基于广义积分器的三相不平衡度检测方法及系统研究

惠楠

国网渭南供电公司

摘要:当前我国低压配电网主要是通过三相四线制的方式由变压器向用户供电。衡量电网运行质量的重要参数对三相不平衡度。由于用户侧日渐增长的不平衡负载，以及用电负荷在电网中的不平衡分配越发严重，导致了配电网中三相不平衡问题日益严重。本文主要对多种三相不平衡检测方法展开了系统性的研究与分析，提出基于广义积分器的三相不平衡检测新方法。研究广义积分器正交特性，结合以瞬值时分离正负序分量方法，完成三相电压在正交坐标系的正负序分量提取，实现不平衡度检测。并在matlabSimulink中搭建相应的系统模型，构建不同谐波条件及电网不平衡等仿真条件验证，结果表明该检测方法有效性。

一、前言

三相不平衡问题是低压配电网中是很常见的问题，长期处于不平衡运行的电网对电能的正常供给影响很大。按照中国现行的GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中的规定，可以使用对称分量法来对三相电压的正序电压与零序电压进行计算，并定义了三相不平衡度，具体等于负序电压分量均方根值与正序分量均方根值之间的比值，该方法基本上与国际电工委员会（IEC）给出的定义是相同的[。利用矢量对称分量法对三相电压的零序分量与负序分量进行计算时，需要对三相电压信号幅值大小及其相位进行求解。检测系统中对于电压相位精确检测是难以实现的。而对称分量法涉及到复杂的运算，由此可见该方法的计算量较大。为此，大量的国际组织采用对不平衡计算方法的修正来解决上述的难题。

二、基于广义积分器的三相不平衡度检测方法

低压配电网中采用广义积分器的三相不平衡度检测方法如图2.1所示：

图2-1 基于广义积分器的三相不平衡度检测仿真结构

实现步骤如图2-1：在电网不平衡状态下，三相电压通过瞬时对称分量法将三相电压矢量分量 可分为瞬时的正序、负序和零序分量。基于广义积分器的三相不平衡检测方法首先三相电压矢量 通过Clarke变换将电压矢量从 到 静止参考帧。从静止的三相坐标变换为静止的两相正交坐标向量_、 ，将得到的正交向量_、 分别输入到广义积分器中，产生对应的基波分量_、；再通过上述基波分量计算两相静止 坐标系下的基波电压正序分量 、 ：通过Clarke逆变换既可以得到三相电网电压输入信号的正序、负序分量；

将得到的基波正序分量 经Park变换，即从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，得到q轴分量 ，最后将 输入到PI控制器进行锁相。并将得到 反馈给广义积分器，从而使得整个检测具有频率自适应功能。

最后利用国标中三相不平衡度计算公式就可计算出电网的电压不平衡度。

2.2 仿真验证

根据前文理论推导，在 MATLAB/Simulink 搭建系统仿真模型进行验证。仿针对三相电压信号在三相电压平衡下、或者电压幅值有偏差，相位偏差和多次谐波存在的情况下，进行仿真结果的检验。在MATLAB中搭建的三相不平衡度检测系统如图2-6所示：

图2-3图 基于广义积分器的三相不平衡度检测仿真结构

2.3 电压幅值不平衡状态下仿真结果

在实际电网中，三相电压幅值并非固定不变，在标准GB/T 12325-2008中就明确要求了，对于20KV及以下的供电系统中，三相电压偏差不能超过 ，设置仿真参数：在t=0~0.3s时,三相电信号为三相平衡电压，幅值均为220V，相位相差120度。在t>0.3s时，B相电压幅值为235V 为过电压，A相电压幅值为205V为欠电压，其他参数均不变。图2-5（c）中，广义积分器检测三相不平衡度方法计算不平衡度值为3.940384%而采用对称分量法得出的3.936479%，误差为0.09%。该系统在电压幅值发生变化时能快速的检测出不平衡度值。

（a）三相电压波形

（b）三相电压负序分量

（c）三相电压负序不平衡度

图2-5三相电压由平衡状态转为不平衡状态的仿真波形

2.4 电压相角不平衡状态下仿真结果

在实际的电网系统中，很多的负载类型属于非纯阻性负载，使得相角偏移的现象容易发生，造成三相不平衡现象。相角不平衡状态下的设置仿真参数：在t=0~0.3s时,三相电信号为三相平衡电压。在t>0.3s时，C相位为116度，其他三相电压参数不变。图2-6（c）中检测不平衡度值为2.331892%而采用对称分量法得出的2.327893%。在该条件下，一相相角偏差为标准相角的1.6%，系统由不平衡状态变为不平衡状态。可以判定相角偏差对不平衡度的影响很大。在此情况下该方法都检测误差为0.17%。

（a）三相电压波形

（b）三相电压负序分量

（c）三相电压负序不平衡度

图2-6 三相电压由平衡状态转为不平衡状态的仿真波形

3. 小结

在电网不平衡状态下，基波幅值和相位以及频率发生变化下，基于广义积分器的三相不平衡检测方法都能对不平衡度进行稳定且迅速的测量。通过仿真可知，该方法有更好的性能，能滤除多次谐波，并在动静态性能，以及电网的抗畸变能力方面表现良好。

参考文献

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