三相不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)應(yīng)用
2018-05-25 14:19:22
作者：電氣事業(yè)部 鄔若愚 王永曉 杜萬金
三相不平衡指的是電力系統(tǒng)中三相電流的幅值間有超出規(guī)定范圍內(nèi)的差異。由于供電系統(tǒng)的用戶多采用單相負(fù)荷，且負(fù)荷大小與使用時(shí)間多不相同，所以三相不平衡現(xiàn)象是客觀存在著的。其對配電臺(tái)區(qū)造成的不良影響主要有以下幾個(gè)方面，首先將會(huì)導(dǎo)致配電臺(tái)區(qū)中重載相的供電電壓質(zhì)量大幅下降，同時(shí)會(huì)造成配電變壓器和電路損耗的增加，降低變壓器的出力使得電能轉(zhuǎn)換效率下降，甚至由于三相負(fù)荷不平衡運(yùn)行造成配電變壓器零序電流增大，引起的渦流損耗將危及其安全和壽命。因此降低配電臺(tái)區(qū)的三相不平衡度是目前急需要解決的問題。
圖1：三相不平衡
2017年5月，國家電網(wǎng)發(fā)布了《國網(wǎng)運(yùn)檢部關(guān)于開展配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題治理工作的通知》。該文件體現(xiàn)了國網(wǎng)公司對三相不平衡問題的重視程度。通知中要求，需按照“源頭預(yù)防、常態(tài)監(jiān)測、科學(xué)施策、動(dòng)態(tài)治理”的原則，來加強(qiáng)單相負(fù)荷接入均衡分配管理。還指出了三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)的兩種典型應(yīng)用模式：換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置：以智能終端控制換相開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)；電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置：集三相調(diào)節(jié)、無功補(bǔ)償、濾諧波為一體的智能裝置。
換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是由一個(gè)智能換相終端和若干個(gè)換相開關(guān)單元組成。智能換相終端實(shí)時(shí)監(jiān)測變壓器低壓側(cè)的三相不平衡情況，如果在一定周期內(nèi)檢測到三相電流不平衡超限，則執(zhí)行自動(dòng)換相決策，讀取配電變壓器低壓側(cè)的三相電流和所有換相開關(guān)單元各負(fù)載支路的電流、時(shí)序?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、判斷、優(yōu)化計(jì)算，發(fā)出最優(yōu)換相控制指令。各換相開關(guān)單元接收智能換相終端發(fā)出的指令，按照換相流程執(zhí)行換相操作，實(shí)現(xiàn)帶載情況下用電負(fù)荷的相序調(diào)整，配電臺(tái)區(qū)三相電荷的平衡分配。
圖2：換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置
智能換相終端主要由互感器，數(shù)據(jù)采集芯片（A/D），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（Flash和SRAM），數(shù)字信號處理器（DSP），狀態(tài)輸入回路，控制輸出回路，電源系統(tǒng)，顯示模塊，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信接口等組成。工作時(shí)將通過互感器檢測到的信號通過數(shù)據(jù)采集芯片AD轉(zhuǎn)換等信號處理實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)化后輸入系統(tǒng)，通過數(shù)字信號處理器進(jìn)行計(jì)算和分析，得出最優(yōu)解后與外界進(jìn)行信息互換和數(shù)據(jù)傳遞。主要分為三個(gè)功能模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)通信模塊以及綜合分析判斷模塊。其中綜合分析判斷模塊需要計(jì)算判斷得出換相操作的最優(yōu)解，滿足配電臺(tái)區(qū)各低壓線路三相電流不平衡度最小，同時(shí)盡量減少開關(guān)調(diào)整次數(shù)，以提高裝置壽命。
換相開關(guān)單元主要由低壓負(fù)荷開關(guān)組成的開關(guān)陣列，其中也布置了互感器，數(shù)據(jù)采集芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，電源系統(tǒng)，顯示模塊，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信接口等組成。工作時(shí)通過接收從智能換相終端傳來的控制命令，進(jìn)行負(fù)荷換相開關(guān)的投切或是負(fù)載支路電流的檢測、采集、傳輸。主要分為三個(gè)功能模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)通信模塊以及開關(guān)換相模塊。
換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置克服了傳統(tǒng)靠人工改線來調(diào)節(jié)三項(xiàng)不平衡的缺點(diǎn)，無需專人維護(hù)和管理，自動(dòng)換相，不中斷用戶供電。可靠的硬件閉鎖技術(shù)，防止相間短路，裝置能耗小，而且成本低。
電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，包括低壓靜止無功補(bǔ)償裝置SVG和有源濾波器APF，是采用大功率可關(guān)斷型電力電子開關(guān)技術(shù)的電能質(zhì)量綜合治理裝置。它通過快速檢測出接入處無功、負(fù)序、諧波電流，根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號驅(qū)動(dòng)控制晶閘管輸出與檢測到的無功、負(fù)序、諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，綜合解決配電臺(tái)區(qū)無功、諧波、電壓波動(dòng)以及三相負(fù)荷不平衡等問題。
靜止無功補(bǔ)償裝置SVG是一種電源型逆變器，它通過外部電流互感器實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流，然后計(jì)算分析負(fù)載電流的無功含量，根據(jù)設(shè)定值來控制PWM 信號發(fā)生器發(fā)出控制信號給內(nèi)部IGBT ，輸出幅值可調(diào)，相位角可調(diào)的電流或電壓，從而補(bǔ)償不平衡電流中的負(fù)序分量和無功損耗。主要分為三個(gè)功能模塊：檢測模塊，控制運(yùn)算模塊以及補(bǔ)償輸出模塊。
圖3：靜止無功補(bǔ)償裝置SVG
靜止無功補(bǔ)償裝置SVG由互感器，信號處理電路，基于DSP的主控控制電路，CPLD信號接口單元，PWM信號驅(qū)動(dòng)電路，IGBT三相變流器以及顯示電路等組成。工作時(shí)電流互感器檢測電網(wǎng)側(cè)電壓過零信號、負(fù)載電流、輸出電流以及直流母線電容電壓，經(jīng)過信號處理電路后，送由DSP進(jìn)行數(shù)字信號處理，快速檢測出需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)序和無功電流，并與SVG產(chǎn)生的電流進(jìn)行閉環(huán)控制比較，根據(jù)其差值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號送給觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊，最后由觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)IGBT輸出大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?/span>
圖4：靜止無功補(bǔ)償裝置SVG接入電網(wǎng)
靜止無功補(bǔ)償裝置SVG通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，能夠迅速的吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的，還能夠快速的補(bǔ)償由于負(fù)載不平衡所產(chǎn)生的負(fù)序電流，始終保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，大大提高供用電的電能質(zhì)量。