建立与计算

基于UPQC串联平衡补偿如图4所示。

假设a相电压的初始相角为零,由所给条件知,相电压有效值为:

根据式(7)列出目标函数f(yx)。根据非线性规划算法进行迭代使得目标函数趋近于零。在计算得出的多组解中ma=0.971,mb=0.97,mc=0.967,η=0.35,ρa=-21.45°,ρb=-143.17°,ρc=117.14°,可使得目标函数f=1.67×10-4为最优解。

3.2 模型仿真

根据以上所得UPQC的控制参数(mk、η、ρk),采用Matlab仿真,系统运行后0.04 s触发UPQC动作进行补偿。用示波器测得各波形如图5所示。

由图5 a)可以看出在0.04 s之前补偿电压为零,0.04 s之后UPQC触发运行,相当于系统串联了一个三相电压源Uqa、Uqb、Uqc,其幅值均接近于10 k V,这说明该企业的不对称运行程度比较严重。图5 b)中在0.04 s之前,负载的电压等于三相电源电压,所以不对称负载的端电压三相平衡,而这样也就导致了三相电流的不平衡。所以为使得电流达到平衡,在0.04 s之后触发UPQC,串联补偿一个三相电压,使得三相电源电流达到平衡。但由于补偿电源不平衡,由式Uek=Uk+Uqk可知补偿后负载两端电压不平衡。

由图可以看出系统在0.04 s之前三相电源电流出现不对称运行,0.04 s之后达到了三相平衡状态。这是由于在0.04 s之前UPQC补偿装置未触发运行,而三相电源电压是平衡的,负载出现不对称,从而导致三相电流不对称运行。在0.04 s之后UPQC补偿装置触发运行,给系统串联补偿一个三相电压源,从而使得系统三相电流源达到平衡运行,如图6所示。

Ia1、Ib1、Ic1—补偿前三相电源电流Ia、Ib、Ic-补偿后三相电源电流

4 结语

对系统补偿的基本要求就是要快速检查负载的不对称程度,并快速投入补偿装置。由于UPQC控制单元中既要控制STATCOM又要控制SSC,从而使得灵活性和速动性有些降低而且成本比较高。文中针对这些问题对UPQC补偿装置进行具体的修改,将UPQC中STATCOM部分的全控型电力电子器件换成二极管,从而得到了UPQC装置,由第3节的仿真波形可以看出UPQC控制的灵活性和速动性很高,同时降低了装置设计的成本,也达到了电源电流平衡补偿标准,可以在各变电站的不平衡补偿中加以推广。但本文的不足是在UPQC的控制单元中没有考虑谐波的存在,假设逆变器的输出电流均为理想的正弦波,还应在以后的研究中加以改善。

参考文献

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]同向前,王海燕,尹军.基于负荷功率的三相不平衡度的计算方法[J].电力系统及其自动化学报,2011,32(2):24-30.

[3]SEDRAOUI C K,AL-HADDAD K,CHANDRA A.Versatile Control Strategy of the Unified Power Flow Controller(UPF)[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2000,12(7):142-147.

[4]周洁,罗安,陈燕东,等.低压微电网多逆变器并联下的电压不平衡补偿方法[J].电网技术,2014,10(2):412-418.

[5]WANG Siyu,LV Yuanyuan,GAO Qiang.Dynamic Compensation Strategy for the Unbalanced Three-Phase Reactive Power System Based on TSCDevice[J].ECCE Asia,2012,37(5):2823-2827.

[6]孙红星,何德刚,吴文波.基于链式SVG三相不平衡负荷的平衡补偿方法的仿真分析[J].自动化技术与应用,2014,17(6):60-64.

[7]IKEDA Y,KATAOKA T.A UPQC-Based Voltage Compensator with Current and Voltage Balancing Function[J].IEEE Transactions on Instrumentation,2005,15(7):1838-1844.

[8]SEDRAOUI K,AL-HADDAD K,OLIVIER G.Flicker Compensation in Arc Furnace Power Systems Using the UPQC[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006,22(1):9-12.

[9]王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005:226-234.

三相不平衡补偿 第6篇

近年来,随着我国城乡经济建设的发展,配电网的电力负荷呈现快速增长的态势。由于城乡低压配电网中普遍采用三相四线制接线方式,存在很多单相负载,电网三相负荷不平衡现象日益突出,导致线路损耗持续增大,电能质量问题日趋严重,严重影响到电网的经济运行效益。因此,通过调节减少三相负载不平衡造成的线路损耗,对于提高电网运行的经济效益,达到降损节能效果具有十分重要的意义。本文针对0.4 kV低压配电网普遍存在的三相负载不平衡现象,分析了三相负载不平衡对线路损耗的影响,提出应用三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡的方法,通过控制相相、相零之间连接的等效电容电感投切,实现三相负载平衡自动调节补偿,并对采用本技术方法研发的自动调节补偿装置运行后的降损节能效果进行对比分析。结果表明,采用相相、相零之间连接等效电容电感投切方法,能较好地自动调节三相负载平衡,降低电网损耗,电网运行的经济效益得到显著提高。

2 三相负载不平衡对线损影响的分析

线损是电网运行中产生的有功功率损耗和电能损失,是用来衡量供电部门技术管理、运行管理、计量管理、用电管理、营销管理水平的综合性经济技术指标,降低线损是供电部门节省能源、提高经济效益的重要手段。

三相四线制接线方式由于单相负载的不均衡性和用电不同时性等原因,不可避免地造成配电变压器的三相不平衡运行。严重的三相不平衡不仅影响电网的安全运行,也是线损增加的主要原因之一。

当三相负载不平衡时,所对应的三相电流也是不平衡的,在配电网线路将产生如下线损。

2.1 中性线电流线损

在三相四线制配电线路中,中性线电流为三相电流的矢量和。当三相负载电流不平衡时,三相电流的矢量和不为零,在中性线回路会产生较大的电流,由于一般中性线电阻比相线大,因此中性线的线路损耗也会很大。

设三相电流幅值分别为IA、IB、IC,对应的无功因数角为θA、θB、θC。中性线电流幅值为I0,电阻为R0,线路功率损耗为P0。根据三相四线制配电线路的运行规则,得:

中性线电流幅值:

据此,得:

中性线线路功率损耗。

由上式,可得:当三相电流平衡时,IA=IB=IC,θA=θB=θC,则I0=0。即,三相电流幅值相等且功率因数相同时,中性线电流等于0,不产生中性线线损。当三相电流不平衡使IA≠IB≠IC,θA=θB=θC时,设IA=IC+iCA,IB=IC+iBC,其中iCA为AC相电流幅值差值,iBC为BC相电流幅值差值。

代入(1)式,整理后得:

由不等式,得:

即,当三相电流不平衡使三相电流幅值不相等且功率因数相同时,中性线电流的平方大于等于其中某一相电流幅值与另两相电流幅值差值的乘积,随着某一相电流幅值与另两相电流幅值差值的增大,中性线线损也随之增大。

当三相电流不平衡使IA≠IB≠IC,θA≠θB≠θC,由式(1)得三角形内角嵌入不等式:

据此,当满足IA:IB:IC=sin(60°+θA-θB):sin(60°+θB-θC):sin(60°+θA-θB)时,,P0=0;当不满足该条件时,。

即,当三相电流不平衡使三相电流幅值不相等且功率因数不相同时,若满足IA:IB:IC=sin(60°+θA-θB):sin(60°+θB-θC):Sin (60°+θC-θA),可维持中性线电流等于0,不产生中性线线损;若不满足该条件时,中性线电流大于0,产生中性线线损。

可见,当三相负载不平衡导致三相电流不平衡时,会产生较大中性线线损。当三相电流平衡或三相电流不平衡但满足条件:IA:IB:IC=sin(60°+θA-θB):sin (60°+θB-θC):sin(60°+θC-θA)时,中性线电流为0,不产生中性线线损。

2.2 线路附加功率损耗

三相四线制供电系统在输送相同的有功功率时,如果三相负载均衡地分配到三相线路,这时三相电流是平衡的,线路功率损耗也最小。而随着三相负载的不均衡输送,三相电流也呈现不平衡,由于线路功率损耗与相电流的平方呈正比增加,因此三相负载不平衡时线路损耗增加很快,三相电流不平衡的线路功率损耗与三相电流平衡时线路功率损耗之差值,就是三相负载不平衡时的线路附加功率损耗。

设IA、IB、IC为三相各自的电流,IZ为总负荷电流,则IZ=IA+IB+IC。RL为相线等值电阻。根据架空配电线路设计技术规程规定,中性线截面可以是相线截面的一半,据此,可设中性线电阻R0是相线电阻RL的2倍。

三相负载平衡时,每相的电流为。得出以下公式。

三相负载平衡时相线总的功率损耗:

三相不平衡时带来的相线附加功率损耗:

三相不平衡时带来的相线附加功率损耗:

可见,三相不平衡的相线附加功率损耗增加与三相电流幅值差值增加的平方相关,IA=-IB、IB-IC、IC-IA变大时,线路附加功率损耗增加很快。

设三相极端不平衡时,某一相承载全部负荷电流IZ,这时,另两相负荷电流为O,中性线电流为IZ,则线路总的功率损耗:

即,同样的三相四线制供电线路,当三相负荷不平衡时,线路功率损耗最大可增加为原来的9倍。

可见,三相四线制供电线路的三相不平衡线路附加功率损耗与三相电流幅值差值增加的平方相关,三相电流幅值差值越大,线路附加功率损耗增加越大。当三相负荷不平衡时,在计入中性线电流线损的情况下,线路功率损耗最大可增加为原来的9倍。

以上分析结果表明,三相负载不平衡时使电能损耗增加,产生很大的线损,因此电力部门要节能降损,必须对三相负载不平衡进行治理。

3 三相负载平衡自动调节补偿解决方案

针对低压配电网三相负载不平衡的现象,国内电力部门大都采用不定期人工切换调整单相负荷的方法,力图使三相负荷在一定时段内大致趋于均衡,这种人工调节三相负荷平衡的方法无法做到实时、快速、准确,已远远不能适应电力部门降损节能的需要。

笔者所在单位在研究国内外电力电子技术发展现状的基础上,应用三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡的方法,研制基于该方法的三相负载平衡自动调节补偿装置并安装运行。装置采用的方法与无功补偿自动投切电容技术相类似,可以应用电力电子技术实现有级与无级相结合平滑自动调节三相负载,避免使用电力负荷开关接通或切除大负荷造成的电网波动,保证用户的安全用电,维持三相四线制供电线路的三相负载动态平衡,达到降低线损,减少能耗及提高电网经济运行效益的效果。

3.1 自动调节补偿方法

三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡方法的基本原理是通过在相与相之间接入不等容量电容进行投切,使重负载所在相的部分有功功率转移到另一相,实现三相负荷的不平衡度调整。

现以AB相间连接容量为QAB的电容为例,说明有功功率相间转移功能,设三相电压幅值相等,各相电压

对于A相方向,相间跨接电容线电压:

线电流超前90°,,分解为与A相电压平行的有功电流分量和与A相电压垂直的无功电流分量,得:

有功电流分量与A相有功电流方向相反,减小了有功功率。减小的有功功率:

无功电流分量超前A相电压方向90°,补偿了A相无功功率。补偿的无功功率:

对于B相方向,相间跨接电容线电压与方向相反,得:

线电流超前90°,得,分解为与B相电压平行的有功电流分量和与B相电压垂直的无功电流分量,得:

有功电流分量与B相有功电流方向相同,增加了有功功率。增加的有功功率:

无功电流分量超前B相电压方向90°,补偿了B相无功功率。补偿的无功功率:

可见,在AB相间跨接的电容容量QAB投入时,可以将有功功率由A相转移到B相,并在AB两相分别补偿无功功率。同样,在BC相间跨接的电容容量QBC投入时,可以将有功功率由B相转移到C相,并在BC两相分别补偿无功功率,在CA相间跨接的电容容量QCA投入时,可以将有功功率由C相转移到A相,并在CA两相分别补偿无功功率。

在三相负载平衡调节需要投入的相间跨接电容容量较大时,由于相间跨接电容在转移有功功率的同时同步补偿两相无功功率,很容易出现无功过补偿。因此,需要在各相零之间接入不等容量的等效电容、电感进行无功因数调整,在无功过补偿时投入相应的等效电感进行反向补偿,使各相无功因数自动调节为接近1。

3.2 自动调节补偿装置

基于三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡的装置主要由微处理器控制模块、电压和电流检测模块、等效电感或电容模块等单元组成,安装在低压配电网三相严重不平衡的支路负荷中心点位置。

微处理器控制模块的主要功能:控制电压和电流检测模块采样所在支路三相电压、电流、功率因数等电网数据,通过专项计量芯片算出相应的有功与无功功率、电流、功率因数等数据,按照使三相有功功率不平衡度和线损最小的优化算法,综合计算确定三相有功功率平衡自动调节补偿方案,控制启动相相连接、相零连接等效电感或电容模块执行相应投切动作。此外,还用于控制管理液晶显示和手动按键设置功能参数。

电压电流检测模块设置3路A/D采样电路和高精度三相四线制计量芯片,可同时采样三相电压电流参数,经专项计量芯片算出相应的有功与无功功率、电流、功率因数等数据,发送给控制模块处理。

等效电感或电容模块按“Y”形接法连接多组分补等效电感或电容,按“△”形接法连接多组相间有功平衡调节等效电感或电容,该模块采用传统TSC (晶闸管投切电容器)与SVG(静止无功发生器)相结合的方式,实现无级三相负载平衡自动调节补偿。SVG利用可关断大功率电力电子器件(如IGBT)组成自换相桥式电路,经过电抗器并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或者直接控制其交流侧电流,就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,等效于电感或电容投切,实现无级快速动态精确调节补偿功能。

在采用相间输出感性或容性无功来转移有功功率实现三相负载自动平衡调节和无功补偿时,TSC与SVG相结合的优点是,既可充分利用传统电容补偿的低压成本结构简单的特点,又可以通过SVG快速产生感性和容性无功,达到快速动态精确实现三相负载自动平衡调节补偿的目的。

4 运行效果分析

为了验证采用三相不对称调补电容电感方法自动调节补偿三相负载不平衡的功能,笔者所在单位近期在广州市某区低压配电网多台公变安装试运行三相负载平衡自动调节补偿装置,取得了较好的运行效果。下面是某公变运行实例。

该台区变压器容量为500 kVA,在2#支路距离变压器400 m左右位置安装一台自动调节补偿装置。运行数据引自2015月7月23日晚上21:00左右用电高峰期,21:00分,2#支路自动调节补偿装置启动复位,装置全部等效电感电容切除,处于未投状态。21:05分后,装置检测到三相负荷不平衡,部分等效电感电容自动投入,通过装置自动检测采样回来的见表1、表2。

4.1 三相不平衡率

三相负载不平衡率=(相负荷-平均相负荷)/平均相负荷×100%

三相电流不平衡率=(相电流-平均相电流)/平均相电流×100%

得出:三相负载最大不平衡率投前为51.422%,投后降低为2.131%;三相电流最大不平衡率投前为51.635%,投后降低为2.715%

4.2 中性线线损

按每度电0.61元计算,一年中性线的线路损耗电费=0.61×362.414 866=221.07 (元)。

变压器2#支路安装自动调节补偿装置调节三相负载平衡后,中性线线路损耗电费1年可以节约8 683.96 (元)-221.07 (元)=8 462.89 (元)。

4.3 线路附加功率损耗

运行结果表明,该台区仅2#支路安装1台基于三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡的装置,每年就可减少线路损耗费用14 996.60元,其节能降损的效果非常显著。

5 结语

三相四线制供电系统在三相负载不平衡时,由于线路损耗与电流的平方成正比增加,线路损耗明显增大,产生较大的中性线线损和三相线路附加功率损耗。

采用三相不对称调补电容电感自动调节补偿三相负荷平衡的方法,可以实现有级与无级相结合平滑自动调节三相负载,使三相负载趋于平衡,达到降低线损,减少能耗,提高电网经济效益的效果。

我国城乡0.4 kV三相四线制低压配电网普遍存在三相负载不平衡现象,已成为线路电能损耗居高不下的重要成因,严重影响到电力部门的经济运行效益。随着城乡经济发展和人民生活水平的提高,低压配电网安装变压器的装机容量增长很快。一座中等规模城市的低压配电网按配电变压器装机台数5 000台估算,应用三相负载平衡自动补偿调节技术,每年可节省线路损耗费用超过数千万元,降损节能潜力非常巨大,符合国家倡导的节能减排发展方向,是一种值得研究推广的降损节能技术项目。

参考文献

[1]林志雄,李天友,蔡金锭.低压配电网三相不平衡全电容调节补偿的研究[J].供用电,2009,26(6):66-69.

三相供电不平衡分析与应对 第7篇

(1) 三相供电不平衡会降低配电变压器输出功率, 影响其出力, 严重三相供电不平衡在供电高峰期时会烧坏配电变压器。

(2) 三相供电不平衡会造成中性线电流增大, 电压中性点位移, 出现台区低电压, 引起计量不准, 线损增大, 而且有可能发生断中性线故障, 烧坏家用电器。

(3) 三相供电不平衡会引起剩余电流动作保护器误动。剩余电流动作保护器检测的剩余电流数据是三相漏电相量和, 三相供电严重不平衡, 会导致剩余电流动作保护器误动。

(4) 三相供电不平衡, 引起电动机启动困难, 降低电动机转速, 影响其输出功率, 严重时会烧坏电动机。

2 引起三相供电不平衡的原因

(1) 现场把关不严, 工程验收不到位。农网改造升级, 由于供电企业人员有限, 存在未经考试合格、业务技能欠缺的人员进入农网改造施工队伍的现象。某些施工队只重时效不重质量, 在接接户线时因担心接错中性线造成烧坏家用电器, 引起纠纷和赔偿, 将用户接户线一般都搭在中间两根线上 (因为中性线总在中间两根线上任意一根) 。而施工把关人员睁一只眼, 闭一只眼, 留下隐患。在有些地方工程验收流于形式, 况且三相供电是否平衡, 并未列入验收项目。

(2) 业扩搭线随意性较大。农网线路设计中性线一般在中间, 所以在装表接电时一般都接在线路中间两根导线上, 或者为图方便接在距用户最近的相线上, 引起三相供电不平衡。

(3) 农村电网点多、面广、线长、用户分散, 且用户用电存在季节性、时段性强的特点, 使得农村三相负荷平衡的可能性更低。

3 应对措施

(1) 施工人员务必持证上岗, 按图施工, 搭接接户线应依次错开, 尽量避免集中于某一相造成单相供电。三相平衡度应列入验收项目, 以求在源头上控制三相供电平衡。

(2) 装表接电相关人员应及时与台区管理员沟通, 及时了解三相负荷情况, 均衡分配各相负荷, 杜绝习惯性接中间相或就近接线的陋习。

(3) 及时调整三相负荷。由于农村供电负荷季节性强, 建议在每年7月、11月初进行调整。因为峰值供电时, 若三相供电严重不平衡, 就会带来很多问题, 特别是线损异常增大。笔者在工作实践中总结出了电压、电流调整法, 操作方便, 效果好, 具体做法如下。

电压调整。即在台区供电末端开始, 用一只数字钳形万用表, 插好测试线, 把万用表拨到合适的交流电压挡。正确着装登杆, 并由专人监护, 用黑探针接触中性线, 用红探针逐相测试其电压。从低电压相移部分负荷至高电压相, 力求每一基电杆电压基本持平, 依次从负荷侧向供电侧逐步推进。

电流调整。以电压为基准测试调整后, 再用钳形万用表电流挡从变压器低压侧母线上复查三相供电电流是否平衡, 中性线电流是否过大, 如果未达到预期效果, 则在就近线路修正。已调整的台区在集抄系统中跟踪几天, 以验证效果。

配电网三相不平衡问题探讨 第8篇

1 配电网三项不平衡所引发的问题

1.1 增加线路电能损耗

在普通三相四线制电力系统中, 有电流通过线路导线时, 会存在一定的阻抗, 必然会出现电能损耗。这种电能损耗的大小与电流通过的平方成正比。在电网通过三相四线制供电的过程中, 由于存在一定的单向负载必然会出现三相负载不平衡。发生三相不平衡运转的情况下, 中性线路会通过电流, 这样不仅会使相线出现电流损耗, 中性线也会有损耗出现, 增加整体电线网络线路的损耗。

1.2 对发电机的运行与安全产生影响

出现三相不平衡问题时, 发电机运行过程中负序电流会有逆方向磁场出现, 这样转子会出现一定损耗, 这类损耗包含由于感应转子表面产生涡流引发表面损耗、激磁绕组电流所引发的附加损耗, 如果发电机存在阻尼绕组, 会出现相应的损耗, 这些所产生的损耗都会使转子温度提升。受到这一因素的影响, 隐极发电机比凸极发电机更为严重, 这主要是因为隐极发电机转子槽中嵌有激磁绕组, 会对散热产生影响, 凸极发电机同空气直接接触, 受到的影响比较小。因此, 汽轮发电机不平衡度值比水轮发电机高。负载不对称的情况下, 定子磁势与正序旋转磁场、转子激磁磁场与负序旋转磁场所产生100Hz交变电磁力矩会在定子机座与转子转轴上产生作用, 并且出现震动。实践研究显示, 震动不会对汽轮发电机产生太大影响, 但是对水轮发电机所产生的影响较大, 对负序电流形成一定的限制, 无法保证发电机的安全运行。

1.3 增加配电变压器的电能损耗

在低压网供电中, 配电变压器是重要的设备, 配变功率损耗主要是按照负载平衡度而发生相应的变化。因此, 在配电变压器出现三相负荷不平衡情况时, 会使配电变压器损耗增加, 并且对其出力产生影响。这主要是由于配电变压器是依照绕组结构以及负荷平衡进行设计的, 其绕组性能基本一致, 各个定额容量基本相同。配电变压器最大出力受到各相额定容量的影响, 一旦在三相负荷不平衡情况下配电变压器运行, 负荷轻的一相会有剩余容量出现, 减少配电变压器的出力, 实际减少的程度是随着负载不平衡程度而发生变化的, 所产生的不平衡度越大, 所减少的出力也就越多。所以, 三相不平衡情况下, 配电变压器的运行期间, 输出容量难以达到额定容量, 备用容量也会随之减少, 大大降低过载能力。在过载情况下运行, 配电变压器温度上升, 甚至会将变压器烧损。

1.4 电动机效率降低

三相不平衡情况下, 如果配电变压器运行会造成输出电压发生不平衡, 在将不平衡电压输入到电动机后, 正负序电压会出现旋转磁场, 进而引发一定的制动效果。但是负序电压磁场要比正序电压磁场弱, 电动机会根据正序磁场方向进行转动的同时对负序磁场产生一定的制动, 受到制动作用的影响, 电动机输出功率会有所减少, 进而降低效率。此外, 电动机的无功损耗与温升会随着三相电压不平衡程度而逐渐增大, 所以在三相不平衡情况下电动机运行缺乏安全性。

2 将不对称负荷与更高电压级相连接

将不对称负荷与更高电压级相连接, 能确保连接点之间短路容量sk达到一定的负荷容量, 简单来说, 在单相负荷情况下, sk如果能到达50倍的负荷容量, 各个连接点的电压不平衡可以控制2%左右。目前, 国际上通常使用SVC, 也就是静止无功补偿器, 这一补偿器的主要特点是能对无功功能进行快速调价, 所以在冲击负荷并且需要快速进行动态无功补偿情况下得到普遍应用, 进而对三相电压不平衡加以校正。一般是利用分相做无功功率补偿。静止无功补偿器主要是由容性与感性并联而成的两大回路, 其中至少会有一回路是动态回路, 可以根据具体需要对无功功率回路进行快速调节。依照动态回路构成的不同方式, 可以将静止无功补偿器分成三种, 即为自饱和电抗器 (SR) ;晶闸管投切电抗器 (TSC) ;晶闸管控制电抗器 (TCR) 。不可能做到绝对的平衡, 只能达到相对平衡的状态。实际工作过程中, 可以将平衡度衡量指标作为具体标准, 增加负荷调查分析的力度, 详细记录各个配电变压器的发展趋势、平均负载以及最大负载, 并且对各项负荷电流进行定期测试, 及时发现所产生的不平衡情况。在反馈负荷问题过程中, 要不定期的进行调整与组织。

3 将不对称负荷分散

对于不对称负荷采取分散供应的方式, 避免出现过多的集中连接, 发生严重不平衡情况。三相系统如果能维持平衡状态, 其总功率是一定的, 与时间没有直接的联系, 如果三相系统不平衡, 其总功率会存在一定的波动, 因此, 在将不平衡三相系统改为平衡三相系统过程中, 平衡装置内可以添加能储存电磁能量的电磁元件, 避免发生波动。总而言之, 要按照我国有关标准采取科学、合理以及经济的控制措施, 避免发生不平衡情况, 引发安全隐患, 对用电设备造成损坏, 需从本质上提升电能质量, 保证电力系统正常、安全的运行。

4 适当的将不对称负荷分配到每个相保证平衡

一旦发生电压不对称情况, 主要是由于三相系统内部单相负荷位置不合理所导致的, 在在设计供电系统的过程中, 首先应该在三相中均匀分布单相负荷, 使得三相负荷电流不平衡程度得以降低。通常情况下应该将供电系统电流不平衡程度控制在20%之内, 但也有个别的情况出现, 比如, 在TT系统与TN系统接地状况下, 低压电网如果选取Y/y0绕组三相变压器, 其单向不平衡负荷所形成的中性线电流要在低压绕组额定电流25%以下, 同时一相电流在满载的状况下, 不能超过额定值的1000V电网系统的各个单相设备, 并且各相之间所产生的容量最低值与容量最高值差异需要控制在25%左右。

5 结束语

三相不平衡可以分为两类, 即事故性与正常性。事故性不平衡主要是因为系统故障所引发的, 一般情况下可利用相关保护装置切除故障元件解决问题;正常性不平衡主要是因为线路参数与负荷不对称, 或者是三相元件所导致的, 这类不平衡情况可以在一定时期存在或者是长期存在, 长期存在所产生的危害比较大。文章针对配电网三相不平衡所产生的问题, 提出不对称负荷与更高电压级相连接、不对称负荷分散、适当的将不对称负荷分配到每个相三点解决措施, 为配单网三相平衡提供参考依据。

摘要：目前我国大多数低压配电系统都是采取三相四线制接线方式, 这样会出现单相负载不均衡, 变压器容易处于三相不平衡状态。文章主要从输电线路、发电机、电动机以及变压器等方面着手, 分析配电网三相不平衡所引发的问题, 并从技术与管理的角度提出相应解决方法。

关键词：配电网,电能质量,三相不平衡,问题

参考文献

[1]晋国琴.简述三相不平衡对电力系统的影响及改善措施[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2012 (4) .

[2]同向前, 王海燕, 尹军.基于负荷功率的三相不平衡度的计算方法[J].电力系统及其自动化学报, 2011 (2) .

[3]黄国栋, 杨仁刚, 冯小明.三相不平衡负载无功补偿方法的研究[J].电测与仪表, 2011 (4) .

[4]李超英, 李宝贤, 王瑞琪.配电变压器三相不平衡技术分析与管理措施研究[J].价值工程, 2011 (14) .

中压配电线路三相电流不平衡保护 第9篇

某日,在青云35kV变电站10kV青和线某段线路停电操作过程中,操作地点杆塔A相和变电站另一条10kV线路青齐线B相发生了同时接地故障,最后不幸造成停电操作入触电死亡,事故原因分析如图1所示。当青和线A相和青齐线B相同时接地时,故障电流If从变电站A相母线流出,经青和线A相故障接地点F1流入大地,再从青齐线B相故障接地点F2流出,回到变电站B相母线形成闭合回路。青云站过电流保护(Ⅲ段)定值分别为180A(青和线)和195A(青齐线),接地前青和线负荷电流为26A,接地后青和线A相电流升至125A。由于青和线故障点F1处混凝土电杆接地电阻较大,加上B相未装设电流互感器,使这两条线路接地相故障电流都未达到过流保护定值,导致变电站内两条线路的开关均未动作。事故分析报告显示,两相接地时青和线故障点F1处混凝土电杆对地电压达4 000V以上,这样高的对地电压无疑会对接触者及接近者的人身安全造成极大威胁。

2 增设三相电流不平衡保护的必要性

由事故分析可以确定,青云站10kV线路电流保护是不完善的,保护范围存在死区。如果设置了线路三相电流不平衡保护(以下简称电流不平衡保护),站内青和线断路器就能跳开,这起事故就可以避免。然而,我国中压配电线路普遍没有采用电流不平衡保护。

为了提高供电可靠性,目前我国中压配电线路普遍采用小电流接地方式,即中性点不接地或经消弧线圈接地。按照有关规程规定,中压配电线路发生单相接地后,由于不影响对用户的供电,因此仍可继续运行2h。而中压配电线路遍布城乡各个角落,很多杆塔位于人群密集区域,线路一旦发生单相金属性接地,非接地相对地电压就会升到原来的倍,这对非接地相对地绝缘是个严重考验,在绝缘相对薄弱处很容易再次发生异相接地事故,造成类似触电事故。可见,同一个系统中的中压配电线路发生异相接地故障时,为了有效地保障人身、电网和设备安全,变电站线路断路器应及时动作,从而尽快解除危险状态。因此,设置电流不平衡保护是必要的,具有积极的现实意义。

3 电流不平衡保护的实现方法

相较于传统的电磁式继电器电流保护装置,微机电流保护装置优势明显。目前,各地中压配电线路微机保护越来越普遍,最终会完全取代电磁式继电器电流保护。另外,在微机电流保护装置中增设电流不平衡保护,只需在主程序中插入一段子程序即可,不需要增加任何硬件。因此,现阶段应首先完善线路微机电流保护装置,增加电流不平衡保护功能。

电流不平衡保护子程序框图如图2所示,为了消除多次短暂两相接地故障时的时间累加,计数定时器应具有超时复位功能。

3.1 动作条件及整定

电流不平衡保护动作条件为:Iunb,max>Iset,且T>Tset。其中,Iunb,max为线路最大不平衡电流,取自|Ia-Ib|、|Ib-Ic|、|Ic-Ia|中的最大值;Iset为电流设定值;Tset为时间设定值。同时满足上述条件时,不平衡保护就会启动出口跳闸。

根据中压配线线路杆塔情况及接地状况,Iset一次值一般可取为50A。当异相接地电阻较小、线路不平衡电流较大时,常规过流保护也会动作,为了使常规过流保护具有优先权,不平衡保护时限T应比常规过流保护时限大一个级差。此外,为了实现选择性,上下级时限也要按常规要求进行配合。

3.2 关于零序电流保护

现行主流线路微机保护装置中,普遍设有零序电流保护,但不能用零序电流保护代替电流不平衡保护。线路异相接地有两种情况:一种是不同线路异相接地;另一种是同一条线路异相接地。前一种类型如图1所示,很明显,无论用零序电流互感器方式还是保护装置自产方式,青和线或青齐线都会检出很大的零序电流,这种接地故障可以用零序电流保护来解除。后一种类型如图3所示,可以看出,无论用零序电流互感器方式还是保护装置自产方式,两条线路都无法检出较大的零序电流,因此这种接地故障就不能用零序电流保护来解除了。

4 结束语