CN108574293A - 一种补偿不平衡电网负载的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿不平衡电网负载的控制方法，包括：1、采集电网侧三相输出电流，分析三相电流的大小；2、判断三相电网负载是否运行于平衡状态；3、三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载尽可能均匀分接至三相电网中；4、三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，最终电网侧电流达到三相平衡运行状态。本发明在补偿不平衡电网负载的过程中，降低了电网系统的成本，提高了电网系统运行于三相平衡状态的稳定性，从而实现了三相电网系统的优化控制。

Description

一种补偿不平衡电网负载的控制方法

技术领域

本发明涉及三相不平衡电网领域，更具体地说是一种补偿三相不平衡电网负载的控制方法。

背景技术

在三相四线制的城市居民和农网供电系统中，由于用电户多为单相负载或单相和三相负载混用，并且负载大小不同，用电时间也不同。所以，电网中三相间的不平衡电流是客观存在的，并且这种用电不平衡状况无规律性，也无法事先预知，直接导致了供电系统中三相电网电压的长期不平衡。三相不平衡会产生以下问题：(1)增加线路的电能损耗；(2)增加配电变压器的电能损耗；(3)降低配电变压器的输出能力；(4)配电变压器产生零序电流；(5)影响用电设备的安全运行。(6)电动机效率降低。(7)电压合格率下降。

目前解决三相不平衡负载的技术方案，主要有以下三种：三相四线SVG改进算法、相间电容投切补偿法和换相开关式动态负荷调度法。其中，(1)三相四线SVG改进算法具有安装简单，仅需按不平衡度及变压器容量选定装机额定容量的特点。但是并不能解决整个电网系统供电线路的不平衡问题，仅缓解了变压器的三相输出不平衡，供电系统仍运行在严重的不平衡状态，不能解决供电线路的线损及由此造成的线路加速老化、单相线路过载跳闸、末端电压低等问题；(2)相间电容投切补偿法具有安装简单，造价低，而且只需在三相线路上部署数台相间补偿电容器(电抗或电阻)。但平衡效果差，造成整个电网系统供电严重过补，拉低功率因数，严重时可能导致中性线电流不但未减小反而增大；(3)换相开关式动态负荷调度法真正使整个电网系统运行于三相平衡状态，供电网络中的中性线电流显著降低，变压器及供电线路的损耗大大减小。由于主线电流的均衡及中性线电流的减小，末端电压也获得显著的提升。电网系统的运行能效得到明显的改善。但是成本稍高，安装时工程量稍大。

因此，需要提供一种在既安装简单，造价低，且平衡效果好的控制方法。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种补偿三相不平衡电网负载的控制方法，以期能在补偿不平衡电网负载的过程中，降低电网系统的成本，提高电网系统运行于三相平衡状态的稳定性，从而实现三相电网系统的高效控制。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种补偿不平衡电网负载的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过电流传感器采集电网侧三相输出电流i_a、i_b、i_c；

步骤二、分析三相电流的大小，判断三相电网负载是否运行于平衡状态；

步骤三、三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载使得三相电网系统达到平衡运行状态；

步骤四、三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，使得电网侧电流达到三相平衡运行状态。

优选的，

所述分析三相电流的大小，判断三相电网负载是否运行于平衡状态，具体为，

步骤2.1、根据(1)式获得最大电流i_max、中间电流i_mid和最小电流i_min，

步骤2.2、比较三相负载电流的大小关系，当i_max≠i_mid≠i_mid时，即三相负载电流不相等，认为三相电网负载处于不平衡状态，当三相负载电流差值超过10％的不平衡状态时，规定三相电网负载处于严重不平衡状态，三相负载电流差值未超过10％的不平衡状态为轻微不平衡状态。

优选的，

所述三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载使得三相电网系统达到平衡运行状态，具体为，

步骤3.1、DSP控制系统选择电流最大相i_max对应的A相某一负载X_i{i＝1,2,…,k}，通过控制继电器将该负载X_i{i＝1,2,…,k}的开关S_i{i＝1,2,…,k}投切至电流最小相i_min对应的C相；

步骤3.2、若不平衡情况加重，则DSP控制系统首先将负载X_i{i＝1,2,…,k}重新投切至电流最大相i_max对应的A相，而后选择将另外的某一负载投切至电流最小相i_min对应的C相；

步骤3.3、重复上述步骤，直至三相负载不平衡状态降低；

步骤3.4、若三相电网负载不平衡状态降低至轻微不平衡状态时，DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路输出的驱动信号实时驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，使得三相电网电流中只含有正序电流分量，从而使得三相电网系统达到平衡运行状态。

优选的，

所述三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，使得电网侧电流达到三相平衡运行状态，具体为，DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路后输出的驱动信号实时驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，使得三相电网电流中只含有正序电流分量，从而使得三相电网系统达到平衡运行状态。

本发明的有益效果：

1、本发明在供电系统中的三相电网负载存在较大的不平衡时，通过投切补偿装置和阶梯补偿装置，不仅实现各路负载尽可能均匀地分接到电网的A相、B相和C相，而且消除了三相电网系统中的不平衡分量，提高了电网运行的稳定性，从而实现了三相电网系统的高效控制。

2、本发明与现有的解决三相不平衡负载的技术方案相比，有很好的电网平衡效果，有效改善变损和线损，并且安装简单。

3、本发明控制电路简单，适用性广。

附图说明

图1是本发明三相电网不平衡负载的补偿装置控制框图。

图2是本发明在三相负载严重不平衡情形下的负载电流调节图。

图3a是本发明在三相负载不平衡情形下的实验结果图。

图3b是本发明在三相负载不平衡情形下的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，多路开关S₁,S₂,S₃…S_k(DSP控制系统通过继电器实现控制多路开关的闭合方式，属于一种自动闭合器件，无需手动操作)依次与负载1，负载2，负载3…负载K的受电端相连，负载1，负载2，负载3…负载K分别通过多路开关S₁,S₂,S₃…S_k与三相电网的供电端串联，阶梯补偿装置并联在三相电网与负载之间，用于发出与负序分量和零序分量反向的电流，传感器连接在靠近三相电网端的网侧。DSP控制系统通过继电器将输出的控制信号送入投切补偿装置，用于控制多路开关S₁,S₂,S₃…S_k的闭合方式；DSP控制系统通过驱动电路将驱动信号送入阶梯补偿装置，驱动PWM变流器功率管的闭合方式，从而实现补偿电流负序分量和零序分量的控制目标。

步骤一、DSP控制系统通过电流传感器采集电网侧的三相电网电流i_a、i_b、i_c；

步骤二、分析三相电流的大小，判断三相电网负载是否运行于平衡状态；

具体实施中，DSP控制系统利用电流传感器采集三相负载的电流i_a、i_b、i_c，并根据式(1)得到三相负载的最大电流i_max、中间电流i_mid和最小电流i_min：

比较式(1)中三相负载电流的大小关系，当i_max≠i_mid≠i_mid时，即三相负载电流不相等，认为三相电网负载处于不平衡状态。当三相负载电流差值超过10％的不平衡状态时，规定三相电网负载处于严重不平衡状态，三相负载电流差值未超过10％的不平衡状态为轻微不平衡状态。

步骤三、三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载使得三相电网系统达到平衡运行状态；

实施例中，图2给出了本发明在三相负载严重不平衡情形下的负载电流调节图。当三相电网负载存在严重不平衡时，DSP控制系统根据三相负载电流的大小关系选择电流最大相i_max对应的A相某一负载X_i，{i＝1,2,…,k}，其中，X₁表示负载1，X₂表示负载2，X₃表示负载3…X_k表示负载K，通过控制继电器将负载X的开关S_i{i＝1,2,…,k}投切至电流最小相i_min对应的C相，S₁表示开关1，S₂表示开关2，S₃表示开关3...S_k表示开关K。由于负载X大小的不确定性，所以经过投切负载X后的三相负载不平衡情况有可能变得更加严重，则DSP控制系统首先将负载X_i，{i＝1,2,…,k}重新投切至电流最大相i_max对应的A相，而后选择将另外的某一负载投切至电流最小相i_min对应的C相，这一过程可以是重复操作的，直至三相负载不平衡情况得到改善。

步骤3、经过投切补偿后的三相电网负载仍可能处于不平衡状态，此时的三相负载中不仅含有正序分量，还包含负序分量和零序分量。DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路输出的驱动信号实时驱动IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，最终使得三相电网电流中只含有正序电流分量，即三相电网系统达到平衡运行状态。

在三相负载不平衡情况下，利用式(2)获得αβ坐标系下的电网电流零序分量：

i₀＝i_a+i_b+i_c (2)

式(2)中，i₀表示电网电流零序分量，其中满足i₀/3＝i_a0＝i_b0＝i_c0。

当三相电网系统不平衡时，利用式(3)获得αβ坐标系下的电网电流瞬时值：

式(3)中，i⁺ _m、i^- _m分别表示电流正、负序峰值，θ₊、θ_-分别表示正、负序电流初始角，ω表示电网电流角频率，t表示时间，i_α、i_β分别表示电网电流在αβ坐标系下值，i⁺ _α、i⁺ _β分别表示正序电流在αβ坐标系下值，i^- _α、i^- _β分别表示负序电流在αβ坐标系下值。

将式(3)两边微分，得到式(4)的微分结果：

联立式(3)和式(4)获得αβ坐标系下电网电流的正、负序分量：

经过反CLARK变换，由式(6)和式(7)获得abc坐标系下电网电流的正序分量和负序分量：

步骤四、三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，使得电网侧电流达到三相平衡运行状态。

具体实施中，当供电系统中的三相电网负载存在轻微不平衡时，三相负载电流差值不超过10％，即三相负载电流中含有正序分量、负序分量和零序分量。则DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路后输出的驱动信号实时驱动IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，最终使得三相电网电流中只含有正序电流分量，即三相电网系统达到平衡运行状态。

图3给出了采用本发明的实验验证结果图，图3a为三相电网负载不平衡时的三相电流波形图，图3b为采用本发明提出方法后的三相电流波形图，可以看出，采用本发明不仅可以平衡三相电网负载，而且可以完全消除三相电网负载中的电流负序分量和零序分量，从而使得三相电网系统达到平衡运行状态。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种补偿不平衡电网负载的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、通过电流传感器采集电网侧三相输出电流i_a、i_b、i_c；

步骤二、分析三相电流的大小，判断三相电网负载是否运行于平衡状态；

步骤三、三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载使得三相电网系统达到平衡运行状态；

步骤四、三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，使得电网侧电流达到三相平衡运行状态。

2.根据权利要求1所述的补偿不平衡电网负载的控制方法，其特征在于，

所述分析三相电流的大小，判断三相电网负载是否运行于平衡状态，具体为，

步骤2.1、根据(1)式获得最大电流i_max、中间电流i_mi和最小电流i_mind，

步骤2.2、比较三相负载电流的大小关系，当i_max≠i_mid≠i_mid时，即三相负载电流不相等，认为三相电网负载处于不平衡状态，当三相负载电流差值超过10％的不平衡状态时，规定三相电网负载处于严重不平衡状态，三相负载电流差值未超过10％的不平衡状态为轻微不平衡状态。

3.根据权利要求1所述的补偿不平衡电网负载的控制方法，其特征在于，

所述三相电网负载严重不平衡时，投切补偿装置通过切换负载调节三相负载使得三相电网系统达到平衡运行状态，具体为，

步骤3.1、DSP控制系统选择电流最大相i_max对应的A相某一负载X_i{i＝1,2,…,k}，通过控制继电器将该负载X_i{i＝1,2,…,k}的开关S_i{i＝1,2,…,k}投切至电流最小相i_min对应的C相；

步骤3.2、若不平衡情况加重，则DSP控制系统首先将负载X_i{i＝1,2,…,k}重新投切至电流最大相i_max对应的A相，而后选择将另外的某一负载投切至电流最小相i_min对应的C相；

步骤3.3、重复上述步骤，直至三相负载不平衡状态降低；

步骤3.4、若三相电网负载不平衡状态降低至轻微不平衡状态时，DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路输出的驱动信号实时驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，使得三相电网电流中只含有正序电流分量，从而使得三相电网系统达到平衡运行状态。

4.根据权利要求1所述的补偿不平衡电网负载的控制方法，其特征在于，

所述三相电网轻微不平衡时，采用阶梯补偿装置消除三相负载电流的负序分量和零序分量，使得电网侧电流达到三相平衡运行状态，具体为，DSP控制系统采用正负序分离算法，分离出三相负载电流的零序分量和负序分量，通过控制驱动电路后输出的驱动信号实时驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，阶梯补偿装置发出与负序分量和零序分量反向的电流，从而消除三相电网负载中的负序分量和零序分量，使得三相电网电流中只含有正序电流分量，从而使得三相电网系统达到平衡运行状态。