熊子菡

摘? 要：我國民用電網(wǎng)中大多采用的是三相四線制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)會有零序電流的存在。因此在進(jìn)行平衡零序電流的時候則會比平衡三相三線制電路更復(fù)雜。文章將三相平衡理論作為核心思想，利用Y-變換平衡三相負(fù)荷，保障電力系統(tǒng)可以安全運(yùn)行。此基礎(chǔ)上，利用simulink建模仿真，證明該補(bǔ)償理論不僅對所有三相四線制系統(tǒng)是適應(yīng)的，還可以實現(xiàn)三相四線制系統(tǒng)的電流平衡化。

關(guān)鍵詞：三相四線制;三相平衡理論;動態(tài)補(bǔ)償

中圖分類號：TM761.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0018-02

Abstract： The three-phase four-wire system is mostly used in the civil power grid in our country， which will have zero sequence current. Therefore， it is more complex to balance the zero sequence current than the balanced three-phase three-wire circuit. In this paper， the three-phase balance theory is taken as the core idea， and the Y-transformation is used to balance the three-phase load to ensure the safe operation of the power system. On this basis， using simulink modeling and simulation， it is proved that the compensation theory is not only suitable for all three-phase four-wire systems， but also can realize the current balance of three-phase four-wire systems.

Keywords： three-phase four-wire system; three-phase equilibrium theory; dynamic compensation

1 研究背景

在當(dāng)前我國民用電網(wǎng)運(yùn)行中三相電流不平衡的現(xiàn)象普遍存在。三相電流、電壓的不平衡對整個供電系統(tǒng)都會造成干擾，危害到電網(wǎng)設(shè)備正常運(yùn)行，增加電路的消耗，影響用戶的正常用電。在低壓環(huán)境中，又會影響正常的通訊質(zhì)量。為應(yīng)對人們?nèi)找嬖黾拥碾娏恳约半娔苜|(zhì)量的需求，對電力系統(tǒng)三相不平衡的研究十分必要。

2 三相不平衡對于電氣設(shè)備的危害

（1）出現(xiàn)零序電流，導(dǎo)致變壓器局部溫度變高，嚴(yán)重時會導(dǎo)致安全事故。（2）損壞變壓器、降低其壽命。（3）變壓器負(fù)載不平衡會引起電壓的不對稱，此時就會存在正、負(fù)、零相序三個電壓分量，出現(xiàn)零序電流，零序電流就會產(chǎn)生磁場，磁場會讓金屬的局部溫度增高，這樣會消耗一定的無功功率，從而給發(fā)電機(jī)帶給更大的損傷。

3 電能質(zhì)量的治理

3.1 解決電壓問題

電力系統(tǒng)中，無功功率與電壓的變化有關(guān)，無功功率的產(chǎn)生對電動機(jī)產(chǎn)生危害。我國民用電網(wǎng)過于龐大，當(dāng)前只能通過局部解決問題的方式來解決問題，在用戶端的就地補(bǔ)償與變電器補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行補(bǔ)償，改善電壓問題。根據(jù)平衡特點(diǎn)，無功補(bǔ)償設(shè)備裝置應(yīng)就地平衡。

3.2 提高功率因數(shù)

功率因數(shù)的補(bǔ)償方式有高壓集中補(bǔ)償、低壓成柜補(bǔ)償和低壓分散補(bǔ)償?shù)取８邏杭醒a(bǔ)償，主要是從電源方向，其補(bǔ)償?shù)姆秶邢?，只能補(bǔ)償?shù)礁邏耗妇€之前;低壓成組使用范圍為低壓，其補(bǔ)償范圍適中，其電容器也就放到了低壓母線上;低壓分散補(bǔ)償能夠補(bǔ)償所有等級的電壓線路，只需要將電容器分散的裝在各個用電設(shè)備的附近即可。應(yīng)用時多種補(bǔ)償方式相互結(jié)合，取長補(bǔ)短。

3.3 解決諧波問題

諧波會危害到電力設(shè)備與裝置。在解決諧波問題的時候，必須將其作為一個整體來思考。從濾波的角度來說可以安裝交流濾波器和使用有源濾波器，從設(shè)備上提供串接電抗器于電容回路，從數(shù)量上減小諧波源的諧波含量，從效果考慮增大供電系統(tǒng)容量。也可以考慮從減小諧波對并聯(lián)電容器的影響出發(fā)、電力電容器的諧波過載能力和電容器對系統(tǒng)諧波阻抗的影響等。

4 Steinmetz平衡化原理

4.1 平衡化的實現(xiàn)

在電力系統(tǒng)中，負(fù)荷是隨時都會發(fā)生變化的。正是因為負(fù)荷會隨時發(fā)生變化，所以需要增加Steinmetz應(yīng)用的廣泛性。我們可以通過計算，得到需要補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)納，補(bǔ)償電流等。當(dāng)我們得知補(bǔ)償電流，就可以控制SPWM中發(fā)出的信號控制IGBT，從IGBT出來的電流就可以實時的補(bǔ)充到電網(wǎng)，以給予補(bǔ)償。此方法是切實可行的。

在SPWM模塊中，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。以下是一個在實際生活中不平衡電荷的解決方法，其主電路的原理如圖1所示。

PI調(diào)節(jié)器的算法是通過測量電路系統(tǒng)的實際電壓U（t）和理想電壓Uref做比較。從對比當(dāng)中我們可以得到誤差電壓E（t），通過PI將偏差E（t）的比例（P）和積分（I）線性組合，從而得到統(tǒng)一的系統(tǒng)，從而構(gòu)成控制輸出量B（t），線性化之后就可以得到觸發(fā)角信號。當(dāng)在有了信號之后，觸發(fā)環(huán)節(jié)皆可以產(chǎn)生觸發(fā)脈動從而將信息反饋給主電路，然后可以將產(chǎn)生的電壓差通過閉環(huán)控制反饋給PI。

由于負(fù)荷不可能一成不變，所以平衡裝置可以做成分級或者是連續(xù)的。如果是單相負(fù)荷，兩個方案有一定的區(qū)別，第一種方案其開關(guān)主要決定是否將電抗器接入;第二種方案由觸頭決定電抗器接入電路系統(tǒng)的大小。但是在這種情況下，這樣就會出現(xiàn)超出一些通電設(shè)備的功率從而造成損壞。如果三相的負(fù)荷都不平衡，就像是現(xiàn)在的民用電網(wǎng)由于各式各樣的負(fù)載接入導(dǎo)致三相負(fù)荷的不平衡，而且功角的絕對值都接近于90°，那么可以采用三相不同容量的電容器組作為平衡裝置。對于一般情況而言，我們可以采取哪里不平衡就平衡哪里，用C性器件接到不平衡電壓上面就可以平衡。

一般情況下，采取哪里不平衡就平衡哪里的原則，用C性器件接到不平衡的電壓上就可以完成目的。電容器組的選擇和接發(fā)取決于負(fù)序等值電流I2？撞的相角？漬2？撞。

額定電壓下，電容器組的總?cè)萘繛?/p>

4.2 Steinmetz實現(xiàn)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，我國民用電網(wǎng)大多采用的是三相四線制的結(jié)構(gòu)，這樣會造成ABC三相負(fù)荷的不平衡，而Steinmetz的平衡理論的前提是三相對于N相的負(fù)荷需要平衡，所以要先對其進(jìn)行平衡，使得：

IN=Ia+Ib+Ic=0? ? （式2）

通過平衡之后，就可以直接采用Steinmetz的平衡理論來平衡ABC三相負(fù)荷。

5 進(jìn)行仿真

5.1 建立模型

因為在Steinmetz中采用的是閉環(huán)控制。在基于不平衡的負(fù)荷無功補(bǔ)償?shù)姆抡婺Ｐ?，包含PWM模塊、三相電源、IGBT模塊電路的寄生電感、補(bǔ)償電容模塊、Steinmetz計算導(dǎo)納模塊等。

在Steinmetz模型中電流與電壓是基本輸入信息，相應(yīng)的采用Steinmetz模塊中相應(yīng)數(shù)學(xué)加減乘除，通過積分就可以計算出補(bǔ)償導(dǎo)納，從而根據(jù)這些信息得到補(bǔ)償導(dǎo)納。

5.2 仿真結(jié)果

在對系統(tǒng)進(jìn)行仿真之后，得到一個結(jié)果，并將在系統(tǒng)Steinmetz沒有投入運(yùn)行的時候仿真系統(tǒng)模型整個系統(tǒng)的三相電流波形與使用Steinmetz補(bǔ)償后的系統(tǒng)的三相電流作比較。

從圖2、3中可以看出剛開始系統(tǒng)的N相是有電流波動的，然后通過Steinmetz的補(bǔ)償，可以看到在0.13秒左右IN的電流已經(jīng)平衡為零了，并且在后續(xù)的波形中，可以明顯的觀察到三相平衡了，即電流大小相等，相位相差120°。說明Steinmetz的平衡原理也是可以應(yīng)用在三相四線制的系統(tǒng)中，并且可以有效的平衡。

由第一套裝置可以看出在第二套平衡裝置投入運(yùn)行時IN的電流已經(jīng)由第一套補(bǔ)償裝置補(bǔ)償完畢，IA、IB和IC三相基本穩(wěn)定了，使Steinmetz真正運(yùn)用到了三相三線制的系統(tǒng)中，可以看出其相應(yīng)的波形三相運(yùn)行穩(wěn)定，大小和相位也都相應(yīng)的平衡了，通過仿真之后看到之后改善效果就十分明顯。

6 結(jié)論

本文通過探討我國民用電網(wǎng)三相不平衡問題，分析Steinmetz的平衡理論的應(yīng)用，并對其進(jìn)行仿真，并計算出結(jié)果，由此判斷Steinmetz的平衡理論對民用電網(wǎng)中的平衡是否有作用。通過模型模塊設(shè)計、計算，驗證了補(bǔ)償理論的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王江彬，田銘興，陳敏，等.基于Steinmetz理論的三相四線制不平衡電流補(bǔ)償[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2016（09）：20-26.

[2]梁毅，商文穎.三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償技術(shù)[J].東北電力技術(shù)，2008（12）：18-22.

[3]張竟飛.面向不平衡負(fù)荷的無功功率補(bǔ)償研究與設(shè)計[D].西安電子科技大學(xué)，2012.