基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿策略

基于有源滤波器的电网三相负载不平衡补偿策略

潘明福

上海空间电源研究所 上海 200245

摘要：配电网三相不平衡问题会影响电能质量、造成电力系统不稳定运行。目前,电力系统常用的接线方式为三相四线制,传统的针对三相三线制的补偿器只能抑制负序电流,而不能消除零序电流。针对该问题,提出了利用有源电力滤波器进行负载补偿。首先建立了有源滤波器的数学模型,然后分析了补偿电流的监测方法,推导了有源电力滤波器的补偿特性,并在Matlab/Simulink中建立三相四线制的负载不平衡动态补偿模型,对正常性不平衡和故障性不平衡进行了仿真,通过试验结果验证了该方案能够有效减小三相负荷不平衡度。

关键词：三相不平衡; 三相四线制; 有源电力滤波器; 负载补偿

引言

在配电网中，电路产生三相不平衡过电压的原因有多种，主要有线路架设方式、电压互感器不对称配置以及中性点接地方式的改变等，而三相对地参数不对称是造成不平衡电压的主要原因。正常运行情况下，配电网允许有一定程度的不平衡度，但如果对不平衡度不加以控制，通常产生三相不平衡过电压，给系统的稳定可靠性运行带来危害。

1三相负荷不平衡危害

城市或者农村1kV以下的低压配电网三相负荷不平衡会给整个电网造成危害和影响：三相负荷越不平衡，将会产生不稳定电流，受电阻影响，线路中电能损耗将增大，造成电能资源的浪费；配电变压器容量是根据三相负荷平衡状态计算设计的，若负荷不平衡，变压器绕组只能根据其中一相最大负荷工作，这给变压器运转造成巨大压力；三相负荷不平衡时会产生零序电流，而变压器中的磁铁芯必然生成零序磁通，高压侧与低压侧的电流不相等，导致变压器结构件温度过高，势必危害变压器安全；若三相负荷不平衡，将会造成零点漂移，输出不对称电压，相应感应电机输出功率不一致，导致电机绕组温度过高而烧坏电机；当三相负荷不平衡时，会产生正序、零序、负序等电流，但是零序和负序电流的存在会影响电能计量表的精度。

2柔性控制装置不平衡过电压抑制原理

2.1 10kV配电网三相不平衡过电压抑制柔性接地

10kV配电网三相不平衡过电压抑制柔性接地系统拓扑结构如图１所示，ＥＡ、ＥＢ、ＥＣ为配电网Ａ、Ｂ、Ｃ三相电源电动势，ＣＡ、ＣＢ、ＣＣ为配电网三相对地电容，ｒＡ、ｒＢ、ｒＣ为配电网三相对地泄漏电阻，ＬＰ为消弧线圈电感，Ｉｉ为注入电流，Ｔ为注入变压器，Ｌ０、Ｃ０分别为滤波电感、电容，逆变器直流侧电容用Ｃｄｃ表示。

连接在中性点与地之间的柔性控制装置主要由三相不可控整流器以及接有ＬＣ输出滤波回路的单相逆变器组成。整流电路将从接地变压器低压侧引进的三相交流电流整流成单相直流电流，然后由逆变电路转换成单相交流电流，经滤波回路后输出所需电流，从而改变配电网中性点电压与对地支路电流的分布，实现三相不平衡过电压抑制。

图１ 配电网经柔性接地装置接地系统结构

2.2控制环节建模

图２中，虚线内代表经柔性控制装置接地的配电系统，用ＫＩＮＶ表示逆变器增益，ＧＰＩ、Ｇｃ分别表示电流内环ＰＩ校正器、串联滞后校正器的传递函数。从上述控制框图可知，系统以中性点电压参考值为零为控制目标，采集比较参考值和中性点电压反馈量之间差值，再将差值经串联滞后校正环节后，为电流内环产生参考电流；ＰＩ用作系统内环校正，根据电流理论参考值与实际测量值之间偏差，再将偏差送入ＰＩ校正环节，实现对目标的控制。

图２ 经柔性控制装置接地的系统等效模型

3解决方案与控制策略

若配电网出现三相不平衡过电压时，实质是配电网系统对地参数发生变化从而导致的系统状态变化，因此要求控制系统具有较高的鲁棒性。

3.1增加自动调节负荷装置

自动调节负荷装置外接电流互感器，内设控制单元，兼有IGBT触发控制器和驱动逆变器，一旦监测到三相负荷处于不平衡状态，立即将大电流的相线进行调节，将过多的电流暂时储存在电网内部电容中同时进行无功补偿和稳定电压，以期实现三相线路中负荷均衡性，确保三相线路稳定供电。

3.2尽量降低高峰用电

对于农村或者城市来说，一般在晚上18:00~23:00是用电高峰期，这个时段是每个相负荷的集中区，为了降低三相负荷不平衡性，时刻监测用电情况，发现问题需要及时对其调整，避免出现峰谷和峰波。督促用户杜绝单相用电，必须保证电器分配在三相中。

3.3使用智能换相开关

在三相供电网上采用智能换相开关，该智能换相开关具有采集配电网变压器电压、电流信息和接收负荷电压、电流信息的功能，并拥有DSP高运算处理器，一旦检测到三相负荷不平衡，立即发出指令给各个用户换相装置，执行A、B、C三相换相，实现低压配电网三相负荷电流的均匀性。

3.4合理分配用电负荷

在低压配电网三相线路上，按照从用户端到支线端再到主干线端的顺序，合理分配三相四线制供电线路上的使用负荷，特别是新建线路、改建线路上的负荷分配，务必避免某段出现负荷过重或者无负荷状态，确保整个电网处于一个合理负荷分配标准。

4控制器设计

4.1串联滞后校正控制器及其参数设计

通过ＰＩ内环控制后大大提高了系统的抗干扰能力及稳定性，虽仅经ＰＩ内环校正的系统处于稳定状态可以实现相应功能，但是单闭环控制存在系统截止频率过大、抗信号干扰性能差的缺点。因此，在保证一定响应速度的条件下，需提高系统的抗干扰能力；同时，ＰＩ控制的电流环是把电流量作为控制目标，虽电流的可控性比电压高，但计算参考电流值公式复杂，受配电网对地参数的影响，对控制效果产生一定的影响。因此，该文提出在控制框图的前向通道上串联一个滞后校正环节，进一步对系统进行校正。通常串联滞后校正通过在系统中加入滞后校正网络实现对整个系统的进一步改善，并利用其高频衰减特性，降低系统开环截止频率，在保证系统响应速度的同时增强系统的抗干扰性能，提高系统的相角裕度。

4.2ＰＩ控制器及其参数设计

稳定的控制环节是保证整个系统可以有效运行的重要环节，有必要对整个控制系统进行稳定性调控，且需保证校正后的系统要有更好的稳定性。

5 软件部分代码

int main(void)

{

u16 adcx=0;//ADC采样转换变量

char mode=0;

u8 Mode_Change_flag=0;

u8 i;

PItype I_pi;//定义电流环

SystemInit();//配置系统时钟为72MHz

SysTick_Init();//延时初始化

Init_PWM(Period,Prescaler);//PWM输出初始化

USART1_Int(9600);//串口初始化

Adc_Init();//ADC初始化

PI_Init(&I_pi,1350,0,I_Kp,I_Ki);//对电流环进行初始化

while(1)

{

Vbat_volt=Vbat_Check();

adcx=Adc_Filter(ADC_Channel_1);

I_Adc=(float)adcx*(3.2412/4096);

I_Current=(I_Adc-1.502)/0.641;

adcx=Adc_Filter(ADC_Channel_1);

U2_Adc=(float)adcx*(3.2422/4096);

U2_volt=16.95*U2_Adc;

..............

结语

由于目前风机变流器均需要具备LVRT功能，在不平衡电网下，变流器必须要具备良好的控制能力，增加前馈项，除了可以抑制电网扰动外，还可以增强电流调节器的控制裕度，有利于对并网电流的良好控制。

参考文献

[1]基于滞环控制策略的并联有源滤波器研究[J].施林涵.电气技术，2016(06)

[2]有源滤波器建模与控制策略研究[J].石子伟.电子设计工程.2013(17)