三相不平衡自動調節技術應用
2018-05-25 14:19:22
作者：電氣事業部 鄔若愚 王永曉 杜萬金
三相不平衡指的是電力系統中三相電流的幅值間有超出規定范圍內的差異。由于供電系統的用戶多采用單相負荷，且負荷大小與使用時間多不相同，所以三相不平衡現象是客觀存在著的。其對配電臺區造成的不良影響主要有以下幾個方面，首先將會導致配電臺區中重載相的供電電壓質量大幅下降，同時會造成配電變壓器和電路損耗的增加，降低變壓器的出力使得電能轉換效率下降，甚至由于三相負荷不平衡運行造成配電變壓器零序電流增大，引起的渦流損耗將危及其安全和壽命。因此降低配電臺區的三相不平衡度是目前急需要解決的問題。
圖1：三相不平衡
2017年5月，國家電網發布了《國網運檢部關于開展配電臺區三相負荷不平衡問題治理工作的通知》。該文件體現了國網公司對三相不平衡問題的重視程度。通知中要求，需按照“源頭預防、常態監測、科學施策、動態治理”的原則，來加強單相負荷接入均衡分配管理。還指出了三相負荷自動調節技術的兩種典型應用模式：換相開關型三相負荷自動調節裝置：以智能終端控制換相開關實現調節；電力電子型三相負荷自動調節裝置：集三相調節、無功補償、濾諧波為一體的智能裝置。
換相開關型三相負荷自動調節裝置是由一個智能換相終端和若干個換相開關單元組成。智能換相終端實時監測變壓器低壓側的三相不平衡情況，如果在一定周期內檢測到三相電流不平衡超限，則執行自動換相決策，讀取配電變壓器低壓側的三相電流和所有換相開關單元各負載支路的電流、時序實時數據，進行分析、判斷、優化計算，發出最優換相控制指令。各換相開關單元接收智能換相終端發出的指令，按照換相流程執行換相操作，實現帶載情況下用電負荷的相序調整，配電臺區三相電荷的平衡分配。
圖2：換相開關型三相負荷自動調節裝置
智能換相終端主要由互感器，數據采集芯片（A/D），數據存儲器（Flash和SRAM），數字信號處理器（DSP），狀態輸入回路，控制輸出回路，電源系統，顯示模塊，數據遠程通信接口等組成。工作時將通過互感器檢測到的信號通過數據采集芯片AD轉換等信號處理實現模數轉化后輸入系統，通過數字信號處理器進行計算和分析，得出最優解后與外界進行信息互換和數據傳遞。主要分為三個功能模塊：實時數據采集模塊，實時通信模塊以及綜合分析判斷模塊。其中綜合分析判斷模塊需要計算判斷得出換相操作的最優解，滿足配電臺區各低壓線路三相電流不平衡度最小，同時盡量減少開關調整次數，以提高裝置壽命。
換相開關單元主要由低壓負荷開關組成的開關陣列，其中也布置了互感器，數據采集芯片，數據存儲器，電源系統，顯示模塊，數據遠程通信接口等組成。工作時通過接收從智能換相終端傳來的控制命令，進行負荷換相開關的投切或是負載支路電流的檢測、采集、傳輸。主要分為三個功能模塊：實時數據采集模塊，實時通信模塊以及開關換相模塊。
換相開關型三相負荷自動調節裝置克服了傳統靠人工改線來調節三項不平衡的缺點，無需專人維護和管理，自動換相，不中斷用戶供電?？煽康挠布]鎖技術，防止相間短路，裝置能耗小，而且成本低。
電力電子型三相負荷自動調節裝置，包括低壓靜止無功補償裝置SVG和有源濾波器APF，是采用大功率可關斷型電力電子開關技術的電能質量綜合治理裝置。它通過快速檢測出接入處無功、負序、諧波電流，根據空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制方法產生觸發脈沖信號驅動控制晶閘管輸出與檢測到的無功、負序、諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，綜合解決配電臺區無功、諧波、電壓波動以及三相負荷不平衡等問題。
靜止無功補償裝置SVG是一種電源型逆變器，它通過外部電流互感器實時檢測負載電流，然后計算分析負載電流的無功含量，根據設定值來控制PWM 信號發生器發出控制信號給內部IGBT ，輸出幅值可調，相位角可調的電流或電壓，從而補償不平衡電流中的負序分量和無功損耗。主要分為三個功能模塊：檢測模塊，控制運算模塊以及補償輸出模塊。
圖3：靜止無功補償裝置SVG
靜止無功補償裝置SVG由互感器，信號處理電路，基于DSP的主控控制電路，CPLD信號接口單元，PWM信號驅動電路，IGBT三相變流器以及顯示電路等組成。工作時電流互感器檢測電網側電壓過零信號、負載電流、輸出電流以及直流母線電容電壓，經過信號處理電路后，送由DSP進行數字信號處理，快速檢測出需要補償的負序和無功電流，并與SVG產生的電流進行閉環控制比較，根據其差值產生觸發脈沖信號送給觸發脈沖發生模塊，最后由觸發脈沖發生模塊根據該信號產生適當的驅動脈沖，驅動IGBT輸出大小相等，方向相反的補償電流，從而達到補償的效果。
圖4：靜止無功補償裝置SVG接入電網
靜止無功補償裝置SVG通過電抗器并聯在電網上，能夠迅速的吸收或者發出所需的無功功率，實現快速動態調節無功的目的，還能夠快速的補償由于負載不平衡所產生的負序電流，始終保證流入電網的三相電流平衡，大大提高供用電的電能質量。