文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190712
中文引用格式： 衛(wèi)娜，趙二剛，李亞東，等. 基于變頻電源的三相不平衡治理方案研究[J].電子技術應用，2019，45(10)：121-124.
英文引用格式： Wei Na，Zhao Ergang，Li Yadong，et al. Research on the method for control of three-phase unbalanced load based on variable frequency power[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(10)：121-124.
0 引言
隨著國民經(jīng)濟的增長，電網(wǎng)用電負荷的急劇增多，電網(wǎng)中三相不平衡問題也日益嚴峻[1-2]。三相不平衡產(chǎn)生的原因包括[3-4]：(1)配電網(wǎng)側存在大量時空分布不均衡的單相負荷，導致多數(shù)配電臺區(qū)存在不同程度的三相不平衡；(2)用戶用電過程中的隨機性和不確定性，以及越來越多大功率負載的使用，會加重單相電網(wǎng)的負荷，從而導致三相不平衡。三相不平衡會對配電網(wǎng)和用戶側產(chǎn)生嚴重的危害，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，當三相負載不平衡運行時，中性線上有電流流過，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)側的重要設配，在三相不平衡情況下運行時，會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，導致設備壽命降低；(4)影響用電器的正常工作，三相不平衡導致供電質(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。
目前針對三相不平衡的解決辦法主要有三種。一是通過人工換相的方式，該辦法需要長期對區(qū)域內(nèi)的三相不平衡進行檢測，通過分析，將負載平衡地接入每一相，但由于在換相過程中需要斷電，不滿足安全性的要求。二是在配電側接入無功補償裝置來治理電網(wǎng)中存在的三相不平衡，無功補償裝置是通過吸收三相中較高相上的電流，對較低相電流進行補償?shù)姆绞竭M行調(diào)節(jié)，但該裝置對于線路整體調(diào)節(jié)的效果有限，無法保證線路整體平衡。三是通過智能機械開關的換相技術治理電網(wǎng)中的三相不平衡[5-6]，該技術通過實時檢測并對智能機械開關進行控制能夠保持整體上的平衡，但在換相過程中會對電網(wǎng)和負荷產(chǎn)生沖擊。
針對上述方案的不足，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。通過在用戶側安裝以變頻電源為核心的換相裝置，配合在配電臺區(qū)的三相不平衡檢測裝置，在線調(diào)整負載在A、B、C相序之間的切換，從而達到將負荷平衡分配在各相電壓上。文中從負荷平衡的角度給出了基于變頻電源的換相裝置設計實現(xiàn)方法和控制終端的功能實現(xiàn)方案，建立了變頻電源的數(shù)學模型，并借助MATLAB工具仿真驗證了變頻電源的有效性和合理性，最后，通過對變頻電源的初步樣機進行換相測試，驗證了在不斷電的前提下切換負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題，基于負荷平衡分配的思路，設計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)的負荷調(diào)整至最大限度的平衡，而且在調(diào)整的過程中保證電網(wǎng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定性，在負荷不斷電的前提下實現(xiàn)相位切換，達到整體平衡。此外，由于三相不平衡度是一個實時的動態(tài)變量，因此還需要滿足在線性的要求。針對上述需求，基于變頻電源的三相不平衡治理研究的總體思路為：在配電臺區(qū)低壓用戶側設置智能管理終端，實時地檢測該區(qū)域內(nèi)的三相不平衡度，通過分析得到負載平衡分配時的換相指令；變頻電源作為換相裝置的核心構成部分，安裝在三相電網(wǎng)側與負載側之間，通過接收智能管理終端發(fā)送的指令執(zhí)行換相，在整個換相過程中起著至關重要的作用，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。其總體結構可分為智能管理終端、三相子結點和換相單元三個層次。智能管理終端設置在低壓配電側的最前端，檢測整個低壓配電區(qū)域內(nèi)的三相不平衡度；三相子結點為配電臺區(qū)輸出的若干三相分支，下接換相單元連接負載側，其中換相單元可接若干個負載，并控制負載分配的相位。
2 三相不平衡治理的實現(xiàn)方案
2.1 變頻電源的換相實現(xiàn)方案
變頻電源作為負載在相位切換過程中的過渡電源，可以控制負載在A、B、C相位間的切換，選擇變頻電源作為過渡電源能夠保證負載在切換過程中不掉電，保證負載的正常工作。
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控制變頻電源的輸入輸出，一個換相單元包括101～303共3組9個繼電器，變頻電源的換相系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，利用變頻電源實現(xiàn)負載從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構
2.2.1 變頻電源的系統(tǒng)組成部分
變頻電源采用AC-DC-AC的基本電路結構，選擇電壓型逆變電路，電壓型逆變器輸出效率高，結構穩(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，該技術最初應用于三相逆變電源，此處將SVPWM技術應用于單相逆變電路中，可實時的調(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，其結構示意圖如圖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區(qū)的最前端，由控制單元、互感器、電能計量芯片、存儲器、遠程通信單元、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，其功能實現(xiàn)方式為：(1)通過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，將提取到的信號輸入到電能計量芯片中，電能計量芯片經(jīng)過分析計算可以得出電網(wǎng)中電壓、電流、頻率、有功功率和無功功率等電能質(zhì)量參數(shù)，處理器通過SPI的方式讀取電能計量芯片計算的參數(shù)，并計算電網(wǎng)中的三相不平衡度；(2)處理器將所讀取的參數(shù)進行存儲、分析，當電網(wǎng)中的三相不平衡度超限時，分析電網(wǎng)中各個分支的電流，得出需要換相的負載的指令；(3)通過遠程通信模塊，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 仿真結果及實際結果分析
3.1 仿真結果分析
針對基于變頻電源的三相不平衡的治理研究，借助MATLAB中Simulink工具包對變頻電源進行建模[8-9]，并對仿真結果進行分析。仿真的各項參數(shù)為：三相電壓Um=100 V，濾波電容C=179 0 μF，濾波電感L=100 mH，負載R=10 Ω。根據(jù)所確定的參數(shù)建立變頻電源的基本模型，并對兩個相位信號的切換過程進行仿真，其仿真結果示意圖如圖6所示。
假設相位信號的切換為從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時變頻電源切換追蹤信號，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，由此實現(xiàn)變頻電源的換相過程。從仿真結果可以得出在理想情況下負載相位切換滿足在10 ms內(nèi)切換的要求，可以實現(xiàn)負載電壓的無縫切換。
3.2 實驗結果分析
根據(jù)實驗要求，按照變頻電源的功能實現(xiàn)方案將所設計的變頻電源進行換相測試。三相電網(wǎng)的實驗平臺通過變壓器、接觸調(diào)壓器和斷路器搭建。實驗以設計的變頻電源的基本模型為核心，選擇STM32F407為控制器，逆變器的開關頻率f=10 kHz，濾波電容C=100 0 μF，濾波電感L=475 μH，為了保證實驗過程的安全，變頻電源的輸出電壓Vo=35 V，負載燈泡的額定電壓為U=24 V，開關單元由9個繼電器組成，分別按照圖2所示的連接方式接入電路。實驗過程：變頻電源接收指令將負載從A相切換至B相，指令信號通過遠程通信模塊LoRa發(fā)送。圖7(a)、(b)、(c)為示波器Tektronix TDS2024C測試到換相過程中負載的電壓波形，(a)為由電網(wǎng)切換至變頻電源供電時的負載電壓波形，(b)為變頻電源切換追蹤信號時的負載電壓波形，(c)為由變頻電源切換至電網(wǎng)時的負載電壓波形。圖中，通道1為負載電壓波形圖，通道2為當前相位信號A相，通道3為追蹤相位信號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產(chǎn)生畸變，為理想的正弦波。
根據(jù)負載側的電壓波形可以得出在相位切換過程中變頻電源切換追蹤信號過程和從變頻電源切換至電網(wǎng)電壓過程可以實現(xiàn)無縫切換，從電網(wǎng)電壓切換至變頻電源的過程也能都滿足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，實際測量中兩者有效值相等。負載電壓波形通過霍爾傳感器提取，實際值與提取值的比例為20:1。
4 結論
本文提出了基于變頻電源的三相負荷平衡方案，并通過實驗驗證，為解決三相不平衡問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平衡治理方案，在換相過程中變頻電源作為負載的過渡電源，能夠平穩(wěn)地在不影響負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的三相負荷不平衡問題。
變頻電源與低壓配電網(wǎng)側總控制中心協(xié)同工作，能夠?qū)崟r自動地調(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，李亞東1，俞 梅1，李春明2，張建軍1
(1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350；2.愛易成技術(天津)有限公司，天津300380)