低压配电网中三相不平衡装置设计与研究

科技创新与应用

创新前沿低压配电网中三相不平衡装置设计与研究*

许家益1，李小省1，凌晓斌1，汪宏华1，王智广1，王文林1，耿浩1，迟屹楠2

（1.国网安徽省电力公司黄山供电公司，安徽黄山242700；2.深圳市泰昂能源科技股份有限公司，广东深圳518133）要：由于负荷的不均匀分布造成我国低压配电网中长期存在三相不平衡问题，对供电和用电双方都将产生不利影响。为此文章设计的三相不平衡治理装置采用DSP为运算核心，控制T型结构的IGBT来调节电网中的三相电流，详细论述了装置系统和装置软、硬件的设计方法，并通过相关性能测试实验，验证了该装置的可行性和高效性。关键词：电力；电子；DSP

中图分类号院TM76

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2018冤08-0001-04

摘Abstract:Duetotheunevendistributionoftheload,thereisalong-termthree-phaseimbalanceprobleminthelow-voltagedistributionnetworkinChina,whichwillhaveanegativeimpactonbothpowersupplyandpoweruse.Therefore,thethree-phase

unbalancecontroldevicedesignedinthispaperusesDSPastheoperationcore,andcontrolstheT-structureIGBTtoadjustthethree-phasecurrentinthepowergrid.Thedesignmethodofthesystem,softwareandhardwareofthedeviceisdiscussedindetail,andthefeasibilityandefficiencyofthedeviceareverifiedbytherelevantperformancetestexperiments.

Keywords:electricpower;electronic;DSP

引言

在低压配电网中，三相电路的负载是处于不断变化的，特别是在农村电网中，由于农村用户的用电时间差异很大，单相负载较多，造成不平衡的情况尤为突出，给变压器的运行带来很大的负担，情况严重时将会直接烧毁变压器，降低了电网系统的安全性和可靠性[1]。当配网系统长期处于不平衡状态时，许多供电设备以及用电设备的安全运行将会大打折扣，供电企业的经济效益亏损，用户的生命财产安全在一定程度上受到威胁。因此，配电网中的三相不平衡问题亟需解决。

现有的调节方式主要通过电容的投切来平衡电网不平衡度[2]。手动的投切方式，需要人工去测量计算，需耗费大量的人力资源，并且效果不明显，实时性较差。自动投切方式不能有效的实时补偿，投切的电容量无法调节，精确性和连续性不够，功率消耗比较大[3]。所以无论是自动投切还是手动投切都不能有效地治理电网中的三相不平衡。

针对这种电网配电不平衡的情况，本文论述的三相不平衡治理装置，能根据电网当前的带载情况，自动地调节三相负载电流，具有很高的实时性和准确性，有效地解决了电网中三相不平衡问题。

1装置系统设计

装置的基本原理是先检测三相的负载电流，再将带载

图1系统主电路拓扑图

多的某相电流补偿到带载少的那一相，达到三相平衡。具

体是通过外部电流互感器CT，实时检测负载电流，并通过DSP计算，来分析负载中的三相不平衡程度，然后根据设置值来控制PWM信号发生器发出控制信号给内部IGBT，使逆变器产生满足要求的无功补偿电流，最终达到补偿三相不平衡的目的。主电路采用的是T型三电平拓扑，该拓扑由三个同样的单相T型IGBT模块组成，A，B，C三相分别有一套T型IGBT模块，该主电路拓扑图如图1：

由于A，B，C三相的IGBT模块完全一样，其工作方式完全一致，仅仅是相差120度，其中单相T型IGBT模块的工作状态可有图2分析出。通过DSP控制IGBT的关断来

*基金项目院国家电网公司科技项目资助渊合同号院SGAHHS00XTJS1600078冤

（1971-）国网安徽省电力公司黄山供电公司，研究方向：配电技术。作者简介：许家益，男，高级工程师，工作单位：

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2018年8期还需要根据实验情况进行调整，因为整个装置器件的损耗，线路的损耗，实际电压的波动等，这些都对电容的选取有或多或少的影响。

IGBT选型

装置的额定容量的大小决定了IGBT的选型范围，本次系统中的装置为50kvar，装置的额定电流有效值为IN=75A。据此算出的IGBT额定电流为：

IT>姨2伊1.5伊1.4伊IN抑220A公式21.5是过载系数；1.4是温度系数；IN为额定输出电流。IGBT的额定电压为：VCES>（Udc伊1.2+100）伊琢抑1139V公式3Udc为直流稳态电压；

1.2为过压保护系数；100为尖峰电压；琢为安全系数，取值1.1；根据以上系数，选择的IGBT型号为Vincotech的30-FT12NMA160SH02-M669F28。滤波电感选型

本装置的滤波器采用LCL滤波电路，电容的作用是滤去高频分量，增加低通电阻通路，电感则是减小纹波电流，但是电感的体积和重量比较大，如果不能合理设计则会造成装置过大过重。在分析计算时，在一定的频段内，可以将滤波电容等效为开路，滤波器电路可以简化为图3所示，其中L为总电感量。

图2单相T型三电平主电路拓扑图

使装置工作在整流或逆变状态。单相T字型IGBT模块单相拓扑如图2所示。

上述T字型三电平电路拓扑特点如下：拓扑中共有4个IGBT，4个二极管，还有电容组C1和C2；稳态下正负母线电压均等，都是Vdc。

力达到150MHz，能高效地保证整个装置的实时性和精确性。6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，同时可控制18路的PWM输出，并且包含6路高精度的PWM输出（HRPWM），芯片自带的16路采样通道可以很全面地支持装置对电网电压电流，负载电流等数据采样[4]。该芯片中的SCI模块可用于485通讯，为装置通信处理带来很大便利。

母线电容选型在实际应用中，桥式换流电路的直流侧需要配置电容元件，也就是母线电容，来进行储能，因为换流电路中存在部分谐波，其产生无功能量将会影响到逆变器的正常工作，同时母线电容元件也能有效地抑制直流侧的电压波动。母线电容大小的选取需要从实际角度出发，电容过大

会会增加整个装置的成本，并且会降低抵抗负序的能力，

导致过流情况频繁出现[5]。电容选取太小则会增加输出电流的谐波分量，特别是三次谐波，因为当系统工作在不平衡状态时，负序的电压引起负序电流，直流侧和交流侧会

在电容器上产生二倍频的电压波动。因此进行功率交换，

既不能过大也不能过小，可按电容的大小选择需要适中，

下面的公式来确定其基本值：

C=0.6In伊106滋F公式1棕伊Ud伊K棕为输出电压基波角频率；In为逆变器的额定工作电流；Ud为直流稳态电压；K为直流电压波动系数。

本次系统设计的直流电压为780V，根据公式可得到

电容值最佳值的选取电容C的取值，然而在实际应用中，

图3LCL等效电路

图4矢量图

根据电路得出电感计算公式如下：

·udL逸T公式4

8·imax

由以上公式计算出滤波电感值的大小范围，再根据实

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2018年8期TechnologyInnovationandApplication

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创新前沿调试等来综合确定L的大小。电感L的值是L1和际仿真，

L2的和，根据系统的传递函数可知，在L1与L2取相同值时，滤波器能发挥出最大效果，但由于桥臂中纹波电流是由L1决定的，所以L1与L2的值还需要根据实际调试情况来进行调整。

滤波电容值的确定

滤波电容C1的取值将会影响到纹波衰减能力和基波的无功电流，取值越小，印容抗越大，但取值过大将会增加结构设计成本，因此需选择合理的电容值来增强纹波衰减能力同时也能抑制基波无功电流。其基本取值范围可由以下公式确定：

1臆0.2伊棕L公式5s2棕sC12系统软尧硬件设计

为了能让装置安全并网，软件给系统规划了6个状态，目前用到的是4个状态：等待、自检、正常、故障状态。等待状态完成锁相及AD校正工作，自检状态完成母线电压值判断及继电器吸合工作，正常状态进行IGBT驱动使能，并对各采样信号进行控制。故障状态完成IGBT驱动封锁，并断开继电器。开机时，系统从等待、自检、正常状态依次跳转，若进入下一状态的条件不成立，则在当前状态循

系统先进入故障态封锁脉冲，并断开继电环运行。关机时，

若恢复则又进器，之后在故障状态下判断故障是否恢复，

入等待状态，重新进行开机流程。系统状态逻辑图如图5。

装置需要补偿三相电流，那么对采样电路的精确性要求很高，采样值将直接影响到DSP的计算。负载电流采样电路图如图6所示，负载侧的电流互感器CT变比为600:5，该电路采用双比较器的方式，首先将CT采集到的负载电

3uS棕1C1臆0.05伊Sc

2

公式6

图缘系统状态逻辑图

图6负载电流采样电路

图7电网电压采样电路

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2018年8期图愿功率和电能图10装置投入前数据

流信号转换成电压信号，通过双比较器LM393与3V的基

准电压比较，得到该相负载电流信号，输出采样电流范围是-0.5V到0.5V。

电网电压采样电路如图7，其原理与电流采样相似，

也是通过双向比较器L2904与3V的基准电压比较，其输出电压范围3是0V到3V。

3.1实验分析

通过功率系统效率代表kwA/B/C：有功功率分析试验

三相；；仪测得如下数据：HzkVA：电网：视在频功率率；Total；kvar：：各项无功功率求和；；VA/B/C；VrmsY：相：电压有效值rms吟：线电压有效值；Arms：相电流有效值。

效率计算公式为：效率=（1-（有功功率之和）（/视在功率之和））*100%可计算3.2相电VrmsY不平衡出效率为97.3%。流有效：值相电压有度测试；A/B/C/N效：值代表；VrmsA/B/C/N吟：线各电压有相；Hz效：电网值；Arms频率。

：

电流三相不平衡度的计算公式为：不平衡度=（（最大电流-最小电流）/最大电流）*100%。可计算出投入前的三相电流不平衡度为99.12%，投入

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图怨电压、电流和频率

图11装置投入后数据

装置后4的不平衡度为2.16%。

电能结束语

质量问题直接影响到现在人们的生活水平状态，特别是在农村低压电网中，这一问题尤为严重，本文研制的三相不平衡装置针对性地解决这一问题，从实验数据可以明显看出，在电网中投入该装置后，电网中的不平衡度控制在了5%以内，同时该装置具有高效性，对电网本身没有带来负担。并且为配合农村配电网的特殊地理环境，该装置的防水，散热，以及通信等方面都做了优化处理，可以有效的，实时的，稳定的保证电网的安全运行。参考文献[1]院

治理方方恒福盛万兴，王金丽，等.配电[2]2014王守法研究，相，王成[J].山中国电.现代配电机工程学报台区系统分，2015三相负荷不平衡（9）：817-821援实时在线[3]援

析[M].北京：高等教育出版社，治理林志雄[4]措施，[J].陈岩电力科学，蔡金锭与，技术学报等.低压配电网三相不平衡运，2009，24（行的影响及集处魏怀玺[5]理系统，李[J].兵电，渠慎丰子技术，应等用.基3）：63-67援，于DSP和ADS8364的高速数据采社，贝尼谢克2014援

.功率理论与电能2006质量，治理32（6）[M].：82-84北京援：机械工业出版