低压配电网三相不平衡动态补偿措施及实验研究 - 图文-

1、第26卷第6期2009年12月现代电力Modern Electric Power Vol 126No 16Dec 12009文章编号:100722322(20090620017204文献标识码:A 中图分类号:TM 714低压配电网三相不平衡动态补偿措施及实验研究赵吴鹏,刘其辉,周浩,张瑜(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206Three 2phase Imbalance Dynamic Compensation Measures and ExperimentalR esearch on Low 2voltage Distribution N et w orkZhao Wupeng

2、,Liu Qihui ,Zhou Hao ,Zhang Yu(School of Electrical and Electronic Engineering ,North China Electric Power University ,Beijing 102206,China 摘要:低压配电网中三相不平衡会导致负序电流的产生,负序电流会在电网中产生损耗,并影响变压器及电动机的正常运行。为消除三相不平衡现象,利用双向晶闸管控制电抗器、电容器并配合12脉动技术,平衡低压电网三相不平衡,消除负序电流。根据补偿原理,设计硬件系统和软件系统,搭建实验平台进行研究。结果表明,该设计能实现节能降损,另外,

3、12脉动技术降低了晶闸管向系统中注入的谐波,改善了电压质量,无需滤波器,节省成本。关键词:低压配电网;12脉动;负序电流;三相不平衡;节能降损 基金项目:国家高技术研究发展计划(863项目(2008AA05Z 216Abstract :The t hree 2p hase imbala nce p henomenon in t he low voltage dist ribution network is a nalyzed 1Three 2p hase imbala nce will lead to t he emergence of negative sequence current ,a

4、nd negative sequence current will p roduce losses in p ower network and lead to t he abnormal operation of t ransf ormer or motor 1In order to eliminate t he t hree 2p hase imbala nce ,bidirectional t hyristor and cap acitor a re used to eliminate t he negative sequence current wit h t he 12p ulse t

5、echnology to achieve t he energy 2saving p urp ose 1The device inp uts little ha rmonic current into t he p ower dist ribution sys 2tem wit h t he 12p ulse technology.It can imp rove t he voltage quality wit hout filter ,a nd t he cost of device will be saved 1K ey w ords :low 2voltage dist ribution

6、 network ;12p ulse tech 2nology ;negative sequence current ;t hree 2p hase imbalance ;saving energy a nd decreasing loss0引言近年来,随着经济的发展,电力系统内出现了大量的不平衡工业负荷,如工业交流电弧炉、电力机车等。这些不平衡负荷产生的负序电流造成了系统电能的损失,低压配电系统这种情况更加严重,如能解决将产生巨大的经济和社会效益1。在负荷接入点安装补偿装置,用以平衡负序电流是目前比较广泛应用的方法。但由于低压配电系统感性电动机负载是耗能最大的用电负荷,分布广,运行工况多变,

7、使得传统固定的静止电容器补偿很难达到理想效果,还往往造成无功倒送系统的问题,节能降耗作用不明显。另一方面,传统的TCR +FC 型SVC 中TCR 支路采用6脉动接线形式,其线电流中含有6k ±1次谐波(k 为正整数,需要加装滤波装置,增加了成本。若采用目前先进的STA TCOM 技术,成本过于高昂,在低压系统采用不合理226。本文提出一种新型动态无功负序不平衡补偿方法,多组低压TCR 无功单元模块并联后通过Y/Y/结构变压器接入系统,可实现连续动态补偿,注入系统谐波小,无需额外的滤波装置,既节省了成本又能达到较好的效果,更加适合于低压配电系统。1三相不平衡补偿的基本原理7三相不平衡

8、补偿基本原理如图1所示,图中,y abl 、y bcl 、y cal 为三相不平衡负荷,B abr 、B bcr 、B car 为三相补偿电纳。设U a =U ,U b =2U ,U c =U ,其中=e j 2/3,令U =U 00,在图1(a 中,根据对称分量法可知,三相线电流的零序、正序、负序分量分别为I 0=(I a +I b +I c /3I 1=(I a +I b +2I c /3I 2=(I a +2I b +I c /3(1图1三相补偿原理图在图1(b 中,类似于式(1,由补偿电纳产生的三相线电流的对称分量为I 0r =0I 1r =j (B ab r +B bc r +B c

9、ar U 3I 2r=-j (2B ab r +B bc r +B car U 3(2要实现三相平衡化补偿效果,必须做到:将负序电流补偿为零:I 2+I 2r =0(3总的线电流正序分量虚部为零:Im I 1+I 1r =0(4由式(1(4可得B ab r =-(Im I a +Im I b -Im 2I c /3U B bcr=-(-Im I a +Im I b +Im 2I c /3UB ca r =-(Im I a -Im I b +Im 2I c /3 U(5由于低压配电线路的单相负载占较大的比重,因此配电线路普遍存在着三相负载不平衡。2实验平台的实现及分析211实验平台的搭建依据三相

10、不平衡补偿的基本原理,结合反并联晶闸管的性质,通过触发角控制晶闸管的导通状态,可实现三相不平衡的动态补偿;利用三绕组变压器,可有效减少晶闸管向系统注入的谐波,无需滤波装置。实验平台的整体结构图2所示 。图2实验平台结构图(三相负载实验平台主电路参数:调压器:输入380V ,输出0430V ;12脉动变压器:113,400V ;晶闸管:CR16AM Phase co nt rol SCR ,额定电压1200V ,通态平均电流16A ;电抗器(每相:23m H ,30A ;电容器(每相:80F 、160F ;霍尔电压互感器:工作电源±15V ,绝缘电压3kV ,被测电流20mA ,输出电

11、流100mA 。霍尔电流互感器:KT75A/P ,工作电源±15V ,绝缘电压3kV ,被测电流75A ,输出电流100mA 。212硬件实现实验平台的控制器硬件主要由信号调理单元、FP GA 单元、驱动电路单元构成。21211信号调理单元实现的主要功能是:检测三相电压和电流;对检测信号进行滤波处理;跟踪系统频率变化,获得同步信号;实现对检测信号的电平转换,满足FP GA 对信号的要求。21212FP GA 单元采用Altera 公司的CycloneII 系列FP GA 器件,芯片型号为EP2C20Q240C8N ,其功能主要是产生驱动单元所需脉冲信号。该芯片是一款低成本、高密度的F

12、P GA 器件,因其丰富的片上资源81现代电力2009年而在实际系统中被广泛采用,主要包括以下几个方面:逻辑资源丰富;I/O 输出可以根据需要调整驱动能力;多电压接口;时钟管理灵活,片内配有4个锁相环(PLL 电路;内嵌Singnal T ap II 嵌入式逻辑分析仪,极大方便了设计者对芯片内部逻辑进行检查,而不需要将内部信号输出到I/O 管脚上。21213晶闸管驱动单元FP GA 输出PWM 脉冲只有313V ,驱动能力有限,其输出脉冲不足以驱动晶闸管。为了满足晶闸管的驱动信号要求,采用双向晶闸管驱动芯片MOC3052来驱动晶闸管。因此,晶闸管驱动单元主要功能是将脉冲信号放大,隔离得到晶闸管

13、所需的高频强触发脉冲序列。213软件实现根据控制器所要完成的各项任务,可将系统软件实现的主要功能大致分为以下几个方面:实现对平衡三相相电压、三相基波无功及有功线电流的实时采样,并实现A/D 转换;实现对采样信号的软件滤波,并实现对三相补偿电纳的计算;实现触发控制角的求解;实现TCR 触发信号的产生;对故障状态进行判断,产生保护信号。软件的主流程图、采样程序流程分别如图3、图4所示 。图3 主程序框图图4采样程序框图A/D 采样的实现,需要FP GA 对A/D 芯片进行配置,FP GA 控制器系统时钟24M Hz ,A/D 配置程序通过系统时钟分频后驱动。FP GA 同时可以对3片AD7864进

14、行配置,因此可以同时进行12路模拟量转换,满足大多数工程应用。214实验波形分析利用实验平台进行动态补偿实验,得到波形如图5、图6所示 。图5投入TCR +FC 前电压和电流波形在图5、图6中,波形1是主波器显示的系统电流波形,波形2是系统电压波形。图5是系统接不平衡负载时,示波器上采集到的电压电流波形情况,可以明显看出,系统的电流滞后于电压。图6是系统投入TCR +FC 后,示波器上采集到的电压91第6期赵吴鹏等:低压配电网三相不平衡动态补偿措施及实验研究 图6投入TCR +FC 后电压和电流波形电流波形情况。通过比较图5与图6的电压电流情况,可以看出在投入TCR +FC 后,系统的功率因数

15、得到了明显改善。图7是变压器原边与副边电流的畸变情况比较图,e a 为系统电压,i a1、i a2为两副边a 相电流波形,其相位相差30°,i a 为变压器原边电流波形,比较图 中的各波形可以看出,畸变电流得到了明显改善。图7变压器原边及副边电压电流波形实验平台变压器原边电流的各次谐波所占比例 情况如图8所示。图8变压器原边电流频谱图晶闸管支路电流谐波是2k ±1,其中3次、5次最为严重,电流总谐波畸变率为7913%;一组TCR 模块的线电流谐波为6k ±1,5次谐波幅值最大,电流总谐波畸变率为2713%;图8是试验平台中变压器原边电流,即两组TCR 模块线电流相

16、互叠加之后的电流频谱图,可见其特征谐波是12k ±1,其中13次谐波幅值最大,电流总谐波畸变率为513%。从上分析可以得到,12脉动TCR 模块其谐波次数较高、幅值较小,由2713%下降到513%,谐波得到了较好的抑制效果,可无需滤波装置。3结束语对于低压配电网中存在的三相不平衡现象,只有采取补偿电纳连续可调的分相补偿技术,才能将其补偿为三相平衡负荷。文中搭建的实验平台,可根据采样信号投切电容器组以及控制TCR ,采用双向晶闸管作为无触点开关,可根据负荷的变化,实现动态连续跟踪补偿,同时,实验平台的12脉动技术能有效减少电力电子装置向系统中注入的谐波,改善供电点的电压质量,减少不平衡负荷对低压配电系统的影响。参考文献1林海雪.电力系统的三相不平衡M .北京:中国电力出版社,1998.2王兆安,杨君,刘进军,王跃.谐波抑制和无功功率补偿M .北京:机械工业出版社,2006.3袁佳歆,陈柏超,万黎,等.利用配电网静止无功补偿器改善电网电能质量的方法J .电网技术,2004,28(19:81284.4李旷,刘进军,魏标,等.静止无功发生器补偿电网电压不平衡的控制及其优化方法J .中国电机工程学报,2006,26(3:582