CN106887856B - 三相不平衡调节控制方法、装置及三相不平衡调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相不平衡调节控制方法、装置及三相不平衡调节系统，通过采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流，得到三相电流不平衡度实际值，并将其送入电压外环，与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压、电流闭环控制，及正负序dq/abc坐标变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的总调制波，调制后生成调整有功功率的控制信号。本发明按照负载需求情况将三相间的电能进行重新分配，进行不平衡线路间的电能快速转换，实现配电变压器输出侧三相不平衡的快速平滑调节。并且，本发明可以有效地降低配电线路的损耗、提高配电变压器的出力及提高配电系统安全运行能力，从而改善用户的供电质量。

Description

三相不平衡调节控制方法、装置及三相不平衡调节系统

技术领域

本发明属于电力系统配电网自动化技术领域，具体涉及三相不平衡调节控制方法、装置及三相不平衡调节系统。

背景技术

在电力系统中三相电流或电压幅值的不一致，且幅值差超过规定范围，称为三相不平衡。低压配电网主要是经10KV/0.4KV配电变压器降压供电的电压网络，由于配电网是三相与单相用户混合用电网，因此电压配电网常采用三相四线制线路供电。配电变压器输出侧接三相低压配电网的低压交流母线，低压交流母线经低压配电开关分配出多条低压出线。低压出线结合配电网实际负载情况分为三相用电支线和单相用电支线，或三相与单相混合用电支线。其中，单相用电支线要根据单相负载情况分别分配到三相配电交流母线中的A、B、C三相中的某一项以及N线中，构成单相供电回路。当A、B、C三相中的单相负载不相等时，配电变压器输出就会产生三相不平衡现象。

配电网中三相不平衡的存在对配电网线路的正常运行产生很多危害，主要包括增加线路的电能损耗、增加配电变压器的电能损耗、造成三相负载运行效率降低、影响用电设备安全运行、使配电变压器中产生零序电流、降低用电设备的使用寿命、降低变压器出力、增加配电网保护系统误动作造成的断电风险等，影响用户的正常生产与生活用电需求。

而且，在接入单相用电负荷时，虽然供电部门按照将单相负荷均匀分配到A、B、C三相中，而实际情况是单相负荷具有用电时间不一致、用电负荷大小不相同等随机性差异的特点，造成电压配电网中配电变压器供电运行过程中时刻存在不平衡现象。因此，低压配电网中配电变压器三相不平衡问题是低压配电网改造与治理的必须要面对的关键问题之一。

现有技术中，对于三相不平衡的问题国内学者进行了很多研究，但仍然没有完善的解决方案，目前，解决低压配电网三相不平衡的主要方法包括：

第一，人工检测调节负载法。即人工检测单相负荷情况进行调节各项负载，该方法配电网工作人员根据日常的经验，定期手动进行单相负载的平衡调节，首先需要投入大量的配电网工作人员以及工作时间，造成电网运行成本高等问题；其次，反复多次分合配电开关，存在降低开关使用寿命等问题；并且调节效果只能是阶跃式分步量化调节，存在过调节或调节不足等情况，调节精度低。

第二，相间无功补偿法。即在配电变压器低压侧采用相间无功补偿装置，使用相间无功补偿装置只能在一定程度上改善配电变压器输出运行情况，不能在根本上解决三相负载不平衡在成的电能需求不平衡问题，并且采用无功补偿会造成功率因数的变化，在实际应用中收到较大的限制，无法做到真正的有效调节。

第三，调相负荷开关调节法。即在用电负荷回路先串联调相负荷开关，通过调相负荷开关重新调节负荷在A、B、C三相中的分配，达到调节负荷不平衡的目的。但是要实现负荷的调节，需要串联多个调相负荷开关。若要实现精确的调节则需要很多个开关才能实现，增加了调节成本。此方法同样存在调节效果只能是阶跃式分步量化调节，存在过调节或调节不足等情况，调节精度低。除非串联与线路中所有单相负载一样多的调相负荷开关，才能实现精确调节，但这样需要有一个很庞大的控制系统来控制调相负荷开关的调节运行，会导致总体成本的增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相不平衡调节控制方法、装置及三相不平衡调节系统，用于解决低压配电网配电变压器输出的三相不平衡问题，及现有技术中三相不平衡调节方法存在的调节精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种三相不平衡调节控制方法，包括以下步骤：

根据采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的调制波。

进一步，所述三相电流不平衡度实际值的计算式如下：

式中，K为三相电流不平衡度实际值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流。

进一步，所述三相电流不平衡度参考值的计算式如下：

式中，K_ref为三相电流不平衡度给定值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，I为实际的三相电流有效值。

进一步，所述三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的补偿值为：

式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种三相不平衡调节控制装置，包括以下单元：

用于根据采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的调制波。

进一步，所述三相电流不平衡度实际值的计算式如下：

式中，K为三相电流不平衡度实际值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流。

进一步，所述三相电流不平衡度参考值的计算式如下：

式中，K_ref为三相电流不平衡度给定值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，I为实际的三相电流有效值。

进一步，所述三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的补偿值为：

式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种三相不平衡调节系统，该系统具有用于分别连接变压器输出侧A、B、C三相交流电和N线的接线端口，所述系统包括连接电网的滤波充电单元，该滤波充电单元与信号采集处理单元、智能控制单元、功率变换单元依次连接，所述智能控制单元用于根据信号采集处理单元采集到的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流，得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的控制信号，并将该控制信号发送至功率变换单元。

进一步，所述功率变换单元用于将智能控制单元下发的控制信号转换成IGBT的驱动信号，将三相电流中最大电流相输出的电能存储到所述功率变换单元的存储电容，并将存储电容中的电能转换成与最小电流相具有同频率、同相位、同幅值的并网电能输送到最小电流相。

进一步，所述并网电能为：

式中，式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

本发明的有益效果是：通过采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流，得到三相电流不平衡度实际值，并将其送入电压外环，与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压、电流闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的总调制波，调制后生成调整有功功率的控制信号。本发明按照负载需求情况将三相间的电能进行重新分配，进行不平衡线路间的电能快速转换，实现配电变压器输出侧三相不平衡的快速平滑调节。本发明可以有效地降低配电线路的损耗、提高配电变压器的出力及提高配电系统安全运行能力，从而改善用户的供电质量。

附图说明

图1为配变三相不平衡自动调节系统的结构原理图；

图2为功率变换单元将电能由A相、B相向C相进行转换的工作状态示意图；

图3为三相不平衡自动调节系统的控制框图；

图4为单套配变三相不平衡自动调节系统调节变压器输出三相不平衡工作流程图；

图5为多台配变三相不平衡自动调节系统并联工作状态示意图；

图6为多套配变三相不平衡自动调节系统随着不平衡度增加并联投入工作流程图；

图7为多套配变三相不平衡自动调节系统随着不平衡度减少并联移除工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示安装在低压配电网变压器输出侧的三相不平衡调节系统，该系统包括智能控制单元、电源单元、信号采集与处理单元、功率变换单元、滤波与充电单元、滤波与储能单元、显示与操作单元。滤波与充电单元的对应端子分别连接变压器输出侧A、B、C三相交流电和N线，滤波与充电单元连接功率变换单元及滤波与储能单元，电源单元的电源进线与滤波与充电单元中A、B、C三相中的某一相以及N线连接，并将智能主控单元、功率变换单元、显示与操作单元等需要的电压送至各个用电单元。信号采集与处理单元中设有多个传感器，分别安装在A、B、C三相线路中，用于测量系统的电压、电流等信号。显示与操作单元通过屏蔽线与智能控制单元连接，通过标准通信协议进行实时的数据交换。智能控制单元通过信号线与各个被控制单元进行控制，协调整机的正常运行。另外，信号采集与处理单元中还设有测温传感器，安装在功率变换单元的铝合金散热器上，测量温度信号。

上述系统实现的三相不平衡调节控制方法主要是通过智能控制单元和功率变换单元完成的，包括以下步骤：

信号采集与处理单元实时采集三相电网电压、三相电网电流等信息，获取三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流，并发送至智能控制单元，智能控制单元最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，计算式如下：

式中，K为三相电流不平衡度实际值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流。

将上述三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及正负序dq/abc坐标变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的总调制波。三上述相电流不平衡度给定值计算式如下：

式中，K_ref为三相电流不平衡度给定值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，I为实际的三相电流有效值。

上述总调制波即为功率变换单元调整有功功率的控制信号，其中有功功率的补偿值计算式如下：

式中，P为所述有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值。功率变换单元接收到智能控制单元的控制信号后生成功率变换单元内部绝缘栅双极晶体管(IGBT)的±15驱动信号，触发IGBT的导通与关断，功率变换单元的结构原理图如图2所示。

例如，智能控制单元检测到变压器输出侧三相不平衡，并判断出C相负载电流较大，A、B相负载电流较小后，智能控制单元计算出A、B相需要向C相进行电能变换的电流值，同时计算出C相的瞬时相位，智能控制单元生成可与C相并网的功率变换单元的控制信号，功率变换单元将智能控制单元下发的控制信号转换成IGBT的驱动信号并触发IGBT高速导通与关断工作，将A、B相的电能经升压整流输入到储能电容，同时将储能电容中的电能转换成与C相同频率、同相位、同幅值的并网电能输送到C相，实现三相不平衡的自动调节。

本发明的三相不平衡自动调节系统调节变压器输出三相不平衡工作流程如图4所示，配变三相不平衡自动调节系统初始化后检测所有外设工作情况以及系统所有故障检测点的状态信号，判断存在故障时，重新进行初始化，判断不存在故障信息时，进行母线电容预充电，及储能电容高压储能充电，当预充电和充电储能工作不正常时，重新初始化并显示系统状态，当预充电和充电储能工作正常时，检测配电变压器输出侧相关三相电压、电流信号，计算三相不平衡度，与系统设定值进行比较，当三相不平衡度小于设定值时，重新检测并计算三相不平衡度，当三相不平衡度大于或等于设定值时，智能控制单元计算需要转换的电流值、电压值、频率、相位等参数，生成功率变换单元的控制信号，并下发功率变换单元，功率变换单元接受控制信号后进行功率变换，调节配电变压器输出三相不平衡。智能控制单元实时判断配变三相不平衡自动调节系统运行过程的状态，无故障出现，则持续进行三相不平衡调节，若出现故障则配变三相不平衡自动调节系统停止工作，显示故障状态。

当低压配电变压器的容量较大，并且三相不平衡情况较严重时，需要多个配变三相不平衡自动调节系统并联进行不平衡自动调节。

如图6所示，为本发明多台配变三相不平衡自动调节系统随着不平衡度增加并联投入的流程图，主配变三相不平衡自动调节系统初始化后，与从配变三相不平衡自动调节系统建立通信连接，并检测主配电变压器输出侧三相电压电流信号，获取三相不平衡度，将三相不平衡度与系统设定值进行比较。若不平衡度小于设定值，重新检测并计算三相不平衡度，若不平衡度大于设定值，主配变三相不平衡自动调节系统根据控制信号在A、B、C三相间进行电能变换，调节配电变压器输出侧三相不平衡情况。同时，主配变三相不平衡自动调节系统实时计算自身功率，当自身功率小于设定值时，则持续进行三相不平衡自动调节，当自身功率大于设定值时，增加一台从配变三相不平衡自动调节系统投入三相不平衡自动调解工作，同时仍实时计算主配变三相不平衡自动调节系统自身功率，若自身功率仍大于设定值，再增加一台从配变三相不平衡自动调节系统，直到主配变三相不平衡自动调节系统自身功率小于设定值，不再增加从配变三相不平衡自动调节系统。

多台配变三相不平衡自动调节系统并联独立持续进行三相不平衡调节，判断各自工作状态，若发生运行故障，则本台配变三相不平衡自动调节系统停止工作，其他配变三相不平衡自动调节系统正常运行。

如图7所示，为本发明多台配变三相不平衡自动调节系统随着不平衡度减少并联移除的流程图，主配变三相不平衡自动调节系统初始化后按照以下步骤控制从配变三相不平衡自动调节系统移除调节工作，实现三相不平衡自动调节：

主配变三相不平衡自动调节系统实时计算当前自身功率，与设定值进行比较，若大于设定值则持续进行三相不平衡自动调节，若小于设定值，主配变三相不平衡自动调节系统统计当前参与三相不平衡自动调节的调节系统数量，当数量大于1时，减少一台参与三相不平衡调节的从配变三相不平衡自动调节系统，减少一台系统后，比较主配变三相不平衡自动调节系统的当前自身功率与设定值，当自身功率仍小于设定值时，再减少一台三相不平衡自动调节的调节系统，直到三相不平衡自动调节的调节系统数量等于1时，不再减少调节系统；当自身功率大于设定值时，持续进行三相不平衡调节。

如图5所示，通过多台配变三相不平衡自动调节系统并联运行提高每一台配变三相不平衡自动调节系统的工作效率，降低系统的整体损耗，减少电能治理过程中消耗的电能，实现配变三相不平衡自动调节系统标准化设计，降低成本，提高产品的可靠性与一致性。

本发明还提出一种三相不平衡调节控制装置，包括一个控制单元：用于根据采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度给定值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及正负序dq/abc坐标变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的总调制波。

上述所指的三相不平衡调节控制装置，实际上是基于本发明三相不平衡调节控制方法的流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到三相不平衡调节系统中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，而本实施例声称的装置实际上是一种软件构架，故不再详细进行描述。

上述实施方式为本发明的某种举例体现形式，本发明的实施方式并不受上述说明的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的替代、改变、组合等均为有效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三相不平衡调节控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的调制波，将三相间的电能进行重新分配；三相电流不平衡度实际值与三相电流不平衡度给定值作差后经过PI控制，将PI控制的输出作为电压外环的电压参考电压。

2.根据权利要求1所述的三相不平衡调节控制方法，其特征在于，所述三相电流不平衡度实际值的计算式如下：

式中，K为三相电流不平衡度实际值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流。

3.根据权利要求1所述的三相不平衡调节控制方法，其特征在于，所述三相电流不平衡度给定值的计算式如下：

式中，K_ref为三相电流不平衡度给定值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，I为实际的三相电流有效值。

4.根据权利要求1所述的三相不平衡调节控制方法，其特征在于，所述三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的补偿值为：

式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

5.一种三相不平衡调节控制装置，其特征在于，包括控制单元：

用于根据采集的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的调制波，将三相间的电能进行重新分配；三相电流不平衡度实际值与三相电流不平衡度给定值作差后经过PI控制，将PI控制的输出作为电压外环的电压参考电压。

6.根据权利要求5所述的三相不平衡调节控制装置，其特征在于，所述三相电流不平衡度实际值的计算式如下：

式中，K为三相电流不平衡度实际值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流。

7.根据权利要求5所述的三相不平衡调节控制装置，其特征在于，所述三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的补偿值为：

式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

8.一种三相不平衡调节系统，该系统具有用于分别连接变压器输出侧A、B、C三相交流电和N线的接线端口，所述系统包括连接电网的滤波充电单元，该滤波充电单元与信号采集处理单元、智能控制单元、功率变换单元依次连接，其特征在于，

所述智能控制单元用于根据信号采集处理单元采集到的三相电流中最大电流相的电流和最小电流相的电流，得到三相电流不平衡度实际值，将三相电流不平衡度实际值送入电压外环，并与三相电流不平衡度给定值作差，经过电压外环、电流内环的闭环控制，及帕克反变换，生成将三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的控制信号，并将该控制信号发送至功率变换单元，将三相间的电能进行重新分配；三相电流不平衡度实际值与三相电流不平衡度给定值作差后经过PI控制，将PI控制的输出作为电压外环的电压参考电压。

9.根据权利要求8所述的三相不平衡调节系统，其特征在于，所述功率变换单元用于将智能控制单元下发的控制信号转换成IGBT的驱动信号，将三相电流中最大电流相输出的电能存储到所述功率变换单元的存储电容，并将存储电容中的电能转换成与最小电流相具有同频率、同相位、同幅值的并网电能输送到最小电流相。

10.根据权利要求8所述的三相不平衡调节系统，其特征在于，三相电流中最大电流相向最小电流相进行有功功率补偿的补偿值为：

式中，式中，P为有功功率的补偿值，U为采集的三相电压有效值，I_max为三相电流中最大电流相的电流，I_min为三相电流中最小电流相的电流，K_ref为三相电流不平衡度给定值。

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