基于变频电源的三相不平衡治理方案研究
随着国民经济的增长，电网用电负荷的急剧增多，电网中三相不平衡问题也日益严峻[1-2]。三相不平衡产生的原因包括[3-4]：(1)配电网侧存在大量时空分布不均衡的单相负荷，导致多数配电台区存在不同程度的三相不平衡；(2)用户用电过程中的随机性和不确定性，以及越来越多大功率负载的使用，会加重单相电网的负荷，从而导致三相不平衡。三相不平衡会对配电网和用户侧产生严重的危害，主要体现在：(1)增加线路的电能损耗，在三相四线制的配电网侧，当三相负载不平衡运行时，中性线上有电流流过，不但相线上有电能损耗，中性线也产生损耗，从而增加了电网的损耗；(2)增加配电变压器的电能损耗，配电变压器作为低压配电网侧的重要设配，在三相不平衡情况下运行时，会造成配变损耗的增加；(3)配变产生零序电流，该电流随着三相不平衡度的增大而增大，引起的涡流损耗使得配电变压器局部温度升高，导致设备寿命降低；(4)影响用电器的正常工作，三相不平衡导致供电质量降低，从而影响用电器的工作。三相不平衡度的降低不仅可以稳定电网电能质量，而且减少电网电能的损耗，节约能源。
目前针对三相不平衡的解决办法主要有三种。一是通过人工换相的方式，该办法需要长期对区域内的三相不平衡进行检测，通过分析，将负载平衡地接入每一相，但由于在换相过程中需要断电，不满足安全性的要求。二是在配电侧接入无功补偿装置来治理电网中存在的三相不平衡，无功补偿装置是通过吸收三相中较高相上的电流，对较低相电流进行补偿的方式进行调节，但该装置对于线路整体调节的效果有限，无法保证线路整体平衡。三是通过智能机械开关的换相技术治理电网中的三相不平衡[5-6]，该技术通过实时检测并对智能机械开关进行控制能够保持整体上的平衡，但在换相过程中会对电网和负荷产生冲击。
针对上述方案的不足，本文提出了一种基于变频电源的三相不平衡在线治理方法。通过在用户侧安装以变频电源为核心的换相装置，配合在配电台区的三相不平衡检测装置，在线调整负载在A、B、C相序之间的切换，从而达到将负荷平衡分配在各相电压上。文中从负荷平衡的角度给出了基于变频电源的换相装置设计实现方法和控制终端的功能实现方案，建立了变频电源的数学模型，并借助MATLAB工具仿真验证了变频电源的有效性和合理性，最后，通过对变频电源的初步样机进行换相测试，验证了在不断电的前提下切换负荷相位的可行性与合理性。
1 三相不平衡的治理思路
为了从根本上解决三相不平衡问题，基于负荷平衡分配的思路，设计了以变频电源为核心的治理方法。该方法不仅能够将某一区域内的负荷调整至最大限度的平衡，而且在调整的过程中保证电网电能质量的稳定性，在负荷不断电的前提下实现相位切换，达到整体平衡。此外，由于三相不平衡度是一个实时的动态变量，因此还需要满足在线性的要求。针对上述需求，基于变频电源的三相不平衡治理研究的总体思路为：在配电台区低压用户侧设置智能管理终端，实时地检测该区域内的三相不平衡度，通过分析得到负载平衡分配时的换相指令；变频电源作为换相装置的核心构成部分，安装在三相电网侧与负载侧之间，通过接收智能管理终端发送的指令执行换相，在整个换相过程中起着至关重要的作用，此外电网控制中心更符合泛在电力物联网中的信息流，对智能电网[7]的建立有着重要作用。基于变频电源的三相不平衡治理方法的总体示意图如图1所示。其总体结构可分为智能管理终端、三相子结点和换相单元三个层次。智能管理终端设置在低压配电侧的最前端，检测整个低压配电区域内的三相不平衡度；三相子结点为配电台区输出的若干三相分支，下接换相单元连接负载侧，其中换相单元可接若干个负载，并控制负载分配的相位。
2 三相不平衡治理的实现方案
2.1 变频电源的换相实现方案
变频电源作为负载在相位切换过程中的过渡电源，可以控制负载在A、B、C相位间的切换，选择变频电源作为过渡电源能够保证负载在切换过程中不掉电，保证负载的正常工作。
基于变频电源的三相不平衡治理方案中换相单元选择继电器来控制变频电源的输入输出，一个换相单元包括101～303共3组9个继电器，变频电源的换相系统结构框图如图2所示，利用变频电源实现负载从A相到B相的换相方案流程如图3所示。
2.2 变频电源换相方案的组成结构
2.2.1 变频电源的系统组成部分
变频电源采用AC-DC-AC的基本电路结构，选择电压型逆变电路，电压型逆变器输出效率高，结构稳定，且易于调制。调制方式选择空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)技术，该技术最初应用于三相逆变电源，此处将SVPWM技术应用于单相逆变电路中，可实时的调整电路输出电压的相位。
变频电源的系统组成部分包括：整流电路、逆变电路、滤波电路、霍尔传感器、比较器、处理器、通信模块和弱电模块，其结构示意图如图4所示。
2.2.2 智能控制终端的组成部分
智能控制终端安装在配电台区的最前端，由控制单元、互感器、电能计量芯片、存储器、远程通信单元、显示单元和电源模块组成。智能终端组成部分的示意图如图5所示，其功能实现方式为：(1)通过电流互感器和电压互感器提取电网中的电压和电流信号，将提取到的信号输入到电能计量芯片中，电能计量芯片经过分析计算可以得出电网中电压、电流、频率、有功功率和无功功率等电能质量参数，处理器通过SPI的方式读取电能计量芯片计算的参数，并计算电网中的三相不平衡度；(2)处理器将所读取的参数进行存储、分析，当电网中的三相不平衡度超限时，分析电网中各个分支的电流，得出需要换相的负载的指令；(3)通过远程通信模块，将分析得出的换相指令发送给变频电源，变频电源接收到换相指令之后，执行换相。
3 仿真结果及实际结果分析
3.1 仿真结果分析
针对基于变频电源的三相不平衡的治理研究，借助MATLAB中Simulink工具包对变频电源进行建模[8-9]，并对仿真结果进行分析。仿真的各项参数为：三相电压Um=100 V，滤波电容C=179 0 μF，滤波电感L=100 mH，负载R=10 Ω。根据所确定的参数建立变频电源的基本模型，并对两个相位信号的切换过程进行仿真，其仿真结果示意图如图6所示。
假设相位信号的切换为从A相切换至B相，图中在0～0.06 s内为电网A相供电，0.06 s时切换至变频电源供电，输出与电网A相同相位的电压波形，0.06～0.188 3 s为变频电源供电，0.188 3 s时变频电源切换追踪信号，0.188 3～0.25 s内变频电源输出与B相同相位的电压波形，由此实现变频电源的换相过程。从仿真结果可以得出在理想情况下负载相位切换满足在10 ms内切换的要求，可以实现负载电压的无缝切换。
3.2 实验结果分析
根据实验要求，按照变频电源的功能实现方案将所设计的变频电源进行换相测试。三相电网的实验平台通过变压器、接触调压器和断路器搭建。实验以设计的变频电源的基本模型为核心，选择STM32F407为控制器，逆变器的开关频率f=10 kHz，滤波电容C=100 0 μF，滤波电感L=475 μH，为了保证实验过程的安全，变频电源的输出电压Vo=35 V，负载灯泡的额定电压为U=24 V，开关单元由9个继电器组成，分别按照图2所示的连接方式接入电路。实验过程：变频电源接收指令将负载从A相切换至B相，指令信号通过远程通信模块LoRa发送。图7(a)、(b)、(c)为示波器Tektronix TDS2024C测试到换相过程中负载的电压波形，(a)为由电网切换至变频电源供电时的负载电压波形，(b)为变频电源切换追踪信号时的负载电压波形，(c)为由变频电源切换至电网时的负载电压波形。图中，通道1为负载电压波形图，通道2为当前相位信号A相，通道3为追踪相位信号B相；图中x轴每格为10 ms。
图中电网波形发生畸变的原因是在搭建可调三相电压源的过程中接触调压器引入的畸变，电网电压在正常情况下不会产生畸变，为理想的正弦波。
根据负载侧的电压波形可以得出在相位切换过程中变频电源切换追踪信号过程和从变频电源切换至电网电压过程可以实现无缝切换，从电网电压切换至变频电源的过程也能都满足10 ms内切换的要求。电网与变频电源输出电压有效值均为35 V，由于电网电压畸变，使得从示波器观察幅值略高于变频电源输出电压幅值，实际测量中两者有效值相等。负载电压波形通过霍尔传感器提取，实际值与提取值的比例为20:1。
4 结论
本文提出了基于变频电源的三相负荷平衡方案，并通过实验验证，为解决三相不平衡问题提出了新的思路和解决方案。
以变频电源为核心的三相负平衡治理方案，在换相过程中变频电源作为负载的过渡电源，能够平稳地在不影响负载正常工作的前提下切换相位，将三相电网调整至平衡状态，从根本上解决低压侧的三相负荷不平衡问题。
变频电源与低压配电网侧总控制中心协同工作，能够实时自动地调整电网中的三相不平衡。
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作者信息:
卫 娜1，赵二刚1，李亚东1，俞 梅1，李春明2，张建军1
