斯坦梅茨三相平衡理論在民用電網上的應用

熊子菡

摘? 要：我國民用電網中大多采用的是三相四線制系統，這種系統會有零序電流的存在。因此在進行平衡零序電流的時候則會比平衡三相三線制電路更復雜。文章將三相平衡理論作為核心思想，利用Y-變換平衡三相負荷，保障電力系統可以安全運行。此基礎上，利用simulink建模仿真，證明該補償理論不僅對所有三相四線制系統是適應的，還可以實現三相四線制系統的電流平衡化。

關鍵詞：三相四線制;三相平衡理論;動態補償

中圖分類號：TM761.1? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0018-02

Abstract： The three-phase four-wire system is mostly used in the civil power grid in our country， which will have zero sequence current. Therefore， it is more complex to balance the zero sequence current than the balanced three-phase three-wire circuit. In this paper， the three-phase balance theory is taken as the core idea， and the Y-transformation is used to balance the three-phase load to ensure the safe operation of the power system. On this basis， using simulink modeling and simulation， it is proved that the compensation theory is not only suitable for all three-phase four-wire systems， but also can realize the current balance of three-phase four-wire systems.

Keywords： three-phase four-wire system; three-phase equilibrium theory; dynamic compensation

1 研究背景

在當前我國民用電網運行中三相電流不平衡的現象普遍存在。三相電流、電壓的不平衡對整個供電系統都會造成干擾，危害到電網設備正常運行，增加電路的消耗，影響用戶的正常用電。在低壓環境中，又會影響正常的通訊質量。為應對人們日益增加的電量以及電能質量的需求，對電力系統三相不平衡的研究十分必要。

2 三相不平衡對于電氣設備的危害

（1）出現零序電流，導致變壓器局部溫度變高，嚴重時會導致安全事故。（2）損壞變壓器、降低其壽命。（3）變壓器負載不平衡會引起電壓的不對稱，此時就會存在正、負、零相序三個電壓分量，出現零序電流，零序電流就會產生磁場，磁場會讓金屬的局部溫度增高，這樣會消耗一定的無功功率，從而給發電機帶給更大的損傷。

3 電能質量的治理

3.1 解決電壓問題

電力系統中，無功功率與電壓的變化有關，無功功率的產生對電動機產生危害。我國民用電網過于龐大，當前只能通過局部解決問題的方式來解決問題，在用戶端的就地補償與變電器補償的方式進行補償，改善電壓問題。根據平衡特點，無功補償設備裝置應就地平衡。

3.2 提高功率因數

功率因數的補償方式有高壓集中補償、低壓成柜補償和低壓分散補償等。高壓集中補償，主要是從電源方向，其補償的范圍有限，只能補償到高壓母線之前;低壓成組使用范圍為低壓，其補償范圍適中，其電容器也就放到了低壓母線上;低壓分散補償能夠補償所有等級的電壓線路，只需要將電容器分散的裝在各個用電設備的附近即可。應用時多種補償方式相互結合，取長補短。

3.3 解決諧波問題

諧波會危害到電力設備與裝置。在解決諧波問題的時候，必須將其作為一個整體來思考。從濾波的角度來說可以安裝交流濾波器和使用有源濾波器，從設備上提供串接電抗器于電容回路，從數量上減小諧波源的諧波含量，從效果考慮增大供電系統容量。也可以考慮從減小諧波對并聯電容器的影響出發、電力電容器的諧波過載能力和電容器對系統諧波阻抗的影響等。

4 Steinmetz平衡化原理

4.1 平衡化的實現

在電力系統中，負荷是隨時都會發生變化的。正是因為負荷會隨時發生變化，所以需要增加Steinmetz應用的廣泛性。我們可以通過計算，得到需要補償的導納，補償電流等。當我們得知補償電流，就可以控制SPWM中發出的信號控制IGBT，從IGBT出來的電流就可以實時的補充到電網，以給予補償。此方法是切實可行的。

在SPWM模塊中，沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。以下是一個在實際生活中不平衡電荷的解決方法，其主電路的原理如圖1所示。

PI調節器的算法是通過測量電路系統的實際電壓U（t）和理想電壓Uref做比較。從對比當中我們可以得到誤差電壓E（t），通過PI將偏差E（t）的比例（P）和積分（I）線性組合，從而得到統一的系統，從而構成控制輸出量B（t），線性化之后就可以得到觸發角信號。當在有了信號之后，觸發環節皆可以產生觸發脈動從而將信息反饋給主電路，然后可以將產生的電壓差通過閉環控制反饋給PI。

由于負荷不可能一成不變，所以平衡裝置可以做成分級或者是連續的。如果是單相負荷，兩個方案有一定的區別，第一種方案其開關主要決定是否將電抗器接入;第二種方案由觸頭決定電抗器接入電路系統的大小。但是在這種情況下，這樣就會出現超出一些通電設備的功率從而造成損壞。如果三相的負荷都不平衡，就像是現在的民用電網由于各式各樣的負載接入導致三相負荷的不平衡，而且功角的絕對值都接近于90°，那么可以采用三相不同容量的電容器組作為平衡裝置。對于一般情況而言，我們可以采取哪里不平衡就平衡哪里，用C性器件接到不平衡電壓上面就可以平衡。

一般情況下，采取哪里不平衡就平衡哪里的原則，用C性器件接到不平衡的電壓上就可以完成目的。電容器組的選擇和接發取決于負序等值電流I2？撞的相角？漬2？撞。

額定電壓下，電容器組的總容量為

4.2 Steinmetz實現的拓補結構

當前，我國民用電網大多采用的是三相四線制的結構，這樣會造成ABC三相負荷的不平衡，而Steinmetz的平衡理論的前提是三相對于N相的負荷需要平衡，所以要先對其進行平衡，使得：

IN=Ia+Ib+Ic=0? ? （式2）

通過平衡之后，就可以直接采用Steinmetz的平衡理論來平衡ABC三相負荷。

5 進行仿真

5.1 建立模型

因為在Steinmetz中采用的是閉環控制。在基于不平衡的負荷無功補償的仿真模型，包含PWM模塊、三相電源、IGBT模塊電路的寄生電感、補償電容模塊、Steinmetz計算導納模塊等。

在Steinmetz模型中電流與電壓是基本輸入信息，相應的采用Steinmetz模塊中相應數學加減乘除，通過積分就可以計算出補償導納，從而根據這些信息得到補償導納。

5.2 仿真結果

在對系統進行仿真之后，得到一個結果，并將在系統Steinmetz沒有投入運行的時候仿真系統模型整個系統的三相電流波形與使用Steinmetz補償后的系統的三相電流作比較。

從圖2、3中可以看出剛開始系統的N相是有電流波動的，然后通過Steinmetz的補償，可以看到在0.13秒左右IN的電流已經平衡為零了，并且在后續的波形中，可以明顯的觀察到三相平衡了，即電流大小相等，相位相差120°。說明Steinmetz的平衡原理也是可以應用在三相四線制的系統中，并且可以有效的平衡。

由第一套裝置可以看出在第二套平衡裝置投入運行時IN的電流已經由第一套補償裝置補償完畢，IA、IB和IC三相基本穩定了，使Steinmetz真正運用到了三相三線制的系統中，可以看出其相應的波形三相運行穩定，大小和相位也都相應的平衡了，通過仿真之后看到之后改善效果就十分明顯。

6 結論

本文通過探討我國民用電網三相不平衡問題，分析Steinmetz的平衡理論的應用，并對其進行仿真，并計算出結果，由此判斷Steinmetz的平衡理論對民用電網中的平衡是否有作用。通過模型模塊設計、計算，驗證了補償理論的正確性。

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