非线性不平衡负荷论文

非线性不平衡负荷论文（精选8篇）

非线性不平衡负荷论文 第1篇

电力系统作为居民生产生活的主要动力来源, 对国家经济发展起着重要作用。由于社会经济的快速发展, 人们对电能的需求越来越大, 一方面通过电网传送的电流也随之增大, 由此造成的线损成为了不可忽视的问题;另一方面, 由于电力设备尤其是新型电力设备使用的增多, 也带来了三相不平衡负荷以及非线性负荷等问题, 从而使得配电线路上的线损成倍增长。一般而言, 低压配电网的线损占馈线总线损的比重达到40%以上。本文详细分析了非线性负荷以及三相不平衡负荷对低压配电网络的影响, 同时提出了相关的建议, 以达到有效降低线损的目的。

1 三相不平衡负荷对低压配电网线损的影响

三相不平衡负荷引起的低压配电网线损包括配电线路的损耗和变压器的损耗两部分。

1.1 三相不平衡负荷对配网线路损耗影响的分析

现阶段我国配电网络多采用的是三相四线制的接线方式, 同时变压器接线方式普遍采用Y/Y0的方式, 在实际运行中, 单相负载占低压总负载90%以上, 由于单相负载运行的同时性不一致, 以及业扩报装接火考虑不周等原因, 从而导致三相负载不平衡的现象普遍存在。以深圳坪山新区为例, 2013年由于低压负荷不平衡引起低压总开关跳闸或烧坏的故障事件达到176宗, 占全年总低压故障的89%。

我们假设低压配电线路单位长度的导线电阻是R, 而中性线单位长度的导线电阻用2R进行表示, 则三相负荷不平衡时, 线路上的功率损耗计算公式如下

中性线电流的计算公式如下:

在上面两个式子中β代表线路的不平衡度, 一般情况下不会超过0.2。

根据上面两个式子进行分析可以得出以下结论:当低压配电线路的负荷存在三相不平衡时, 负荷的不平衡度和配电线路损耗的平方成正比例关系。在采取三相四线制的配电网络中, 当线路上的负荷三相平衡时配电线路的损耗最低;当其中一相负荷较轻, 而其余两相负荷较重时, 配电线路的线损最高;当其中两相负荷较轻, 而另一相负荷较重时, 配电线路的线损量较小。

在配电线路三相负荷不平衡的情况下, 线路上负荷的不平衡程度越高, 线路上的线损增量也就越多。根据计算公式可知, 三相不平衡引起的线损增加范围一般在8%~32%之间。配电线路上的功率损耗系数K和三相负荷的不平衡度β之间的关系如下图1所示。

1.2 三相不平衡负荷对变压器损耗影响的分析

目前, 深圳坪山新区, 变压器接线方式普遍采用Y/Y0的方式, 存在很多的单相负载, 不可避免地造成线路三相负载不平衡运行。当变压器采用Y/Y0的接线方式时, 一次侧不会存在零序电流, 而二次侧将存在零序电流, 因此, 二次侧的零序电流无法在铁芯中形成闭合回路, 从而在变压器箱中产生附加损耗。变压器Y/Y0接线方式中的正序电阻Rz比零序电阻R0要小得多, 例如对于200 k VA的变压器而言, 它的正序电阻Rz不到零序电阻R0的5%, 从而产生的附加铁耗比较多。

三相不平衡负荷除了会引起变压器铁损耗的增加外, 同时还会引起铜损耗的增加。变压器在三相负荷不平衡运行时绕组总损耗的计算公式如下:

通过上式的分析可知, 变压器在三相负荷不平衡运行时, 三相绕组的铜损耗和绕组不平衡电流的平方成正比例关系, 并且当一相负荷较轻, 而其余两相负荷较重时, 变压器的铜损耗最大。

2 非线性负荷对低压配电网线损的影响

电网中的电压和电流从发电厂输出时具有很好的正弦特性, 但在输电线路和配电线路上的设备种类繁多, 并且随着近几年变频器等非线性设备的大量使用, 使得线路上出现了大量的谐波。谐波不仅对用电设备造成损害, 使设备的绝缘性下降, 而且使配电线路线损增加, 严重时还会因线路过热引起故障跳闸或烧坏, 严重影响电网的安全性和供电可靠性。

一般而言, 非线性设备分为以下三种:第一种是变压器, 电抗器等铁芯设备, 它们的铁磁特性是非线性的;第二种是变频器, 晶闸管逆变器等电力电子器件, 这些设备在进行直流交流, 交流直流逆变过程中产生大量的谐波电流;第三种是大型电弧炉和交流电弧焊机等设备, 这种设备在进行启动时非线性特性非常明显, 电流呈现不规则的变动。即使是标准的正弦电压或电流通过以上三种负荷时, 由于它们自身的非线性特性, 也会导致设备流过的电流呈现非线性。

以上几种设备在工作的过程中会产生大量的谐波, 其中3次谐波的数值最大。在三线四线制的低压配电网中, 3次谐波可以流过中性线从而使得中性线中的电流变得很大。例如对于一套4.0 k W的变频器设备在工作过程中, 中性线中流过大量的3次谐波, 中性线电流将达到50 A。由公式Pf=12 (Ip0) 2R分析可知, 零序电流会对线路产生大量的线损, 同样3次谐波也会产生大量的线损。下面以一套4.0 k W的变频器为例, 分析非线性负荷对于线路线损的影响。为了方便分析, 我们假设线路中各相负荷平衡, 假设该类单相设备的基波电流为I1, 第K次谐波占基波电流的比例为K, 则谐波电流的大小为:

线路中的3次谐波或者是3的倍数的谐波, 因为他们的相位相同, 所以可以流过中性线。若假设三相线路的电阻是R, 中性线单位长度的电阻为2R, 则配电线路线损的计算公式如下式表示:

其他谐波产生的线损计算公式如下:

基波电流在配电线路上产生的线损为:

由上面的三个式子可知, 基波电流在线路上的线损为3次谐波电流在线路上线损的2倍多, 所有谐波中3次谐波产生的线损最大, 因此要降低配电线路损耗就必须考虑降低线路中的3次谐波。

3 针对不平衡负荷和非线性负荷的降损措施

3.1 针对不平衡负荷的降损措施

1) 对于三相不平衡负荷对配网造成的线损问题, 首先应当做好电力网络的合理规划。在低压配电网络的设计建造初期应当对用户进行合理的划分, 使得每个区域内的负荷核心都能够尽量的接近供电变压器, 同时在进行设计建设时应当始终遵循“小容量, 短半径, 多布点”选址原则。

2) 要对今后几年电力负荷的变化做出科学的判断, 使电力负荷在业扩新装时能够合理均匀地分布在三相上。在有条件的地区尽量使用4芯的电缆或者是集束导线, 从而做到在电力的传输中减小三相负荷的不平衡。

3) 要及时地测量线路上的电流, 选择合适的无功补偿方式, 提高功率因数, 从而降低配网损耗。在通过使用APF和STATCOM等逆变技术对电网进行无功功率补偿和有功功率负荷的平衡时, 应根据实际情况进行控制, 而不一定要求功率因数为1, 只要在0.9~0.95之间就可以满足要求。

3.2 针对非线性负荷的降损措施

对于非线性负荷而言, 为了降低谐波引起的配电线路的损耗, 一般有以下三种主要途径: (1) 增加变频器整流相数的数量, 整流相数的增加能够有效地降低设备谐波含量。例如对于整流变压器而言, 可以使用不同组合的二次绕组, 从而实现12相、24相、48相的整流。 (2) 使用PWM整流装置。PWM整流装置能够很好地改善设备输入电流的波形, 使其接近正弦波形, 降低谐波含量;另外, 还能提高线路的功率因数。 (3) 合理的分布无功补偿装置, 避免相关装置对谐波的放大作用。在此基础上应合理地使用谐波滤波器。对于电流型的谐波应当采用并联滤波器进行滤波, 对于电压型滤波源应当使用串联型滤波器。

4 结语

随着社会经济的飞速发展, 电力负荷也大幅增加, 特别是一些新型电气设备大量投入使用, 再加上深圳地区现阶段的低压配网都采用了三相四线制的供电方式, 不可避免的出现三相不平衡和非线性负荷, 从而造成配网系统的损耗增加。为了降低配网系统的线损, 应当努力采取有效的措施平衡三相负荷, 过滤线路中的谐波电流, 减少不必要的损耗, 提高电能利用效率。

参考文献

非线性不平衡负荷论文 第2篇

【关键词】农村；配电变压器；三相负荷不平衡；危害；管理措施

随着我国经济的快速发展，以及国家家电下乡等一系列惠农政策的实施，农村居民的家用电器迅速增加，电冰箱、电磁炉、空调等各类高档家电纷纷进入农民家中，农村村庄配变的用电量中在整个农村电网中所占比例也越来越大。农村公用配变普遍采用三相四线供电方式，由于农村村庄单相负荷居多其开关的随意性，加上三相负荷分配不均。因此，存在着不同程度的配变三相负荷不平衡状况。三相负荷不平衡产生的损耗在低压电网部损耗中占有一定比例，不平衡度越大，损耗越严重，还会影响配变和用电设备的安全运行以及电压质量，造成配变烧毁及居民电器烧毁事件屡有发生。所以，采取有效措施，降低配电变压器三相负荷的不平衡度，将不平衡控制在一定范围，是农村低压配电网络降低电能损耗的有效措施之一。下面笔者就如何进行农村村庄配变三相不平衡问题的管理谈一些个人看法：

1.农村配电变压器三相负荷不平衡情况的分析

（1）在一天时间内三相负荷持续不平衡情况，负荷大的相总是大，负荷小的相总是小，相差的比例在一天的各个时段没有多大变化，这类负荷三相动力很小，基本上都是单相用电，负荷在三相上分配不均。

（2）在白天时段，三相负荷基本平衡，晚上用电高峰时段，负荷不平衡相当严重。这类负荷的特点是三相动力，单相生活用电量都很大。白天主要是动力用电负荷，三相负荷基本平衡。在中午空调或晚上单相用电高峰时，单相生活用电在三相上分配不均形成三相电流相差很大。

（3）配电变压器三相负荷不平衡随季节变化，这是因为各种三相动力用电和单项生活用电的比例在变化，而单项负荷在三相上分配不均匀造成的。

2.三相负荷不平衡的危害

（1）增加了线路损耗。电流通过导线时，由于导线的电阻作用，将在导线上产生功率损耗。配变三相负荷平衡时

Iu=Iv=Iw=I， Io=0

线路损耗为

△ Pp=3I2R

配变三相负荷不平衡时，中性线有电流通过，中性线也在产生功率损耗。这时，线路损耗

△Pbp=（I2u+I2v+I2w）R+I2oRo

式中，△Pp—三相负荷不平衡时的线路损耗；

△Pbp—三相负荷不平衡时的线路损耗；

Iu、Iv、Iw—三相负荷不平衡时，配变各相负荷电流；

I—三相负荷平衡时的相线电流；

Io—配变中性线电流；

R—相线电阻截

Ro—中性线电阻。

显然，△Pbp大于△Pp，不平衡度越大，线路损耗也越大。

如果把三相负荷接在一相上，其实质就是单相供电。此时，导线上的功率损耗。

△Pbp=（3I）2R*2=18I2R

18I2R∕3I2R=6，是三相负荷平衡时的6倍，增大5倍，大大增加了低压线路的损耗，运行极不经济。

（2）增加了变压器的有功损耗。配电变压器的功率损耗包括空载损耗（也叫铁损）和负载损耗（也叫铜损）。空载损耗基本上是个恒量，负荷损耗是随变压器所带负荷变化而变化的，并与负荷电流平方成正比。三相负荷平衡时的功率损耗为：

Pp=△Pk+Pd（Ip∕Ie）2

三相负荷不平衡时的功率损耗为

Pbp=△Pk+Pd〔（Iu∕Ie）2+（Iv∕Ie）2+（Iw∕Ie）2〕∕3

式中，Pp—三相负荷平衡时配变的功率损耗；

Pbp—三相负荷不平衡时配变的功率损耗；

△Pk—配变空载损耗；

Pd—配变短路损耗；

Ie—配变额定电流；

Ip—三相负荷平衡时，配变负荷电流；

Iu、Iv、Iw—三相负荷不平衡时，配变各相负荷电流。

如果在这两种负荷情况下，变压器输出容量相等，则有：

Ip=（Iu+Iv+Iw）/3

三相负荷不平衡与平衡时配变功率损耗之差为

△ P=Pd〔（Iu-Iv）2+（Iv-Iw）2+（Iw-Iu）2〕/3I2e>0

从中可以以看出，在配变输出容量相同的情况下，三相符合不平衡增加了配变的有功功率损耗。

（3）降低了配变压器的出力。在配变容量的设计和制造是按三相负荷平衡条件确定的，其三相绕组的结构和性能是一致的，每相额定容量相等，最大允许出力受每项额定容量限制。三相负荷不平衡时，变压器的出力将受到限制，配变的最大出力只能按三相负荷中最大一相不超过额定容量为限，负荷轻的相就有富裕容量，从而使配变出力降低。由于输出容量降低，变压器备用容量亦相应减少。出力降低程度与不平衡度有关，不平衡度越大，出力降低程度越大。同时，配变的过载能力亦降低。当运行中的变压器过载，就可能引起变压器过热，甚至烧毁变压器。

（4）使配变变压器运行温度升高。三相负荷不平衡时产生的零序电流，在铁芯中产生零序磁通，而高压测没有零序电流，不能由高压侧的零序磁通来抵消低压侧的零序磁通，这就迫使零序磁通只能从变压器的油箱壁和钢构件中通过，由于这些材料的导磁率很低，所以磁滞损耗和涡流损耗都比较大，造成油箱壁和钢构件发热，从而使配变运行温度升高，使变压器内部绝缘老化加快，导致变压器寿命缩短，增加了变压器的自身损耗。不平衡度越大，零序电流越大，对变压器的危害越严重。在一次夜巡中，巡视人无意碰触到一台配变外壳，热得烫手，测量其三相电流，两相为0，负荷接在一相上，该相电流并不太大，在额定电流范围之内，可见其对配变危害之大。

（5）中性点产生位移，造成三相电压不对称。配电变压器是按三相对称运行设计制造的，各相绕组的电阻、漏抗和激阻抗基本一致，三相负荷平衡时变压器内部压降相同，其输出电压是对称的。三相负荷不平衡时，各相电流不一致，中性线有电流通过，三相四线制线路中，中性线截面一般比较小，具有较大的阻抗压降，从而使中性点位移，各相电压发生变化；负荷大的相压降大，负荷小的相压降小，造成三相电压不平衡，三相负荷不平衡度越大，三相电压不平衡程度越严重。如果此时中性线因故断路，所接负荷小的相电压就会异常升高，接在此相上的用电设备和家用电器将被烧毁，给用户造成损失。

（6）影响电动机输出功率，并使其绕组温度升高。三相负荷不平衡造成的三相电压不对称，将在感应电动机定子中产生逆序旋转磁场，电动机在正、逆两序旋转磁场的作用下运行，由于正序旋转磁场比逆序旋转磁场大，所以电动机旋转方向不变，但由于转子逆序阻抗小，因此逆序电流大。逆序磁场、逆序电流将产生较大的制动力矩，使电动机输出功率降低，绕组温度升高，影响电动机的安全运行。

3.三相负荷不平衡的管理

（1）加强对配变三相负荷不平衡度的管理，供电管理部门应把降低不平衡度做为一项经济指标列入考核，并制定奖惩措施，以提高管理人员降低三相负荷不平衡度的自觉性和积极性。

（2）定期观察、测量三相负荷电流，检查三相负荷不平衡情况。测量应在白天和夜晚用电高峰时进行，测量后计算三相负荷的不平衡度。三相电流不平衡计算公司如下：

K=Io∕Ipj*100%=Io∕〔（Iu+Iv+Iw）/3〕*100%

式中，K—配变三相负荷不平衡度；

Io—配变中性线电流（A）；

Ipj—配变三相负荷平均电流（A）。

规程规定，配变变压器出口处三相负荷不平衡度小于或等于10%，其它地点小于或等于20%，中性线电流不应超过配变额定电流的25%。如计算或测量结果大于此标准，应做好单项负荷的调整工作，力争一天中大部分时间和用电高峰时三相负荷基本平衡，不平衡度越小越好。

（3）调整三相不平衡负荷要做到“四平衡”，即计量点平衡、各支路平衡、主干线平衡和变压器低压出口侧平衡。在这四个平衡当中，重点是计量点平衡和各支路平衡，可把用户月平均用电量作为调整依据，把用电量大致相同的作为一类，分别均匀地调整到三相上。为了达到计量点三相负荷平衡，最好将三相电源同时引入计量点，减少单相干线的线路长度。

（4）注意农村配电变压器供电范围内大的三相四线制用户（如学校和幼儿园等）内部的三相负荷平衡问题。此类用户对配变的三相负荷不平衡度有较大的影响，因此应协助他们调整本单位（用户）三相负荷不平衡度，这对用户本身是有好处的。

（5）做好新增单相负荷的功率分配，将同时运行的和功率因数不同的单相设备，分别均匀分配到三相电路上。

非线性不平衡负荷论文 第3篇

随着经济的发展,社会对电能的需求越来越大,对电能质量的要求也越来越高。面对目前10 kV配电系统容量小、电源布点密、线路占用空间大、有功损耗高等不足,以及在电网建设过程中面临的市区土地资源紧缺、线路走廊有限等问题,配电网建设和发展面临新的课题和挑战[1]。1996年,江苏省电力公司苏州供电公司在苏州工业园区配电网建设时,根据园区的负荷特点,经过专家论证后决定采用20 kV电压等级对园区进行供电[1,2]。10余年的运行实践表明,城市配电网采用20 kV电压等级是可行的,与10 kV配电网相比,在技术和经济上都具有一定的优势。鉴于此,江苏省电力公司决定进行20 k V电压等级在配电网中进行推广,用其取代10 kV和35 kV 2个电压等级。通过对配电网电压等级进行合理设置和简化,能减化配电网络,减少电源布点,提高配电网的供电能力和供电可靠性,增大现有线路走廊的供电容量。

在20 kV配电网的建设和推广过程中,对20kV配电网的经济性论证、10 kV设备升压到20 kV的改造工作、20 k V配电网的接地方式、20 kV变压器的接线方式、20 kV配电设备的选择等方面进行深入研究[3,4,5,6]。继苏州20 k V配电网成功应用后,辽宁本溪南芬地区于2003年将66/10 kV系统改造成了66/20 k V系统;天津滨海新区、辽宁大连长兴岛、云南昆明的新机场、广东佛山等地区也分别进行了20 kV电网的可行性研究[7,8,9,10,11],掀起了20 kV电网研究推广实施的热潮。

2 电压质量的对比研究

20 kV(10 kV)配电网的供电示意如图1所示,其中变压器T表示电源通过多次变压后为20 kV母线供电。馈线1为多条馈线中的一条,该馈线中含有1个分支,对于多分支馈线,分析方法相同。P+j Q为负载基波有功和无功功率,Ih为负载电流中的谐波成份。为了方便比较,假设20 kV和10 kV采用相同的供电方式,而且20 kV出线的负荷情况相同。从电源到20 kV(10 kV)母线之间的阻抗为系统等效阻抗Zs。

20 kV和10 kV对应的等效电路如图2所示。图中Zs为系统侧阻抗,Z1为从母线到分支1T接点的阻抗,Z2为从分支1T接点到线路末端的阻抗。用下标20和10对20 kV和10 kV系统的参数区分。

在20 kV和10 kV设计时,出线开关B的遮断电流有明确的限制,要求25 kA。因此,本文在20kV和10 kV母线短路电流相同的情况下进行分析比较,此时出线开关的遮断电流相同。在此前提下,设母线短路电流同为Ik,得:

即Zs(20)是Zs(10)的2倍。对于20 kV和10 kV系统中的馈线1,取相同的导线截面,即其阻抗相同。馈线的负荷功率相同时,在20 kV和10 kV供电系统中电流分别为:

由式(2)可知,功率相同时,20 kV的馈线电流是10 kV馈线电流的一半。采用10 kV或20 kV供电时,负荷的性质不会改变,负载电流的总谐波畸变率(THD)和谐波成分不会改变,则:

同理,当负荷不平衡,负载电流中含有负序分量时,20 kV和10 k V系统中负序电流分量I2(20)和I2(10)满足:

2.1 电压的谐波分析

在不考虑背景谐波的情况下,分析非线性负载对电压谐波畸变的影响,谐波电流的等效电路如图3所示。

根据等效电路,得出20 kV及10 kV母线的谐波电压为:

由上述分析得出Zsh(20)是Zsh(10)的2倍,由式(3)和式(5)得:

根据GB/T 145491993定义的谐波电压含有率计算,谐波含有率分别为:

由此可得出,在20 k V供电系统中相同的负载条件下,母线的电压畸变率仅为10 kV供电系统中的一半,这减小了非线性负载对其他用户的影响。同理,进行分支1T接点的电压畸变率的分析得:

通过式(8)以及上述分析可得:

在分支1的T接点,采用20 kV供电时电压畸变率小于采用10 kV供电时电压畸变率的一半。因此,采用20 kV供电时,非线性用户对电能质量的影响要比采用10 kV供电时要小得多。

2.2 电压不平衡分析

在负载不平衡时,负载电流中将含有负序电流分量,在电源电压对称的情况下,分析不平衡负荷对电压对称性的影响进行分析。负序电流的等效电路如图4所示。

与谐波电流分析相同,可计算母线负序电压为:

采用20 kV和10 kV供电时,母线的负序电压相同,根据GB/T 155431995不平衡度定义,其不平衡度为:

即在相同的不平衡负荷作用下,采用20 kV供电时母线电压不平衡度是采用10 kV供电的一半。同样分析分支1T接点的不平衡为:

即在分支1的T接点,采用20 kV供电时电压不平衡度小于采用10 k V供电时电压不平衡度的一半。因此,采用20 kV供电时,不对称负荷对电能质量的影响比采用10 kV供电时要小得多。

2.3 电压降落分析

计算从母线到分支1T接点的电压降落为:

从母线到分支2末端的电压降落为:

从式(13,14)可知,在负荷相同的情况下,采用20 kV供电是分支1T接点和分支2末端的电压降落仅为采用10 kV供电时电压降落的一半。因此采用20 kV供电时电压水平较高,供电半径较大。

综上所述,采用20 kV供电时,非线性负荷及不平衡负荷对电压质量的影响较采用10 kV供电时小,且供电时电压水平较高,供电半径大。

3 结束语

通过对20 kV和10 k V供电系统的电能质量方面的分析比较可知,采用20 kV供电时,非线性负荷及不平衡负荷所引起的电压谐波含有率和电压不平衡度都小于或等于采用10 kV供电时的一半。适应目前配电网负荷性质负载、负荷容量大、对电能质量要求高的发展趋势。

摘要：根据电能质量的国家标准,通过建立电路模型对采用20 kV供电和10 kV供电系统时,非线性负荷及不平衡负荷对配电网的电压质量进行了比较分析,结果表明采用20 kV供电时,非线性负荷及不平衡负荷所引起的电压谐波含有率和电压不平衡度都小于或等于采用10 kV供电时的一半。

关键词：配电网,电能质量,谐波畸变,不平衡度

参考文献

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[2]姜祥生,秦峰,胡大健,等.20 kV配电电压等级供电范围的延伸[J].供用电,2006,23(39):42-43.

[3]牛永奎,牛凤凯,邹轶.10 kV配电网络升压至20 kV运行的可行性探讨[J].电网技术,2008,32(S1):191-192.

[4]饶莹,郭炜,徐鑫乾.110/20 kV变电站电气一次部分设计[J].电力设备,2009,9(9):11-13.

[5]侯义明,汲亚飞.江苏20 kV配电网电网改造的中性点接地方式研究[J].电力设备,2009,9(9):18-20.

[6]唐小波,孙晓韡,唐国庆.20 kV与10kV配电电压的比较[J].电力设备,2009,9(9):6-10.

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[9]王海民,廖红梅.20 kV配电在大连长兴岛地区的应用[J].电力设备,2009,9(9):24-25.

[10]陈瑾,李宏伟,王建兴.中压配电网采用20 kV电压等级的可行性分析[J].云南水力发电,2006,22(5):91-94.

解决三相负荷不平衡的措施 第4篇

(1) 重视低压配电网的规划工作, 加强与政府规划等部门的工作沟通, 避免配电网建设无序。在配电网建设和改造当中对低压台区进行合理的分区分片供电, 配变布点尽量接近负荷中心, 避免扇型供电和迂回供电, 配电网络的建设要遵循“小容量、多布点、短半径”的配变选址原则。

(2) 在低压三相四线制供电的地区, 要积极争取对有条件的配电台区采用3芯或者4芯电缆或者用低压集束导线供电至用户端, 这样可以在低压线路施工中最大程度地避免三相负荷出现偏相的出现, 同时要做好低压装表工作, 单相电表在A、B、C三相的分布尽量均匀, 避免出现单相电只挂接在一相或者两相上, 在线路末端造成负荷偏相。

(3) 低压配电网中零线采用多点接地, 降低零线电能损耗。由于三相负荷的分布不平衡, 导致了零线出现电流, 按照规程要求零线电流不得超过相线电流的25%, 在实际运行当中, 零线电流过大也会造成一定的电能损耗, 所以在低压配电网零线采用多点接地, 降低零线电能损耗, 避免因为负荷不平衡出现零线电流产生的电压严重危及人身安全, 而且通过多点接地, 降低因为发热等原因造成的零线断股断线问题。

(4) 在单相负荷比重大的供电地区积极推广单相变供电。农村地区存在着人均用电量小, 居住分散, 供电线路长等问题, 对这些地区可以考虑采用单相变压器供电的方式, 以达到减少损耗和建设资金的目的。目前单相变压器损耗比同容量三相变压器减少15%~20%, 有的厂家生产的单相变在低压侧可以引出380V和220V两种电压等级, 同时在一些地区也已开展利用多台单相变向三相负荷供电的试点, 为使用单相变供电提供了更加广阔的空间。

功率负荷不平衡保护分析与优化 第5篇

汽轮机组自动保护是维持单元机组安全运行的主要技术措施之一。其中, 功率负荷不平衡保护 (以下简称PLU保护) 是为了提高电力系统稳定性而采取的一种保护措施, 它能在电力系统故障, 如瞬间短路、并列运行线路部分故障切除时, 避免机械功率与电功率不平衡引起发电机功角过大而瞬间使机组甩负荷, 同时减小汽轮机机械功率输出, 抑制汽轮机转速飞升, 以避免汽轮机超速。

某电厂与电网属于点对网关系, 即电厂出口通过双回线经约200km的长距离输电线直接输送至华北电网, 若其中一回线或双回线同时故障, 将造成某台或全部机组脱网运行。由于输电线路较长, 加上地理位置及气候条件恶劣, 该输电线路发生故障的频率较其它类型电网要高, 而PLU保护可及时将机组切除, 避免汽轮机功率与发电机负荷长时间处于不平衡状态, 对发电机的保护及电网的稳定起着积极作用。

2 PLU保护应用中的问题

该电厂#2机组采用AGC、单阀方式运行。某时刻, 机组负荷为597MW, 中排压力为719.6kPa, 主汽压力为16.26MPa, 汽轮机主控指令为98.5%, 各调门的开度在39.6%左右 (因煤质差, 正常情况下机组额定负荷单阀方式下各阀门开度不大于34%, 在35%以上进入阀门拐点区域) 。此时, 机组一次调频动作, 4个高调门开始出现摆动, 摆动最大值达62%, 持续13s后调门摆动发散, #1、#2高调门出现全开至全关现象, 机组负荷波动频繁, 促使PLU保护动作。PLU保护动作后, 机组负荷为181MW, 中排压力为644.7kPa。经确认, 控制系统、逻辑回路及高调门控制回路正常;中压缸排汽压力、发电机有功功率信号采集回路及逻辑处理回路、信号传输正确。随后, 在#2机组上以18MW/min的速率做50MW快速变负荷试验, 期间中压缸排汽压力和机组负荷趋势一致, 线性良好, 证明PLU保护正常动作, 如图1所示。

PLU保护动作逻辑如图2所示, 当“中排压力0.12-发电机功率0.156>40”时保护动作, 逻辑中考虑了中排压力测点故障、功率信号故障时保护动作屏蔽的情况。

3 PLU逻辑分析

3.1 防超速功能逻辑设置

(1) OPC。DEH系统采集汽轮机转速信号, 经三取中选择, 在不存在OPC禁止条件 (超速试验时通过OPC禁止条件来屏蔽103%超速) 下, 汽轮机转速大于3 090r/min时OPC动作, 汽轮机所有调门GV、IV关闭;当汽机转速小于3 060r/min后, OPC信号消失, GV和IV调门重新开启。

(2) DEH电超速、ETS电超速与ETS后备超速。DEH超速和ETS超速分别设置有各自的测量保护回路, 在汽轮机前箱内设置有3个转速探头送往DEH系统进行三取二逻辑判断, 在盘车齿轮箱处设置有3个转速探头送往ETS系统进行三取二逻辑判断。当汽轮机转速达到110%额定转速时, DEH系统确定汽机110%超速后, 便会发出DEH超速信号送往ETS系统, ETS发跳机信号;若ETS确定汽轮机110%超速, 则直接发跳机信号。两者只要有一个达到保护动作值都会使汽轮机跳闸, 增加了保护的可靠性。此外, 为防止110%保护失灵, 设置了114%后备电超速保护, 即当ETS确定汽机转速达到114%超速后, 再次发跳机保护信号使汽轮机跳闸。

(3) 负荷下跌预测。机组脱网时, 如果中压缸排汽压力测点故障或通过中压缸排汽压力判断汽轮机机械功率大于30%, 则通过脉冲块输出使RS触发器输出置位, 从而输出负荷下跌预测信号 (LDA) ;而当机组重新并网、汽机跳闸、机组脱网且汽机转速小于3 060r/min等任一条件满足时, RS触发器复位, 负荷下跌预测 (LDA) 输出信号复位。同时, 负荷下跌预测作为OPC动作的一部分, 构成OPC动作输出指令, 如图3所示。

(4) 功率负荷不平衡。当发电机甩负荷量不小于40%额定负荷时, 检测到进入汽轮机的热负荷 (中排压力) 和发电机负荷之间的不平衡值不小于40%额定负荷, 在“中排压力0.12-发电机功率0.156>40”时, PLU动作。

3.2 PLU逻辑优化分析

(1) 取消PLU保护。从国内三大主流机组的防超速保护设计情况看, OPC、负荷下跌预测、超速保护等防超速保护功能配备均比较齐全, 在机组异常脱网情况下, OPC、LDA能快速可靠地触发保护快关调门, 同时110%电超速及机械超速保护作为后备手段即可有效防止汽轮机超速。由此可考虑取消PLU保护或在PLU保护动作后去快关中调门, 动态减小汽轮机输出功率而不使汽轮机跳闸, 以避免一些临界特殊工况下保护误动。由于该电厂点对网输电线路长且环境恶劣的特殊性, 输电线路出现故障的频率较大;另外在中间再热机组甩负荷后, 即使进汽调门和主汽门完全关死, 中间再热器及其管道的巨大容积所存的蒸汽仍能使汽轮机严重超速。据估算, 中间再热容积的蒸汽量能使汽轮机超40%~50%的额定转速, 在线路发生故障甩负荷时瞬间汽轮机的飞升速度很高。因此, 通过直接动作停机更能有效地防止汽轮机超速。

(2) 增加判断条件, 防止保护误动。根据目前PLU保护设计的现状, 结合同类机组的防超速保护设计情况, 从可靠性出发, 保留PLU保护, 但增加其触发判断条件:一是增加功率负荷微分判断条件;二是增加转速高判断条件。由于负荷微分时间及动作定值均需要进行多次试验来最终确定, 相较而言增加转速判断条件更加安全可靠, 但需要注意的是, 转速高值应足够合理且应在103%额定转速OPC动作之前。

4 采取的措施

(1) 进一步检查和优化PLU保护设置, 增加3 020r/min转速高判断条件, 以发挥其防止电网事故造成机组超速等作用, 从而避免由内部负荷波动引起的不必要的动作。

(2) 机组检修热力系统的变化可能会造成中排压力的些微变化, 应选取最能代表本台机组中排压力与汽机机械功率对应关系的系数进行保护参数设置。

(3) 通过高调门总流量指令来修正一次调频指令, 在阀门接近拐点附近通过减弱高调门总流量指令修正系数, 达到减弱一次调频作用造成阀门在拐点区域大幅摆动的影响。

(4) 机组检修时, 重点检查汽轮机调速系统和阀门配汽系统, 同时针对阀门特性曲线、调速系统性能参数等进行相关试验, 开展阀门特性线优化工作。

5 结束语

汽轮机PLU保护是ETS系统的一项重要保护, 它也是DEH系统防止超速控制功能的一部分, 虽然比较简单, 却往往容易被忽略。本文对PLU保护的分析和优化方法对抑制电网振荡、迅速恢复功率、防止事故扩大和保障汽轮机设备有一定的借鉴意义, 希望能够真正发挥其防止电网事故造成机组超速等作用, 同时避免特殊工况下引起不必要的动作。

摘要：介绍汽轮机功率负荷不平衡控制功能, 通过对功率负荷不平衡逻辑保护动作情况进行分析, 指出其设计中存在的不合理问题, 并提出优化方法, 以期对抑制电网振荡、迅速恢复功率、防止事故扩大和保障汽轮机设备有一定的借鉴意义。

关键词：汽轮机,PLU,OPC,LDA,超速,甩负荷

参考文献

[1]林文孚.单元机组自动控制技术[M].第2版.北京:中国电力出版社, 2008

[2]过小玲, 郑渭建.取消东汽机组PLU保护的可行性探讨[J].浙江电力, 2012 (1) :56~58

快速调整台区三相负荷不平衡的方法 第6篇

1 改进措施

按照以往常规三相负荷调整的方法, 首先在台区配电变压器综合配电箱中, 通过三相负荷计算, 将某相部分负荷向另一相转移, 如果在综合箱内就可以将三相负荷调整均匀, 则不需要再往下进行。但实际调整中, 并不能如此快速实现, 由于每根相线所带用户较多, 往往只能大致调整, 而需要检修人员在电杆下引线上进行进一步调整, 如果一基电杆无法调整至平衡, 则需要继续在下一基电杆上调整, 直至三相负荷不平衡率达到要求为止。这种方法需要检修人员多次上下电杆, 既增加了检修人员的安全隐患, 又无法提升工作效率, 往往一条线路三相不平衡故障需要花费检修人员一天的时间, 同时还需要台区停电, 影响农村居民正常生活用电, 引起客户投诉等不良影响。

而通过在台区计量表箱入口处安装手动相位转换开关 (见图1) , 对三相负荷任意快速转换, 来实现快速调整三相负荷平衡的目的, 在实际应用中取得了良好效果。

如图1所示, 如果在台区每个计量表箱入口处安装一台手动相位转换开关, 同样上述问题, 当在综合配电箱中无法调整平衡时, 可以直接在电杆下引线的计量表箱通过相位转换开关带电进行L1相至L3相的负荷转移。如果一只表箱无法调整至平衡时, 只需要依次对计量表箱进行相位转换即可, 最终实现整个台区配电变压器的三相负荷平衡。

2 优点

(1) 操作简便, 可以不定时地调整三相负荷平衡。

(2) 人员安全系数高, 避免了检修人员登杆作业。

(3) 减少停电时间和次数, 可以在带电状态下进行调整。

3 注意事项

(1) 手动相位转换开关应用的前提条件是必须将线路中三相全部引入计量表箱, 目前部分台区计量表箱为单相引线, 所以必须及时引入三相四线制线路。

(2) 手动相位转换开关在带电转换时为避免发生相间短路故障, 应选用大容量转换开关或加装灭弧罩的转换开关。

对于用电客户较多、用电负荷较大的台区, 可根据实际选择部分表箱安装手动相位转换开关, 而不需要在每个表箱中都安装, 一般一个台区安装5—10个手动相位转换开关即可实现三相负荷的调整工作。

4 实例分析

2015年2月, 晋城供电公司采用该方法对所辖凤和供电所一台区进行了三相负荷调整, 并将调整前后的数据进行了分析对比, 结果如下。

调整前, 2月9日19时, 三相电流分别为IU=80.4A, IV=205.4 A, IW=231.7 A, IN=91 A, 三相不平衡率为65.51%。该台区配电变压器容量为315 k VA, 导线采用JKLYJ-1-120型, 线路长度500 m (查表并计算得到20℃时导线电阻R为0.13Ω) 。

调整前线路损失

调整后, 2月14日18时30分, 三相电流分别为IU=142.7 A, IV=160.8 A, IW=201 A, IN=17 A, 三相不平衡率为29%。

调整后线路损失

按每月30天计算, 该台区单月少损失电能量

非线性不平衡负荷论文 第7篇

我国的低压配电网主要采用三相四线制供电, 由于低压配电网中存在着大量的如照明、电热器、空调等单相负荷, 加之用电的季节性、时段性、随机性等诸多因素, 使得三相四线制的中低压配电变压器经常处在三相不平衡的运行状态下, 有时可能出现严重的不平衡状况。变压器的不平衡运行, 使电网中产生负序电流和零序电流, 这一方面增加了电网及配电变压器的损耗;另一方面可能对用户电器如电机等产生不利影响。严重的不平衡运行还降低了配电变压器的容量利用率, 尤其在用电高峰季节, 可能出现一方面是电力负荷高需求需要增加设备的供电能力, 另一方面是配电变压器容量达不到充分利用的矛盾现象。配电变压器点多面广, 数量特别庞大, 所以解决好配电变压器的不平衡运行问题对电网节能、提高配电变压器容量利用率、减少电网投资将具有显著而重要的现实意义。

目前, 对电网进行无功补偿, 提高电网的功率因数越来越受到各级电网管理部门的重视。常规的无功补偿对电网的降损节能无疑起到了十分重要的作用, 在提高配电变压器的容量利用率上也有一定的效果, 但在平衡配电变压器的三相负荷上却鲜有效能。因此供电部门只能根据经验, 在不同的用电季节和时段, 用人工改线的方法定期来调整平衡负荷。这种方法只在一定程度和时段上对三相功率平衡起到一定作用, 效果显然难尽人意, 且费时费力。那么有没有一种更高效、精准的方法, 将无功补偿和三相负荷平衡完美结合, 既解决电网无功补偿又解决配电变压器的不平衡运行呢?答案是肯定的, 本文就将针对这一问题进行一些分析探讨。

1 相间负荷传递的理论依据

在一个电路元件的两端加上交流电压, 电路元件上就有交流电流流过, 我们可以巧妙地利用电路元件的这一特性, 在相间实现功率传递。下面就以电阻、电感和电容元件分别加以说明。

由相量图可以看出:

1) 当在任意两相间跨接电阻时, 相当于在跨接两相各自的线电流上, 分别叠加与线电压同相位的电流 (电阻电流) 。叠加的效果:一方面使跨接两相的有功负荷增加 (因为电阻电流的纵轴分量与跨接相的相电压同相位) , 这其实就是跨接电阻消耗的有功;另一方面改变了跨接两相的无功功率分配, 跨接电阻从滞后相吸收无功, 向超前相注入无功, 吸收和注入的量值相等, 从而起到了在跨接两相间传递无功的效果。注意, 无功的传递是有方向性的, 即从滞后相向超前相传递 (顺相序传递) 。如果在三相间两两跨接阻90值相等的电阻, 则无功功率在三相间互相传递, 而且相互间传递的量值相等9, 0互相抵消, 其等价效果是各相的无功功率不变。而每相的有功功率却始终是增加的, 这是显而易见的, 每相增加的有功就是一只电阻消耗的有功。

2) 当在任意两相间跨接电感时, 相当于在跨接两相各自的线电流上, 分别叠加滞后于线电压90°的电流 (电感电流) 。叠加的效果一方面增加了跨接两相的无功负荷 (因为电感电流横轴分量滞后相90电压) , 这其实就是跨接电感所90吸收的无功;另一方面改变了跨接两相的有功分配, 即跨接电感使滞后相有功功率减小, 使超前相的有功功率增加, 减少和增加的量值完全相等, 从而实现有功功率在跨接相之间的传递。应当注意, 电感元件对有功功率的传递也是有方向性的, 传递的方向是从滞后相向超前相 (即顺相序传递) 。如果在三相间两两跨接相同的电感, 则有功功率在三相间互有传递, 而且互相传递的功率相等, 互相抵消, 其等价效果是各相的有功功率不变, 而无功需求增加, 每相增加的无功实际上就是一只电感 (或电抗) 吸收的无功。

3) 当在任意两相间跨接电容时, 相当于在跨接两相各自的线电流上, 分别叠加超前于线电压90°的电流 (电容电流) 。叠加的效果一方面减少了跨接各相的无功负荷, 因为电容向跨接相注入2了无功 (电容电流横轴分量超前相电压90°) , 使跨接两相从电网吸收的无功减少;另一方面还改变了有功功率在跨接相之间的分配, 使超前相的有功功率减少, 滞后相的有功功率增加, 减少和增加的量值相等, 从而实现有功功率在跨接相之间的传递。跨接电容对有功功率的传递同样是有方向性的, 跨接电容时, 有功功率是从超前相向滞后相传递 (即逆相序传递) 。如果三相间两两跨接相同的电容, 则有功功率在三相间互有传递, 且量值相等, 所以各相的有功功率不变。但各相的无功负荷都相应减少, 减少的量实际上就是一只电容输出的无功, 此时电容只有无功补偿的作用, 而没有了有功传递和分配的功能。

由以上分析可知, 通过在相间跨接电阻、电感和电容, 既可在相间进行无功功率传递, 又可进行有功功率传递, 同时还可进行无功补偿。所以将三相有功负荷平衡和无功补偿结合起来综合调补是完全可能的。但是应当注意:

1) 当在相间跨接电阻时, 虽然能够实现无功功率的传递和平衡, 但是那是以增加电网的有功消耗为代价的, 所以是不可取的, 实际工程中应避免这种跨接。

2) 实际的电网系统, 几乎都是感性网络, 在相间跨接电感会使电网的功率因数更低, 这与无功补偿是相悖的, 所以在感性的电网中应避免在相间跨接电感。

由前面的相量分析我们知道, 相间跨接电感, 可以实现有功功率从滞后相向超前相传递。那么如何保证在不增加电网无功负荷即不降低电网功率因数的情况下, 来实现这一功能呢?可不可以用电容代替电感来实现相同的有功传递呢?现简要分析如下:

2 三相有功平衡及无功综合调补

通过以上分析我们知道, 在感性电网中, 对于三相功率不平衡的配电台区, 可以用电容构建不平衡调补网络, 来对三相负荷进行调整, 同时对无功进行补偿。那么各相间跨接的电容容量如何计算?又按什么方法和步骤进行确定呢?

我们知道, 三相负荷不平衡一般包括两个方面:一是三相有功不平衡, 二是各相功率因数不相等。负荷平衡的任务, 既要使三相有功平衡还要使三相的功率因数相等。因此三相负荷平衡要从有功和无功两方面着手。根据前面分析我们知道, 对于感性电网, 有功的平衡需要在相间跨接电容, 跨接电容在实现有功负荷相间传递的同时, 还将改变跨接两相的功率因数, 如果先对无功进行平衡的话, 那么平衡有功时又将打破无功的平衡, 所以功率平衡宜先从有功平衡做起, 有功功率达到平衡后再根据情况进行无功平衡。下面举例说明具体的确定方法和步骤。

假如我们能够测得A、B、C各相线电流分别为IA、IB、IC, 各相相电压分别为UA、UB、UC (或测得线电压为UAB、UBC、UCA) , 各相有功功率分别为PA、PB、PC, 各相无功功率分别为QA、QB、QC。在正常运行条件下, 虽然各相电压和线电压会因负荷的不平衡而出现偏差, 但三相的差别不会太大, 可以忽略, 而取电压为三相平均值。则确定跨接电容的步骤如下:

2.1 确定有功功率传递的方向和数量

比较PA、PB和PC, 找出其中最大值Pmax、最小值Pmin和中间值Pmid, 按下面三种情况确定有功功率的传递方向和大小

1) 当Pmax+Pmin=2Pmid时, , 则功率最大相需向功率最小相传递有功, 传递量PI为:

2) 当Pmax+Pmin>2Pmid时, , 则功率最大项需向另两相传递有功, 向功率介中相传递的功率PII 1和向功率最小相传递的功率PII 2分别为:

3) 当Pmax+Pmin<2Pmid时, , 则功率最小相需接受来自其它两相的功率传递。功率最大相传至最小相的功率III 1P和功率介中相传递至最小相的功率PIII 2分别为:

2.2 确定相间跨接的元件

当有功传递的方向确定后, 再根据有功最大值、中间值、最小值各相间的相位关系, 依据顺相序有功传递在相间跨接电感、逆相序传递在相间跨接电容的原则, 先确定需要跨接的元件。

比如上述第一种情况需要从最大值相向最小值相传递, 如果功率最大值所在的相超前于功率最小值所在的相, 则在两相间跨接电容, 反之, 则在两相间跨接电感。对于第二种情况, 需要将功率从最大值相向另两相传递, 那么最大值所在的相两边, 超前的一边跨接电感, 滞后的一边跨接电容。同理, 对于第三种情况, 其余两相都要向功率最小值所在的相传递功率, 所以在最小值所在的相两边, 超前的一边跨接电容, 滞后的一边跨接电感。

2.3 确定跨接元件的参数

依据两相之间功率传递的量值, 来确定跨接元件的参数。

由相量图可以看出:

式中:x为跨接元件的电抗 (其中:感抗用xL表示, 容抗用Cx表示) , P∆为相间需传递的有功功率, Ix为流过跨接元件的电流, Ul为线电压, Uph为相电压。线电压或相电压取三相平均值。

计算出元件的电抗后, 就可以根据xL=~L和计算出跨接元件的电感和电容。

2.4 进行元件置换

在感性的电网中, 应将跨接电感用其它两个相相间跨接电容来置换, 置换的电容为:。

同理在容性的电网中, 应将跨接电容用其它两个相相间跨接电感来置换, 置换的电感为:。只是一般的电网除空载线路外, 都是呈感性的, 所以不必考虑电容向电感的置换。

2.5 无功平衡及补偿

通过以上跨接后, 三相有功在跨接元件的传递下就实现平衡了。下面就可以根据跨接电容的参数计算出各相在跨接后的功率因数。

由相量图可以看出:。其中:Q∆为跨接电容注入某相的总无功, 是某相通过跨接电容输入、输出的有功功率代数和。对于有电感置换的情况, 尤其值得注意。现将各种功率传递情况下各相输入、输出有功功率代数和列表如下:

根据跨接电容注入各相的总无功, 求出各相经过相间跨接电容补偿后的无功需求, 即:Q A2=Q A-Q∆A, Q2B=Q B-Q∆B, Q C2=Q C-Q∆C。Q A2、Q B2、Q C2分别是跨接电容补偿后A、B、C相的无功负荷。

求出Q A2、QB2、QC2后, 就可以对三相进行无功均补, 均补的原则使无功负荷最小的相cos{=1, 不能出现过补现象。所以均补电容Cj在各相的无功补偿量, 等于Q A2、QB2、QC2中的最小者。即:

对于三相三线制网络, 至此无功补偿及平衡就算完成。可以看出各相的有功功率被调平了, 但无功功率却不一定完全平衡, 这是网络结构所造成的。

对于三相四线制网络, 因为有零线的存在, 所以功率因数达不到1的相可以通过相补 (即在相线与零线间接入电容) 的方法, 来进一步提高各相的功率因数, 直至cos{=1。各相的相补电容分别为:

可见, 三相四线制系统可以使三相有功功率和无功功率均达到平衡, 而且各相的功率因数达到1。

3 三相有功平衡及无功补偿结论

通过以上分析可以看出:

1) 对于三相负荷不平衡的配电台区, 是可以通过构建不对称调补网络, 使负荷在相间传递, 从而实现负荷平衡的;

2) 不对称电容网络在相间传递有功负荷的同时, 还向电网注入无功, 起到无功补偿的效果, 而且向跨接相每相注入的无功容量是传递的有功负荷的倍。所以对于功率因数较低的配电台区优为实用。但是对于有功偏差较大, 功率因数又较高, 即无功负荷需求不大的网络, 为了避免出现无功过补现象, 单纯利用跨接电容的方法, 三相有功平衡的效果可能就不太理想。这时调补网络的搭建就需要考虑电感的参与 (跨接电感从电网吸收的无功也是传递有功负荷的倍) ;

3) 理论上, 对于三相四线制网络, 通过构建不对称补偿网络, 采取均补和相补相结合的方法可以做到三相有功平衡, 各相功率因数达到1。对于三相三线制系统, 三相有功可以做到平衡, 但各相的功率因数不一定都能达到1, 即无功不一定完全平衡。事实上, 三相负荷的调平水平还有另外一个制约因素, 那就是配备电容的分级精细程度, 分级越细, 平衡水平越高。由于补偿配备的电容不是任意小随意可调的, 即使对于三相四线制网络, 往往也难以使有功完全平衡, 各相功率因数都达到1, 但是即使这样, 亦完全满足工程精度要求;

非线性不平衡负荷论文 第8篇

静止同步补偿器(STATCOM)作为柔性交流输电系统的重要设备,具有无功补偿、稳定电网电压和抑制闪变等功能,目前已成为电能质量控制领域研究的热点问题[1,2,3]。由于电网运行工况非常复杂,电网不平衡情况时常发生,这种电网电压幅值或相位上的不平衡性对于STATCOM装置本身以及电网用电设备都将产生诸多不利影响[4,5,6]。因此,研究电网不平衡条件下的STATCOM控制问题具有重要理论和实际意义。

近年来,国内外专家学者对电网不平衡条件下STATCOM的运行性能和不平衡控制策略进行了诸多研究。文献[7]分析了电网电压不平衡对STATCOM运行的不利影响,指出此时直流侧电压将产生2倍频脉动,交流侧将输出负序电流和谐波电流。文献[8]利用状态观测器(软件传感器)来估计不平衡网侧电压,在实现STATCOM不平衡控制的同时,可减少硬件传感器,降低实现成本。文献[9]在STATCOM同步旋转坐标系数学模型的基础上,给出了基于改进开关函数的STATCOM不平衡控制方法,可减小STATCOM直流侧电容容量。

然而,目前STATCOM的不平衡控制研究多以功率平衡为控制目标[7,8,9],此时电网输出功率虽可保持恒定,并且三相总功率因数近似为1,但难以保证网侧每相功率因数均近似为1。近年来,以实现电网各相单位功率因数为控制目标的新型STATCOM不平衡控制策略吸引了人们的研究兴趣[10,11],但研究成果尚不完备,存在控制系统性能不佳、“虚拟导纳电流控制”合理性有待证明等问题。鉴于此,本文以FBD(Fryze-Buchholz-Dpenbrock)功率理论为基础,以网侧各相单位功率因数为控制目标,在dq同步旋转坐标系下建立相互独立的正负序双电流环控制系统,提出基于无源性理论的STATCOM不平衡控制实现方案。该控制策略一方面与STATCOM的本质无源性相结合,具有物理意义清晰、易于工程实现的特点;另一方面与PID等传统控制方法相比,可保证系统动力学状态变量指数渐近稳定,实现无功负荷的快速补偿。同时,本文给出电网不平衡条件下STATCOM直流侧电压的精确表达式,从理论上阐明“虚拟导纳电流控制”的合理性和可行性。最后通过仿真实验对所提出的STATCOM不平衡控制策略进行实验验证。

1 STATCOM的建模

STATCOM的拓扑结构如图1所示,ea、eb、ec和isa、isb、isc分别是网侧三相输入电压和电流,ica、icb、icc为STATCOM补偿输出的三相电流,ila、ilb、ilc为三相负载电流,Ls和Rs为网侧等效电感和电阻(参照文献[10],此处省略),L和R为STATCOM与电网间连接电感及其等效电阻,C为STATCOM直流侧滤波电容,uo为直流侧电压。定义STATCOM开关函数sa,b,c=1表示上桥臂VTa,b,c导通,下桥臂V′Ta,b,c关断;sa,b,c=0表示上桥臂关断,下桥臂导通。

由对称分量法可知,当电网电压不对称时,三相交流变量由正序分量和负序分量构成(对于三相三线制系统,可不考虑零序分量)。利用正负序abc/dq同步旋转坐标变换矩阵

可得在同步旋转坐标系下,STATCOM正序和负序复矢量模型方程如式(1)所示。对于正序变量,θ=ωt;对于负序变量,θ=-ωt,ω为电网角频率,t为时间。

其中,EPdq和ENdq为电网电压的正序、负序复矢量;IPcdq和INcdq为STATCOM补偿电流的正序、负序复矢量;SPdq和SNdq为STATCOM开关函数(占空比形式)的正序、负序复矢量。即

其中,下标d、q表示d轴、q轴分量;上标P、N表示正序、负序分量。由式(1)和式(2)可得正序dq轴电流方程为

同理,负序dq轴电流方程为

2 STATCOM的不平衡控制策略

2.1 基于无源控制的电流环设计

2.1.1 控制系统指令电流的获取

在电网不平衡条件下STATCOM控制系统设计中,一个关键问题是PN-dq 4个指令电流的获取方式,即正负序(PN)网侧有功电流(d轴)和无功电流(q轴)的给定值i P*s d、iP*s q、iNs d*、iNs q*如何计算生成,不同的生成方式对应不同的STATCOM控制目标。

根据FBD功率理论,当电网各相电压和电流波形相同且瞬时值成比例时,既可实现网侧各相均为单位功率因数,还能保证能量传输过程中线路能量损失最小[10,12]。同时,对于三相三线制系统,FBD功率理论与瞬时无功功率理论是等价的[12,13];二者不同之处在于,前者侧重于在abc坐标系下分析有功、无功问题,而后者的角度为αβ坐标系。

在dq同步旋转坐标系下,上述控制目标可抽象为如下数学描述:

式(5)即是指令电流i P*s d、iP*s q、iN*s d、iN*s q的计算方式,g可看成网侧等效的虚拟导纳。

2.1.2 电流内环控制器设计

由式(3)和式(4)可知,正序电流方程与负序电流方程结构极为相似,因此这里仅以式(3)为例,给出基于无源控制理论的正序电流内环控制器设计过程,负序电流控制器可仿照此设计过程得出。

由于STATCOM属于Euler-Lagrange系统,式(3)可转换成Euler-Lagrange系统标准模型形式:

其中,x为状态变量;M为正定的惯性矩阵,且满足M=MT;J为具有斜对称特性的互联矩阵;R为能量耗散矩阵;F为外部电压源输入矩阵。

电流环的总能量函数为

对H求导,并利用J矩阵的斜对称特性,可得:

即

由式(7)可知,STATCOM的能量变化率(H(t)-H(0))总小于外部供给能量二者之差为耗散能量该特性即为STATCOM的无源性。

进而,可利用无源理论对其进行控制器设计。无源控制通过调整能量函数和耗散函数使系统闭环无源,设计过程包括能量成形和阻尼注入2步:首先,调整系统能量函数使其在所要跟踪的期望点上有全局且唯一的最小值(能量成形);其次,调整耗散函数使系统在期望工作点渐近稳定(阻尼注入)[14]。

定义x*=[i cdP*icPq*]为系统期望工作点,则可得误差状态变量为进而系统误差动力学为

进一步向式(8)中加入阻尼矩阵,使STATCOM系统渐近稳定到x*。这样,期望的系统耗散矩阵为

其中,Ra为拟注入的阻尼矩阵。加入Ra后,新的系统误差动力学为

新的系统能量函数为

对HD求导,并利用J矩阵的斜对称特性,可得:

M矩阵的正定性可保证Lyapunov函数HD恒大于零;因此只需令扰动量ζ=0,则必存在特定正实数γ,使得

成立,因此由Lyapunov稳定性定理可知,式(10)所示的误差动力学是指数渐近稳定的(x将收敛于x*),实现STATCOM的控制目标[14]。

为保证扰动量ζ=0,则误差系统应满足:

由式(11)可得正序电流环控制器表达式为

由i Pcd=iPs d-iPld,iPcq=iPs q-iPlq,可将式(12)表示成如下以网侧电流为变量的形式:

同理,可得负序电流环控制器表达式为

2.2 基于PI控制的直流侧电压环设计

文献[9]从交直流功率守恒关系出发,定性分析得出,当电网不平衡时STATCOM直流侧易产生2次纹波,但没有定量地给出直流电压动力学方程。文献[10]直接将PI电压外环控制器的输出作为虚拟导纳,却没有给出这种处理方式的合理性(因为普遍被人们所接受的是,电压外环控制器的输出往往是功率指令或电流指令);同时,由于同样没有给出直流电压动力学方程,使得PI控制器的设计与参数整定只能凭借工程经验,缺乏相应理论基础。

鉴于此,本文从abc/dq坐标变换角度出发,给出直流电压动态方程,以及“直流电压-虚拟导纳”的数学关系表达式,以完善现有相关理论。

对于STATCOM,通过公式推导[15],可得出直流侧电压动态方程为

由式(15)可知,当ic2和is2不为0时,STATCOM直流侧电压将产生一定程度的2次纹波脉动。

下面探讨直流电压uo与虚拟导纳g之间的数学关系,为电压外环控制器的设计提供理论基础。将uo视为正序分量对应部分u oP与负序分量对应部分uoN之和的形式,即uo=uoP+uoN;同时当STATCOM得到有效控制之后,ic2和is2一般很小,可忽略,则可得:

同样,首先仅考虑正序分量部分u oP,并结合式(3)所示正序dq轴电流方程,可得:

由于电流内环要比电压外环响应速度快,因此设计电压外环控制器时,i Pcd和i Pcq已收敛于给定值,即i Pcd=icdP*,iPcq=icqP*,则式(17)可进一步转化为

由式(5)和式(18)可知:

其中,EPdq为常数,覣P可视为与无功负载有关的扰动,则式(19)即为u oP与g的函数关系式。同理,可得uoN与g的数学关系式。进而,uo与g的数学关系式为

由式(20)可知,通过对虚拟导纳g的调节来实现STATCOM直流侧电压uo的控制是可行的。由于PI控制器具有结构简单、易于调试等优点,本文采用PI控制策略设计电压外环控制器。

式(20)可进一步转换为式(21):

由于R为STATCOM网侧连接电抗的串联等效电阻,其值往往很小(本文中R=0.1Ω),因此设计外环控制器时可将一项忽略不计。令η=uo2,η*=(uo*)2为直流电压给定值的平方,kP为PI控制器的比例系数,kI为其积分系数,则电压外环控制器g=g(t)的结构形式为

其中,g1(t)为g(t)的PI控制分量,g2(t)为无功负载的前馈补偿分量。基于式(21)和式(22),电压外环动态方程可转化为

式(23)为典型的线性系统,可按照经典控制理论完成kP和kI控制器参数的整定[16]。

综上所述,电网不平衡条件下STATCOM控制系统结构如图2所示。本文采用带阻陷波器BEF(Band-Elimination Filter)来实现不平衡电压和电流的正序、负序分量分离,其具有对控制系统频率响应影响小、便于工程实现等优点。同时,正序、负序双电流环结构简化了控制系统设计。

3 仿真实验

在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验,验证所提控制方法的有效性。STATCOM参数如下:L=5 m H,R=0.1Ω,C=2 200μF,直流侧电压给定值uo*=800 V,开关频率fs=10 k Hz,待补偿的无功负荷为24 kvar,电流内环控制器参数为r1=r2=r′1=r′2=700,电压外环PI控制器的比例系数kP=0.000 64,积分系数kI=0.048 2。

仿真实验结果如图3所示。这里,网侧电压正序分量e dP=311 V,负序分量e dN=62.2 V,网侧电压不平衡度为20%,三相不平衡电网电压波形如图3(a)所示。在未投入STATCOM进行无功补偿之前,网侧电压与电流(b相)波形如图3(b)所示(a相和c相情况与此相似),由此可见,网侧各相均没有实现单位功率因数控制。

投入STATCOM进行无功补偿之后,网侧电流波形如图3(c)和图3(d)所示,电流FFT频谱分析如图3(e)所示。此时实现了网侧各相单位功率因数控制,网侧电压和电流波形相同,二者瞬时值成比例。从图3(d)可以看出,采用无源非线性控制可以使STATCOM获得很好的动态控制性能,在20 ms内即可实现给定无功负荷的快速补偿。值得注意的是,由于本文探讨的是以网侧各相高功率因数运行为控制目标,此时难以同时保证网侧恒值功率传输;对于STATCOM而言,表现为其直流侧电压将出现微小的100 Hz的电压脉动。实际工程中,可通过增大直流侧电容值来解决。

4 结论

通过对电网电压不平衡条件下STATCOM非线性控制系统的设计与研究,可得出以下结论。

a.在电网不平衡条件下,基于FBD功率理论,以网侧电压和电流同相位为控制目标,可实现STATCOM网侧各相单位功率因数控制,且能够保证输电线路有功损耗最小。

b.基于正负序双电流环控制系统,结合STATCOM固有的无源性与耗散性本质特征,采用无源控制方法,可以使STATCOM获得很好的稳态和动态控制性能,实现对无功负荷的快速补偿。

c.给出了电网不平衡条件下,STATCOM直流电压与虚拟导纳的数学关系表达式,并在理论上阐明了虚拟导纳电流控制的可行性和合理性。

摘要：在电网电压不平衡条件下,以网侧各相单位功率因数为补偿控制目标,提出了基于虚拟导纳的静止同步补偿器(STATCOM)无源控制方法,可保证输电线路有功损耗最小。在dq同步旋转坐标系下,建立了不平衡条件下STATCOM的数学模型,构造出相互独立的正负序双电流环系统,以便于控制系统设计。基于无源性理论,利用能量成形和阻尼注入方法,分别对正负序电流环设计了控制器。给出了STATCOM直流侧电压与虚拟导纳的数学关系式,阐明了虚拟导纳电流控制的合理性和可行性,并设计了直流电压外环比例积分控制器。仿真实验结果表明,所提控制策略可实现电网电压不平衡条件下STATCOM对无功负荷的快速补偿,同时可保证网侧各相均实现单位功率因数控制。