0 引言

    隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，電網(wǎng)用電負(fù)荷的急劇增多，電網(wǎng)中三相不平衡問(wèn)題也日益嚴(yán)峻^[1-2]。三相不平衡產(chǎn)生的原因包括^[3-4]：(1)配電網(wǎng)側(cè)存在大量時(shí)空分布不均衡的單相負(fù)荷，導(dǎo)致多數(shù)配電臺(tái)區(qū)存在不同程度的三相不平衡；(2)用戶(hù)用電過(guò)程中的隨機(jī)性和不確定性，以及越來(lái)越多大功率負(fù)載的使用，會(huì)加重單相電網(wǎng)的負(fù)荷，從而導(dǎo)致三相不平衡。三相不平衡會(huì)對(duì)配電網(wǎng)和用戶(hù)側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，主要體現(xiàn)在：(1)增加線路的電能損耗，在三相四線制的配電網(wǎng)側(cè)，當(dāng)三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，中性線上有電流流過(guò)，不但相線上有電能損耗，中性線也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)的損耗；(2)增加配電變壓器的電能損耗，配電變壓器作為低壓配電網(wǎng)側(cè)的重要設(shè)配，在三相不平衡情況下運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成配變損耗的增加；(3)配變產(chǎn)生零序電流，該電流隨著三相不平衡度的增大而增大，引起的渦流損耗使得配電變壓器局部溫度升高，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低；(4)影響用電器的正常工作，三相不平衡導(dǎo)致供電質(zhì)量降低，從而影響用電器的工作。三相不平衡度的降低不僅可以穩(wěn)定電網(wǎng)電能質(zhì)量，而且減少電網(wǎng)電能的損耗，節(jié)約能源。

    目前針對(duì)三相不平衡的解決辦法主要有三種。一是通過(guò)人工換相的方式，該辦法需要長(zhǎng)期對(duì)區(qū)域內(nèi)的三相不平衡進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分析，將負(fù)載平衡地接入每一相，但由于在換相過(guò)程中需要斷電，不滿足安全性的要求。二是在配電側(cè)接入無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)治理電網(wǎng)中存在的三相不平衡，無(wú)功補(bǔ)償裝置是通過(guò)吸收三相中較高相上的電流，對(duì)較低相電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行調(diào)節(jié)，但該裝置對(duì)于線路整體調(diào)節(jié)的效果有限，無(wú)法保證線路整體平衡。三是通過(guò)智能機(jī)械開(kāi)關(guān)的換相技術(shù)治理電網(wǎng)中的三相不平衡^[5-6]，該技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)并對(duì)智能機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制能夠保持整體上的平衡，但在換相過(guò)程中會(huì)對(duì)電網(wǎng)和負(fù)荷產(chǎn)生沖擊。

    針對(duì)上述方案的不足，本文提出了一種基于變頻電源的三相不平衡在線治理方法。通過(guò)在用戶(hù)側(cè)安裝以變頻電源為核心的換相裝置，配合在配電臺(tái)區(qū)的三相不平衡檢測(cè)裝置，在線調(diào)整負(fù)載在A、B、C相序之間的切換，從而達(dá)到將負(fù)荷平衡分配在各相電壓上。文中從負(fù)荷平衡的角度給出了基于變頻電源的換相裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法和控制終端的功能實(shí)現(xiàn)方案，建立了變頻電源的數(shù)學(xué)模型，并借助MATLAB工具仿真驗(yàn)證了變頻電源的有效性和合理性，最后，通過(guò)對(duì)變頻電源的初步樣機(jī)進(jìn)行換相測(cè)試，驗(yàn)證了在不斷電的前提下切換負(fù)荷相位的可行性與合理性。

1 三相不平衡的治理思路

    為了從根本上解決三相不平衡問(wèn)題，基于負(fù)荷平衡分配的思路，設(shè)計(jì)了以變頻電源為核心的治理方法。該方法不僅能夠?qū)⒛骋粎^(qū)域內(nèi)的負(fù)荷調(diào)整至最大限度的平衡，而且在調(diào)整的過(guò)程中保證電網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性，在負(fù)荷不斷電的前提下實(shí)現(xiàn)相位切換，達(dá)到整體平衡。此外，由于三相不平衡度是一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)變量，因此還需要滿足在線性的要求。針對(duì)上述需求，基于變頻電源的三相不平衡治理研究的總體思路為：在配電臺(tái)區(qū)低壓用戶(hù)側(cè)設(shè)置智能管理終端，實(shí)時(shí)地檢測(cè)該區(qū)域內(nèi)的三相不平衡度，通過(guò)分析得到負(fù)載平衡分配時(shí)的換相指令；變頻電源作為換相裝置的核心構(gòu)成部分，安裝在三相電網(wǎng)側(cè)與負(fù)載側(cè)之間，通過(guò)接收智能管理終端發(fā)送的指令執(zhí)行換相，在整個(gè)換相過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，此外電網(wǎng)控制中心更符合泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的信息流，對(duì)智能電網(wǎng)^[7]的建立有著重要作用?；谧冾l電源的三相不平衡治理方法的總體示意圖如圖1所示。其總體結(jié)構(gòu)可分為智能管理終端、三相子結(jié)點(diǎn)和換相單元三個(gè)層次。智能管理終端設(shè)置在低壓配電側(cè)的最前端，檢測(cè)整個(gè)低壓配電區(qū)域內(nèi)的三相不平衡度；三相子結(jié)點(diǎn)為配電臺(tái)區(qū)輸出的若干三相分支，下接換相單元連接負(fù)載側(cè)，其中換相單元可接若干個(gè)負(fù)載，并控制負(fù)載分配的相位。

2 三相不平衡治理的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 變頻電源的換相實(shí)現(xiàn)方案

    變頻電源作為負(fù)載在相位切換過(guò)程中的過(guò)渡電源，可以控制負(fù)載在A、B、C相位間的切換，選擇變頻電源作為過(guò)渡電源能夠保證負(fù)載在切換過(guò)程中不掉電，保證負(fù)載的正常工作。

    基于變頻電源的三相不平衡治理方案中換相單元選擇繼電器來(lái)控制變頻電源的輸入輸出，一個(gè)換相單元包括101～303共3組9個(gè)繼電器，變頻電源的換相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，利用變頻電源實(shí)現(xiàn)負(fù)載從A相到B相的換相方案流程如圖3所示。

2.2 變頻電源換相方案的組成結(jié)構(gòu)

2.2.1 變頻電源的系統(tǒng)組成部分

    變頻電源采用AC-DC-AC的基本電路結(jié)構(gòu)，選擇電壓型逆變電路，電壓型逆變器輸出效率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且易于調(diào)制。調(diào)制方式選擇空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技術(shù)，該技術(shù)最初應(yīng)用于三相逆變電源，此處將SVPWM技術(shù)應(yīng)用于單相逆變電路中，可實(shí)時(shí)的調(diào)整電路輸出電壓的相位。

    變頻電源的系統(tǒng)組成部分包括：整流電路、逆變電路、濾波電路、霍爾傳感器、比較器、處理器、通信模塊和弱電模塊，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

2.2.2 智能控制終端的組成部分

    智能控制終端安裝在配電臺(tái)區(qū)的最前端，由控制單元、互感器、電能計(jì)量芯片、存儲(chǔ)器、遠(yuǎn)程通信單元、顯示單元和電源模塊組成。智能終端組成部分的示意圖如圖5所示，其功能實(shí)現(xiàn)方式為：(1)通過(guò)電流互感器和電壓互感器提取電網(wǎng)中的電壓和電流信號(hào)，將提取到的信號(hào)輸入到電能計(jì)量芯片中，電能計(jì)量芯片經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可以得出電網(wǎng)中電壓、電流、頻率、有功功率和無(wú)功功率等電能質(zhì)量參數(shù)，處理器通過(guò)SPI的方式讀取電能計(jì)量芯片計(jì)算的參數(shù)，并計(jì)算電網(wǎng)中的三相不平衡度；(2)處理器將所讀取的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析，當(dāng)電網(wǎng)中的三相不平衡度超限時(shí)，分析電網(wǎng)中各個(gè)分支的電流，得出需要換相的負(fù)載的指令；(3)通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊，將分析得出的換相指令發(fā)送給變頻電源，變頻電源接收到換相指令之后，執(zhí)行換相。

3 仿真結(jié)果及實(shí)際結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

    針對(duì)基于變頻電源的三相不平衡的治理研究，借助MATLAB中Simulink工具包對(duì)變頻電源進(jìn)行建模^[8-9]，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。仿真的各項(xiàng)參數(shù)為：三相電壓U_m=100 V，濾波電容C=179 0 μF，濾波電感L=100 mH，負(fù)載R=10 Ω。根據(jù)所確定的參數(shù)建立變頻電源的基本模型，并對(duì)兩個(gè)相位信號(hào)的切換過(guò)程進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果示意圖如圖6所示。

    假設(shè)相位信號(hào)的切換為從A相切換至B相，圖中在0～0.06 s內(nèi)為電網(wǎng)A相供電，0.06 s時(shí)切換至變頻電源供電，輸出與電網(wǎng)A相同相位的電壓波形，0.06～0.188 3 s為變頻電源供電，0.188 3 s時(shí)變頻電源切換追蹤信號(hào)，0.188 3～0.25 s內(nèi)變頻電源輸出與B相同相位的電壓波形，由此實(shí)現(xiàn)變頻電源的換相過(guò)程。從仿真結(jié)果可以得出在理想情況下負(fù)載相位切換滿足在10 ms內(nèi)切換的要求，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的無(wú)縫切換。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，按照變頻電源的功能實(shí)現(xiàn)方案將所設(shè)計(jì)的變頻電源進(jìn)行換相測(cè)試。三相電網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)變壓器、接觸調(diào)壓器和斷路器搭建。實(shí)驗(yàn)以設(shè)計(jì)的變頻電源的基本模型為核心，選擇STM32F407為控制器，逆變器的開(kāi)關(guān)頻率f=10 kHz，濾波電容C=100 0 μF，濾波電感L=475 μH，為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程的安全，變頻電源的輸出電壓V_o=35 V，負(fù)載燈泡的額定電壓為U=24 V，開(kāi)關(guān)單元由9個(gè)繼電器組成，分別按照?qǐng)D2所示的連接方式接入電路。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：變頻電源接收指令將負(fù)載從A相切換至B相，指令信號(hào)通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊LoRa發(fā)送。圖7(a)、(b)、(c)為示波器Tektronix TDS2024C測(cè)試到換相過(guò)程中負(fù)載的電壓波形，(a)為由電網(wǎng)切換至變頻電源供電時(shí)的負(fù)載電壓波形，(b)為變頻電源切換追蹤信號(hào)時(shí)的負(fù)載電壓波形，(c)為由變頻電源切換至電網(wǎng)時(shí)的負(fù)載電壓波形。圖中，通道1為負(fù)載電壓波形圖，通道2為當(dāng)前相位信號(hào)A相，通道3為追蹤相位信號(hào)B相；圖中x軸每格為10 ms。

    圖中電網(wǎng)波形發(fā)生畸變的原因是在搭建可調(diào)三相電壓源的過(guò)程中接觸調(diào)壓器引入的畸變，電網(wǎng)電壓在正常情況下不會(huì)產(chǎn)生畸變，為理想的正弦波。

    根據(jù)負(fù)載側(cè)的電壓波形可以得出在相位切換過(guò)程中變頻電源切換追蹤信號(hào)過(guò)程和從變頻電源切換至電網(wǎng)電壓過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，從電網(wǎng)電壓切換至變頻電源的過(guò)程也能都滿足10 ms內(nèi)切換的要求。電網(wǎng)與變頻電源輸出電壓有效值均為35 V，由于電網(wǎng)電壓畸變，使得從示波器觀察幅值略高于變頻電源輸出電壓幅值，實(shí)際測(cè)量中兩者有效值相等。負(fù)載電壓波形通過(guò)霍爾傳感器提取，實(shí)際值與提取值的比例為20:1。

4 結(jié)論

    本文提出了基于變頻電源的三相負(fù)荷平衡方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為解決三相不平衡問(wèn)題提出了新的思路和解決方案。

    以變頻電源為核心的三相負(fù)平衡治理方案，在換相過(guò)程中變頻電源作為負(fù)載的過(guò)渡電源，能夠平穩(wěn)地在不影響負(fù)載正常工作的前提下切換相位，將三相電網(wǎng)調(diào)整至平衡狀態(tài)，從根本上解決低壓側(cè)的三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題。

    變頻電源與低壓配電網(wǎng)側(cè)總控制中心協(xié)同工作，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)地調(diào)整電網(wǎng)中的三相不平衡。

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作者信息:

衛(wèi)  娜1，趙二剛1，李亞?wèn)|1，俞  梅1，李春明2，張建軍1

(1.南開(kāi)大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300350；2.愛(ài)易成技術(shù)(天津)有限公司，天津300380)