基于低壓配電臺(tái)區(qū)分布式儲(chǔ)能的三相不平衡控制策略研究

湖南瀟湘技師學(xué)院（湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學(xué)院） 劉志偉 湖南時(shí)銘電氣有限公司 陳常曦

湖南瀟湘技師學(xué)院（湖南九嶷職業(yè)技術(shù)學(xué)院） 文琬淇

我國(guó)居民用電一般為單相負(fù)荷，這種負(fù)荷具有隨機(jī)性和不平衡性。負(fù)荷不平衡不僅影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能損害用電設(shè)備，增加能源浪費(fèi)。目前，處理三相不平衡的方法主要集中在供電側(cè)，包括靜態(tài)補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。靜態(tài)補(bǔ)償通常涉及在負(fù)荷端使用電容器來(lái)平衡電力系統(tǒng)，而動(dòng)態(tài)補(bǔ)償則涉及根據(jù)電力需求自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電容。本文將探討基于分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的三相不平衡控制策略，著重分析儲(chǔ)能變流器（PCS）在調(diào)節(jié)電網(wǎng)參數(shù)和改善電能質(zhì)量方面的作用。

1 低壓配電臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能變流器的模型及控制策略

電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，使用雙向AC/DC 變換器連接各網(wǎng)絡(luò)至大電網(wǎng)，系統(tǒng)可逆變或整流，核心部件是6個(gè)反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT[1]。通過(guò)IGBT 開(kāi)關(guān)頻率控制，實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換為SPWM 信號(hào)。儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)電路定理可得到其并網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型為：

儲(chǔ)能變流器常采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制用于功能控制，如電壓或功率；內(nèi)環(huán)控制響應(yīng)快，用于精細(xì)調(diào)節(jié)和電能質(zhì)量提高。外環(huán)產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制。儲(chǔ)能變流器采用恒功率控制（PQ 控制），包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制。如圖2所示。

圖2 PQ 控制

坐標(biāo)變換后的功率計(jì)算公式為 ：

經(jīng)過(guò) PI 控制后，得到電流環(huán)的輸入?yún)⒖贾?，其關(guān)系式為：

電流內(nèi)環(huán)控制后，儲(chǔ)能變流器的輸出電壓參考值 為 Vd和 Vq，為了能夠獨(dú)立控制電流，進(jìn)行電流的解耦，并引入電壓前饋控制，其表達(dá)式為 ：

2 低壓配電臺(tái)區(qū)三相不平衡電流的數(shù)學(xué)模型

三相四線(xiàn)系統(tǒng)包括3相+1中性線(xiàn)，正常下中性線(xiàn)無(wú)電流。不平衡時(shí)，電流分解為正序iP、負(fù)序iN和零序i0。同理，電壓不平衡也可分解成正負(fù)零序。三相電流基波分解為正負(fù)零序：

三相不平衡引起損耗和設(shè)備壽命下降，影響繼電保護(hù)。需要補(bǔ)償電流中的負(fù)序分量以提高用電效率。

3 低壓配電臺(tái)區(qū)不平衡電流正負(fù)序分離

為解決不平衡電流控制問(wèn)題，將正負(fù)序分離并分析，采用坐標(biāo)變換原理將電路模型由abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系[2]。這需要先通過(guò)Clarke 矩陣轉(zhuǎn)換到β 坐標(biāo)系，再通過(guò)Park 矩陣變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。 Clarke 矩陣和 Park 矩陣如下 ：

正負(fù)序分量代入變換矩陣后，dq0坐標(biāo)系下的分量為：

正序電流分量經(jīng)Clarke 和Park 變換后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，負(fù)序?yàn)?倍工頻的交流信號(hào)。DSC 算法流程如圖3所示，用于正負(fù)序分離。

圖3 DSC 算法流程

圖4 Pabc_p

圖5 Qabc_p

圖6 Pabc_n

圖7 Qabc_n

圖8 Qabc-Qabc_n

圖9 Pabc-Pabc_n

三相電流經(jīng)Clarke 變換后得到“β 坐標(biāo)系下分量：

延遲 T/4 周期后得到的表達(dá)式為：

根據(jù)以上表達(dá)式得到電流在 “β 坐標(biāo)系下正負(fù)序分量：

將得到的“β 軸分量進(jìn)行 Park 變換后，得到電流 在dq0坐標(biāo)系下的正負(fù)序分量。

4 低壓配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)序電流的有功與無(wú)功計(jì)算

在并網(wǎng)條件下，電壓和頻率相對(duì)穩(wěn)定，導(dǎo)致dq0坐標(biāo)系中的ud保持恒定（如在50Hz、380V 的系統(tǒng)中ud恒定為311V），而uq為0。因此，功率計(jì)算主要基于電流的dq 分量。負(fù)序分量存在導(dǎo)致電力系統(tǒng)不平衡，負(fù)序電流做功為：

通過(guò)補(bǔ)償負(fù)序電流的有功和無(wú)功，可以消除其對(duì)電力系統(tǒng)的不平衡影響，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡。

低壓配電臺(tái)區(qū)系統(tǒng)仿真分析。

Pabc_p 和Qabc_p 圖表反映特定運(yùn)行條件下各相有功功率（P）和無(wú)功功率（Q）分布。相較沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)使功率變化更平穩(wěn)[3]。其可在需求劇烈變化時(shí)釋放能量，或在需求低時(shí)儲(chǔ)存能量，實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和儲(chǔ)能功能。

Pabc_n 和Qabc_n 圖表中的“_n”表示無(wú)儲(chǔ)能系統(tǒng)的正常狀態(tài)。這些圖表顯示電力系統(tǒng)在此情況下的運(yùn)行狀態(tài)，存在顯著三相功率不平衡。沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)作為緩沖，電網(wǎng)需要采取其他措施來(lái)應(yīng)對(duì)不平衡挑戰(zhàn)，如備用發(fā)電機(jī)組或需求響應(yīng)策略，以維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

Pabc-Pabc_n 和Qabc-Qabc_n 圖表對(duì)比儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)三相電力系統(tǒng)不平衡的效果，通過(guò)比較不同情況下的功率值顯示出儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性。線(xiàn)條趨于平穩(wěn)且接近零，表明儲(chǔ)能系統(tǒng)在維持電力系統(tǒng)平衡方面效果良好，提供直觀(guān)的評(píng)估方法。

差分圖表顯示儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)P 和Q 平衡的效果。線(xiàn)趨平穩(wěn)接近零，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸放功率減少波動(dòng)，維護(hù)穩(wěn)定電網(wǎng)，提高電能質(zhì)量，儲(chǔ)能釋放。

第一組圖表顯示在特定時(shí)刻（大約在x 軸的0.02處）發(fā)生了顯著的三相不平衡，但分布式儲(chǔ)能的存在似乎減輕了不平衡，差分功率圖表中的變化較小。

5 結(jié)語(yǔ)

低壓配電臺(tái)區(qū)的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)在解決三相不平衡問(wèn)題上表現(xiàn)出顯著效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和正負(fù)序分離處理不平衡電流，結(jié)合高效的控制策略和先進(jìn)的變流技術(shù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能精確補(bǔ)償每相的負(fù)序電流的有功和無(wú)功，有效消除不平衡影響。這種基于儲(chǔ)能變流器的控制策略提高了電力系統(tǒng)效率，增強(qiáng)了電網(wǎng)靈活性和韌性。