基于STATCOM與換相開關結合的三相不平衡治理方法

陸洲杰，吳光源，李俊波，李 爍，馮夢婷

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

由于低壓配電區域存在大量單相負荷隨機接入的情況，導致產生配電線路末端三相不平衡問題[1-2]。當配電網長時間在三相不平衡的工況下運行時，會給配電線路造成一系列不良影響，嚴重時會引起火災等災害，使電網無法正常穩定運行。

針對配電網三相不平衡問題，國內外學者已經做了大量的研究工作，并取得了一定成果。當前解決三相不平衡問題主要有負荷相序平衡法、配網重構法和負荷補償法3種方法[3]。文獻[3]介紹了解決三相不平衡的常用解決方案，對當前國內外治理配電網三相不平衡的現狀做了詳細概述。文獻[4]提出一種以降低配電網三相不平衡度為優化目標的配電網重構模型，但其重構周期較長，若縮短重構周期，則需要增加重構次數，從而會帶來開關損耗嚴重、人工成本增加等問題。文獻[5-6]介紹了一種基于自動換相的三相負荷平衡技術，通過在配網終端加入智能換相開關，并通過合理的換相算法實現對三相不平衡問題的調節，該方案可以有效治理三相不平衡問題，但由于智能換相開關在換相過程中會造成約20 ms的停電，對一些敏感的電氣設備依舊會產生影響。文獻[7]提出在低壓配電網側加入配電網靜止同步補償器(distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)來治理三相不平衡問題，并采用比例諧振(proportion resonant，PR)控制電流環對正弦量直接進行跟蹤調節，但在三相不平衡狀況下，DSTATCOM直流側電壓以及功率的二倍頻不能完全消除。

本文將智能換相開關與靜止同步補償器(static synchronous compensator，STATCOM)同時并入配電網來治理配電網三相不平衡[8]，首先通過智能換相開關對不平衡度進行調整，使不平衡度達到特定值，隨后通過STATCOM對不平衡度進行微調，使三相不平衡度降到最低，保證電網安全穩定運行，并提高電網的經濟效益。利用MATLAB/Simulink仿真軟件進行仿真分析，結果表明，該方法可以有效降低配電網三相不平衡度。

1 三相不平衡度計算

國標[9]規定，在配電網中公共接入點的三相不平衡度長時間內負序電壓(電流)不能大于2%，短時間內不平衡度不能超過4%。計算三相不平衡度的方法有很多種，由于本文主要針對三相電流不平衡進行治理，因此以電流不平衡為例，采用方法如下。

將三相電流中最大的相電流值與最小的相電流值做差，將差值比上三相電流的平均值后乘以100%，具體的計算如式(1)所示。

(1)

式中：ε為三相電流不平衡度；Imax為最大相電流值；Imin為最小相電流值；IA、IB、IC分別為各相電流值；Iav為三相電流平均值。

2 智能換相開關

智能換相開關可以實現低壓配電網中A、B、C三相之間的自動調節，當線路中的電流傳感器將電流數據上傳至云端后，云端通過對智能換相開關發送相應的指令[10]，使負荷盡可能平均分配在三相中，降低三相不平衡度。圖1是智能換相開關的結構圖，其中VS是反并聯晶閘管模塊，每只晶閘管只導通交流的正半周或負半周，一個周期的導通由2個晶閘管交替完成，KM是磁保持繼電器，圖2是云端對智能換相開關發送指令的流程圖。

圖1 智能換相開關的結構

圖2 換相指令流程

3 STATCOM的基本結構及工作原理

3.1 基本結構

STATCOM作為一種電網綜合補償設備，能夠快速有效解決配電網中三相不平衡的問題。當前用于三相四線制系統的主電路拓撲結構主要為四橋臂式結構和分裂電容式結構，如圖3所示，2種拓撲結構功能相同，但由于四橋臂式結構比分裂電容式結構多了一個橋臂，在治理三相不平衡問題時不夠穩定，所以需要更加復雜的控制策略，同時也會增加成本。在三相四線制電路中，分裂電容式結構的STATCOM與單電容結構的STATCOM相比，可以形成零序通路，對線路中電流的零序分量進行補償。因此，本文采用分裂電容式拓撲結構作為主電路結構。圖3中，L1、L2、L3、Ln分別表示各線路中的電感，Udc表示直流側的電容電壓。

(a)四橋臂式結構

(b)分裂電容式結構圖3 2種不同拓撲結構的STATCOM

3.2 工作原理

STATCOM的工作原理如圖4所示，通過電流互感器檢測出三相電路中的電流信號isa、isb、isc，通過計算得到需要補償的電流信號，并將所得的電流信號經過一系列處理，由逆變器產生相應大小的電流ia、ib、ic送到三相電路中，從而實現對三相不平衡問題的治理以及無功電流的補償。圖4中，isa、isb、isc分別表示配電網電流，iLa、iLb、iLc分別表示負載電流，ia、ib、ic表示STATCOM的補償電流，iN、in為中性線電流。

圖4 STATCOM工作原理

4 STATCOM補償電流的檢測以及直流側電壓穩定控制策略

圖5為傳統的三相四線制中ip-iq指令電流檢測方法的原理[11-12]。該方法利用鎖相環(phase-locked loop，PLL)和正余弦發生器得到與電網A相電壓同相的正余弦信號，以此來消除電壓畸變對檢測結果的影響。由于三相四線制系統與三相三線制系統的主要區別是三相四線制的中性線上存在零序電流，因此針對2種不同的系統所采用的指令電流檢測方法也有所不同，三相四線制系統傳統的指令電流檢測方法是通過三相電流中先分離出零序電流，然后運用ip-iq檢測法提取負序電流和無功電流[8]。

圖5 傳統ip-iq法原理

4.1 Clark變換和Park變換

在進行變換前，先建立αβ坐標系，將三相電流ia、ib、ic進行αβ變換得

(2)

(3)

由式(2)可知，三相電流ia、ib、ic經過Clark變換后得到的電流iα和iβ中不再包含有零序分量，但由于比例積分(proportional integral，PI)控制器對直流參考信號的跟蹤信號更佳，因此在Clark變換的基礎上，需要將靜止的αβ坐標系轉換為旋轉的dq坐標系，即Park變換。通過Park變換，可以得到有功電流分量ip和無功電流分量iq。

(4)

(5)

將經過Park變換得到的有功電流分量ip和無功電流分量iq分別通過低通濾波器，提取其中的直流分量iLp和iLq后，再經過Park逆變換和Clark逆變換得到基波電流分量iLaf、iLbf、iLcf。

當STATCOM對三相四線制線路進行不平衡補償時，對于基波負序分量來說，裝置產生的瞬時功率不為零，這會導致直流側電壓產生波動，同時對于分裂電容式結構的STATCOM，裝置產生的零序補償電流在經過直流側電容中線時會造成上下2個電容的電壓值不等。因此，要使分裂電容式結構的STATCOM正常穩定工作，就必須保證其直流側電壓的穩定，且維持上下電容電壓值相等。

4.2 直流側穩壓

使直流側電容穩壓的常用方法是PI控制法[13]，通過將線路中的電壓與參考電壓做差，將差值經過PI控制器，使PI控制器的輸出信號作為STATCOM的有功電流調節信號，然后疊加到瞬時有功電流上，以此來保持直流側電容電壓穩定。

4.3 直流側電容均壓

直流側電容均壓常用的方法是將STATCOM實際輸出的補償電流和經過運算得到的補償電流做差，將差值經過PI控制器，使PI控制器的輸出信號作為零序電流的直流偏置分量，并將該分量疊加到指令電流上，從而產生補償電流，以此來維持直流側2個電容的電壓相等。

5 方案建立及仿真驗證

5.1 仿真模型的搭建

圖6為三相不平衡整體的治理方案，具體治理流程如圖7所示。通過對線路中的電壓電流進行檢測，并實時計算線路中的不平衡度，當線路中出現不平衡問題時，控制中心首先向智能換相開關輸送指令，換相開關接收到指令后，根據最優換相策略進行換相操作，操作完后再一次進行不平衡度計算，并將治理后的三相電流不平衡度εx1與閾值εn和ε1比較，若εn<εx1<ε1時，停止用換相開關進行治理，采用STATCOM進行治理，當治理后的不平衡度εx2<εn時，結束三相不平衡的治理。

圖6 三相不平衡整體治理方案框架

圖7 三相不平衡治理方案流程

5.2 仿真驗證

對圖6的方案在MATLAB/Simulink上搭建模型進行仿真，圖8—圖10為仿真波形圖。圖8為三相電網電壓波形，由圖8可知，補償前后三相電網的電壓保持穩定不變。由圖9的波形可知，在未進行補償前，電流的幅值分別為38 A，18 A，14 A，不平衡度達到102%，在0.1 s時投入換相開關，三相不平衡度大大降低，此時三相電流分別為13 A，14 A，15 A，不平衡度為14%，在0.2 s時投入STATCOM對三相不平衡進一步調整，雖然在投入一瞬間電流不平衡度出現短暫升高，但最終經過STATCOM對電流的補償，使三相不平衡度趨近于零，達到了預期效果。

圖8 三相電網電壓波形

圖9 三相電網電流波形

圖10 PI控制下直流側電壓

在投入STATCOM時，STATCOM的直流側電壓要盡可能保持穩定，圖10為STATCOM直流側電壓波形，由圖10可知，直流側電壓在經過一些波動后趨近于穩定，由于最終三相沒有達到完全平衡，直流側電壓及功率的二倍頻不能完全消除。

6 結語

本文針對低壓配電網三相不平衡問題進行了簡要的綜述，提出一種新的三相不平衡治理方案，采用智能換相開關與STATCOM相結合的方式，首先通過智能換相開關對線路中的負荷進行大致平均分配，隨后通過STATCOM對線路中的無功電流進行補償，達到三相平衡的目的。最后利用MATLAB/Simulink仿真軟件對所提出的方案進行仿真驗證，仿真結果表明，所提方案可行，能達到預期目標。

本文所提方案可以對低壓配電網三相不平衡問題進行更精確的治理，使不平衡度盡可能降到最低。