CN105932699A - 优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法，包括三相不平衡调节控制器、开关回路以及由三相不平衡调节控制器所控制的线间补偿单元和相间补偿单元，所述线间补偿单元为根据配电网中三相不平度的大小设置的多个补偿电容组，相间补偿单元为根据配电变压器无功量的大小而设置的多个补偿电抗器。所述三相不平衡调节控制器可在线自动计算配电网三相线路的有功功率和无功功率，选择合适的线间补偿容量和相间补偿容量，继而控制复合开关自动投切，对配电网各相予以补偿，保证配电网各相线路之间的负荷平衡；相间补偿单元中采用单向电抗器，除了具备无功补偿的作用还具有降低功率因数的作用，保证各相中的功率因数小于1。

Description

优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法，适用于低压供电系统中三相不平衡负荷治理，属于电力技术和电子技术领域。

背景技术

在电力系统中电能的消耗主要是依靠配网来实现的，尤其是依靠配电网低压来实现的。我国低压电力负荷通常是指交流220V/380V系统所带的负荷。交流220V/380V系统通常由三相四线组成，即A相、B相、C相、N相。配电网低压电能是依靠一定距离的电缆线路或导线线路输送和分配的，低压线路中的电感是不可避免。从而，负荷中的无功功率也就确实存在的。配电网低压侧所带的负荷包含单相和三相负荷，对于三相电动机而言，正常运行时三相负荷处于平衡状态，对于居民用电几乎都是单相负荷，使配电网处于绝对不平衡状态。再之，由于居民负荷通常是用电缆或导线从变压器低压侧引出，安装时很难掌控变压器输出负荷分配平衡。纵然是安装时三相负荷分配是均衡的，但由于用电的季节性、时段性以及不同的时率，三相负荷的不平衡是绝对存在的。事实证明，在某些地方，三相不平衡率高达80%以上，可以说低压电力系统三相负荷绝对平衡是理想状态，不平衡是常态。

三相负荷的不平衡，给电力系统带来的第一大危害是线路损耗的增大。线路损耗增加的数值与电流的平方成正比。假设某三相线路或变压器电阻是相等的且等于R,若三相负荷是平衡的，其损耗△P=I²R，且△Pa=△Pb=△Pc。三相总损耗∑△P＝3I²R。当系统处于不平衡状态时，假设A相负荷为零，而B、C两相平均分配了A相电流，则系统损耗△Pa=0，△Pb=△Pc=(1.5I)2R=2.25I²R，则线路总损耗∑△P＝4.5I²R，线损增加量是4.5I²R－3I²R＝1.5I²R，即总线损增加了50%。容易推出，若三相负荷由一相提供，此时的∑△P=(3I) 2R=9I²R，则线损增加量是9I²R－3I²R＝6I²R，即总线损增加了200%。在运行中的线路经常会因为某相过流而发生冒火，运行中的变压器会因为低压某相过电流发热漏油或接线桩关而烧坏。对电力部门而言，增加了故障抢修次数和运维成本，降低了供电可靠性。

三相负荷的不平衡，给电力系统带来的第二大危害是变压器铁芯损耗增加。Y/Y0或△/Y0接线的配电变压器多采用三铁芯柱结构，当发生三相电流不平衡时，一次侧无零序电流存在，而二次侧有零序电流存在，该电流为纯励磁电流产生零序磁通，因该磁通没有闭合磁路，需通过油箱箱壁闭合，从而在铁芯、油箱和导磁附件中发热产生损耗。

三相负荷的不平衡，给电力系统带来的第三大危害是产生电压偏移，严重时会导致三相电压的不平衡，影响三相电动机的出力甚至烧毁电机。

当前，电力部门解决三相不平衡的办法，主要是经常派员到居民用电现场去调整负荷。但是三相负荷的不平衡是一种动态过程，有它的季节性、时段性，随时都在变化，靠人工调整负荷的办法只能解决暂时问题，而绝不能解决根本问题，而且费时、费工、收效甚微。

此外还有共补和分补方法对三相不平衡负荷调整，解决三相不平衡的问题。传统的共补方法是在三相系统线间接入等量的电容，但此方法扔存在缺陷，假设变压器低压输出电压幅值相等，相位相差120°。即有UA=U∠0°，UB=U∠-120°，UC=U∠120°；各相的有功电流为Iar=U/Ra∠0°，Ibr=U/Rb∠-120°，Icr=U/Rc∠120°。接入等量电容后，各相容抗为Xa=Xb=Xc=X∠-90°；则各相电容电流分别为Iaq=U∠0°/X∠90°=U/X∠90°；Ibq=U∠-120°/X∠90°=U/X∠30°；Icq=U∠120°/X∠90°=U/X∠210°。接入电容后各相的电流为Ia=Iar+Iaq=Iar+U/X∠90°；Ib=Ibr+Ibq=Ibr+U/X∠-30°；Ic=Icr+Icq=Icr+U/X∠210°。从上式可知，接入共补电容后，因为各相的U/X数值相等，各相的电流在数值上变化量也相等，所以不能起到平衡负荷的作用，只能在矢量上改变一定的角度。传统的分补方法是在三相系统相间接入不同的电容，某相上的电容电流与该相上的有功电流垂直，电容电流在有功电流上的投影为零，所以不能改变有功电流和有功功率。

因此，针对现有技术的不足，研究出一种优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法是很有意义的技术课题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的上述问题，从而提供一种优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法，自动调整配电网三相负荷，保证配电网的三相负荷平衡。

本发明的技术解决方案是：一种优化型配电网三相负荷自动调节装置，安装于三相电路系统上，其特征在于：包括三相不平衡调节控制器、开关回路以及由三相不平衡调节控制器所控制的线间补偿单元和相间补偿单元，所述线间补偿单元为根据变压器容量和配电网中三相不平度的大小设置的多个补偿电容器组，每个补偿电容组包括三个单相补偿电容器，构成三角形接线，所述相间补偿单元为根据配电网中无功功率的大小设置的多个补偿电抗器；所述三相不平衡调节控制器与配电网的A相、B相和C相连接，且三相不平衡调节控制器与开关回路相连接，所述线间补偿单元和相间补偿单元均与开关回路相连接，所述线间补偿单元中补偿电容组中的三个单相补偿电容器的一端经开关回路分别与配电网的A相、B相和C相连接，另一端分别与配电网的B相、C相和A相相连，所述相间补偿单元中的补偿电抗器一端经开关回路分别与配电网的A相或B相或C相连接，另一端均与配电网的N线连接。

进一步地，上述优化型配电网三相负荷自动调节装置，其中：所述补偿电抗器为单个单相补偿电抗器

进一步地，上述优化型配电网三相负荷自动调节装置，其中：所述开关回路包括三相三线复合开关和微型断路器，三相三线复合开关与各个补偿电容组相连，微型断路器连接于配电网各相与三相三线复合开关之间。

本发明还公开了一种优化型配电网三相负荷自动调节装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）三相不平衡调节控制器检测相关参数，得出三相线路各自的有功功率，计算出三相线路之间的不平衡度，当不平衡度达到不平衡控制器设定的限值时，启动线间补偿单元；

（2）三相不平衡调节控制器通过测得的三相线路各自的无功功率，计算出任意两相之间的线间无功功率；

（3）三相不平衡调节控制器，根据配电网中各相之间的不平衡度以及任意两相之间的线间无功功率，筛选出线间补偿单元中合适的单相补偿电容组，控制与该线间补偿电容组连接的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电容，进行一次补偿平衡；

（4）所筛选出的线间补偿电容组工作，线间补偿电容组中的各个单相补偿电容矢量分解为与配电网各相电流相反的纯有功电流以及与各相电流垂直的纯无功电流，其中：与配电网各相有功电流方向相反的纯有功电流转移了所在相部分的有功功率，达到平衡负荷的目的；与各相电流垂直的纯无功电流超前各相电流90°，从而补偿了所在相部分的无功功率；

（5）当配电网三相中不平衡度没有达到限值，而某相功率因数达到或超过1时，三相不平衡调节控制器根据无功功率的大小，筛选出相间补偿单元中合适的补偿电抗器，控制该相间补偿单元中补偿电抗器的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电抗器，进行一次补偿平衡；

（6）重复上述步骤（1）至步骤（5），直至三相线路之间的不平衡度低于设定值，功率因数在设定范围内。

进一步地，上述优化型配电网三相负荷自动调节装置的控制方法，其中：（1）三相不平衡调节控制器判断三相有功功率Pa、Pb、Pc的大小，取出Pmax和Pmin，根据Pun=[(Pmax-Pmin)/Pmax]*100%计算出不平衡度，当Pun≥K时，启动线间补偿单元，式中：Pmax是三相功率中最大相功率，Pmin是三相功率中最小相功率，Pun为实时计算出的三相功率不平衡度，K为不平衡控制器设定的限值，取值范围为0－1之间；

（2）三相不平衡调节控制器通过测得的A、B相有功功率Pa、Pb和无功功率Qa、Qb，则可分别计算出A相和B相无功功率夹角φa、φb，因A相有功功率为Pa∠0°，B相有功功率为Pb∠-120°，所以，Qab边的对角为φab＝120°+φb－φa，通过计算出A相和B相之间的线间无功功率Qab，同理可计算出B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca；

（3）三相不平衡调节控制器，根据配电网中各相之间的不平衡度Pun和A相和B相之间的线间无功功率Qab、B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca，筛选出线间补偿单元中合适的单相补偿电容组，进行一次补偿平衡作用，控制与该线间补偿电容组相连的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电容器组；

（4）所筛选出的线间补偿电容组工作，线间补偿电容组中的各个单相补偿电容矢量分解，分解为解为与配电网各相电流相反的纯有功电流及与各相电流垂直的纯无功电流，与配电网各相有功电流方向相反的纯有功电流转移了所在相部分有功功率，达到平衡负荷的目的；与各相电流垂直的纯无功电流超前各相电流90°，从而补偿了所在相部分无功功率；

（5）三相不平衡调节控制器检测各相功率因数PFa、PFb、PFc，当PFa、PFb、PFc任意一相功率因素大于等于1时，启动相间补偿单元，筛选出相间补偿单元中合适的单相补偿电抗器，进行补偿平衡，控制与该相间补偿单元相连的三相三线复合开关闭合，从而接通或断开相应的补偿电抗器，重复上述步骤（1）至步骤（5），直至Pun＜K。

更进一步地，上述优化型配电网三相负荷自动调节装置的控制方法，其中：所述步骤（3）和步骤（5）中，所述三相不平衡调节控制器与各个三相三线复合开关之间采用RS485通讯，从而三相不平衡调节控制器控制各个复合开关投切。

本发明突出的技术效果主要体现在：本发明根据配电变压器容量的大小，选择相合适容量的线间补偿单元和相间补偿单元，并对配电网各相予以补偿，保证了配电网各相之间的相间负荷平衡；且，本发明所述的配电网三相不平衡调节装置具有通用性的特点，装置的安装时无需了解负荷性质和不平衡度，在不改变现有负载结构的情况下，根据变压器的容量而确定调节装置的容量即可；此外，本发明所述的装置安装后将装置的三相四线与配电变压器的输出端相连接，并接入相应的电流信号即可，三相不平衡调节控制器自动计算三相的有功功率和无功功率，根据不平衡度和无功功率的大小自动投切，选择合适的线间补偿单元和相间补偿单元，具有结构简单，安装方便，工作时温升低，损耗低，无噪音的特点；此外；相间补偿单元中采用单向电抗器，除了具备无功补偿的作用还具有降低功率因数的作用，保证各相中的功率因数小于1。

附图说明

图1是本发明配电网三相不平衡调节装置原理图；

图2是A相与B相之间接入电容电流矢量图。

图3是A相与B相之间无功功率角矢量图

图4是配电网三相不平衡调节装置控制方法的流程框图。

图中，各附图标记的含义为：1—三相不平衡调节控制器，2—线间补偿单元， 3—相间补偿单元，4—开关回路，41—微型断路器，42—三相三线复合开关。

具体实施方式

以下通过附图结合具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明优化型配电网三相负荷自动调节装置，安装于三相电路系统上，包括三相不平衡调节控制器1、开关回路4以及由三相不平衡调节控制器1所控制的线间补偿单元2和相间补偿单元3，所述线间补偿单元2配电变压器容量的大小和配电网中三相不平度的大小设有多个补偿电容组，每个补偿电容组包括三个单相补偿电容器，所述相间补偿单元3根据配电网中无功功率的大小设有多个补偿电抗器，该补偿电容器优选为单相补偿电抗器。所述三相不平衡调节控制器1与配电网的A相、B相和C相连接，且，三相不平衡调节控制器1与开关回路4相连接，所述线间补偿单元和相间补偿单元均与开关回路相连接，从而使得三相不平衡调节控制器1控制开关回路4中的各个开关投切，选择合适的补偿电容组和补偿电抗器，线间补偿单元2中补偿电容组中的三个单相补偿电容器的一端经开关回路分别与配电网的A相、B相和C相连接，另一端分别与配电网的B相、C相和A相相连。相间补偿单元3中补偿电抗器的一端经开关回路分别与配电网的A相、B相和C相连接，另一端与配电网的N线连接。

进一步地，所述开关回路4包括三相三线复合开关和微型断路器，三相三线复合开关与各个补偿电容组相连，微型断路器连接于配电网各相与三相三线复合开关之间，起到过流保护的作用。

本发明属优化型配电网三相负荷自动调节装置的控制方法如下，如图4所示：

三相不平衡调节控制器实时采集配电变压器的各相电流Ia、Ib、Ic；各相电压Ua、Ub、Uc；各相有功功率Pa、Pb、Pc；各相无功功率Qa、Qb、Qc；各相功率因数PFa、PFb、PFc；

（1）三相不平衡调节控制器判断三相有功功率Pa、Pb、Pc的大小，取出Pmax和Pmin，根据Pun=[(Pmax-Pmin)/Pmax]*100%计算出不平衡度，当Pun≥K时，启动线间补偿单元，式中：Pmax是三相功率中最大相功率，Pmin是三相功率中最小相功率，Pun为实时计算出的三相功率不平衡度，K为不平衡控制器设定的限值，取值范围为0－1之间；

（2）如图3所示，三相不平衡调节控制器通过测得的A、B相有功功率Pa、Pb和无功功率Qa、Qb，则可分别计算出A相和B相无功功率夹角φa、φb，因A相有功功率为Pa∠0°，B相有功功率为Pb∠-120°，所以，Qab边的对角为φab＝120°+φb－φa，通过计算出A相和B相之间的线间无功功率Qab，同理可计算出B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca；

（3）三相不平衡调节控制器，根据配电网中各相之间的不平衡度Pun和A相和B相之间的线间无功功率Qab、B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca，筛选出线间补偿单元中合适的单相补偿电容组，进行一次补偿平衡作用，控制与该线间补偿电容组相连的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电；三相不平衡调节控制器与各个三相三线复合开关之间采用RS485通讯方式，从而使得三相不平衡调节控制器控制各个三相三线复合开关的闭合或打开；

（4）所筛选出的线间补偿电容组工作，线间补偿电容组中的各个单相补偿电容矢量分解，分解为解为与配电网各相电流相反的纯有功电流及与各相电流垂直的纯无功电流，与配电网各相有功电流方向相反的纯有功电流转移了所在相部分有功功率，达到平衡负荷的目的；与各相电流垂直的纯无功电流超前各相电流90°，从而补偿了所在相部分无功功率；

（5）三相不平衡调节控制器检测各相功率因数PFa、PFb、PFc，当PFa≥1或PFb≥1，或PFc≥1时，启动相间补偿单元，筛选出相间补偿单元中合适的单相补偿电抗器，进行补偿平衡，控制与该相间补偿单元相连的三相三线复合开关闭合，从而接通或断开相应的单相补偿电抗，重复上述步骤（1）至步骤（5），直至Pun＜K。

上述步骤（3）中线间补偿单元2具体工作如下，如图3所示，在三相四线制的配电网络中，假设变压器低压输出电压幅值相等，相位相差120°。即有Ua=U∠0°，Ub=U∠－120°，Uc=U∠120°，则有。设Qab为加在AB相上的电容器容量。则对于A相，AB相上的电容电流。根据矢量法，则Iabq＝可分解为与A相电流相反的纯有功电流Iap及与A相电流垂直的纯无功电流Iaq。矢量图如图3所示。由图可知，Iap超前A相有功电流180°，与A相有功电流方向相反，从而转移了A相部分有功功率，达到平衡负荷的目的；Iaq超前A相电流90°，从而补偿了A相部分无功功率。以此类推，连接于各相上的线间补偿单元2中的各个电容，补偿所在相上的有功功率和无功功率。

在实际使用中，也可通过在相间补偿单元中以补偿电容组代替补偿电抗器，但是，接在线间补偿单元和相间补偿单元中的电容都会抬高功率因数，在控制配电网三相中不平衡度达到《国标》限值的同时必须保证各个相内的功率因数小于1，由于接在线间补偿单元和相间补偿单元中的电容都会抬高功率因数，很容易使得配电网中的某相功率因数超标，因此，在相间补偿单元中采用单向电抗器，单向电抗器能在电路中起到阻抗的作用，除了起到无功补偿的作用外，还可降低功率因数，保证各相功率因数小于1。

通过以上描述可以看出，本发明根据配电变压器容量的大小，选择相合适容量的线间补偿单元和相间补偿单元，并对配电网各相予以补偿，保证了配电网各相之间的相间负荷平衡；且，本发明所述的配电网三相不平衡调节装置具有通用性的特点，装置的安装时无需了解负荷性质和不平衡度，在不改变现有负载结构的情况下，根据变压器的容量而确定调节装置的容量即可；此外，本发明所述的装置安装后将装置的三相四线与配电变压器的输出端相连接，并接入相应的电流信号即可，三相不平衡调节控制器自动计算三相的有功功率和无功功率，根据不平衡度的大小自动投切，结构简单，安装方便，工作时温升低，损耗低的特点。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种优化型配电网三相负荷自动调节装置，安装于三相电路系统上，其特征在于：包括三相不平衡调节控制器、开关回路以及由三相不平衡调节控制器所控制的线间补偿单元和相间补偿单元，所述线间补偿单元为根据变压器容量和配电网中三相不平度的大小设置的多个补偿电容器组，每个补偿电容组包括三个单相补偿电容器，构成三角形接线，所述相间补偿单元为根据配电网中无功功率的大小设置的多个补偿电抗器；所述三相不平衡调节控制器与配电网的A相、B相和C相连接，且三相不平衡调节控制器与开关回路相连接，所述线间补偿单元和相间补偿单元均与开关回路相连接，所述线间补偿单元中补偿电容组中的三个单相补偿电容器的一端经开关回路分别与配电网的A相、B相和C相连接，另一端分别与配电网的B相、C相和A相相连，所述相间补偿单元中的补偿电抗器一端经开关回路分别与配电网的A相或B相或C相连接，另一端均与配电网的N线连接。

2.根据权利要求1所述的优化型配电网三相负荷自动调节装置，其特征在于：所述补偿电抗器为单个单相补偿电抗器。

3.根据权利要求1所述的优化型配电网三相负荷自动调节装置，其特征在于：所述开关回路包括三相三线复合开关和微型断路器，三相三线复合开关与各个补偿电容组相连，微型断路器连接于配电网各相与三相三线复合开关之间。

4.一种配电网三相负荷的控制方法，其特征在于利用权利要求1或2所述调节装置，按以下步骤进行控制：

（1）三相不平衡调节控制器检测相关参数，得出三相线路各自的有功功率，计算出三相线路之间的不平衡度，当不平衡度达到不平衡控制器设定的限值时，启动线间补偿单元；

（2）三相不平衡调节控制器通过测得的三相线路各自的无功功率，计算出任意两相之间的线间无功功率；

（3）三相不平衡调节控制器，根据配电网中各相之间的不平衡度以及任意两相之间的线间无功功率，筛选出线间补偿单元中合适的单相补偿电容组，控制与该线间补偿电容组连接的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电容，进行一次补偿平衡；

（4）所筛选出的线间补偿电容组工作，线间补偿电容组中的各个单相补偿电容矢量分解为与配电网各相电流相反的纯有功电流以及与各相电流垂直的纯无功电流，其中：与配电网各相有功电流方向相反的纯有功电流转移了所在相部分的有功功率，达到平衡负荷的目的；与各相电流垂直的纯无功电流超前各相电流90°，从而补偿了所在相部分的无功功率；

（5）当配电网三相中不平衡度没有达到限值，而某相功率因数达到或超过1时，三相不平衡调节控制器根据无功功率的大小，筛选出相间补偿单元中合适的补偿电抗器，控制该相间补偿单元中补偿电抗器的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电抗器，进行一次补偿平衡；

（6）重复上述步骤（1）至步骤（5），直至三相线路之间的不平衡度低于设定值，功率因数在设定范围内。

5.根据权利要求3所述的配电网三相负荷的控制方法，其特征在于：

（1）三相不平衡调节控制器判断三相有功功率Pa、Pb、Pc的大小，取出Pmax和Pmin，根据Pun=[(Pmax-Pmin)/Pmax]*100%计算出不平衡度，当Pun≥K时，启动线间补偿单元，式中：Pmax是三相功率中最大相功率，Pmin是三相功率中最小相功率，Pun为实时计算出的三相功率不平衡度，K为不平衡控制器设定的限值，取值范围为0－1之间；

（2）三相不平衡调节控制器通过测得的A、B相有功功率Pa、Pb和无功功率Qa、Qb，则可分别计算出A相和B相无功功率夹角φa、φb，因A相有功功率为Pa∠0°，B相有功功率为Pb∠-120°，所以，Qab边的对角为φab＝120°+φb－φa，通过计算出A相和B相之间的线间无功功率Qab，同理可计算出B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca；

（3）三相不平衡调节控制器，根据配电网中各相之间的不平衡度Pun和A相和B相之间的线间无功功率Qab、B相和C相之间的线间无功功率Qbc、C相和A相之间的线间无功功率Qca，筛选出线间补偿单元中合适的单相补偿电容组，进行一次补偿平衡作用，控制与该线间补偿电容组相连的三相三线复合开关投切，从而接通或断开相应的单相补偿电容器组；

（4）所筛选出的线间补偿电容组工作，线间补偿电容组中的各个单相补偿电容矢量分解，分解为解为与配电网各相电流相反的纯有功电流及与各相电流垂直的纯无功电流，与配电网各相有功电流方向相反的纯有功电流转移了所在相部分有功功率，达到平衡负荷的目的；与各相电流垂直的纯无功电流超前各相电流90°，从而补偿了所在相部分无功功率；

（5）三相不平衡调节控制器检测各相功率因数PFa、PFb、PFc，当PFa、PFb、PFc任意一相功率因素大于等于1时，启动相间补偿单元，筛选出相间补偿单元中合适的单相补偿电抗器，进行补偿平衡，控制与该相间补偿单元相连的三相三线复合开关闭合，从而接通或断开相应的补偿电抗器，重复上述步骤（1）至步骤（5），直至Pun＜K。

6.根据权利要求4所述的优化型配电网三相负荷自动调节装置及其控制方法，其特征在于：所述步骤（3）和步骤（5）中，所述三相不平衡调节控制器与各个三相三线复合开关之间采用RS485通讯，从而三相不平衡调节控制器控制各个复合开关投切。