低壓配電網的有源三相不平衡補償裝置應用分析

丁寧

摘要：由于供電范圍和供電需求在近年來極大地擴張，導致電能的質量難以得到充分的保證，三相不平衡作為衡量電能質量的一個重要指標，其分布的均勻情況與電流的質量密切相關，若電流的三相由于其他的中性點電流而導致在電路中存在明顯的不平衡狀態，那么則會為客戶帶來嚴重的用電安全隱患，為此，本文對電路中的三相不平衡補償裝置的應用進行了分析與研究。

關鍵詞：低壓配電網;有源三相裝置;不平衡補償

電能作為一種環保型易于傳輸的綠色能源，在我國的社會發展與經濟建設中發揮著巨大的作用，并且隨著人們生活水平的提升，我國城市化建設與工業化建設步伐的邁進，對電能的需求呈現出逐年上升的趨勢，對我國供電企業的供電規模與供電效率提出了更高的要求，與此同時，保證電能的質量也是不容忽視的一部分工作，良好穩定的電能供應對于人們生活的正常有序進行十分重要，同時也是各種電力系統與電力設備穩定運行的保證。電路系統中的三相不平衡不僅有可能在電路中產生諧波電流進而損壞電路中的變壓器，線路中由于三相不平衡電流導致的無功電流增大還會導致線路的損壞以及變壓器的耗損，導致線路中的電壓出現過高或過低的問題，電能的質量將大幅下降。由此可見，在電能質量評估的過程中，三相不平衡已經成為了一項重要的指標，對低壓配電網下的有源三相不平衡電流補償方式與補償裝置的研究對提升供電企業的供電質量和供電安全性能具有非常積極的作用。

一、有源三相不平衡補償裝置概述

近年來，電力技術與電子行業以較快的速度取得了巨大的發展，而絕大部分電力裝置四基于非線性的用電負載進行工作的，由于低壓配電網環境之下的用戶絕大部分是采取單相負荷的形式用電，并且用電得到時間具有不協調和不確定性，導致配電網絡在工作過程當中極易出現三相不平衡問題，對于電力系統的穩定和用電設備的正常工作造成了消極影響，長期處于這樣工作狀態下的用電設備損耗速度與損耗程度均增大，不利于社會生產的正常進行，所以對三相不平衡的電能進行補償和調節使其平衡度有所提升是我國研究學者的研究熱點內容之一。傳統意義上的三相不平衡補償裝置分為有源補償裝置和無源補償裝置兩種[1]。

無源補償裝置往往是通過采取手動進行電容器或者電抗器電路的設計來實現，在線路中找到對地的電容不平衡的一相在其中設計電容器或者是電抗器使得線路的三相得到有效的調節，在參數上達到平衡，這種方法具有操作簡單和經濟成本低的特征，所以在早期的三相不平衡補償裝置設計過程中得到了十分廣泛的使用，這黃忠補償方法是一種無源的補償方式，原理是通過對電力系統中的容性無功進行吸收，與此同時在線路中釋放出感性無功進而實現三相平衡度的提升[2]，以電容補償器為例，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進行準確測量才能實現理想的補償效果，而現代的供電線路日趨復雜，并且無時不刻處于變化的狀態當中，對其參數難以實現實時精確的測量，并且電網在實際的運行過程當中不斷變化，采用傳統的方法非但不能快速精確跟蹤到電網的實際運行狀況以及具體參數情況[3]，還不能實現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，采用電容補償的方式會將諧波放大，調節不靈活而導致這種補償模式下的動態三相不平衡補償效果欠佳。通過同步電機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償的方式[4]，當系統發現電路中存在不平衡過電壓時，電機的工作模式則確定在欠勵磁模式下運行，在此模式下工作的同步電機能夠實現對電路中無功功率的吸收，使得系統的電壓整體降低，而如果電路中的電壓較低，則電機工作在過勵磁的模式之下，這種模式使得系統的無功功率增加，電壓上升，通過這樣的調節模式實現電路系統中電壓的穩定，能夠對電路的電壓實現雙向的調節，這種裝置的示意圖如圖2所示。但是電機在工作過程中容易產生較大的噪聲，并且系統對三相不平衡狀況的調節速度較慢，實時性不佳。靜止無功補償器作為另一種常見的無源三相不平衡補償裝置，主要是通過控制不同的開關對電容或電抗進行投切，使得補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定的系統電壓并且實現功率因數的優化，對于不平衡系統中原有的高頻震蕩電流也有一定的抑制作用[5]，但是這種系統在電路的電壓下降到一定程度時釋放和吸收無功功率的功能就會有所下降，對于系統的補償效果不理想。

由此可見，無源的三相不平衡補償裝置已經無法適應電網的高速運行對補償裝置提出 的更高需求，而有源三相不平衡補償裝置則能夠彌補無源裝置的缺陷，對于傳統意義上的交流電傳輸模式進行改進，使得電路的不平衡可控性得到大幅度的提升與改進，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中的高頻諧波并且對線路中少量的電流三相不平衡進行補償，裝置主要是基于運算電路和補償電路兩大組成部分完成補償功能，在工作過程中，運算電路能夠對電網中的電壓與電流數據進行實時檢測與采集記錄，通過其運算和分析計算出系統所需要的無功功率補償量，再由已經設計好的補償電路對電路中不平衡的三相分別進行補償，這種方法具有較好的實時性，響應速度較快，并且在補償電路三相不平衡的同時還具有提升系統的原有功率因數的作用，具有良好的電路動態補償性能[6]，同時能夠抑制電路中的諧振現象的出現，示意電路圖如圖3所示。此外，靜止同步補償也是一種常用的有源三相不平衡補償裝置，基于自換相變流技術原理，裝置將直流電容和變壓器等電力設備結合起來，使得電壓在出現不平衡狀況時裝置隨時切換不同的工作狀態對不平衡進行調節，實現對系統無功功率的釋放或者吸收功能，當裝置工作于感性狀態時，具有釋放無功功率的功能，能夠使得系統的過電壓狀態得到緩解，當其工作于容性狀態時，系統所具備的功能是吸收無功功率，使得電路系統的電壓升高。這種補償方法具有易于控制且裝置體積較小的特點，并且電路中涉及到的電抗值較小，能夠實現大范圍的三相不平衡調節，實時性和穩定性均比較理想，對于系統瞬時穩定性的改進和調整性能均有較大幅度的改進，整個系統中噪聲較小，阻尼震蕩被抑制的同時實現了對電路電壓的穩定控制，補償效果良好。裝置示意圖如圖4所示。該方法已經逐步發展成為有源三相不平衡補償裝置的主要發展方向之一，但是由于其發展時間有限，所以在某些設計技術方面仍舊處于初級的理論研究階段。

二、有源三相不平衡補償裝置中電流的檢測方法

2.1優勢特征

從上文的分析可以看出有源三相補償裝置與傳統的無源三相不平衡補償裝置相比具有非常明顯的優勢，首先是能夠在接入補償裝置的同時最大程度維護原有電路的穩定運行狀態，與原有的電路網絡具有較為良好的友好性，如果對有源三相不平衡補償裝置的功率控制電路以及濾波電路進行改進還能夠極大程度地控制電網在運行過程中的信號干擾問題和電路污染問題，保證在接入補償裝置的同時不影響原有電網的抄表工作順利進行。其次，能夠對于用電系統中存在的問題進行實時的監控與及時地解決，通過在有源三相不平衡補償裝置中加入電能質量的監控設備對電能的數據進行分析得出電路系統中存在的安全隱患，基于大數據的預測技術加以分析[7]，進而實現在客戶端電路工作效率的提升與進一步優化，創新與改進原有的電路網絡治理方案。最后，有源三相不平衡補償裝置在具備高可靠性、環境適應性的同時，能夠實現線上的實時通訊，將系統分析得出的電路網絡問題實時上傳使得在電網系統中的遠程通信具有了更多的可能性，同時在實際的工作過程中具有更高的補償效率，理想的補償裝置能夠達到接近于98.5%的補償效率，對補償裝置的拓撲結構進行優化，更為科學的濾波單元設計能夠將補償效率進一步提升，補償裝置的性能與其他裝置相比優勢十分顯著。

有源三相不平衡補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行優化和參數的調整實現其在電網中的變流功能，主要依賴于主動對電路中的不平衡電流進行檢測并且提供用于補償電路中不平衡的無功電流所需的電流信號進而實現電路中三相不平衡的補償，該裝置在實際的工作過程當中可以將其等效為一個流控電壓源，逆變器在設計的過程當中利用了三相四線的橋臂電路結構，使得電路具有了較高的直流側電壓利用效率，在濾波單元采用具有較高功率因數的濾波電路設計，在裝置的實際工作過程中，通過基于電流互感器的電流信號采集裝置對電路系統中的電流信號進行采集，在此基礎上通過控制器將電流信號中的零序與負序電流進行分離，之后通過功率變換器產生用于抵消系統中這些電流的電流信號進而實現電路中存在的三相不平衡補償電流，這一調節過程隨著電流的動態變化也處于動態的變化和不斷的調節過程當中。

2.2電流檢測方法分析與研究

在有源三相不平衡補償裝置的工作過程當中，對系統的電流數據進行檢測是非常重要的一部分。從檢測原理方面考慮，現有的電流檢測方法有以下幾種：

其一，通過傅里葉時域分析法進行檢測，這種檢測模式下，對于系統中存在的異?；冸妷汉碗娏鞯幕ㄖC波特性能夠實現同步檢測，并且能夠通過進一步的數據分析與推算得出系統中其他的參數分量，但是在這種檢測模式下，需要進行的計算過程比較復雜，并且由于涉及到了積分運算使得系統的實時性欠佳，此外如果系統的電壓存在畸變的問題，那么在分析過程中消耗的時間將對系統的檢測精度造成影響，并且這種檢測模式在開始計算時就對電路波形的參數進行了假設，預設電路系統當中的波形處于穩態并且采樣的周波為整數，當電路系統中的電能具有了高頻或者低頻信號時，其采樣的頻率就不能滿足系統的需求，導致采集的數據準確性下降，不適合處于動態變化的電路三相不平衡補償裝置中電流信號的檢測與數據的提取采集。

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行改進之后得出，通過采用小波函數對電路系統中的電流信號進行伸縮與變換操作實現小波正交的分解操作，在此基礎之上對電流信號的時域與評與特性進行分析和采集，這種方法已經被廣泛使用于電路系統的電流檢測工作過程當中，并且由于計算過程的優化，克服了傅里葉變換方法中的延時性問題，但是計算的復雜度并沒有降低，導致在采用這種方法進行電流檢測的過程中對于軟件功能的依賴性較大，如果軟件算法設計不合理，將使得裝置的工作效率和檢測精度受到影響，并且雖然對于動態的電流信號具有良好的跟蹤與檢測效果，但是在靜態諧波的檢測方面靈敏度不高，相關的研究工作目前也有待進一步深化和完善。

其三是在電力系統電流檢測算法的設計中靈活運用神經網絡的方法進行信號的分析，將電流信號作為神經網絡模型的輸入信號，在網絡模型的輸出端得出信號的不同特征計算結果，具有良好的理論研究成果，但是這種檢測模式在實際的運用過程當中存在沒有大量的電網數據對網絡進行訓練的問題，并且這一問題在較短的一段時間之內難以有效解決，實際應用與電流系統的檢測還有待進一步開發和實踐。

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償裝置對系統中的電流進行補償，由傳統的 電流檢測方式演變而來，檢測的具體過程是通過對系統中的不含零序電流進行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現直流分量的提取最終得到理想的基波正序平衡電流參數，對系統中瞬時的電流變化進行檢測與計算分析，進而實現電路中三相不平衡的補償，在這種方法中最后能夠得出電路系統中平衡的基波正序分量表達式如下所示：

（1.1）

從上面的公式中能夠看出在電路系統中的 方向基波的正序分量是表現為直流的分量，由此可以進一步推測出基波負分量在實際裝置工作過程中的推算過程，整個計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系的移動實現電路系統中不平衡的補償，在進行變換的過程中，原始的電路信號在裝置中會發生變化，直接轉換為直流的電路信號對其數據進行采集，使得原始信號在此過程中頻率發生變化，其中的差頻信號也被有效地體現出來，可以看出電流信號具備了一定的二倍頻脈動特性，所以只有在頻率符合一定條件時才能夠實現直流分量的轉換，在工作過程中需要主義保持原有信號的頻率穩定狀況。該種方法在實際中也存在一定的局限性，如果系統中發生了不對稱的電流狀況，將使得系統檢測的精度大幅度下降，為了保證裝置電流的檢測精度，在實際 的運用過程中要充分確認裝置中合成的電路矢量與計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、低壓配電網下有源三相不平衡補償裝置應用步驟

在補償裝置的電路參數確認過程當中，為了能夠實現裝置能夠輸出接近理想狀態的直流電容電壓波形，有必要對裝置在工作過程中實際輸出的電流信號進行功率的分析，主要對電路中的負序信號數據進行計算和采集，更有針對性地對電路系統中的諧波電流進行采集與補償，在此基礎上基于傅里葉變換的原理對輸出的信號進行優化，提升電網系統中的諧波率并且與此同時降低系統基波中諧波電流的成分含量。此外，基于仿真軟件對補償裝置的實際工作狀況進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，分析之后可以適當對補償裝置的個數和分布的位置進行調整，提升對電路無功功率的補償效率。

另外，在電流采集方式的選擇過程中，負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中符合端的電流作為運算和分析信號的方式能夠實現對電流信號更好的跟蹤性能，但是由于信號的分析時基于負載短短分析，而三相不平衡補償裝置不僅僅要實現在負載端的不平衡補償，還需要對電源端的三相不平衡進行補償，所以補償效果不均衡。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，同時能夠對裝置中輸出的電能質量進行評估，但是明顯提升了裝置的設計與控制難度。復合電流采集的方式則是將兩種不同的電流采集方式結合在一起，這種采集模式之下，能夠將之前的兩種模式中體現出來的補償優點有機結合在一起，顯著提升系統的三相不平衡補償效果，本文最終選擇這種采集方式作為補償裝置的電流采集模式，其原理圖如下：

四、結束語

綜上所述，在電力系統需求和規模不斷擴大的發展階段，電能質量的保證與提升成為了供電企業亟待解決的關鍵問題之一，通過對有源三相不平衡補償裝置中的運算算法和濾波方式進行改進與優化有望實現補償效率的顯著提升。

參考文獻

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