关键词：低压配电网；不平衡补偿；有源阻尼；LCL滤波
引言
电能由于其具备易传输和利用率高的性质，广泛运用于日常生活和工业生产中。负载本身的一些特性和用电不当常使得配电网络中出现谐波、电压偏移、三相不平衡等问题，这些问题严重降低了电网的电能质量，造成了能源的浪费，同时还可能影响用户的用电安全及电网系统的稳定性。目前，随着国民消费水平的提高，家用电器的种类和使用量逐渐增多，居民用电负荷量与日俱增，由于居民负荷大多为单相负荷，常常产生用电分配不均问题，居民配电网络中常出现三相负荷不平衡问题，同时，随着电动汽车的逐渐增多，充电桩的数量也逐渐增多，充电桩中有很大一部分为单相充电桩，由于充电桩功率较大而且分布具有一定的随机性，这导致充电网络中往往会产生三相电流不平衡问题，而且电动车用户充电选择的时间和地理位置不一，充电网络中的三相电流不平衡度很大且波动剧烈，这加重了配电网络中的三相负荷不平衡的程度。三相负荷不平衡通常使得配电网络中产生负序电流，当配电变压器输出端引出零线时，三相负荷不平衡还会在系统中产生零序电流，不管是负序电流还是零序电流都会降低配电网络的电能质量，俨然，三相负荷不平衡治理己经成为电能质量治理中的一大问题，本文将针对低压配电网下三相负荷不平衡补偿问题开展研究。
1低压配电网三相不平衡概述
电力系统的低压配电网中，三相电压量大小相等，并按照顺序排序。三相彼此之间构成2π/3角，这种情况被称为三相平衡；反之，则被称为三相不平衡系统。三相不平衡的产生原因可以分为正常性和事故性两类。正常性不平衡主要是系统三相元件或者负载批次之间不对称造成的。将三相电压允许不平衡度作为衡量电能质量的指标，在一定程度上是根据正常性不平衡来确定的。一般情况下，三相电压不平衡是三相负荷之间彼此不平衡造成的。当不平衡的三相电压加在三相电动机上时，会导致电动机产生负序电流、阻尼力矩，从而导致电动机转子中的热损失增加，造成电动机温度升高，噪声变大。尤其是当一相开路时，电动机会处于两相运行的状态。如果此时的负载不变，则会导致电动机被烧坏。
2低压配电网三相不平衡补偿装置研究
2.1有源阻尼控制策略
电力电子装置补偿电网不平衡时，必然产生高频开关及其倍数次谐波电流，污染电网，所以引入LCL滤波器吸收高频谐波就变得十分有意义。LCL滤波器可以等效为1个谐波发生器，补偿装置产生的某次谐波电流可能成为LCL的谐振源，使谐波幅值突然增大，导致系统振荡、失稳。目前，为了抑制谐振，一般在电容支路串联或并联1个电阻元件。然而随着电阻的引入，必然增加损耗，降低系统的运行效率；尤其是在大功率场合，功率损耗特别明显。为了降低损耗，文献9和10提出了虚拟电阻的概念，采用有源阻尼的控制策略，既能够降低损耗，又能抑制谐振。下面以LCL滤波器电容支路并联电阻元件为例进行分析。将电容电压Ucf通过比例环节1/R叠加到装置输出电流的参考信号上，可以等效实现抑制谐振的作用。这样，通过测量电容电压对参考电流信号进行控制，借助软件上虚拟电阻来代替硬件电阻，既抑制了滤波器的谐振，又降低了装置损耗。
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2.2直流母线电容参数的设计
对于三相负荷不平衡补偿系统，其中逆变器的直流母线电压需要电容来支撑，限定直流母线电压的波动在规定范围内，是补偿装置稳定工作的基础。补偿系统直流侧和交流侧存在负序功率交换以及系统本身的损耗将导致直流母线电压的波动，其中负序功率导致直流母线电压的二倍频波动。当选取较大电容值时可以有效抑制这种波动，但随着电容容量的增大，电容成本会大大增加，同时直流母线电压的跟随性能降低;电容容量过小又不足够抑制电压波动。所以要综合分析上述因素，合理选取电容值。对于不平衡补偿系统，流过直流侧的电流主要是补偿系统损耗的有功电流、及二倍频的谐波电流。由于系统损耗较低，所以按照二次谐波的最大补偿导致的电压波动来计算直流侧电容的取值。
2.3电流检测算法
电流检测算法有多种，如基于FFT的谐波检测算法、基于瞬时无功功率的谐波检测算法、电流检测算法和主要控制算法等。基于FFT的谐波检测算法虽然可以对补偿信号进行计算，但会产生实时性差。基于瞬时无功功率的谐波检测算法通过计算机波电流值获得补偿信号，可以改善前一种方法的缺陷。综合性较强的电流检测算法也是基于瞬时无功功率，不仅可以检测三相不平衡状态下的电流，还可以测试无功以及谐波状态下的电流。在此背景下，运行人员需要计算基波电流值。原电流中包含补偿电流，运行人员还要依靠这两者的分离工作获得补偿信号。这种综合性检测方法精度较高，因此运行人员应发展综合治理装置，且要提高装置的多元化功能。主要控制算法可以分别有效控制直流侧电压和补偿电流，并显著提高补偿装置的补偿效果。
2.4电压、电流采样电路的设计
本课题中需要对电网电压、负载电流、补偿器输出电流进行采样，采样信号是否如实反映实际信号对补偿装置的控制系统具有重要意义。为此，电网电压互感器采用LEM公司的LEM-LU25-P系列传感器，它具有精度高、线性性好、高带宽、低温漂、响应快等优点。该传感器将电压信号线性地转换为低幅值的电流信号，其输出精度可通过调节R21的阻值进行调节，在其输出端接上采样电阻即将电流信号还原成低幅值的电压信号，该电压信号再经过运放进行调理，最后通过偏置电路及电压跟随器得到符合输入DSP的AD端口的电压信号。
2.5应用有源不平衡补偿装置
有源不平衡补偿装置可以对电力电子功率进行调整。首先，运行人员要在外部配电网的相关电路中安装电流互感器。其次，利用该设备对电流数值进行采集，之后DSP控制器会接收其采集的数据。最后，对数据进行分析。这些数据和电流有关，且数据中的电流类型不止一种，包括不平衡电流、谐波电流以及无功电流等。将这些电流数值和正常数值进行比较，找到需要补偿的对象，装置会自动选择补偿电流。运行人员还要将电流数值与寻找的需要补偿的电流成分数值进行比较，取其差值作为补偿信号。此信号最终输入驱动电路，驱动电路会与相关的功率管直接联系，从而使电网获得补偿电流。如此电网中的电流数值会趋于正常，处于平衡状态的电流会证明三相处于平衡状态。
结语
本文为了解决低压配电网系统负载不平衡引起的电流不平衡问题，基于三电平拓扑结构，设计了一种补偿装置。本文首先针对三电平拓扑结构进行了对比分析，选择了NPC型逆变器结构作为补偿装置的主电路，在此基础上建立了补偿装置的数学模型，然后针对不平衡电流中基波正负序分量电流的提取方法进行了研究，针对所建立的三桥臂三电平数学模型，设计了相应的控制策略。最后，在Matlab/Simulink平台上搭建了三电平补偿装置的仿真模型，并且研制了补偿装置样机，搭建了实验平台，对三电平补偿装置进行了仿真和实验分析。
参考文献
[1]潘 岩.含扶贫光伏配电网电能质量问题及对策研究与应用[D].合肥：安徽大学，2018.
[2]曾楚云.浅谈低压配电网三相不平衡运行的影响及治理对策研究[J].现代国企研究，2018，（8）：162.
论文作者:梁 冠
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年15期
论文发表时间:2019/12/12
标签：电流论文; 不平衡论文; 谐波论文; 装置论文; 电压论文; 信号论文; 电容论文; 《当代电力文化》2019年15期论文;