基于配電網(wǎng)不平衡和諧波問題及解決策略

岳威

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，用電需求也不斷增加，這就需要加強(qiáng)對配電網(wǎng)的有效管理，才能夠確保電力輸送的穩(wěn)定性和安全性。但是，在配電網(wǎng)的實際運(yùn)行過程中，存在各種因素導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡的情況，也會產(chǎn)生諧波的問題，對配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成了不利影響。本文將對配電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡和諧波的問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)諧波不平衡解決措施

近年來，我國的社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，不僅提高了人們的生活質(zhì)量，也改變了人們的工作習(xí)慣。如今在配電網(wǎng)終端中應(yīng)用到了更多的電力電子變換裝置，如辦公、照明、空調(diào)等。在這些電力電子變換裝置的幫助，人們的用電質(zhì)量得到了顯著提升，但與此同時也可能導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)不平衡和諧波的問題，如果不采取有效措施進(jìn)行優(yōu)化，極有可能導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)三相電壓不平衡的現(xiàn)象，還有可能造成一定的線路損傷，導(dǎo)致變壓器的損耗不斷增加，甚至可能導(dǎo)致中性點電壓出現(xiàn)偏離的情況，嚴(yán)重影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行，可能存在潛在的配電網(wǎng)安全風(fēng)險[1]。因此，針對配電網(wǎng)不平衡和諧波問題采取有效的措施進(jìn)行優(yōu)化，是保障配電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要途徑。

1配電網(wǎng)不平衡和諧波問題的基本概念

在社會經(jīng)濟(jì)水平的提高下，我國的用電需求正在不斷增加，用電類型也與日俱增，這就使得如今的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)朝著更加復(fù)雜的趨勢發(fā)展。隨著負(fù)荷類型的不斷增加，以及用戶用電時間的不斷延長，配電變壓器臺區(qū)很容易出現(xiàn)三相不平衡的嚴(yán)重問題，如果沒有及時采取有效措施，那么在用戶用電需求不斷增加的背景下，該問題會更加突出，最終影響配電網(wǎng)的正常運(yùn)行[2]。

三相不平衡的問題如果一直存在，會影響整個電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電壓不穩(wěn)、電壓偏移、線路損壞、變壓器耗能增加等嚴(yán)重后果。針對配電網(wǎng)不的問題，許多專家學(xué)者紛紛進(jìn)行，學(xué)者紛紛進(jìn)行了討論和研究。例如，王茂海采用瞬時功率法開展研究的過程中，針對無功功率元件進(jìn)行探討，證明了如何有效實現(xiàn)對其的不平衡補(bǔ)償[3];喬琨等人則對晶閘管控制電抗器的方式進(jìn)行了研究，找到了有效的不平衡補(bǔ)償辦法[4];林志雄等人分析了配電網(wǎng)不平衡所帶來的嚴(yán)重危害，并針對這些危害提出了一定的解決策略，但是從實際應(yīng)用來看這些解決策略缺乏操作性：如果在進(jìn)行無功補(bǔ)償時只采用單一的裝置，就會限制不平衡補(bǔ)償?shù)男Ч瑹o法達(dá)到預(yù)期，如通過TCR雖然能夠達(dá)到一定的補(bǔ)償效果，但是這種設(shè)備的體積較大，且造價較高，在實際運(yùn)行過程中也可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的諧波問題;而通過電源濾波器進(jìn)行不平衡補(bǔ)償時，需要較大的容量才能實現(xiàn)補(bǔ)償操作，并且這一措施需要較高的成本[5]。

2配電網(wǎng)不平衡和諧波問題的解決策略

2.1晶閘管投切電容過程

如果在無功容量方面，補(bǔ)償器所有相存在一定差異，就會改變其配電網(wǎng)中的負(fù)荷。因此當(dāng)負(fù)載較為穩(wěn)定的情況下，需要從分布式補(bǔ)償?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，首先對晶閘管投切電容進(jìn)行分析，確定其總體容量后，再實行有效的分組工作[6]。因此，在實際工作中，需要對相關(guān)裝置進(jìn)行有效設(shè)定，并對控制內(nèi)容進(jìn)行合理科學(xué)的簡化，避免出現(xiàn)分組細(xì)化的情況。晶閘管投切電容擁有較多的控制形式，因此為了達(dá)到不平衡補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)，可以通過無功補(bǔ)償法進(jìn)行有效控制。

2.2確定有源濾波器

首先，為了三相三線制系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，在選擇有源濾波器時必須以適宜作為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，并通過變壓器引出其中線[7]。在處理配電網(wǎng)不平衡和諧波問題的過程中，需要充分發(fā)揮有源濾波器的價值和作用，不斷根據(jù)問題的現(xiàn)實情況優(yōu)化方案，從而盡可能將優(yōu)化方案的成本降到最低。在三相三線制系統(tǒng)中，有源濾波器在進(jìn)行無功檢測時能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時檢測，同時在輸出的過程中采用三角波控制的方法來提高檢測效果。其次，為了讓有源濾波器的作用最大限度地發(fā)揮出來，進(jìn)行操作時一定要準(zhǔn)備好規(guī)范化的保護(hù)措施，主要包括以下幾點。

2.2.1要對直流測充電電流情況進(jìn)行有效控制

有源濾波器在使用過程中，需要先在直流側(cè)進(jìn)行有效的充電，在這一過程中，有源濾波器的元件上會產(chǎn)生較大的電流，因此需要采取有效措施嚴(yán)格控制電流的流過。一般情況下，在通電的初始階段進(jìn)行控制時會采用全電阻模式，在通電0.5s后會減少50%的電阻，在通電1s后將電阻切斷。

2.2.2要對充放電流情況進(jìn)行有效控制。

有源濾波器在進(jìn)行工作的過程中，直流側(cè)的電流會慢慢下降，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)無功功率的有效補(bǔ)償。在這一過程中，直流側(cè)充電PI調(diào)節(jié)器發(fā)揮著重要的作用，如果其P值相對較高，則可能提升直流測充電電流，如果不采取有效措施進(jìn)行控制，就可能損壞有電路。因此，在有源濾波器的工作過程中，需要有效控制P值的大小，要有效調(diào)整PI的放大系統(tǒng)。在運(yùn)行的初始階段，可以讓P值保持在較小的數(shù)值上，并根據(jù)運(yùn)行過程中直流電壓的變化情況逐漸增加，從而對充電電流進(jìn)行有效控制。

2.2.3如果負(fù)荷的變化速度較快，則需進(jìn)一步加強(qiáng)對充放電流的控制

有源濾波器在進(jìn)行無功監(jiān)測的過程中，因為瞬時檢測效果可能使負(fù)荷出現(xiàn)較快的變化速度，這就導(dǎo)致有源濾波器的大容量無功補(bǔ)償比TSC速度更快，就可能導(dǎo)致主電路中出現(xiàn)大量電流，甚至可能導(dǎo)致電路損壞。此時可以采用“限無功法”的方式來優(yōu)化，確保有源濾波器能夠在其全控型器件的幫助下實現(xiàn)對最大無功功率的控制，從而使充放電電流得到有效降低。

2.2.4要對裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效控制

如圖1所示，是一種針對配電網(wǎng)不平衡和諧波問題的有效綜合治理辦法。從圖1的治理裝置結(jié)構(gòu)中可以看到，TSC控制和APF控制是該裝置的開關(guān)，能夠進(jìn)一步簡化控制的內(nèi)容，同時APF能夠檢測電網(wǎng)入口位置的電流情況，從而對諧波進(jìn)行有效控制，避免過多諧波進(jìn)入到上級電網(wǎng)中。但是這種治理結(jié)構(gòu)同樣存在一些不足之處，例如，作為容性SVC的TSC很有可能和電網(wǎng)阻抗出現(xiàn)作用，從而產(chǎn)生諧振的問題，這會對配電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成一定影響。

由于APF的成本是由具體的容量決定的，并且APF的成本和大容量TSC的成本相比更低，因此在進(jìn)行大容量無功補(bǔ)償時可以選擇TSC，讓配電網(wǎng)不平衡的問題得到有效解決，隨后再利用APF有效補(bǔ)償TSC帶來的極差影響，從而解決產(chǎn)生的諧波問題，讓配電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量得以提升。

3配電網(wǎng)不平衡和諧波問題解決策略的現(xiàn)實應(yīng)用

本文通過Matlab、Simulink平臺對上述解決方式進(jìn)行仿真實驗，并得到了相應(yīng)的實驗參數(shù)，如表1所示。表2則是不平衡負(fù)荷的相關(guān)參數(shù)。

首先，在進(jìn)行容量情況的確定時，采用分布式補(bǔ)償方法。同時，從電網(wǎng)負(fù)荷的實際情況分析，設(shè)置相應(yīng)的相地和相間分組。其中在相地組中，通過Y接方法來實現(xiàn)對零序電流的補(bǔ)償，確保達(dá)到6kvar的單位容量;在相間組中，則通過△接方法實現(xiàn)對負(fù)序電流的補(bǔ)償，確保達(dá)到2kvar的單位容量。

在控制有源濾波的實際容量時，一般采用全電容補(bǔ)償?shù)霓k法，實現(xiàn)有效劃分無功補(bǔ)償組的目的。將TSC級差作為參考依據(jù)，并結(jié)合負(fù)載諧波含量進(jìn)行考慮，讓APF的容量能夠控制在有效范圍內(nèi)。這種方式不僅可以讓無功補(bǔ)償?shù)男Ч玫接行嵘?，也能夠讓諧波的問題得到有效依據(jù)，計算公式如式（1）所示：

（1）

式中，E的含義是配電網(wǎng)的電壓實際數(shù)值;Ud則代表了有源濾波器的直流側(cè)電壓情況，ω則代表了配電網(wǎng)系統(tǒng)的角頻率，L則是指在串聯(lián)電感下的具體電感值;I則代表補(bǔ)償?shù)膶嶋H電流值。

從實際數(shù)據(jù)分析來看，由于TSC級差的范圍在8kvar左右，因此可以得出以下計算式子：電流加上1/4的三項不可控整流橋電流就等于APF容量下的電流情況，計算結(jié)果可以得出答案38A。隨后，分析APF容量電流在裕度的影響下的變化，得出結(jié)論APF所產(chǎn)生的總補(bǔ)償電流約為50A。根據(jù)公式計算，可以得到以下計算結(jié)果，如表3所示。

將表3中得到的計算結(jié)果直接在仿真平臺上進(jìn)行模擬實驗，在進(jìn)行補(bǔ)償實驗之前，可以看出三相電流的波形情況，如圖2（a）所示，同時也可以看出中線電流的波形情況，如圖2（b）所示。

從圖2中可以看出，在補(bǔ)償之前，配電網(wǎng)中存在較為嚴(yán)重的三相電流不平衡情況，也存在較為一的諧波問題，尤其是從圖2（b）中可以看出中線電流存在過大的問題。因此，可以通過容量選取法對TSC進(jìn)行有效控制;而通過三角波比較法對APF進(jìn)行有效控制，在采取兩種辦法進(jìn)行補(bǔ)償后，可以從圖3中看到補(bǔ)償后的三相電流與中線電流波形情況。

從圖3中可以看出，在采取了相應(yīng)的補(bǔ)償措施后，不但三相電流不平衡的問題得到了有效解決，同時也對中線電流進(jìn)行了有效控制，確保中線電流維持在20A左右，從而有效地解決了諧波的問題，讓中線電流量大大降低，有利于進(jìn)一步加強(qiáng)配電網(wǎng)運(yùn)行的安全性質(zhì)量。

3結(jié)語

綜上所述，配電網(wǎng)中三相電流不平衡的現(xiàn)象極為常見，并由此帶來了較為嚴(yán)重的諧波問題，因此，必須通過有效的改進(jìn)措施來解決不平衡和諧波的問題。本文通過對全電容補(bǔ)償法進(jìn)行有效優(yōu)化，并通過晶閘管投切電容器對不平衡問題進(jìn)行有效治理，同時結(jié)合有源濾波器的使用進(jìn)一步提高綜合治理的質(zhì)量和效率，并在“限無功法”和“變P法”的幫助下，加強(qiáng)保護(hù)有源濾波器的實際使用效果，讓裝置的穩(wěn)定性得以提升。最后，通過Matlab、Simulink平臺對綜合治理的策略進(jìn)行實驗驗證，證明該方案的理論方向正確，且擁有一定的可操作性，控制方法更為簡便快捷，控制裝置的體積相對較小，建造成本相對較低，因此可以在實際中推廣使用，有效解決配電網(wǎng)中的不平衡和諧波問題，為配電網(wǎng)的正常運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

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