三相不平衡自动调节技术应用
2018-05-28 14:20:02
作者：电气事业部 邬若愚 指导：电气事业部 杜万金
三相不平衡指的是电力系统中三相电流的幅值间有超出规定范围内的差异。由于供电系统的用户多采用单相负荷，且负荷大小与使用时间多不相同，所以三相不平衡现象是客观存在着的。其对配电台区造成的不良影响主要有以下几个方面，首先将会导致配电台区中重载相的供电电压质量大幅下降，同时会造成配电变压器和电路损耗的增加，降低变压器的出力使得电能转换效率下降，甚至由于三相负荷不平衡运行造成配电变压器零序电流增大，引起的涡流损耗将危及其安全和寿命。因此降低配电台区的三相不平衡度是目前急需要解决的问题。
图1：三相不平衡
2017年5月，国家电网发布了《国网运检部关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知》。该文件体现了国网公司对三相不平衡问题的重视程度。通知中要求，需按照“源头预防、常态监测、科学施策、动态治理”的原则，来加强单相负荷接入均衡分配管理。还指出了三相负荷自动调节技术的两种典型应用模式：换相开关型三相负荷自动调节装置：以智能终端控制换相开关实现调节；电力电子型三相负荷自动调节装置：集三相调节、无功补偿、滤谐波为一体的智能装置。
换相开关型三相负荷自动调节装置是由一个智能换相终端和若干个换相开关单元组成。智能换相终端实时监测变压器低压侧的三相不平衡情况，如果在一定周期内检测到三相电流不平衡超限，则执行自动换相决策，读取配电变压器低压侧的三相电流和所有换相开关单元各负载支路的电流、时序实时数据，进行分析、判断、优化计算，发出最优换相控制指令。各换相开关单元接收智能换相终端发出的指令，按照换相流程执行换相操作，实现带载情况下用电负荷的相序调整，配电台区三相电荷的平衡分配。
图2：换相开关型三相负荷自动调节装置
智能换相终端主要由互感器，数据采集芯片（A/D），数据存储器（Flash和SRAM），数字信号处理器（DSP），状态输入回路，控制输出回路，电源系统，显示模块，数据远程通信接口等组成。工作时将通过互感器检测到的信号通过数据采集芯片AD转换等信号处理实现模数转化后输入系统，通过数字信号处理器进行计算和分析，得出最优解后与外界进行信息互换和数据传递。主要分为三个功能模块：实时数据采集模块，实时通信模块以及综合分析判断模块。其中综合分析判断模块需要计算判断得出换相操作的最优解，满足配电台区各低压线路三相电流不平衡度最小，同时尽量减少开关调整次数，以提高装置寿命。
换相开关单元主要由低压负荷开关组成的开关阵列，其中也布置了互感器，数据采集芯片，数据存储器，电源系统，显示模块，数据远程通信接口等组成。工作时通过接收从智能换相终端传来的控制命令，进行负荷换相开关的投切或是负载支路电流的检测、采集、传输。主要分为三个功能模块：实时数据采集模块，实时通信模块以及开关换相模块。
换相开关型三相负荷自动调节装置克服了传统靠人工改线来调节三项不平衡的缺点，无需专人维护和管理，自动换相，不中断用户供电。可靠的硬件闭锁技术，防止相间短路，装置能耗小，而且成本低。
电力电子型三相负荷自动调节装置，包括低压静止无功补偿装置SVG和有源滤波器APF，是采用大功率可关断型电力电子开关技术的电能质量综合治理装置。它通过快速检测出接入处无功、负序、谐波电流，根据空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制方法产生触发脉冲信号驱动控制晶闸管输出与检测到的无功、负序、谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，综合解决配电台区无功、谐波、电压波动以及三相负荷不平衡等问题。
静止无功补偿装置SVG是一种电源型逆变器，它通过外部电流互感器实时检测负载电流，然后计算分析负载电流的无功含量，根据设定值来控制PWM 信号发生器发出控制信号给内部IGBT ，输出幅值可调，相位角可调的电流或电压，从而补偿不平衡电流中的负序分量和无功损耗。主要分为三个功能模块：检测模块，控制运算模块以及补偿输出模块。
图3：静止无功补偿装置SVG
静止无功补偿装置SVG由互感器，信号处理电路，基于DSP的主控控制电路，CPLD信号接口单元，PWM信号驱动电路，IGBT三相变流器以及显示电路等组成。工作时电流互感器检测电网侧电压过零信号、负载电流、输出电流以及直流母线电容电压，经过信号处理电路后，送由DSP进行数字信号处理，快速检测出需要补偿的负序和无功电流，并与SVG产生的电流进行闭环控制比较，根据其差值产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生模块，最后由触发脉冲发生模块根据该信号产生适当的驱动脉冲，驱动IGBT输出大小相等，方向相反的补偿电流，从而达到补偿的效果。
图4：静止无功补偿装置SVG接入电网
静止无功补偿装置SVG通过电抗器并联在电网上，能够迅速的吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功的目的，还能够快速的补偿由于负载不平衡所产生的负序电流，始终保证流入电网的三相电流平衡，大大提高供用电的电能质量。