CN108599204A - 一种配电台区三相不平衡分步调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电台区三相不平衡分步调节方法，包括三相不平衡切换装置以及三相负载平衡自动调节补偿装置，首先利用三相不平衡切换装置调整三相不平衡负荷。然后运用三相负载平衡自动调节补偿装置调整配电台区需要补偿的电容量。本发明通过将三相不平衡切换装置和三相负载平衡自动调节补偿装置结合起来使用，大幅度减少补偿容量，并且不需要同时对三相进行补偿。另外还减少了设备使用数量，从而降低设备成本，再者，使得三相平衡程度更高了，功率因数更加接近于1。

Description

一种配电台区三相不平衡分步调节方法

技术领域

本发明涉及一种配电台区三相不平衡分步调节方法，属于输配电领域。

背景技术

为了缓解三相负荷不平衡导致线路损耗持续增大影响电能质量的现象，通常会在配电台区的负荷接入前进行三相平衡分配。但是由于实际负荷的波动性，仍然存在较大的三相不平衡现象。现在主要采用静态的解决方案，即根据事先调研预测的数据，将不对称负荷分散在不同的节点上，从而大大缓解平衡问题，主要采取停电的方式对配电台区中部分用户负荷相序进行调整，从而达到各相负荷基本平衡的目的。然而负荷的不平衡度是时变的，并且具有较大的随机性和不确定性。所以上述方法不能完全有效解决配电网的三相负荷平衡问题。

一方面，如果单独采用在适合的节点装设三相不平衡功率切换装置，从而实现动态平衡补偿的方案，成本较低，较为经济，但是具有较强的延时性，并且不能完全达到平衡。另一方面，采用三相负载平衡自动调节补偿的方式，虽然能够解决延时性问题，也能达到完全平衡，但是成本较高，容易出现无功过补偿，并且使得线损增加。

发明内容

发明目的：本发明提出一种配电台区三相不平衡分步调节方法，以较低的成本实现动态平衡补偿。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种配电台区三相不平衡分步调节方法，包括三相不平衡切换装置以及三相负载平衡自动调节补偿装置，包括以下步骤：

1）利用三相不平衡切换装置调整三相不平衡负荷；

2）运用三相负载平衡自动调节补偿装置调整配电台区需要补偿的电容量。

所述步骤1）包括以下步骤：

i）根据测量或统计数据得到负荷的不平衡特性，进行预分配，尽量使系统接近三相平衡状态运行，得到高峰时段、平峰时段和低谷时段的三相功率；

ii）按照五种切换方式切换每个节点的负荷得到各时段每相的总功率，并且计算各时段每相的总功率和平均功率差的平均和，接着在满足约束条件的情况下，通过目标函数方程得到不同点按照不同切换方式得到的目标函数值；

iii）挑选出目标函数值最小的节点，并记录下该节点编号及其控制方式，再除去已记录节点；

iv）判断是否达到所要求的三相平衡度，不满足返回步骤（ii）循环计算，直到满足三相平衡度要求；

v）满足三相平衡度要求后，最终输出优化选点以及相应的控制策略。

所述目标函数为

（1）

式中

（2）

（3）

（4）

其中下标中的1，2，3分别表示用电高峰，平峰和低谷时段；，，为加权参数，分别代表高峰、平峰和低谷时段影响比重；表示为负荷节点编号；表示为总的负荷节点个数；，，分别表示为用电高峰，平峰和低谷时期的每相功率和平均功率的差的平方和，是三相不平衡总量的衡量；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为平峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；分别为选点i在高峰、平峰和低谷时期的平均功率。

所述约束条件是当电力系统正常运行时，用户分别在高峰，平峰和低谷时段的正常运行所需要的功率。

所述步骤2）包括以下步骤：

（1）电力电子控制器在线采集各相的电流值，并且对于三相电流值进行排序比较，由此确定补偿情况；

（2）针对判断出的情况，确定投切动作，调补装置分为两个，其中一个为主要调补设备，另外一个为辅助设备，当出现前述补偿三种情况中的第一和第二种情况时，主要设备工作，当出现第三种情况时，两个设备都进行工作，并且要根据电流量确定补偿容量；

（3）测得调补后的电流量，计算三相不平衡率，判断是否满足三相平衡度要求，若不满足条件返回第一步，若满足条件执行控制策略。

所述电力电子控制器包括三相负载平衡自动调节补偿和相应的控制系统。其中控制系统包括输入单元、数据处理单元与输出单元；

输入单元包括位于电力电子控制器两端点的三相电流互感器，三相电流互感器对电力电子控制器两端点实时输入三相电流；数据处理单元对输入的三相电流进行解耦分析比较，确定补偿方式；输出单元包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动电力电子开关，控制三相负载平衡自动调节补偿部分的工作。

有益效果：本发明通过将三相不平衡切换装置和三相负载平衡自动调节补偿装置结合起来使用，大幅度减少补偿容量，并且不需要同时对三相进行补偿。另外还减少了设备使用数量，从而降低设备成本，再者，使得三相平衡程度更高了，功率因数更加接近于1。

附图说明

图1是本发明的控制策略执行流程图；

图2是本发明对于补偿情况判断的流程图；

图3是本发明电力电子设备电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示的是本实施例的控制策略执行流程图，其中包括配电台区三相不平衡切换装置的优化布点方案实施过程以及三相负载平衡自动调节补偿流程。其中三相不平衡切换装置优化布点的具体原理如下：

现有配电台区的每个节点下，均带有若干个无规律不相关的单相负荷用户，每个节点下的电力用户都是按照最初的单相负荷的分配方式分接到不同的相位上。

根据测量或统计数据得到负荷的不平衡特性，进行三相不平衡切换装置的预分配，也就是根据测量统计的数据，将各个节点单相用户分配到三相，尽量使系统接近三相平衡状态运行，同时也得到预分配之后每个节点在高峰、平峰和低谷时段的三相功率。

设定目标函数为：

（1）

式中

（2）

（3）

（4）

其中下标中的1，2，3分别表示用电高峰，平峰和低谷时段；，，为加权参数，分别代表高峰、平峰和低谷时段影响比重；表示为负荷节点编号；表示为总的负荷节点个数；，，分别表示为用电高峰，平峰和低谷时期的每相功率和平均功率的差的平方和，是三相不平衡总量的衡量；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为平峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；分别为选点i在高峰、平峰和低谷时期的平均功率。

并且满足约束条件，即当电力系统正常运行时，用户分别在高峰，平峰和低谷时段的正常运行所需要的功率。

最终确定在满足约束条件下的，求目标函数的最小值：

（5）

其中，，分别为第i个负荷节点用电高峰，平峰和低谷时期的功率；，，分别为用户在高峰，平峰和低谷时期的正常所需的功率。

整体优化过程采用分时段切换控制方案：每个节点都按照以下五种切换方式完成一轮切换（1）保持A相不变，B相和C相互换；（2）保持B相不变，A相和C相互换；（3）保持C相不变，A相和B相互换；（4）顺向切换，A相切换到B相，B相切换到C相，C相切换到A相；（5）逆向切换，A相切换到C相，C相切换到B相，B相切换到A相。根据换相后的高峰、平峰和低谷时段的三相功率，计算各时段每相的总功率和平均功率的差的平均和。在满足约束条件的情况下，确定使得目标函数值最小的节点，记录这类节点的编号以及不同时段对应的切换方式，然后剔除掉已记录节点。若不满足电网所规定的三相平衡度，则对剩下的节点进行潮流计算重新得到新的功率数据，重复上面切换的步骤，直到得到所选节点个数。具体所选节点的个数由具体系统情况而定。

仅采用上述方法解决了常规方法中的停电才能对配电台区中部分用户进行相序调整，并且在一定程度上解决了三相负荷不平衡的问题，满足一定三相不平衡度，这个三相不平衡范围较大，主要是对三相不平衡进行粗略的调整，下面对不平衡进行细调。

电力电子控制器主要包括三相负载平衡自动调节补偿和相应的控制系统。其中控制系统包括输入单元、数据处理单元与输出单元。输入单元包括位于控制器两端点的三相电流互感器，三相电流互感器对控制器两端点实时测量三相电流，得到三相电流数据。数据处理单元对输入的三相电流进行解耦分析比较，确定补偿方式。输出单元包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动电力电子开关，控制三相负载平衡自动调节补偿部分的工作。

三相负载平衡自动调节补偿装置（简称调补装置）的具体原理如下：

调补装置选用无源调补装置，在三相输电线以及中线这四根线中两两之间均分别接入一定量的电容器和电抗器，用来转移相间的有功功率，或者在重载相并联设备，减少无功功率在线路的流动，降低重载端电流，实现不平衡调整，使三相电流满足平衡要求，并且补偿无功功率，使得功率因数接近1。

调补装置治理三相负荷不平衡的目的是使原本往返于电源和负荷间的不平衡功率转移到负荷和调补装置之间，使得零序和负序分量在系统配网侧的电流为零，只含有正序分量，即实现系统的不平衡治理。由于补偿不改变电流有功部分的电流大小，并且补偿总是有一定偏差的，不能确保注入节点的负序电流完全降到零，以选用节点的实际测得的三相电流值作为判断量，将补偿设备安装在变压器出线端上，起到终端矫正的功能。

在三相四线制配电线路中，当三相负载电流不平衡时，在中性线上会产生较大的电流，再加上中性线路上的阻值比较大，会产生较大的功率损耗。中性线的线路功率损耗为：

（6）

式中

（7）

其中，，，分别为中性线，A相，B相，C相的电流矢量；为中性线线路功率损耗；为中性线的电流；为中性线的电阻值。

根据上式可得三相电流幅值相等且功率因数相同时，中性线电流为0，不产生线损。

当三相不平衡时需要调补装置投切电容，使得负载较大的有功功率部分转移到负载较小的相上，达到对不平衡的调整。

分析以AB相间投入的电容为例，用来说明有功功率相间转移的原理，三相电压视为对称。

对于A相方向，相间线电压，相电流为：

（8）

将相电流按照A相电压的方向分为与其平行分量和垂直分量：

（9）

有功电流分量与A相有功电流方向相反，减小了有功功率，减少量为：

（10）

无功电流分量超前A相电压方向90，补偿了A相无功功率，补偿量为：

（11）

对于B相方向，相间线电压，相电流为：

（12）

将相电流按照A相电压的方向分为与其平行分量和垂直分量：

（13）

有功电流风量与B相有功电流方向相反，增加了有功功率，增加量为：

（14）

无功电流分量超前A相电压方向90，补偿了B相无功功率，补偿量为：

（15）

根据上面分析得到在AB相间投入电容，可以将的有功功率从A相转移到B相，两者之间的无功功率也得到了一定量的补偿。此分析可以延伸到在BC相间投入的电容，将的有功功率从B相转移到C相,在CA相投入的电容，将的有功功率从C相转移到A相。

三相负载平衡自动调节补偿装置最终使得三相不平衡率降到允许的范围内。

以配电台区的总三相电流为补偿目标，根据测量得到的三相负载电流，分为三种情况进行补偿：

（1）若三相电流两两相差较大，根据检测到的电流进行排序，确定最大相和最小相，在两者之间头切入电容器组，将最大相的量转移给最小相。

（2）若三相当中其中一相明显大于另外两相，并且另外两相的电流值接近，那么在最大相并联电容器组吸收多余量，使得三相电流基本达到平衡。

（3）若三相当中其中一相明显小于另外两相，并且另外两相的电流值接近，此时需要两套设备，此时的无功补偿设备完全一样，这时在较大的两相并联电容器组，吸收多余部分，使得三相基本达到平衡，满足不平衡要求。

在三相负载平衡调节投入的相间跨接电容容量较大时，由于跨接电容在转移有功功率的同时同步补偿无功功率，很容易出现无功过补偿。因此本实施例中，先使用了三相不平衡切换装置优化布点方式，三相不平衡度已经较低，此时再采用调补装置，补偿量相比现有技术已经大为减少，设备容量也大幅降低，同时补偿方案的改变使得设备数量也减少。现有技术中的补偿设备需要三个，对三相进行同时补偿调整。

具体步骤如下：

（1）电力电子控制器在线采集各相的电流值，并且对于三相电流值进行排序比较，由此确定补偿情况。

（2）针对判断出的情况，确定投切动作，调补装置分为两个，其中一个为主要调补设备，另外一个为辅助设备，当出现前述补偿三种情况中的第一和第二种情况时，主要设备工作，当出现第三种情况时，两个设备都进行工作，并且要根据电流量确定补偿容量。

（3）测得调补后的电流量，计算三相不平衡率，判断是否满足三相平衡度要求，若不满足条件返回第一步，若满足条件执行控制策略。

将上述的三相切换优化布点与自动调补的方法相结合，使得无功补偿量大幅减少，避免出现无功过补偿的情况，同时也减少了调补装置的配置量，节约成本。

Claims (6)

1.一种配电台区三相不平衡分步调节方法，包括三相不平衡切换装置以及三相负载平衡自动调节补偿装置，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用三相不平衡切换装置调整三相不平衡负荷；

2）运用三相负载平衡自动调节补偿装置调整配电台区需要补偿的电容量。

2.根据权利要求1所述的配电台区三相不平衡分步调节方法，其特征在于，所述步骤1）包括以下步骤：

i）根据测量或统计数据得到负荷的不平衡特性，进行预分配，尽量使系统接近三相平衡状态运行，得到高峰时段、平峰时段和低谷时段的三相功率；

ii）按照五种切换方式切换每个节点的负荷得到各时段每相的总功率，并且计算各时段每相的总功率和平均功率差的平均和，接着在满足约束条件的情况下，通过目标函数方程得到不同点按照不同切换方式得到的目标函数值；

iii）挑选出目标函数值最小的节点，并记录下该节点编号及其控制方式，再除去已记录节点；

iv）判断是否达到所要求的三相平衡度，不满足返回步骤（ii）循环计算，直到满足三相平衡度要求；

v）满足三相平衡度要求后，最终输出优化选点以及相应的控制策略。

3.根据权利要求2所述的配电台区三相不平衡分步调节方法，其特征在于，所述目标函数 F为

（1）

式中

（2）

（3）

（4）

其中下标中的1，2，3分别表示用电高峰，平峰和低谷时段；，，为加权参数，分别代表高峰、平峰和低谷时段影响比重；表示为负荷节点编号；表示为总的负荷节点个数；，，分别表示为用电高峰，平峰和低谷时期的每相功率和平均功率的差的平方和，是三相不平衡总量的衡量；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为平峰时段的a,b,c三相的功率；，，分别表示为高峰时段的a,b,c三相的功率；分别为选点i在高峰、平峰和低谷时期的平均功率。

4.根据权利要求2所述的配电台区三相不平衡分步调节方法，其特征在于，所述约束条件是当电力系统正常运行时，用户分别在高峰，平峰和低谷时段的正常运行所需要的功率。

5.根据权利要求1所述的配电台区三相不平衡分步调节方法，其特征在于，所述步骤2）包括以下步骤：

（1）电力电子控制器在线采集各相的电流值，并且对于三相电流值进行排序比较，由此确定补偿情况，补偿情况分为以下三种：

a）若三相电流两两相差较大，根据检测到的电流进行排序，确定最大相和最小相，在两者之间切入电容器组，将最大相的量转移给最小相；

b）若三相当中其中一相明显大于另外两相，并且另外两相的电流值接近，那么在最大相并联电容器组吸收多余量，使得三相电流基本达到平衡；

c）若三相当中其中一相明显小于另外两相，并且另外两相的电流值接近，此时需要两套设备，此时的无功补偿设备完全一样，这时在较大的两相并联电容器组，吸收多余部分，使得三相基本达到平衡，满足不平衡要求；

（2）针对判断出的情况，确定投切动作，调补装置分为两个，其中一个为主要调补设备，另外一个为辅助设备，当出现前述补偿三种情况中的第一和第二种情况时，主要设备工作，当出现第三种情况时，两个设备都进行工作，并且要根据电流量确定补偿容量；

（3）测得调补后的电流量，计算三相不平衡率，判断是否满足三相平衡度要求，若不满足条件返回第一步，若满足条件执行控制策略。

6.根据权利要求5所述的配电台区三相不平衡分步调节方法，其特征在于，所述电力电子控制器包括三相负载平衡自动调节补偿和相应的控制系统，其中控制系统包括输入单元、数据处理单元与输出单元；

输入单元包括位于电力电子控制器两端点的三相电流互感器，三相电流互感器对电力电子控制器两端点实时输入三相电流；数据处理单元对输入的三相电流进行解耦分析比较，确定补偿方式；输出单元包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动电力电子开关，控制三相负载平衡自动调节补偿部分的工作。