低压配电网的有源三相不平衡补偿装置应用分析

丁宁

摘要：由于供电范围和供电需求在近年来极大地扩张，导致电能的质量难以得到充分的保证，三相不平衡作为衡量电能质量的一个重要指标，其分布的均匀情况与电流的质量密切相关，若电流的三相由于其他的中性点电流而导致在电路中存在明显的不平衡状态，那么则会为客户带来严重的用电安全隐患，为此，本文对电路中的三相不平衡补偿装置的应用进行了分析与研究。

关键词：低压配电网;有源三相装置;不平衡补偿

电能作为一种环保型易于传输的绿色能源，在我国的社会发展与经济建设中发挥着巨大的作用，并且随着人们生活水平的提升，我国城市化建设与工业化建设步伐的迈进，对电能的需求呈现出逐年上升的趋势，对我国供电企业的供电规模与供电效率提出了更高的要求，与此同时，保证电能的质量也是不容忽视的一部分工作，良好稳定的电能供应对于人们生活的正常有序进行十分重要，同时也是各种电力系统与电力设备稳定运行的保证。电路系统中的三相不平衡不仅有可能在电路中产生谐波电流进而损坏电路中的变压器，线路中由于三相不平衡电流导致的无功电流增大还会导致线路的损坏以及变压器的耗损，导致线路中的电压出现过高或过低的问题，电能的质量将大幅下降。由此可见，在电能质量评估的过程中，三相不平衡已经成为了一项重要的指标，对低压配电网下的有源三相不平衡电流补偿方式与补偿装置的研究对提升供电企业的供电质量和供电安全性能具有非常积极的作用。

一、有源三相不平衡补偿装置概述

近年来，电力技术与电子行业以较快的速度取得了巨大的发展，而绝大部分电力装置四基于非线性的用电负载进行工作的，由于低压配电网环境之下的用户绝大部分是采取单相负荷的形式用电，并且用电得到时间具有不协调和不确定性，导致配电网络在工作过程当中极易出现三相不平衡问题，对于电力系统的稳定和用电设备的正常工作造成了消极影响，长期处于这样工作状态下的用电设备损耗速度与损耗程度均增大，不利于社会生产的正常进行，所以对三相不平衡的电能进行补偿和调节使其平衡度有所提升是我国研究学者的研究热点内容之一。传统意义上的三相不平衡补偿装置分为有源补偿装置和无源补偿装置两种[1]。

无源补偿装置往往是通过采取手动进行电容器或者电抗器电路的设计来实现，在线路中找到对地的电容不平衡的一相在其中设计电容器或者是电抗器使得线路的三相得到有效的调节，在参数上达到平衡，这种方法具有操作简单和经济成本低的特征，所以在早期的三相不平衡补偿装置设计过程中得到了十分广泛的使用，这黄忠补偿方法是一种无源的补偿方式，原理是通过对电力系统中的容性无功进行吸收，与此同时在线路中释放出感性无功进而实现三相平衡度的提升[2]，以电容补偿器为例，电路示意图如图1所示。但是由于这种方法需要对线路中各相电流的具体参数进行准确测量才能实现理想的补偿效果，而现代的供电线路日趋复杂，并且无时不刻处于变化的状态当中，对其参数难以实现实时精确的测量，并且电网在实际的运行过程当中不断变化，采用传统的方法非但不能快速精确跟踪到电网的实际运行状况以及具体参数情况[3]，还不能实现对三相不平衡过电压的抑制，由于在线路中还可能存在高次谐波，采用电容补偿的方式会将谐波放大，调节不灵活而导致这种补偿模式下的动态三相不平衡补偿效果欠佳。通过同步电机为线路中的电能提供无功功率是另一种无源三相不平衡补偿的方式[4]，当系统发现电路中存在不平衡过电压时，电机的工作模式则确定在欠励磁模式下运行，在此模式下工作的同步电机能够实现对电路中无功功率的吸收，使得系统的电压整体降低，而如果电路中的电压较低，则电机工作在过励磁的模式之下，这种模式使得系统的无功功率增加，电压上升，通过这样的调节模式实现电路系统中电压的稳定，能够对电路的电压实现双向的调节，这种装置的示意图如图2所示。但是电机在工作过程中容易产生较大的噪声，并且系统对三相不平衡状况的调节速度较慢，实时性不佳。静止无功补偿器作为另一种常见的无源三相不平衡补偿装置，主要是通过控制不同的开关对电容或电抗进行投切，使得补偿装置能够具备吸收或者释放无功电流和无功功率的功能，在线路中为不平衡的一相电流提供稳定的系统电压并且实现功率因数的优化，对于不平衡系统中原有的高频震荡电流也有一定的抑制作用[5]，但是这种系统在电路的电压下降到一定程度时释放和吸收无功功率的功能就会有所下降，对于系统的补偿效果不理想。

由此可见，无源的三相不平衡补偿装置已经无法适应电网的高速运行对补偿装置提出 的更高需求，而有源三相不平衡补偿装置则能够弥补无源装置的缺陷，对于传统意义上的交流电传输模式进行改进，使得电路的不平衡可控性得到大幅度的提升与改进，这一过程主要依赖于全控电力电子器件的使用，具有代表性的是通过有源滤波器方法削弱系统中的高频谐波并且对线路中少量的电流三相不平衡进行补偿，装置主要是基于运算电路和补偿电路两大组成部分完成补偿功能，在工作过程中，运算电路能够对电网中的电压與电流数据进行实时检测与采集记录，通过其运算和分析计算出系统所需要的无功功率补偿量，再由已经设计好的补偿电路对电路中不平衡的三相分别进行补偿，这种方法具有较好的实时性，响应速度较快，并且在补偿电路三相不平衡的同时还具有提升系统的原有功率因数的作用，具有良好的电路动态补偿性能[6]，同时能够抑制电路中的谐振现象的出现，示意电路图如图3所示。此外，静止同步补偿也是一种常用的有源三相不平衡补偿装置，基于自换相变流技术原理，装置将直流电容和变压器等电力设备结合起来，使得电压在出现不平衡状况时装置随时切换不同的工作状态对不平衡进行调节，实现对系统无功功率的释放或者吸收功能，当装置工作于感性状态时，具有释放无功功率的功能，能够使得系统的过电压状态得到缓解，当其工作于容性状态时，系统所具备的功能是吸收无功功率，使得电路系统的电压升高。这种补偿方法具有易于控制且装置体积较小的特点，并且电路中涉及到的电抗值较小，能够实现大范围的三相不平衡调节，实时性和稳定性均比较理想，对于系统瞬时稳定性的改进和调整性能均有较大幅度的改进，整个系统中噪声较小，阻尼震荡被抑制的同时实现了对电路电压的稳定控制，补偿效果良好。装置示意图如图4所示。该方法已经逐步发展成为有源三相不平衡补偿装置的主要发展方向之一，但是由于其发展时间有限，所以在某些设计技术方面仍旧处于初级的理论研究阶段。

二、有源三相不平衡补偿装置中电流的检测方法

2.1优势特征

从上文的分析可以看出有源三相补偿装置与传统的无源三相不平衡补偿装置相比具有非常明显的优势，首先是能够在接入补偿装置的同时最大程度维护原有电路的稳定运行状态，与原有的电路网络具有较为良好的友好性，如果对有源三相不平衡补偿装置的功率控制电路以及滤波电路进行改进还能够极大程度地控制电网在运行过程中的信号干扰问题和电路污染问题，保证在接入补偿装置的同时不影响原有电网的抄表工作顺利进行。其次，能够对于用电系统中存在的问题进行实时的监控与及时地解决，通过在有源三相不平衡补偿装置中加入电能质量的监控设备对电能的数据进行分析得出电路系统中存在的安全隐患，基于大数据的预测技术加以分析[7]，进而实现在客户端电路工作效率的提升与进一步优化，创新与改进原有的电路网络治理方案。最后，有源三相不平衡补偿装置在具备高可靠性、环境适应性的同时，能够实现线上的实时通讯，将系统分析得出的电路网络问题实时上传使得在电网系统中的远程通信具有了更多的可能性，同时在实际的工作过程中具有更高的补偿效率，理想的补偿装置能够达到接近于98.5%的补偿效率，对补偿装置的拓扑结构进行优化，更为科学的滤波单元设计能够将补偿效率进一步提升，补偿装置的性能与其他装置相比优势十分显著。

有源三相不平衡补偿装置的主体是大功率的电力电子元件，可以在通过对此元件中的电路进行优化和参数的调整实现其在电网中的变流功能，主要依赖于主动对电路中的不平衡电流进行检测并且提供用于补偿电路中不平衡的无功电流所需的电流信号进而实现电路中三相不平衡的补偿，该装置在实际的工作过程当中可以将其等效为一个流控电压源，逆变器在设计的过程当中利用了三相四线的桥臂电路结构，使得电路具有了较高的直流侧电压利用效率，在滤波单元采用具有较高功率因数的滤波电路设计，在装置的实际工作过程中，通过基于电流互感器的电流信号采集装置对电路系统中的电流信号进行采集，在此基础上通过控制器将电流信号中的零序与负序电流进行分离，之后通过功率变换器产生用于抵消系统中这些电流的电流信号进而实现电路中存在的三相不平衡补偿电流，这一调节过程随着电流的动态变化也处于动态的变化和不断的调节过程当中。

2.2电流检测方法分析与研究

在有源三相不平衡补偿装置的工作过程当中，对系统的电流数据进行检测是非常重要的一部分。从检测原理方面考虑，现有的电流检测方法有以下几种：

其一，通过傅里叶时域分析法进行检测，这种检测模式下，对于系统中存在的异常畸变电压和电流的基波谐波特性能够实现同步检测，并且能够通过进一步的数据分析与推算得出系统中其他的参数分量，但是在这种检测模式下，需要进行的计算过程比较复杂，并且由于涉及到了积分运算使得系统的实时性欠佳，此外如果系统的电压存在畸变的问题，那么在分析过程中消耗的时间将对系统的检测精度造成影响，并且这种检测模式在开始计算时就对电路波形的参数进行了假设，预设电路系统当中的波形处于稳态并且采样的周波为整数，当电路系统中的电能具有了高频或者低频信号时，其采样的频率就不能满足系统的需求，导致采集的数据准确性下降，不适合处于动态变化的电路三相不平衡补偿装置中电流信号的检测与数据的提取采集。

其二是基于小波变换的电流检测方式，这种方式由傅里叶方式进行改进之后得出，通过采用小波函数对电路系统中的电流信号进行伸缩与变换操作实现小波正交的分解操作，在此基础之上对电流信号的时域与评与特性进行分析和采集，这种方法已经被广泛使用于电路系统的电流检测工作过程当中，并且由于计算过程的优化，克服了傅里叶变换方法中的延时性问题，但是计算的复杂度并没有降低，導致在采用这种方法进行电流检测的过程中对于软件功能的依赖性较大，如果软件算法设计不合理，将使得装置的工作效率和检测精度受到影响，并且虽然对于动态的电流信号具有良好的跟踪与检测效果，但是在静态谐波的检测方面灵敏度不高，相关的研究工作目前也有待进一步深化和完善。

其三是在电力系统电流检测算法的设计中灵活运用神经网络的方法进行信号的分析，将电流信号作为神经网络模型的输入信号，在网络模型的输出端得出信号的不同特征计算结果，具有良好的理论研究成果，但是这种检测模式在实际的运用过程当中存在没有大量的电网数据对网络进行训练的问题，并且这一问题在较短的一段时间之内难以有效解决，实际应用与电流系统的检测还有待进一步开发和实践。

其四是 电流检测方法，这种方法主要是针对APF、SVG方法下的三相不平衡补偿装置对系统中的电流进行补偿，由传统的 电流检测方式演变而来，检测的具体过程是通过对系统中的不含零序电流进行park变换之后得出电流中的 分量与 分量，继而通过装置的滤波单元实现直流分量的提取最终得到理想的基波正序平衡电流参数，对系统中瞬时的电流变化进行检测与计算分析，进而实现电路中三相不平衡的补偿，在这种方法中最后能够得出电路系统中平衡的基波正序分量表达式如下所示：

（1.1）

从上面的公式中能够看出在电路系统中的 方向基波的正序分量是表现为直流的分量，由此可以进一步推测出基波负分量在实际装置工作过程中的推算过程，整个计算过程是一种非线性的变换过程，是通过频率的变换以及坐标系的移动实现电路系统中不平衡的补偿，在进行变换的过程中，原始的电路信号在装置中会发生变化，直接转换为直流的电路信号对其数据进行采集，使得原始信号在此过程中频率发生变化，其中的差频信号也被有效地体现出来，可以看出电流信号具备了一定的二倍频脉动特性，所以只有在频率符合一定条件时才能够实现直流分量的转换，在工作过程中需要主义保持原有信号的频率稳定状况。该种方法在实际中也存在一定的局限性，如果系统中发生了不对称的电流状况，将使得系统检测的精度大幅度下降，为了保证装置电流的检测精度，在实际 的运用过程中要充分确认装置中合成的电路矢量与计算得出的基波分量具有相同的同步相位，尽可能消除相位差对检测精度带来的消极影响。

三、低压配电网下有源三相不平衡补偿装置应用步骤

在补偿装置的电路参数确认过程当中，为了能够实现装置能够输出接近理想状态的直流电容电压波形，有必要对装置在工作过程中实际输出的电流信号进行功率的分析，主要对电路中的负序信号数据进行计算和采集，更有针对性地对电路系统中的谐波电流进行采集与补偿，在此基础上基于傅里叶变换的原理对输出的信号进行优化，提升电网系统中的谐波率并且与此同时降低系统基波中谐波电流的成分含量。此外，基于仿真软件对补偿装置的实际工作状况进行仿真也是十分必要的，在此过程中主要是获取电路中不同相位的阻值以及电流的不平衡状态，分析之后可以适当对补偿装置的个数和分布的位置进行调整，提升对电路无功功率的补偿效率。

另外，在电流采集方式的选择过程中，负荷端电流采集方式作为比较基本并且操作简答的电流采集方式，虽然通过将电路系统中符合端的电流作为运算和分析信号的方式能够实现对电流信号更好的跟踪性能，但是由于信号的分析时基于负载短短分析，而三相不平衡补偿装置不仅仅要实现在负载端的不平衡补偿，还需要对电源端的三相不平衡进行补偿，所以补偿效果不均衡。而电流端的电流采集方式虽然能够避免上一种方法的缺陷，同时能够对装置中输出的电能质量进行评估，但是明显提升了装置的设计与控制难度。复合电流采集的方式则是将两种不同的电流采集方式结合在一起，这种采集模式之下，能够将之前的两种模式中体现出来的补偿优点有机结合在一起，显著提升系统的三相不平衡补偿效果，本文最终选择这种采集方式作为补偿装置的电流采集模式，其原理图如下：

四、结束语

综上所述，在电力系统需求和规模不断扩大的发展阶段，电能质量的保证与提升成为了供电企业亟待解决的关键问题之一，通过对有源三相不平衡补偿装置中的运算算法和滤波方式进行改进与优化有望实现补偿效率的显著提升。

参考文献

[1]葉铁丰，陈伟，潘锡杰，高戟.低压配电网的有源三相不平衡补偿装置应用分析[J].电子世界，2020（04）：155-156.

[2]高世宇，谭风雷.低压配电网三相不平衡补偿装置研究[J].电力安全技术，2019，21（01）：39-45.

[3]刘晨怡. 智能低压配电装置对改善电能质量的综合应用研究[D].上海交通大学，2016.

[4]张海鹏，林舜江，刘明波，黄晓彤.低压配电网无功补偿及效益评估系统的开发和应用[J].电力系统保护与控制，2016，44（04）：129-136.

[5]杨文锋，王彬宇，程卓，申玲波，熊小伏，欧阳金鑫.城市中低压配电网降损规划决策方法[J].电网技术，2014，38（09）：2598-2604.

[6]王良，郝荣泰.三相不平衡有源无功和高次谐波补偿器跟随特性的研究[J].电工技术学报，1993（03）：21-26+41.

[7]王良，郝荣泰.三相不平衡有源无功和高次谐波补偿器的分析与实验研究[J].电工技术学报，1993（02）：41-45+11.