CN104167749B

CN104167749B - 一种配电网三相不平衡电压抑制方法

Info

Publication number: CN104167749B
Application number: CN201410355791.XA
Authority: CN
Inventors: 陈锐; 陈迅; 翁洪杰; 盛超; 陈晓科; 赵兵; 曾祥君; 王文; 王奕; 张俊峰; 朱良合; 张毅超; 吴晓宇; 唐酿; 罗运松; 赵艳军; 张健; 张远
Original assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN104167749A

Abstract

本发明公开了一种配电网三相不平衡电压抑制方法，包括以下步骤：在配电网中性点与地之间安装一可控电流源；实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；当位移电压大于5％额定相电压时，辨识配电网运行状态是否为三相不平衡状态；在配电网三相不平衡状态条件下，通过可控电流源向配电网注入工频电流搜索最优注入电流相位和幅值，抑制中性点位移电压为零。本发明方法以中性点位移电压为控制目标，通过向配电网注入电流强制中性点位移电压为零，彻底消除了配电网因三相对地参数不对称产生的中性点位移过电压，实现配电网三相不平衡过电压的抑制。

Description

一种配电网三相不平衡电压抑制方法

技术领域

本发明涉及一种配电网三相不平衡电压的抑制方法。

背景技术

配电网一般采用中性点非有效接地方式，零序阻抗大，如果三相对地参数不对称，将导致中性点位移电压，较大的位移电压将影响配电网正常运行。

引起配电网三相对地参数不对称的情况很多，如：架空线路三相不换位、配电网存在单相高压负载、配电网非全相断线等。随着配电网三相不对称度的增大，将导致三相对地泄漏电流的严重不平衡，产生三相不平衡过电压及中性点位移过电压。中性点位移电压的显著增大，在一定程度上会影响电网的安全稳定运行，易引发接地故障。因此，有必要对配电网三相不平衡过电压进行有效抑制。

传统的配电网三相不平衡过电压抑制主要采用手动投切电容器或电抗器的方法，通过在线路对地电容不平衡相上投入电容器或电抗器组，使线路三相电压恢复平衡。该方法具有结构简单、经济方便的优点。但由于实际配电网对地参数的实时动态变化，该方法难以准确、迅速地实现对不平衡状况的动态跟踪及补偿。

自20世纪70年代开始，为了实现对配电网三相不平衡过电压抑制，国内外提出采用饱和电抗器来补偿配电网三相对地参数不平衡。饱和电抗器具有响应迅速、性能稳定等优点，但由于该装置需将铁心磁化以达到饱和状态，具有噪声大、功耗大、造价高等不足，没有得到推广应用。

随着电力电子技术的迅猛发展，国内外提出了基于晶闸管控制投切电容器组的配电网三相不平衡过电压抑制方法，但该方法造价高，易产生谐波，也没有得到推广应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种噪声低、功耗小、不会产生谐波且造价成本低的配电网三相不平衡电压抑制方法。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征是包括以下步骤：

(1)在配电网中性点与地之间安装一可控电流源；

(2)实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；

(3)当中性点位移电压大于5％额定相电压时，通过可控电流源注入一直流电流；测量配电网对地泄漏电阻，当该电阻值大于50％配电网正常条件下的零序电阻时，判断配电网运行状态为三相不平衡状态；

(4)配电网三相不平衡状态条件下，通过可控电流源向配电网注入工频电流抑制中性点位移电压为零。

上述步骤(4)中注入电流的相位和幅值确定方法为：

将注入电流的幅值固定为任意值，改变注入电流的相位，测量中性点位移电压幅值，确定中性点位移电压最小时对应相位为最优注入电流相位；然后在该注入电流相位下，改变注入电流的幅值，确定中性点位移电压最小时对应的幅值为最优注入电流幅值。

对于任意I_i0，在I_i＝I_i0的情况下，所述步骤(4)中注入电流的相位和幅值为：

θ = \arctan \frac{2 (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})}{\sqrt{3} (C_{B} - C_{C})} .

I_{i} = Eω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ]

以下对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的配电网三相不平衡电压抑制方法示意图，分别为配电网A、B、C三相电源电压；Z_A、Z_B、Z_C为配电网各相对地阻抗，包括泄漏电阻(R_A、R_B、R_C)和对地电容(C_A、C_B、C_C)两部分，其中泄漏电阻阻值远大于对地电容容抗，通常泄漏电阻可以忽略；为中性点位移电压；为注入工频电流。

不失一般性，以中性点不接地系统为例，在电网正常运行情况下，三相对地阻抗通常不对称，产生位移电压。为限制中性点对地的位移过电压，补偿三相不平衡电流，通过可控电流源向配电网注入工频电流忽略泄漏电阻，由基尔霍夫定律可知：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = {\overset{\cdot}{E}}_{A} \cdot jω C_{A} + {\overset{\cdot}{E}}_{B} \cdot jω C_{B} + {\overset{\cdot}{E}}_{C} \cdot jω C_{C} + {\overset{\cdot}{U}}_{0} [jω (C_{A} + C_{B} + C_{C})] - - - (1);

式中：ω为电源工频电压角频率；

如果注入电流取值为：

{\overset{\cdot}{I}}_{i} = {\overset{\cdot}{E}}_{A} \cdot jω C_{A} + {\overset{\cdot}{E}}_{B} \cdot jω C_{B} + {\overset{\cdot}{E}}_{C} \cdot jω C_{C} - - - (2);

则即中性点位移电压为零，彻底消除了配电网正常运行时因三相对地不对称电流产生的中性点位移过电压。

因此，通过可控电流源向配电网注入工频电流，可以控制中性点位移过电压、补偿三相不平衡电流，实现配电网三相不平衡过电压的抑制。

然而，配电网结构复杂，运行方式多变，且受现场电磁干扰影响严重，配电网对地电容和泄漏电阻的精确测量难以实现，通过测量各相对地参数确定的相角和幅值存在一定难度。

根据公式(1)得到中性点位移电压的模值与注入电流的函数关系如下：

| {\overset{\cdot}{U}}_{0} | = \frac{1}{ω (C_{A} + C_{B} + C_{C})} \sqrt{[I_{i} \cos θ + \frac{\sqrt{3}}{2} Eω (C_{C} - C_{B})]^{2} + [I_{i} \sin θ - Eω (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})]^{2}};

式中：θ为注入电流滞后A相电压的相角；E为相电压幅值。

以θ和I_i作为函数的自变量，分别对I_i和θ求偏导数，得到：

\{\begin{matrix} \frac{&PartialD; | {\overset{\cdot}{U}}_{0} |}{&PartialD; θ} = \frac{[I_{i} \cos θ + \frac{\sqrt{3}}{2} Eω (C_{C} - C_{B})] (- I_{i} \sin θ) + [I_{i} \sin θ - Eω (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})] (I_{i} \cos θ)}{ω (C_{A} + C_{B} + C_{C}) \sqrt{[I_{i} \cos θ + \frac{\sqrt{3}}{2} Eω (C_{C} - C_{B})]^{2} + [I_{i} \sin θ - Eω (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})]^{2}}} \\ \frac{&PartialD; | {\overset{\cdot}{U}}_{0} |}{&PartialD; I} = \frac{[I_{i} \cos θ + \frac{\sqrt{3}}{2} Eω (C_{C} - C_{B})] \cos θ + [I_{i} \sin θ - Eω (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})] \sin θ}{ω (C_{A} + C_{B} + C_{C}) \sqrt{[I_{i} \cos θ + \frac{\sqrt{3}}{2} Eω {(C_{C} - C_{B})]}^{2} + [I_{i} \sin θ - Eω (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})]^{2}}} \end{matrix}

其中，

E = | {\overset{\cdot}{E}}_{A} | = | {\overset{\cdot}{E}}_{B} | = | {\overset{\cdot}{E}}_{C} |;

将I_i视作常数(I_i＝I_i0)，考察一个周期内随自变量θ的变化情况，以及的单调性；将θ视作常数(θ＝θ₀)，考察随I_i的变化情况，以及的单调性，分析结果分别列于表1和表2：

表1

表2

由表1可知，当时，取唯一极小值，且的值与I_i无关，仅与配电网对地参数有关，因此对于任意I_i0，在I_i＝I_i0的情况下，的极小值均在唯一点取得；

由表2可知，当

I_{i} = Eω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ]

时，取得唯一极小值，而

(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ]

的值与θ有关；

综上，可以得到如下结论：

对于任意I_i0，在I_i＝I_i0的情况下，无需测量配电网对地参数，通过改变θ的取值，考察中性点位移电压模值的单调性变化情况，搜索唯一极小值点，可以确定该极小值对应的θ取值为然后，在确定的情况下，改变I_i的取值，考察中性点位移电压模值的单调性变化情况，搜索唯一极小值点，确定该极小值对应的I_i取值为

I_{i} = Eω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ],

即可得到能够将中性点位移电压抑制为零的注入电流的相角与幅值，即：

\{\begin{matrix} θ = \arctan \frac{2 (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})}{\sqrt{3} (C_{B} - C_{C})} \\ I_{i} = Eω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ] \end{matrix} .

有益效果：本发明通过可控电流源向配电网注入工频电流，搜索最优注入电流相位和幅值，控制中性点位移电压为零，补偿三相不平衡电流，减小三相对地电容的不对称度，实现配电网三相不平衡过电压的抑制，且本发明噪声低、功耗小、不会产生谐波并造价成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的配电网接配电网三相不平衡电压抑制方法原理示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是三相不平衡状态下配电网三相电压波形；

图4是三相不平衡状态下配电网中性点位移电压波形；

图5是注入直流电流在中性点上产生的直流电压波形；

图6是I_i＝0.4A条件下且θ为最优注入电流相位时的中性点位移电压波形；

图7是在最优相位和最优幅值时中性点位移电压波形；

图8是在最优相位和最优幅值时三相电压波形。

具体实施方式

参见图1和图2，本发明的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征是包括以下步骤：

(1)在配电网中性点与地之间安装一可控电流源；

(2)实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；

(4)配电网三相不平衡状态条件下，通过可控电流源向配电网注入工频电流，抑制中性点位移电压为零。

上述步骤(4)中注入电流的相位和幅值确定方法为：

θ = \arctan \frac{2 (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})}{\sqrt{3} (C_{B} - C_{C})} .

I_{i} = Eω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) \sin θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) \cos θ]

为了验证本发明所描述的配电网三相不平衡电压抑制方法的可行性，在PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真环境中搭建典型10kV配电网模型对图1所示配电网进行了仿真分析。首先设置配电网在正常情况下运行，配电网对地参数列于表3。

表3

参数	取值
		各相对地电容	0.86μF
各相泄漏电阻	8800Ω

可以得到配电网正常条件下的零序电阻为2933.3Ω。

通过设置配电网馈线对地参数及负载参数，使配电网运行于三相不平衡状态。

实时测量配电网三相电压和中性点位移电压，并比较二者的大小关系。图3和图4分别表示当配电网运行于三相不平衡状态时的三相电压波形和中性点位移电压波形，可以看出，此时中性点位移电压幅值为8465V。

当发现中性点位移电压大于5％额定相电压时，通过可控电流源由配电网中性点注入一直流电流信号I_k＝10A，检测配电网中性点上产生的直流电压信号U_0k＝29095V，U_0k波形如图5所示。计算测量阻抗Z_0k＝U_0k/I_k＝2909.5Ω，由于该配电网在正常条件下的零序电阻为2933.3Ω，因此测量阻抗Z_0k大于50％配电网正常条件下的零序电阻，判断配电网运行状态为三相不平衡状态。

通过可控电流源向配电网注入工频电流固定I_i＝0.4A，改变注入电流的相位，测量中性点位移电压幅值，确定中性点位移电压最小时对应的注入电流相位为最优注入电流相位，此时中性点位移电压波形如图6所示；在最优注入电流相位下，改变注入电流的幅值I_i，确定中性点位移电压最小时对应的注入电流幅值为最优注入电流幅值。保持注入电流的相位和幅值在最优注入电流相位和幅值下，测得中性点位移电压波形如图7所示，可以看出，中性点位移电压有效值被控制在0.01V范围内。

抑制前后的配电网电气参数列于表4。

表4

系统参数	注入电流前	注入电流后
			A相电压幅值(V)	7847.6	8164.95
B相电压幅值(V)	8188.8	8164.85
			C相电压幅值(V)	8470.1	8164.86
中性点位移电压幅值(V)	359.4	0.0147
			注入电流幅值(A)	无	0.289

从上述仿真分析结果可以看出，以中性点位移电压为控制目标，通过向配电网注入工频电流强制中性点位移电压为零，实现了三相不平衡电压的快速精确补偿，可以限制中性点位移过电压为零，彻底消除了配电网因三相对地不对称电流产生的中性点位移过电压，实现配电网三相不平衡过电压的抑制。

Claims

1.一种配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征是包括如下步骤：

(1)在配电网中性点与地之间安装一可控电流源；

(2)实时测量配电网三相电压和中性点位移电压；

(3)当中性点位移电压大于5％额定相电压时，通过可控电流源注入一直流电流，测量配电网对地泄漏电阻，当该电阻值大于50％配电网正常条件下的零序电阻时，判断配电网运行状态为三相不平衡状态；

(4)配电网三相不平衡状态条件下，通过可控电流源向配电网注入工频电流抑制中性点位移电压为零；

所述步骤(4)中注入电流的相位和幅值确定方法为：将注入电流的幅值固定为任意值，改变注入电流的相位，测量中性点位移电压幅值，确定中性点位移电压最小时对应相位为最优注入电流相位；然后在该注入电流相位下，改变注入电流的幅值，确定中性点位移电压最小时对应的幅值为最优注入电流幅值。

2.根据权利要求1所述的配电网三相不平衡电压抑制方法，其特征在于：对于任意I_i0，在I_i＝I_i0的情况下，所述步骤(4)中注入电流的相位和幅值为：

θ = a r c t a n \frac{2 (C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C})}{\sqrt{3} (C_{B} - C_{C})} .

I_{i} = E ω [(C_{A} - \frac{1}{2} C_{B} - \frac{1}{2} C_{C}) s i n θ - \frac{\sqrt{3}}{2} (C_{C} - C_{B}) c o s θ]