不平衡畸变电压

不平衡畸变电压（精选8篇）

不平衡畸变电压 篇1

在新能源发电系统中, 只有在锁相环 ( PLL) 不断监测和反馈准确的电网电压信息的情况下, 并网逆变器才能正常工作。传统的锁相环结构比较简单, 实时性强, 无需复杂的数学坐标运算, 然而在电网电压不平衡或电压严重畸变时, 锁相产生了振荡, 不能有效地完成锁相。文献[1 - 2] 提出基于对称分量法的锁相环技术, 可以减弱负序分量在正序分量上的二倍频扰动影响, 但对电网电压频率要求高, 适合频率固定的场合。文献[3 - 4]通过双同步坐标系解耦的锁相环技术消除负序分量在正序分量上的二次谐波影响, 将得到的正序分量作为锁相环的参考基准。文献[5 - 7]提出基于二阶广义积分型的锁相技术, 可以滤除电网电压中谐波影响和实现三相电压正负序的分离, 但是电网频率突变时系统动态响应速度慢、检测精度不足。目前, SPLL通常采用低通滤波器LPF[8,9,10]来提高锁相精确度, 但是LPF不能使负序基波分量得到完全分离, 且其滤波性能和动态性能往往是矛盾的。以上锁相技术在电网电压不平衡和严重畸变时不能快速精确地检测电压相位。基于此, 本文提出采用一种正反dq坐标变换和平均值环节的锁相方法, 通过正反dq变换和平均值环节来消除谐波, 以有效地消除负序分量和谐波分量的影响, 精确得到基波正序分量; 通过构造频率反馈环, 保证了系统能够快速准确地跟踪电网电压的频率和相位, 进而实现频率的自动跟踪。仿真表明, 该方法能快速、准确地实现基波的正序分离, 并具有自适应性和抗谐波干扰能力的优点。

1 基于dq坐标变换的锁相环分析

1. 1 三相电压平衡没有畸变

三相电网电压向量usa、usb、usc可以表示为

式中: UP为电压的幅值, θp为电网输入相位角。

对usa、usb、usc信号进行Clark变换得

经过同步旋转坐标 θ 的Park变换得

由此可知, 将Uq作为控制对象, 在相位锁定时为Uq= 0, 通过闭环控制使 θ 与 θp同步变换来完成锁相。

1. 2 三相电压不平衡且有畸变

在实际电力系统中偶次谐波分量很小, 对锁相输出影响很小, 所以系统电压畸变时, 主要考虑奇次谐波。当系统电压不平衡且存在畸变时, 电压表达式为

式中: 右侧各项依次为三相系统电压的正序基波分量、正序谐波分量、负序基波分量和负序谐波分量;UP、Upk、Un、Unk和 θp, θpk, θn, θnk分别为上述各项的幅值和初相位; k为谐波次数, 取k = 3, 5, 7, …。

系统电压经过dq坐标变化后得到

当三相电压不平衡且有畸变时, 经dq变换后, 传统的RSF - PLL不能消除负序分量和谐波的影响, Usq, Usd中存在交流量, 不能很好地跟踪相角和频率。

2 电网同步技术原理与结构

2. 1 平均值环节消除谐波原理

由于Usq, Usd中的交流量的频率均为工频的整数倍, 故可通过积分区间为工频周期的平均值环节将之全部滤除, 只余下直流量Upd, Upq ( 对应Usa, Usb, Usc的正序基波分量) 。电压平均值环节如图1所示, 工作原理为: 利用电压在区间[0, T]的积分值除以积分区间T; 通过积分模块的输出减去延迟模块的输出 ( 电压积分延迟T的值) 得到区间[0, T]的积分值。

根据图1 得到的Upd, Upq为

2. 2 同步检测系统的结构

首先通过基于任意工频旋转角的正反两次dq变换和平均值环节将系统电压的正序基波分量提取出来, 然后经过dq变换锁相。另外考虑到实际电网频率可能会在工频附近出现扰动, 影响到平均值环节模块消除dq轴上正弦交流分量的效果, 故构造频率反馈环, 将检测到的基波频率经低通滤波器LFP滤除高频噪音, 再换算成周期值并反馈给平均值环节模块, 保证了系统能自适应地跟踪实际电网频率的变化。PLL的具体框图如图2 所示。

3 仿真研究

根据系统框图, 采用MATLAB /simulink搭建系统仿真模型如图3 所示。

仿真系统中, PLL的参数如下: kp= 10, ki= 500, ωref= 314 rad / s, 电网电压幅值取标幺值; 传统的SRF - PLL的参数为kp= 4. 5, ki= 347. 8。分别在电网电压不平衡频率突变和谐波畸变等情况下对传统的SRF - PLL和基于平均值环节的锁相环进行了仿真。

3. 1 电网电压不平衡和频率突变的仿真

当输入电压信号在0. 15 s时注入幅值为0. 1 p. u.的负序基波电压和0. 1 p. u. 零序电压, 频率突升为55 Hz, 两种电压同步技术的响应如图4 所示。

由图4 可知, 传统的SRF - PLL在0. 03 s后可以完成锁相且相位有波动, 基于平均值环节的PLL在突变时刻的抖动很小并且经过0. 01 s后角频率和相位准确锁定。

3. 2 电网电压谐波畸变时的仿真

当输入电压信号在t = 0. 15 s时注入幅值分别为0. 1 p. u. , 0. 1 p. u. 的3 次和5 次谐波, 两种电压同步技术的响应如图5 所示。

由图5 知, 传统的SRF - PLL锁相信号中也含有谐波, 不能准确锁相, 基于平均值环节的PLL经过0. 01 s后角频率和相位准确锁定。

通过对比图4 和图5 可以看出, 基于平均值环节的锁相环在电网电压不平衡、谐波畸变和频率突变等情况下都能够准确快速锁定电压相位和频率, 说明引入平均值环节能滤除输入信号中的负序分量和谐波分量, 可以准确获得基波电压信号。与传统的SRF - PLL相比, 所提的锁相环通过引入频率反馈环极大地缩短了到达稳态的时间和减小频率的振荡幅度, 可以快速准确跟踪电网频率从而实现频率自适应。

4 结语

针对SRF - PLL在电网电压不平衡时不能消除负序分量和谐波分量的问题, 提出了正反dq变换和平均值环节来消除谐波的锁相技术。通过基于任意工频旋转角的正反两次dq变换和平均值环节将系统电压的正序基波分量提取出来, 然后再经过dq变换可以准确快速锁定基波正序电压相位。仿真验证了在电网电压畸变和频率突变时, PLL能快速准确地跟踪电网电压频率和相位且频率估计的振荡幅度较小, 并具有自适应和抗谐波干扰能力的优点。

摘要：针对传统的基于同步参考坐标系的三相锁相环 (SRF-PLL) 在非理想电网环境下不能准确跟踪电网电压相位的问题, 提出采用一种正反dq坐标变换和平均值环节的锁相方法, 通过平均值环节将系统电压的正序基波分量提取出来, 利用频率反馈环把周期值反馈给平均值环节模块实现频率自适应。仿真结果表明, 在三相电压不平衡且严重畸变的条件下, 该方法能快速准确地实现基波的正序分离从而锁定电网电压的相位和频率, 验证了其有效性。

关键词：电压畸变,正反dq坐标变换,平均值环节,锁相环

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不平衡畸变电压 篇2

【关键词】电力系统；电弧过电压；谐振

0.引言

在35KV及以下中性点不接地系统中，当发生单相接地后，允许维持一定的时间，一般为2h不至于引起用户断电。但随着中低压电网的扩大，中低压架空导线及电缆出线回路数增多、线路增长，中低压电网对地电容电流亦大幅度增加，当发生单相接地时，接地电弧不能自动熄灭而产生电弧过电压，一般为3～5倍相电压甚至更高，致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿，最终发展为相间短路造成设备损坏和停电事故。最近从本地区电网发生的电压不平衡来看，电压异常波动基本发生在因天气刮风或设备原因造成的某处单相间歇或直接接地或断线时，为了使调度员在系统发生电压波动时能够明确区分故障类型，及时处理故障，保障电网安全运行，下面分别就接地、线路断线、PT熔丝熔断、谐振过电压等故障情况的不同表征详细进行归类分析，以供交流。

1.接地故障

一相金属接地时，相电压特征是一相电压为零，其他两相电压升高至线电压。结果判断为：一相金属性接地后正常的电压变化，电压为零相是接地相。一相非金属（经过渡电阻）接地时，相电压特征是一相（或两相）电压低，但不为零；另两相（或一相）电压高，近似线电压，随着过渡电阻的变化，各相电压发生较大幅度的波动，有时超过线电压。非接地的两相电压一般不相等。结果判断为：随着电阻变化，产生电压波动时带有接地过电压，这种情况往往是最高电压相的下一相（按正相序排列）为接地故障相。由断路器送电发出接地信号，相电压特征是三相电压瞬间波动，瞬间发接地信号。电压瞬间变化情况和一相断相或两相断相的电压情况相同。结果判断为：由于断路器三相接触不同期而造成的三相线路不能同时带电，使中性点产生位移。

2.线路断线

一相断相时，如一相线路断线或线路跌落断路器掉闸时，相电压特征是三相电压不平衡，有时发出接地信号。断线相电压和中性点电压升高，非断线两相电压相等且降低，供电功率减少。结果判断为：三相对地电容电流不对称，通过非断相的两相电压相等和供电功率明显减少这两个特点，来区别接地故障和线路断相故障。两相断相，如两相线路断线或线路跌落熔断器两相掉闸时，相电压特征是三相电压不平衡，有时发出接地信号。非断线相电压降低，断线两相电压升高，当两相断线较长时，中性点电压也会使交流监视装置发出接地信号。供电功率明显减少。结果判断为：由于三相对地电容电流不对称造成。这种两相断相的电压情况与金属性接地的电压情况相同。

3.单相接地与断线的区别

单相接地虽引起三相电压不平衡，但线电压值不改变。单相接地又分为金属性接地和非金属性接地两种。金属性接地接地相电压为零，其他两相电压升高1.732倍；非金属性接地接地相电压不为零，而是降低为某一数值，其他两相升高不到1.732倍。断线不但引起三相电压不平衡，也引起线电压值改变。上一电压等级线路一相断线时，下一电压等级的电压表现为三个相电压都降低，其中一相较低，另两相较高但接近；本级线路断线时，断线相电压为零，未断线相电压仍为相电压。

4.母线PT熔丝熔断

PT一相一次熔丝熔断时，电压特征为一相电压大幅度降低，其他两相电压有不同程度的降低。PT一相二次熔丝熔断时，现象为中央信号警铃响，打出“电压互感器断线”光字牌，一相电压为零，另外两相电压正常。

5.谐振过电压

谐振引起的二相电压不平衡有两种：一种是基频谐振，特征类似于单相接地，即一相电压降低，另两相电压升高；另一种是分频谐振或高频谐振，特征是三相电压同时升高。当相电压特征是一相电压低，但不为零，两相电压升高，超过线电压，表针打到头；或两相电压低但不为零，一相电压高，表针打到表头。结果判断为：有基波谐振，产生谐振过电压，电压最低相为接地相。当相电压特征是三相电压依次轮流升高，并超过线电压（不超过两倍相电压），表针打到头，三相电压表指针在相同范围内低频摆动。结果判断为：有分频谐振，产生谐振过电压。

6.结语

不平衡畸变电压 篇3

电网电压畸变和三相不平衡是普遍现象,在诸如石油钻井平台等独立小容量分布式发电系统中表现尤为严重;电力电子装置等非线性负载以及电机等感性负荷的广泛应用使电网电流含有大量谐波和无功成分,在线路阻抗作用下不仅加深了电网电压畸变程度,而且降低了电能利用率。为避免此类问题给某些重要负荷造成危害和损失,需要采取改善措施。目前,除进行源头抑制外,就是外挂电力电子装置进行补偿,如LC无源滤波器、静止无功发生器、有源电力滤波器、动态电压恢复器和统一电能质量调节器(UPQC)等,其中UPQC凭借着丰富的功能已成为电能质量改善研究中的热点。

在三相电压畸变和不平衡状态下对补偿量(包括波动电压、谐波和无功电流)进行准确检测是UPQC功能实现的关键之一。目前,补偿量检测分为频域法和时域法2类。频域法包括快速傅里叶分解法[1,2]和小波变换法[3]等;时域法主要包括基于瞬时无功功率理论[4,5,6]的p-q法、ip-iq法和同步坐标变换法[7,8,9]。为实现单位功率因数控制,要求基波正序有功电流分量的获取需以基波正序电压分量相位为参考,因此基波正序电压相位的提取尤为关键。常用的相位检测方法主要包括过零检测法和相量检测法2类。过零检测分硬件过零(附加硬件过零电路)和软件过零(如DSP的相位捕获)检测,两者都是将A相电压的过零点作为零相位点,即以A相电网电压相位作为同步坐标变换的参考相位,该法易于实现,但当电网电压发生畸变或者不平衡时,基波正序电压与电网电压之间存在较大相位差,故不能满足精确补偿的要求。相量检测法通过数学运算获取相位信息,文献[10-11]通过对三相电压进行微分运算构造线性方程组来分离畸变电网电压中的基波正序分量,然后利用锁相环技术对电网电压相位跳变进行补偿,实现基波正序电压分量相位的快速跟踪,但当畸变电压含谐波较多时,方程组维数多,计算复杂,影响系统动态响应速度;文献[12-13]为解决单d-q变换动态反应慢的问题,采用双同步变换锁相环和一个解耦网络来提取电压不平衡状态下的正序电压分量,但当电压中含有谐波时,无法分离出基波分量;文献[14]提出一种变周期采样移相控制数字锁相环,利用移相控制器消除2倍电网频率的扰动,但无法滤除其他次谐波分量;文献[15]通过转移滤波功能和减少前向积分环节对软锁相环进行改进,使其在动态相位跟踪及不平衡电压检测方面的性能有了显著改善;文献[16]分析了无锁相环基础原理,并引入了平均值理论,提出一种基于平均值理论的无锁相环谐波检测方法,但需多次变换,计算量大。

本文基于同步坐标变换理论,利用虚拟正余弦函数获取单位基波正序电压,直接求取电压补偿量,并利用其结果进行基波正序有功电流的分离,无需对三相电压进行锁相和对电网电流进行同步坐标变换,与现有无锁相环相比,能够更加快速和准确地检测电压、电流补偿量。

1 带锁相环UPQC电压、电流补偿量检测

三相三线制UPQC拓扑见图1,由电压补偿单元、电流补偿单元和直流环节共同组成,兼具有源滤波、无功补偿和动态电压恢复的功能。

三相数字锁相环本质上是一个建立在同步坐标变换基础上的相位误差反馈闭环系统,其参考输入为0,输出为同步坐标变换参考旋转角,通过内部的PI控制器不断调整输出频率和相位使其与三相输入电网电压相位同步。其原理见图2。

根据三相对称分量理论,三相三线制系统中的畸变和不平衡电网电压可以分解为基波正序、基波负序和高次谐波分量,数学表达式见式(1)。其中,等号右边各变量下标表示其次数,上标中“+”、“-”表示其相序。式(1)中abc坐标系下电压矢量经同步坐标变换,得到pq坐标系下与给定电压矢量平行和垂直的分量如∞式(2)所示。

其中,C为同步旋转变换矩阵;θ为同步坐标变换的旋转角,即图2中的θ*。

可见,经同步坐标变换后,abc坐标系下的正序分量角频率将减小θ,负序分量角频率将增加θ,零序分量角频率不变。因此,基波正序分量呈现为直流分量,在相位完全锁定情况下,角频率ωt+φ1+-θ=0。经低通滤波器滤波后的q轴分量,其大小反映输入电压相位θ=ωt+φ1+和锁相环输出电压相位θ*之间的差值(该差值在频率捕获时为0)。该值与0相减后的误差经比例积分(PI)调节器调节后可视为误差信号ω,ω与扰动角频率ω0(一般取基波的角频率值,以便在输入掉电的情况下仍能输出基波频率的正弦信号)相加后得到角频率指令,该角频率再经一积分环节后得到最终输出的相位,即利用角频率的误差修正初始设定的角频率,当达到稳态时,可以保证频率和相位同时跟踪输入电压的频率和相位。

可见,利用锁相环锁定同步电压相位角需进行一次PI调节运算和一次角频率积分,同时确立3个参数,设计调试难度大,电压不平衡时,会降低锁相环的工作带宽,加之误差信号经过积分才能反映到输出相位上,响应速度受到影响,此外,受锁相环调节器的影响,当电压相位发生跳变时,在一段时间内存在检测误差,不利于工程实现。

2 现有无锁相环UPQC补偿量检测

针对锁相环在锁定电压基波正序分量相位时存在的缺陷,现用虚拟正余弦信号进行运算获取基波正序电压分量。畸变和不平衡条件下电网电压表达如式(1)所示,对其进行同步旋转变换,且参考相角θ由DSP内地址表决定(建立虚拟正余弦函数表),假设:

其中,ω0为电网电压相量的旋转角速度,α为任意角。

将式(4)代入式(2)得式(5)。可见,电网电压各分量经过坐标变换后,频率发生变化。假设ω0与电网电压实际角速率差值为△ω0(见式(6))。

那么将式(5)得到的pq坐标系下的各轴分量经过低通滤波器滤波,并假设低通滤波器截止频率为ωc(一般在20~30 Hz之间),如果满足:

则可得到电压基波正序分量对应的p、q轴分量:

据正余弦关系求得电网电压基波正序分量有效值:

然后,对式(8)进行同步坐标反变换求得电网电压abc坐标系下的基波正序分量为:

可见,本文采用的A相电压基波正序分量初相角的计算不是以实际的三相电压为基准的,而是建立在与θ相关的虚拟正余弦函数的基础上。θ在同步坐标变换中仅起到过渡作用,只要其能与低通滤波器密切配合(满足式(7)),α可任意取值,对最后结果的准确性将不产生影响。同时由于低通滤波器的滤波特性仅受到的影响,因此不管是DSP产生的正余弦信号的角速率产生误差还是实际电网电压发生频率漂移,对最终检测结果的影响都可以自然消除。

由式(9)和式(10)可得单位基波正序电压分量:

负荷的非线性和不对称性使得负荷电流并非是与电网电压同相的正弦电流。将三相三线制电路中负荷电流进行傅里叶分解为基波正序、基波负序和高次谐波分量,表示为式(12)。

同理,对三相负荷电流亦按式(3)所示矩阵进行同步坐标变换,并经过LPF得到pq坐标系下的直流分量如式(13)所示。

欲使UPQC实现单位功率因数补偿,基波正序有功电流为基波正序电流矢量在基波正序电压矢量上的投影。因此,三相基波正序有功电流见式(14):

将式(8)和式(13)代入式(14)即可得到基波正序有功电流分量。总的检测原理如图3所示。

3 无锁相环UPQC补偿量检测的改进

从以上分析可以看出,现有无锁相环方法在对电网电压进行同步坐标变换的同时,还需对负荷电流作同步坐标变换,然后利用低通滤波器输出的电压和电流p、q轴分量以及经反同步坐标变换后的基波正序电压分量来计算基波有功电流的幅值,计算繁琐复杂,系统会受此影响而给最终的检测结果造成误差,故需对运算进行简化。

为了克服软件中存储的正余弦表分辨率的限制,直接利用计算得到的单位电压基波正序分量,对三相负荷电流作如下处理,由式(11)和式(12)求得。

经低通滤波器滤波得直流分量:

显然,该值主体部分恰为基波正序电流在电网基波正序电压上的投影值,故可进一步根据式(17)求得三相基波正序有功电流为:

可见,检测运算过程不需对三相负荷电流进行同步坐标变换,同时并未将电网电压的幅值信息引入到计算过程中,从而达到快速准确检测的目的。至此,间接控制策略下UPQC电压和电流补偿量为:

简化后的检测过程如图4所示。以上理论推导中用到θ的正余弦函数在实际实现时使用同一个正余弦函数表,不同的是读取数据的起始地址不同。

4 仿真分析

根据三相三线制UPQC拓扑结构和上述理论推导,利用MATLAB/Simulink中的Power Systems工具箱进行仿真比较验证。模型中电网电压频率50 Hz,0.04 s时电网电压发生畸变和不平衡,为方便各方法性能比较,0.04 s时同时发生40°相移;负荷采用三相不对称电感串二极管整流桥,且整流桥桥接电阻电感,负荷额定电压为220 V。电网电压和负荷电流波形如图5所示。

图6为仿真结果。图中,(a)为分离得到的单位基波正序分量;(b)为分离出的基波正序有功电流分量;(c)为理想负荷电压与基波正序电流分量的相位对比图,可见,实现了单位功率因数跟踪;(d)、(e)分别为3种方法基波正序电压和基波正序有功电流检测结果对比图,其中曲线1为A相电网电压波形,曲线2为本文所提方法检测结果,曲线3为现有无锁相环检测结果,曲线4为锁相环检测结果。从图中各波形对比可见,对于电压检测,因现有无锁相环和本文所提方法基波正序电压分离运算过程相同,故检测结果完全重合,但是锁相环由于调节的滞后效应需要经过约2个半工频周期的调节才能消除静差;对于电流检测,仿真对比显示当负荷电流变化时,本文方法因只引入电网电压的相位信息,因此准确度最高,锁相环由于PI的滞后调节动态效果最差。

5 实验验证

基于型号为TMS320F2812的DSP主控芯片搭建实验平台,采样频率为10 k Hz,在低压条件下对本文所提无锁相环电压电流补偿量检测进行效果验证。实验参数为:电网电源最大值为28 V,在A相进线端串接1.1 m H电感和20 W/1.5Ω电阻、B相串接1.08 m H电感、C相串接1.1 m H电感和1 W/3Ω电阻来模拟畸变和不平衡状态,负载采用三相二极管整流桥桥接大小为150 W/16Ω的电阻。受示波器通道限制,仅采集A、B两相信息。利用外扩DAC单元观察实验结果如图7所示。

实验结果显示,利用无锁相环进行UPQC电压和电流补偿量的检测可以准确分离出基波正序电压和基波正序有功电流分量,两者虽相位基本一致,但仍存在一定误差,分析误差来源为:微处理器中计数器的量化误差;中断响应时间的分散性;信号周期测量不准确和滞后;信号采样、调理、ADC、补偿量计算以及DAC造成延时。

6 结论

a.本文提出的电网电压畸变和不平衡条件下无锁相环电压、电流补偿量检测方法利用虚拟正余弦函数获取单位基波正序电压,直接求取电压补偿量,并利用其结果进行基波正序有功电流的分离,能够准确检测电压、电流补偿量,与现有无锁相环相比,简化了运算,进一步改善了动态性能和准确度。

补偿系统电压不平衡的分析与处理 篇4

1.1 补偿度不合适所引起的相电压不平衡

网络的对地电容与补偿系统内所有消弧线圈构成以不对称电压UHC为电源的串联谐振回路,如图1所示,中性点位移电压为:

式中:uo为网络的不对称度,一系统补偿度:d为网络的阻尼率,约等于5%;U为系统电源相电压。由上式可以看出,补偿度越小,中性点电压就越高,为了使得正常时中性点电压不致于过高,在运行中必须避免谐振补偿和接近谐振补偿,但在实际情况下却时常出现:(1)补偿度偏小时,因电容电流IC=2πfc姨3 Uφ和消弧线圈电感电流IL=Uφ/2πfL由于运行电压、周波的变化,都能引起IC和IL的变化,从而改变了旧的补偿度,使系统接近或形成谐振补偿。(2)线路停止供电,操作人员在调整消弧线圈时,将分接开关不慎投在不适当的位置,造成明显的中性点位移,进而出现相电压不平衡德现象。(3)在欠补偿运行的电网里,有时因线路跳闸,或因限电、检修而导致线路停电,或因在过补偿电网里投入线路,均会出现接近或形成谐振补偿,造成较严重的中性点位移,出现相电压不平衡。

1.2 电压监视点PT断线出现的电压不平衡

PT二次熔丝熔断和一次刀闸接触不良或非全相操作出现的电压不平衡的特点是;接地信号可能出现(PT一次断线),造成断线相的电压指示很低或无指示,但无电压升高相,且此现象只是在某个变单独出现。

1.3 系统单相接地引起的电压不平衡

补偿系统正常时不对称度很小,电压不大,中性点的电位接近大地的电位。当线路、母线或带电设备上某一点发生金属性接地时,与大地同电位,两正常相的对地电压数值上升为相间电压,产生严重的中性点位移,其特点有:接地相电压的电阻不同,两正常相电压接近或等于线电压,且幅值基本上是相等的,中性点位移电压的方向与接地相电压在同一直线上,与之方向相反,其相量关系如图2所示。

1.4 线路单相断线引起的电压不平衡

造成单相断线后,网内参数发生不对称变化,使之不对称度明显增大造成电网中性点出现较大的位移电压,致使系统三相对地电压不平衡。系统单相断线后,以往的经验是断线相电压升高,两正常相电压降低。但是,因单相断线位置、运行条件和影响因素的不同,中性点位移电压的方向、大小和各相对地电压指示,都不尽相同;有时两正常相对地电压升高,幅值不等或相等,断线相电源外对地电压降低;或一正常相对地电压降低,断线相和另一正常相对地电压升高却幅值不等。

1.5 其他补偿系统感应耦合引起的电压不平衡

两个补偿系统分别送电的两条线路较近且平行段较长,或同杆架设交叉开口备用时,二者经并行线路之间的电容构成串联谐振回路。出现相对地电压不平衡。

1.6 谐振过电压出现的相电压不平衡

电网中许多非线性电感元件如变压器、电磁式电压互感器等,与系统的电容元件组成许多复杂的振荡回路。空母线充电时,电磁式电压互感器各相与网络的对地电容组成独立的振荡回路,可能产生两相电压升高、一相电压降低或相反的相电压不平衡,这种铁磁谐振,只在用另外电压等级的电源,经变压器对空母线充电时,在这仅有的一个电源母线上出现。在一个电压等级的系统里,由送电干线对所带的二次变电所母线充电时,不存在这一问题,要避免空充母线要带一条长线路一起充电。

2 系统运行中各种电压不平衡的判断和处理

系统运行中出现了相电压不平衡的状况时,多数伴有接地信号,但电压不平衡却并非全属接地,不能盲目地选线,应从以下几方面分析判断:

2.1 从相电压不平衡范围查找原因

2.1.1 如电压不平衡仅限于一个监视点且无电压升高相,造成用户无缺相反应时,则是本单位PT回路断线.此时只考虑带电压元件的保护能否误动和影响计量间题。不平衡的原因是否因为主回路负载连接不平衡,导致显示不平衡,还有是否是显示屏幕出现故障引起的。

2.1.1 如电压不平衡在系统内各电压监视点同时出现,应检查各监视点的电压指示。不平衡电压很明显,且有降低相和升高相,各电压监视点的指示又基本相同,各送电线路末端二次均无缺相反应时,说明系统已接近谐振补偿运行。造成电压异常的情况还有可能如母线压变接触不良等很特别情况。也还可能几种原因混在一起,如仍无法弄清异常原因,将异常部分退出运行,交给检修人员处理。作为调度及运行人员,判断出异常原因在母线压变及以下回路,并恢复系统电压正常即可。原因可能有:(1)补偿度不合适,或调整操作消弧线圈时有误。(2)欠补偿系统,有参数相当的线路事故跳闸。(3)负荷低谷时,周波、电压变化较大。(4)其它补偿系统发生接地等不平衡事故后,引起该系统中性点位移,补偿间题引起的电压不平衡,应调整补偿度。

欠补偿运行电网线路跳闸引起的电压不平衡,要设法改变补偿度,调整消弧线圈。网内负荷处于低谷,周波、电压升高时出现的电压不平衡,可等不平衡自然消失后,再调整消弧线圈。作为调度员,应掌握这些特征,以准确判断,快速处理运行中可能出现的各种异常。单一特征的判断相对容易,两种及以上情况复合性故障引起的电压异常,判断与处理较为复杂。如单相接地或谐振常常伴有高压熔丝熔断和低压熔丝熔断。而高压熔丝不完全熔断时,接地信号是否发出,取决于接地信号的二次电压整定值和熔丝熔断程度。从实际运行情况看,电压异常时,常出现二次回路异常,此时电压高低与接地信号是否发出,参考价值不大。寻找排查规律,对电压异常处理尤为重要。

2.2 根据相电压不平衡的幅度判断原因

如系统运行中各变电所都出现严重的相电压不平衡,说明网内已有单相接地或干线部分单相断线,应迅速调查各电压监视点的各相电压指示情况,作出综合判断,如是单纯的一相接地,可按规定的选线顺序选线查找.从电源变电所出口先选,即”先根后梢”的原则选出接地干线后,再分段选出接地段。

2.3 结合系统设备的运行变化判断原因

(1)变压器三相绕组中某相发生异常,输送不对称电源电压。(2)输电线路长,导线截面大小不均,阻抗压降不同,造成各相电压不平衡。(3)动力、照明混合共用,其中单相负载多,如:家用电器、电炉、焊机等过于集中于某一相或某二相,造成各相用电负荷分布不均,使供电电压、电流不平衡。

综上所述经消弧线圈接地的小电流接地系统(补偿系统)在运行中,相电压不平衡现象时有发生,并因产生的原因不同,不平衡的程度和特点也不尽相同。但总的情况是电网已处在异常状态下运行,相电压的升高、降低或缺相,会使电网设备的安全运行和用户生产受到不同程度的影响。

摘要：衡量电能质量是电压、频率。电压不平衡严重影响电能质量,相电压的升高、降低或缺相,会使电网设备的安全运行和用户电压质量受到不同程度的影响,造成补偿系统电压不平衡的原因有很多,本文介绍了引起电压不平衡六种原因,进行详细分析,对于不同的现象进行分析和处理。

关键词：补偿系统电压,不平衡,分析与处理

参考文献

[1]程浩忠,吴浩.电力系统无功与电压稳定性[M].中国电力出版社,2004.

不平衡畸变电压 篇5

电压源型变换器(VSC)能实现AC-DC、DC-AC可逆变换,其直流侧电压可控、交流侧功率因数可调,在变速恒频风力发电机、四象限运行变频器、光伏并网发电系统[1]、静止无功补偿以及有源滤波器[2]等众多领域都有广泛的应用。由于VSC直接与电网相连,电网状态会直接影响VSC的运行性能。实际电网中往往存在三相电压不对称,若VSC设计时对此未曾考虑,很小的不平衡(负序)电压将导致直流母线二倍频波动,直流侧电压和交流侧电流的低次谐波幅值及相应损耗增大,从而影响直流母线电容的使用寿命以及电能质量,危及整个电力系统运行的稳定性和安全性[3]。

因此,近年来VSC的运行研究已从理想电网状态深化到非理想电网状态,其中不平衡电网电压条件下VSC控制策略已得到了充分研究[4,5,6],但计及电网不平衡影响的变换器设计还少有文献提及。

在VSC电路中,作为储能元件的直流母线电容容量直接影响直流电压的静态稳定性,但过大的电容值会增加无功损耗并使成本增加;进线电感用以实现AC-DC变换中的升压(boost)功能,其电感的选值需同时考虑电流谐波的抑制以及电流跟随性[7]。文献[7,8]提出了平衡电网条件下VSC的进线电感及直流母线电容数值计算的解析表达式。文献[9]采用LCL滤波器替代单L滤波器以达到减小电感值的目的,但其设计相对复杂,且因是一个二阶系统存在谐振问题, 设计不当可能会引起系统的不稳定[10]。文献[11]研究了电网电压不平衡对直流侧电流的影响,但仅给出了仿真波形。

针对该问题的研究现状,本文将在电网电压平衡时VSC参数设计的基础上[7,8],首先导出电网电压不平衡度与相电压跌落深度的关系,进而提出电网电压不平衡条件下VSC参数选取的解析表达式,为VSC参数选择提供一种有用的工程实用方法。

1 电网电压平衡条件下VSC进线电感及直流母线电容的设计

VSC主电路拓扑图如图1所示。通过6个绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关导通时间的脉宽调制(PWM)来实现AC-DC、DC-AC的可逆变换,直流母线电压恒定的保持以及电网电流波形和输入功率因数的控制。

文献[8]对平衡电网情况下的电容设计进行了研究,从VSC抗扰动性方面考虑,给出了满足直流母线电压稳定的最小电容值的解析表达式:

$C{}_{\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{4L{\rm P}{}_{\text{Ν}}^2}{\sqrt{3}EV{}_{\text{d}\text{c}}\text{Δ}V{}_{\max }(V{}_{\text{d}\text{c}}+\sqrt{3}E)}(1)$

式中:E为相电压峰值;PN为VSC额定功率;ΔVmax为直流母线电压允许的最大脉动峰值,一般为5%额定直流母线电压。

电感的选取不仅影响器件损耗,更重要的是影响输入电网的电流质量。从限制电网谐波以及开关谐波方面考虑,进线电感下限值须满足[7]:

$L{}_{\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{(2V{}_{\text{d}\text{c}}-3E){\rm T}{}_{\text{s}}E}{2V{}_{\text{d}\text{c}}\text{Δ}i}(2)$

式中:Ts为开关周期;Δi为最大允许电流脉动峰值,一般取额定电流的15%～25%。

定义η=Δi/I,其中I为额定相电流。则根据功率与额定相电流的关系,式(2)可表示成:

$L{}_{\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{3E{}^2(2V{}_{\text{d}\text{c}}-3E){\rm T}{}_{\text{s}}}{4V{}_{\text{d}\text{c}}{\rm P}{}_{\text{Ν}}\eta }(3)$

另外从电流跟随性考虑,进线电感上限值须满足[7]:

$L{}_{\text{u}\text{p}\text{p}\text{e}\text{r}}=\frac{3EV{}_{\text{d}\text{c}}}{8\text{π}{\rm P}{}_{\text{Ν}}f}(4)$

式中:f为电网频率。

2 电网电压不平衡条件下VSC参数设计

由式(1)、式(3)、式(4)可知,电容及电感的取值除了与VSC的容量、直流母线电压有关外,还与相电压的幅值有关。当电网电压存在不平衡时,往往有一相或多相电压幅值、相位发生不对称。为使导出的参数设计方法具有普遍性,本文将以不对称程度最严重的相电压对变换器参数的影响来进行分析。三相电网电压的不平衡程度可用不平衡度δ来衡量:

$\delta =\frac{E{}_{-}}{E{}_{+}}(5)$

式中:E+和E-分别为电网电压正序和负序分量。

考虑到C和L的设计取值基于三相相电压,所以有必要导出不平衡度与相电压跌落深度的关系。

2.1 电网电压不平衡度与相电压跌落深度间关系

根据电网故障类型,电网电压不平衡可分为单相电压幅值不对称、两相电压幅值不对称、两相电压幅值和相位不对称等3种,其相位图见附录A[12]。

假设A相为单相电压不对称时的故障相(其三相电压表达式见附录A表A1),按恒功率变换原则将三相(abc)变量变换到静止两相(αβ)坐标系后,根据T/4延时方法[13,14]可得αβ坐标系中电网电压的正、负序分量,然后再通过相应的正、反转同步速Park变换即可得电网电压的正、负序分量分别为:

$E{}_{+}=\sqrt{\frac{2}{3}}E\frac{p{}_v+2}{2}(6)$

$E{}_{-}=\sqrt{\frac{2}{3}}E\frac{p{}_v-1}{2}(7)$

式中:pv为电网相电压跌落深度。

将式(6)和式(7)代入式(5),可得单相电压不对称情况下相电压跌落深度与不平衡度的关系为:

$p{}_v=\frac{1-2\delta }{1+\delta }(8)$

同样可分别求得两相电压不对称及两相电压幅值、相位不对称情况下,相电压跌落深度与不平衡度的关系为:

$p{}_v=\frac{1-\delta }{1+2\delta }(9)$

$p{}_v=\frac{1}{1+\delta }\sqrt{\frac{3-2\delta -\delta {}^2}{3}}(10)$

2.2 VSC进线电感与直流母线电容设计

基于以上分析,分别将式(8)—式(10)乘以相电压峰值后代入式(1)、式(3)、式(4)中,即可得单相电压不对称、两相电压不对称以及两相电压幅值、相位不对称时直流母线电容下限值及进线电感上、下限值的解析表达式为:

$\{\begin{array}{l}C{}_{1\text{Φ}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{4L{\rm P}{}_{\text{Ν}}^2}{\sqrt{3}(1-2\delta )EV{}_{\text{d}\text{c}}\text{Δ}V{}_{\max }}\cdot \\ \frac{(1+\delta ){}^2}{[V{}_{\text{d}\text{c}}(1+\delta )+\sqrt{3}E(1-2\delta )]}\\ L{}_{1\text{Φ}{}_{-}\text{u}\text{p}\text{p}\text{e}\text{r}}=\frac{3EV{}_{\text{d}\text{c}}(1-2\delta )}{8\text{π}f{\rm P}{}_{\text{Ν}}(1+\delta )}\\ L{}_{1\text{Φ}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{3E{}^2(1-2\delta ){}^2{\rm T}{}_{\text{s}}}{4V{}_{\text{d}\text{c}}{\rm P}{}_{\text{Ν}}\eta }\cdot \\ \frac{2V{}_{\text{d}\text{c}}(1+\delta )-3E(1-2\delta )}{(1+\delta ){}^3}\end{array}(11)$

$\{\begin{array}{l}C{}_{2\text{Φ}\text{Ν}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{4L{\rm P}{}_{\text{Ν}}^2}{\sqrt{3}E(1-\delta )V{}_{\text{d}\text{c}}\text{Δ}V{}_{\max }}\cdot \\ \frac{(1+2\delta ){}^2}{[V{}_{\text{d}\text{c}}(1+2\delta )+\sqrt{3}E(1-\delta )]}\\ L{}_{2\text{Φ}\text{Ν}{}_{-}\text{u}\text{p}\text{p}\text{e}\text{r}}=\frac{3EV{}_{\text{d}\text{c}}(1-\delta )}{8\text{π}f{\rm P}{}_{\text{Ν}}(1+2\delta )}\\ L{}_{2\text{Φ}\text{Ν}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{3E{}^2(1-\delta ){}^2{\rm T}{}_{\text{s}}}{4V{}_{\text{d}\text{c}}{\rm P}{}_{\text{Ν}}\eta }\cdot \\ \frac{2V{}_{\text{d}\text{c}}(1+2\delta )-3E(1-\delta )}{(1+2\delta ){}^3}\end{array}(12)$

$\{\begin{array}{l}C{}_{2\text{Φ}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{4L{\rm P}{}_{\text{Ν}}^2}{E\sqrt{3-2\delta -\delta {}^2}V{}_{\text{d}\text{c}}\text{Δ}V{}_{\max }}\cdot \\ \frac{(1+\delta ){}^2}{[V{}_{\text{d}\text{c}}(1+\delta )+E\sqrt{3-2\delta -\delta {}^2}〗}\\ L{}_{2\text{Φ}{}_{-}\text{u}\text{p}\text{p}\text{e}\text{r}}=\frac{EV{}_{\text{d}\text{c}}\sqrt{3(3-2\delta -\delta {}^2)}}{8\text{π}f{\rm P}{}_{\text{Ν}}(1+\delta )}\\ L{}_{2\text{Φ}{}_{-}\text{l}\text{o}\text{w}\text{e}\text{r}}=\frac{E{}^2(3-2\delta -\delta {}^2){\rm T}{}_{\text{s}}}{4V{}_{\text{d}\text{c}}{\rm P}{}_{\text{Ν}}\eta }\cdot \\ \frac{[2V{}_{\text{d}\text{c}}(1+\delta )-\sqrt{3(3-2\delta -\delta {}^2)}E]}{(1+\delta ){}^3}\end{array}(13)$

根据式(11)—式(13),可绘出直流母线电容、进线电感与不平衡度以及系统有功功率间的关系,如图2—图4所示。图中,ELL为线电压有效值。

由图2可知,进线电感上、下限值均随着系统有功功率的增大而大幅度减小;随着不平衡度的增大,上限值减小而下限值基本保持不变。对于给定的VSC有功功率,进线电感选择范围见图3。显然,3种不平衡状态中,单相幅值不对称的电感选择区域随着不平衡度的增大而迅速减小。图4给出了电容下限值的选取依据。在不平衡度与系统有功功率相同情况下,单相幅值不对称时所需电容下限值最大。为了保证系统能在任何不平衡程度下都能正常运行,VSC参数选取应以单相幅值不对称来考虑。

3 仿真结果

为验证上述分析的正确性,构建了一个500 kW的VSC仿真模型。其中,电网电压取690 V(线电压有效值),直流母线电压为1 050 V。文献[15]明确指出电网电压中允许最大不平衡度为4%的小值稳态不平衡情况,为留一定裕度,本文假设发生了不平衡度为10%的较严重故障。根据式(1)、式(3)、式(4)、式(11)设计出如表1所示的电感、电容参数用于仿真系统。

根据表1,考虑到不平衡度增大后L上限值会大幅度减小,为留有一定裕度选择,L取0.5 mH,电容取7.5 mF。为通过仿真考核系统参数设计的准确性,另选一组不考虑不平衡度的参数,L取0.5 mH,C取4.8 mF。

设VSC采用基于传统比例—积分(PI)调节器的空间电压脉宽调制(SVPWM)矢量控制,采样频率为10 kHz,开关频率为5 kHz, 仿真结果如图5—图7所示。图中,THD为总谐波畸变率。

比较图5—图7中的波形可以发现,在相同控制策略下,考虑电网电压不平衡影响时选取的系统参数可使直流母线电压二倍频波动幅值从1.5%降低至1.0%;在发生电网电压不平衡的过程中,直流母线电压的动态响应更迅速,同时还在一定程度上抑制了电流谐波。因此,考虑电网电压不平衡选择出的VSC参数可增强系统稳定性、提高系统动态性能、减小电网电流谐波。

4 结论

1)在电网电压不平衡条件下,传统VSC参数选择方法不再适用,参数选择的偏差会影响系统运行稳态性能和动态响应速度,恶化电网电流谐波性能。

2)为保证VSC在任何不平衡条件下都正常运行,VSC参数选取应以单相幅值不对称来考虑。

3)本文导出的VSC进线电感、直流母线电容解析计算方法,可使参数选取范围更精准。当电网电压不平衡、采用相同控制策略的情况下,使用优化参数的VSC可明显增强系统的稳定性,提高动态性能,减小输入电网的电流谐波。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

不平衡畸变电压 篇6

供电可靠性是指城市供电系统对用户持续供电的能力。统计表明, 用户停电故障中80%以上由配网系统的故障引起, 对用户供电可靠性有很大影响。配电网中三相电压不平衡现象是电网异常和故障的反映。值班人员若能根据三相电压不平衡现象准确判断故障, 隔离故障, 恢复运方, 可以大大提高对用户的供电可靠性。反之, 则可能导致配变烧毁、避雷器爆炸、线路短路, 甚至大面积停电事故。

1 三相电压不平衡定义及现状

三相电压不平衡是指在电力系统中各相之间电压不相等或相角不相等, 且幅值差超过规定范围, 是由各相负载不平衡所造成。配电网的三相平衡一直就是困扰供电单位的主要问题之一, 配电网大多是经10/0.4k V变压器降压后, 以三相四线制向用户供电, 是三相生产用电与单相负载混合用电的供电网络。在装接单相用户时, 供电部门遵循的原则是将单相负载均衡地分接在A、B、C三相上。但在实际工作及运行中, 由于单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等, 都造成了三相负载的不平衡。

但随着配电网的扩大, 中低压架空导线及电缆出线回路数增多、线路增长, 中低压电网对地电容电流亦大幅度增加, 当发生单相接地时, 其他两相的对地电压要升高√3倍, 接地电弧不能自动熄灭而产生电弧过电压, 一般为3~5倍相电压甚至更高, 致使电网中绝缘薄弱的地方放电击穿, 因此配电网若在三相负荷不平衡度较大情况下运行, 最终发展为相间短路将会给配电网与电气设备造成不良影响。

2 常见三相电压不平衡现象分析

通过配电网运行情况我们可以看出, 常见的三相电压不平衡有系统完全接地、不完全接地、间歇性接地、弧光接地、由接地诱发的谐振、线路发生断线等现象, 举例如下:

2.1 完全接地

如果发生完全接地, 则故障相的电压降到零, 非故障相电压上升为线电压, 零序电压3U0上升至100V, 并发出母线接地信号。此类接地原因主要有:电缆击穿、线路上搭有异物、针瓶击穿、电缆故障等。例如表1所示。

2.2 不完全接地

如果发生不完全接地, 故障相电压下降但不为零, 非故障相电压上升至相电压与线电压之间, 零序电压3U0上升至整定值, 发出母线接地信号。此类接地原因主要有:线路间接接地、配电变压器烧毁、电缆故障等。为尽快选出接地线路, 避免事故进一步扩大化, 各地区部分变电站根据情况安装了小电流接地选线装置, 接地时可供调度员们参考。例如表2所示。

2.3 间歇性接地

如果发生间歇性接地, 接地现象时有时无, 间歇性出现。非故障故障相电压时增时减或有时正常, 零序电压3U0也时增时减或有时正常不稳定, 接地信号也是发信、复归伴随出现。此类接地原因主要有:扎线松动、风天异物搭接在线路上等。例如表3所示。

2.4 弧光接地

如果发生弧光接地, 电压表指示不稳定, 非故障相电压上升至额定电压的2.5-3倍, 零序电压3U0可能大于100V。会引起此类接地的原因很多:当金属或者其他导体靠近高压线, 距离达到放电距离, 就会产生电弧放电, 当距离足够小, 电弧不能自动熄灭, 就是弧光接地了, 通常发生风吹着树靠近高压线或者其他事故导致的, 也有汽车天线靠近等等。

2.5 由接地诱发的谐振

铁磁谐振有分频、基波、高频谐振三种形式, 其共同特征是系统电压升高, 母线电压互感器的开口三角绕组出现较高电压, 不同点是:

分频谐振三相电压依次轮流升高, 超过线电压, 一般不超过2倍相电压, 三相电压表指针在相同范围出现低频摆动;

基波谐振两相电压升高, 超过线电压, 但一般不超过3倍相电压, 一相电压降低但不等于零;

高频谐振三相电压同时升高或其中一相明显升高, 超过线电压, 但不超过3至3.5倍相电压。

谐振过电压经常造成设备闪络或击穿、电压互感器喷油、冒烟、高压熔丝熔断等。

2.6 线路发生断线

线路发生断相时, 相电压特征是三相电压不平衡, 断线相电压和中性点电压升高, 非断线相电压降低, 供电功率减少, 零序电压3U0上升至整定值, 发出母线接地信号。

与线路单相接地的区别是, 此时三相电压表现为一相升高 (断线相) 另两相 (正常相) 降低。电压升高的幅度与断线点和母线的距离有关, 断线处离母线越近电压越高, 离母线越远电压越低, 断线发生在线路末端时, 电压变化很小甚至没有变化。另外发生线路断线时常常会接到配电变压器缺相的报告。

此类故障主要有:电缆线路被外力挖断、线路某相跌落保险熔断等。例如表4所示。

2.7 电压互感器高压保险熔断

高压保险一相熔断时, 熔断相电压显著降低, 其他两相电压不变, 发出母线接地、电压回路断线信号。但是, 如果高压保险未完全熔断, 则可能不会发出母线接地信号。若判断为高压保险熔断, 可投入冷备的电压互感器, 将故障的电压互感器转检修更换熔断相高压保险。例如表5所示:当时35kV I、II段并列运行, 发出“35kVI、II母接地”、“35kV I、II母PT断线”信号, 当班调度员判断为C相高压保险熔断。

2.8 电压互感器低压保险熔断或二次空开跳闸

低压保险一相熔断时, 熔断相电压降低很多, 未熔断的两相电压正常, 发出电压回路断线信号, 开口三角无电压, 不会发出母线接地信号。会不会发出母线接地信号是判别高压保险还是低压保险熔断的一个主要依据。例如:五里坡变。

6k V母线电压Ua=0.5k V、Ub=0.5k V、Uc=0.5k V、3U0=3.7V, 现场检查二次电压均正常, 后将母线测控装置二次空开重新合上后电压正常。

2.9 二次电压回路异常及其他

发生这种现象时, 电压情况无法预测。其形成原因复杂, 通常有二次小线烧断、碰线、回路接错、表计异常等。处理办法一般为值班人员根据监控所发信号、现场检查情况将母线电压互感器转检修后交检修单位检查处理。例如:立新变10kV母线电压Ua=6.2kV、Ub=6.2kV、Uc=5.9kV、3U0=8.9V, 而且零序电压不断的变化, 经保护人员检查为保护插件问题。线路参数不平衡、三相负荷的不对称也会影响母线电压的平衡。

3 三相负荷不平衡的危害

3.1 对配电变压器的影响

1) 三相负荷不平衡将增加变压器的损耗。变压器的损耗包括空载损耗和负荷损耗。正常情况下变压器运行电压基本不变, 即空载损耗是一个恒量。而负荷损耗则随变压器运行负荷的变化而变化, 且与负荷电流的平方成正比。

2) 三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果。三相负荷不平衡时重负荷相电流过大 (增为3倍) , 超载过多, 可能造成绕组和变压器油的过热。绕组过热, 绝缘老化加快;变压器油过热, 引起油质劣化, 迅速降低变压器的绝缘性能, 减少变压器寿命 (温度每升高8℃, 使用年限将减少一半) , 甚至烧毁绕组。

3) 三相负荷不平衡运行会造成变压器零序电流过大。配电变压器设计时不考虑油箱壁或其他金属构件为导磁部件, 则由此引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热, 致使变压器局部金属件温度异常升高, 严重时将导致变压器运行事故。

3.2 对线路和配电屏的影响

1) 三相负荷不平衡将增加线路损耗。三相四线制供电线路, 把负荷平均分配到三相上, 设每相的电流为I, 中性线电流为零, 其功率损耗为:

在最大不平衡时, 即某相为3I, 另外两相为零, 中性线电流也为3I, 功率损耗为:

即最大不平衡时的电能损耗是平衡时的6倍, 换句话说, 若最大不平衡时每月损失1200 k Wh, 则平衡时只损失200 k Wh, 由此可知调整三相负荷的降损潜力巨大。

2) 三相负荷不平衡可能造成烧断线路、烧毁开关设备的严重后果。三相负荷不平衡时重负荷相电流过大 (增为3倍) , 超载过多。由于发热量Q=I2Rt, 电流增为3倍, 则发热量增为9倍, 可能造成该相导线温度直线上升, 以致烧断。且由于中性线导线截面一般应是相线截面的50%, 但在选择时, 有的往往偏小, 加上接头质量不好, 使导线电阻增大。中性线烧断的几率更高。

同理在配电屏上, 造成开关重负荷相烧坏、接触器重负荷相烧坏, 因而整机损坏等严重后果。

3.3 对供电企业的影响

变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏, 一方面增大供电企业的供电成本, 另一方面停电检修、购货更换造成长时间停电, 少供电量, 既降低供电企业的经济效益, 又影响供电企业的声誉。

3.4 对用户的影响

三相负荷不平衡, 一相或两相电压波形畸变严重, 必将增大线路中的电压降, 降低电能质量, 影响用户的电器使用。

变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏, 影响用户供电, 轻则带来不便, 重则造成较大的经济损失, 如停电造成养殖的动、植物死亡, 或不能按合同供货被惩罚等。中性线烧断还可能造成用户大量低压电器被烧毁的事故。

4 三相电压不平衡现象治理

4.1 线路单相接地

对于这种情况, 线路接地不仅仅是指架空线路、电缆, 也包括隔离开关、断路器等变电站站内设备。处理时首先应对站内设备进行巡视。检查站内设备正常后将接地母线出线断路器逐一拉合, 当拉开某条线路时接地消失则可判定故障点在该线路上。先试拉架空线路多、负荷较轻且无重要用户的线路, 后拉负荷较重且有重要用户的线路。

4.2 2条或2条以上线路接地

1) 同一母线的供电线路有时会发生2条或2条以上线路同时接地。若2条线路异名相同时接地, 电流速动保护动作, 将其中一条线路切除。另一条线路接地, TV开口三角有电压输出, 发出接地信号。处理方法可采取单条线路单相接地的办法。

2) 若2条线路同相接地, 由于构不成过流保护回路, 电流速动保护不会动作。此时绝缘监视显示对地电压指示不平衡, 出现接地信号。现象和原理同单条线路单相接地。但是, 按照单条线路单相接地处理流程, 将所有线路试拉以后接地一直存在。这种情况虽然比较少见, 但是现场处理时很容易造成调度员的误判, 处理起来也十分复杂。

3) 以2条线路同相接地为例, 线路接地时并不是理论上的完全金属接地, 总是存在一定的接地阻抗利用遥测、遥信工具或运行值班人员现场监视仪表, 及时捕捉拉合断路器时电压的差异, 往往能判断出接地线路。

4.3 线路断线

线路断线发生后, 由于导线悬挂在空中, 在风力作用下会和电线杆、大地或周围的树木接触, 造成间歇性接地, 甚至发展成为线路单相接地。此时, 靠近接地处8m以内即有可能因为跨步电压造成触电, 因此线路断线对人员生命安全危险很大, 应立即将故障线路切除。

4.4 TV自身故障

对TV熔丝熔断造成的三相电压不平衡状况, 应首先将母联备自投装置停用, 退出与该TV有关的保护。将TV改为冷备用后更换熔断的熔丝, 再将TV投入运行, 三相电压不平衡即会消失。但是, 如果对TV自身故障造成的三相电压平衡现象理解不准确, 误判为线路接地或线路断线, 则往往会因为试拉线路造成不必要的对外停电, 影响供电可靠性。同时, 由于处理时间上的延误, TV长时间在不平衡电压下运行容易引发TV损坏。

4.5 消弧线圈补偿不当

通常消弧线圈运行在过补偿状态, 补偿后单相接地故障的电流应小于10A。并应优先采用自动跟踪补偿消弧线圈, 对于非连续调节的自动跟踪补偿消弧线圈, 其脱谐度应小于5%, 对于连续调节的自动跟踪补偿消弧线圈, 其脱谐度应小于2%。

在实际运行过程中, 由于发生故障或消弧线圈容量不够等原因, 有时会引起谐振。此时三相电压表现为一相升高、两相降低或一相降低、两相升高, 且三相电压往往不断变化, 有时侯还会出现很高的谐振过电压。对这种情况一般将某条线路拉合一次破坏谐振条件后三相电压即恢复正常, 并做好记录, 以便技术人员参考并重新整定消弧线圈脱谐度。

5 总结

由以上分析可以看出, 引起配电网三相电压不平衡的原因很多, 彼此之间又有很多相似之处。要了解各种三相电压不平衡现象的机理和产生过程, 针对不同的事故情况采用合理的解决办法。其次, 处理三相电压不平衡情况时一定要沉着、冷静、思路清晰, 对处理步骤做到心中有数。这样才能正确、及时的处理好事故, 使电压在最短的时间内恢复正常, 保证电网的安全稳定运行, 提高供电可靠性。

摘要：配电网中三相电压不平衡现象多是由于大风天气或设备原因引起的线路分支跌落保险跌落、杆塔鸟窝搭建等原因引起的。在系统发生电压异常时, 都是通过远程监控系统根据电压、信号等综合现象区分故障类型。文中结合现场实际运行经验, 对配电网中三相电压不平衡现象的危害进行了说明, 总结了引起三相电压不平衡的原因及相应处理方法。为电网调度人员和运行值班人员迅速、准确地处理三相电压不平衡故障提供了参考和帮助。

关键词：配电网,三相电压不平衡,消弧线圈,供电可靠性

参考文献

[1]程浩忠, 艾芊, 朱子述, 等.电能质量[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[2]人民共和国国家标准:GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡度[S].北京:国家技术监督局, 2008.

[3]储卓皓.配网三相电压不平衡分析与处理[J].江苏电机工程, 2010 (6) :42-44.

不平衡畸变电压 篇7

关键词：电压不平衡,厂用变压器,铁磁谐振,分析

唐山某热电厂启机厂用快切试验前, 在对高压厂用变压器低压6.3 kV侧A、B分支进线PT二次电压进行测量时, 发现各分支的线电压幅值、相位均正确, 完全平衡, 而各分支的相电压却严重不平衡, 幅值和相位均有较大偏移。另外, 高压厂用变压器 (以下简称高厂变) 高压侧电压经测量完全正常。

1 分析

1.1 现象分析

A、B分支进线PT二次电压的具体测量结果如图1所示, 一次测量结果折算到二次后与之完全一致, 另外两个分支的测量结果基本相同。

该电厂高厂变采用“△-△”双绕组接线方式, 为中性点不接地方式, 如图2所示。在大的供电系统中, 系统线电压是完全平衡的, 但系统对于某一基准点 (比如说大地) 的相对电位是由各相端子对地导纳来决定的, 在中性点不接地的系统中, 起这个作用的是对地电纳, 其对地电导一般都很小, 可以忽略不计。当导线与大地之间的电纳对称时, 三相电压平衡, 但当导线或者说这个系统与大地之间的电纳不对称时, 三相电压不平衡。所以该电厂高厂变系统发生上述情况就是因为系统与大地之间的电纳不对称。一般能够引起图1所示这种电压不对称现象的主要有三种情况:单相非金属性接地、系统铁磁谐振、系统对地电容不平衡。

从图1可以得知, 高厂变低压6.3 kV侧的C相电压大于零, 小于正常的相电压, 而A、B两相电压大小基本相等, 均大于正常的相电压小于线电压。这个现象比较吻合于C相非金属性接地。要想确认这种情况的可能性, 只要电厂停机测量高厂变系统的绝缘情况便可。如果确认是C相非金属性接地, 那么对系统进行详细检查并找到接地点进行处理, 系统便会恢复正常。

1.2 系统铁磁谐振情况分析

铁磁谐振又称非线性谐振, 谐振回路由带铁芯的电感元件 (如空载变压器、电压互感器) 和系统的电容元件组成。因铁芯电感元件的饱和现象, 回路的电感参数是非线性的, 这种含有非线性电感元件的回路, 在满足一定谐振条件时, 就会产生铁磁谐振。

图3为电厂高厂变低压6.3 kV侧系统等效图。

图3中电容Cu、Cv、Cw主要由高厂变、箱母等一次设备的对地电容构成;电感Lu、Lv、Lw是PT的一次绕组电感。系统的线电压可以认为是恒定, 所以导线的相间电容等负载在谐振中不起作用, 可忽略。

正常运行时, PT的励磁感抗很大, 高厂变、连接导线、箱母的对地电容三相基本上是平衡的, 三相电压基本平衡。但在系统中出现某种扰动, 如系统突然带电、遭受雷击或合闸冲击、单相接地故障突然消失等情况下, 可能会造成PT的三相励磁电感饱和度不同, 某一相或某两相暂态励磁电流急剧增大, 铁芯迅速磁饱, 励磁感抗急剧下降, 系统三相对地阻抗不等, 三相对地电压也随之变化, 于是产生铁磁谐振现象。该电厂很有可能是由于发电机起励升压使高厂变系统突然带电, 然后造成PT C相暂态电流迅速增大, 励磁感抗迅速下降, C相对地电压随之下降, A、B相对地电压上升, 从而产生铁磁谐振现象。

当然, 要判断系统是否发生了铁磁谐振还需要进一步的确认, 比如查看系统零序电压是否不停的摆动, 系统在PT拉开的情况下是否还发生三相电压不平衡现象等。但是要想从根本上判断铁磁谐振是否发生还需要进行几项工作, 测试PT的伏安特性曲线, 再结合系统的一次设备参数等, 利用专门的软件对系统的电压波形进行分析及仿真。这样才能最终得出结论。

1.3 系统对地电容不平衡情况分析

在中性点不接地的系统中, 如果系统三相对地电纳不平衡的话, 就会产生三相对地电压不平衡现象 (见图3) 该电厂高厂变低压侧系统三相对地电纳主要由电容Cu、Cv、Cw, 和电感Lu、Lv、Lw决定。一般情况下, PT一次绕组电感Lu、Lv、Lw是基本相等的, 所以系统三相对地电纳是否平衡就主要由电容Cu、Cv、Cw来决定, Cu、Cv、Cw主要由高厂变、箱母等一次设备的对地电容构成。高厂变低压侧的两条箱母出线大概各长50 m, 而且排列基本对称, 所以箱母的对地电容应该较小, 而且是基本平衡的, 这样一来电容Cu、Cv、Cw是否平衡就主要取决于高厂变低压6.3 kV侧三相入口的对地等效电容。

电厂在发现高厂变低压6.3 kV侧三相对地电压不平衡后, 决定停机对整个高厂变系统进行检查, 同时测量了高厂变系统的绝缘情况, 测量结果为绝缘合格, 排除了C相非金属性接地的可能。另外, 录波所得的三相对地电压波形与图1的测量结果基本吻合, 非常平滑标准, 没有谐波和畸变, 不符合铁磁谐振现象, 很明显是由于三相对地负载不对称造成的, 也就是上面分析的高厂变低压6.3 kV侧三相入口的对地等效电容不对称。为了确认这种情况, 可以用电容测试仪对高厂变的三相对地等效电容进行测量, 测量之前要把高厂变和箱母的连接断开。顺便我们也可以测量一下箱母的对地电容, 以便确认上述推测。

2 解决措施

2.1 铁磁谐振的解决措施

一般消除铁磁谐振应从两方面着手, 即改变电感、电容参数和消耗谐振能量, 消谐的措施主要有:

a.选择励磁特性好的PT

若PT伏安特性非常好, 则PT有可能在一般的过电压下还不会进入较深的饱和区, 从而不易构成参数匹配而出现谐振。

b.在PT一次侧中性点串接电阻接地

PT高压侧中性点原为直接接地, 为了限制谐振, 改为经电阻接地, 这种方式等价于每相对地并联电阻或在PT二次开口三角绕组接入电阻一样, 均能起到消耗能量及抑制谐振的作用。

c.在PT一次侧中性点串接副PT接地

这样一来, 电压由主、副PT共同承担, 相当于改善了PT的励磁特性, 使PT不易饱和, 但PT中性点仍然承受较高电压, PT在谐振时虽可能不损坏, 但谐振依然存在。

d.在PT二次侧开口三角处接入阻尼电阻或消谐装置

电网正常运行时, 开口三角绕组端口基本上是没有电压的, 端口上接的阻尼电阻不消耗能量。当三相电压不平衡时, 开口三角绕组端口就会产生电压, 那么端口上接的阻尼电阻就会消耗能量。阻尼电阻越小, 消耗的能量就会越多, 限制和阻尼谐振的作用就越明显。

e.采用自动调谐原理的接地补偿装置

此类自动补偿装置由5个部分组成, 接地变压器、电动式消弧线圈、微机控制部分、阻尼电阻部分、中性点专用互感器和非线性电阻。

f.改变电容和电感参数, 破坏谐振条件

这是一种比较直接的方法, 相对于其它方法简单快捷一些。

2.2 系统对地电容不平衡的解决措施

对于由于系统三相对地电容不平衡而引起的三相对地电压不平衡, 可以通过在系统三相各外接一个较大接地电容器的方法来解决。一般来说高厂变低压6.3 kV侧三相入口的对地等效电容是不会太大的, 如果在三相各接一个较大的电容器, 那么三相对地电容之比会变小, 三相对地电压也会相应变得基本平衡。但这种方法对电容器的绝缘水平要求较高, 所以须采用耦合变压器才能达到要求。

2.3 电厂采用的解决措施

电厂为了解决三相对地电压不平衡现象, 决定在高厂变低压6.3 kV侧母线上接入一台容量为800 kVA的变压器, 其原理与上述接电容器的方法比较类似, 都是想使系统三相对地阻抗变得基本平衡。接入变压器后三相对地电压确实得到了改善, 趋于平衡, 但没有达到最佳理想效果, 究其原因是变压器容量较小, 于是电厂改接一台容量为2 500 kVA的变压器。经再次测量, PT二次电压三相均为59 V左右, 而且相位正确, 一次电压的测量结果也完全正确, 三相基本平衡。但这种方法只是一种临时措施, 不利于系统稳定运行, 要想根本解决还是要采用2.2的方法。

3 结束语

三相对地电压不平衡现象在中性点不接地系统中是比较常见的, 原因也比较复杂, 长期出现三相对地电压不平衡, 是不利于系统运行的, 应及时分析电压不平衡情况, 找出原因所在, 做到分析判断准确, 排除故障迅速, 这样才能确保设备正常运行和供电的可靠。

参考文献

[1]赵晓明, 余志慧.500 kV主变35 kV侧铁磁谐振实例及其数值仿真分析[J].浙江电力, 2008 (3) :23-25.

[2]卢国伟, 罗凯.中性点不接地系统的铁磁谐振[J].湖北电力, 2008, 32 (1) :30-32.

[3]翁利民.配电网电压互感器铁磁谐振的特点与抑制[J].继电器, 2004, 32 (20) :40-42.

不平衡畸变电压 篇8

1 典型事故叙述

例:2009年, 我葑门变10k VII母线接地A 0.9 k V, B 1 0.7 k V, C 1 1.3 k V, 操作人员到现场, 检查现场设备正常后, 试拉线路, 试拉至121富华线拉开后母线电压A9.7k V B0.7k V, C10k V, 接地信号由A相转变为B相接地信号。合上开关后A:0.9k V, B10.7k V C11.3k V, 接地信号由B相转变为A相接地信号, 我们初步分析: (1) 121富华线存在单相接地故障。 (2) 母线接地信号出错或121富华线开关存在异常, 不存在母线异相接地的可能, 两条线异名相接地时, 两条线同时跳闸或只有一条线跳闸, 跳闸时电网有单相接地现象, 需要进一步判断, 因此拒绝操作人员再拉其余线路的要求, 通知配电将121富华线架空线切除, 以便于确定121富华线存在故障, 架空线切除后, 葑门变接地消失, 电压A6.0B6.0C6.0, 确定121富华线存在接地故障并隔离, 同时母线接地信号出错也可以排除, 检修进一步检查确定121富华线开关中相拒分, 121富华线路A相接地故障, 原先在拉开121富华线存在的B相接地信号应确定为用户通过用户变返送至葑门变10k VII母线引起。

2 故障现象分析、总结

从上述事故中, 我们可以认识到, 只要我们可以从繁多的现象中, 抓住事故的本质, 那么就可以迅速隔离、消除故障。如何抓住事故本质, 那就需要我们找出关键性事故现象。

发生不平衡故障时, 我们首先要通过故障现象判断是变电设备故障, 还是线路故障。只有判断出故障设备, 才能迅速处理故障。

2.1 绝缘监视装置自身故障现象分析

(1) 其故障现象从电压表反应为一相电压大幅度降低, 其他两相电压有不同程度的降低时, 可判断为高压侧一相熔断器熔断, 其熔断相为电压表反应为一相电压大幅度降低相。

(2) 其故障现象从电压表反应为一相到零或有一点指示, 另外两相电压正常时, 可判断为二次侧断开一相, 其断开相为电压表反应为一相到零或有一点指示相。

(3) 其故障现象从电压表反应为两相相电压很小或接近于零, 一相的相电压接近于正常相电压时, 可判断为高压熔断器两相熔断, 或二次侧断开两相。不宜判断出是高压侧或低压侧, 需检查。

2.2 线路接地故障现象分析

(1) 其故障现象为一相对地电压降低, 金属性的完全接地时降为零, 非故障相对地电压升高, 金属性的完全接地时升为线电压, 可判断为线路单相 (相电压降低相) 接地。

应注意, 当单条线路所带配电变压器烧损接地时, 其表现为单相接地。但当选切带有此变压器的线路时, 电网接地消除;当送出这条线路时, 有时也不出现接地, 有时间出现接地, 因为配变故障在不断发展中, 由于配电网电容电流的改变, 接地有时也随之消除, 过一段时间又出现接地, 这样的接地显然发生得不多, 但不易分析、判断。

(2) 其故障现象为电网三相对地电压不平衡, 出现电网接地信号, 但与线路单相接地的区别是, 电网三相对地电压一相升高 (断线相) 另两相降低, 配变出现缺相时, 可判断为线路断线不接地, 而线路单相接地, 则电网三相对地电压表现为两相升高, 一相降低。

(3) 其故障现象为三相对地电压表指示不平衡, 出现接地信号。变电所值班员按规定顺位逐条选切线路时, 三相对地电压指示有变化, 但接地未消失, 可判断为两条配电线同相发生单相接地故障。若全选切一遍, 三相对地电压指示没有变化, 则考虑其他变电设备接地。

(4) 其故障现象为是同一母线供电的两条线同时跳闸或只有一条线跳闸, 跳闸时电网有单相接地现象。若两条线都跳闸, 电网接地现象消除;若两条线只有一条跳闸时, 电网仍有接地现象, 但单送其中一条时电网单相接地相别发生改变时, 可判断为两条配电线异相发生单相接地故障。

2.3 谐振过电压

如中性点不接地电网发生单相断线, 其中一相接地, 另一端则有可能出现很高的谐振电压, 如对空载母线充电时, 由于开关三相合闸不同步, 三相对地电容不平衡, 可能使中性点发生位移, 三相电压不对称, 产生谐振, 也会发出接地信号, 其现象为三相电压可能一相升高、另两相降低或两相升高、另一相降低, 并不断变化, 此时一旦投入一条线路或投入一台所用变压器, 破坏谐振条件, 此现象消失。

3 事故处理几点经验

3.1 扎实的基本功

调度员首先要牢固掌握地区电网各种运行方式, 熟悉管辖系统潮流分布情况, 对电网薄弱方式、特殊点心中有数, 通过各种接地现象掌握故障本质, 熟悉接地故障处理步骤, 只有具备这些业务技能才能在突发事故面前思路清晰, 正确判断、处理, 及时、合理调整好方式。

3.2 养成良好的习惯

在事故处理过程中调度员一定要沉着、冷静, 考虑周到。对各种信号、汇报情况, 应详细了解, 综合判断。养成良好工作习惯, 例如有变电站电容器室与开关室不在一处, 值班员检查时容易遗漏, 需特别强调其检查是否正常。

3.3 积累运行经验

调度运行工作创新之处并不多, 更多在于平时不断积累运行经验, 特别是事故处理经验, 包括发生的一些典型电网事故及其处理方法, 甚至误调度、误操作事故, 都可以从中吸取经验、教训, 供自身积累提高。还可以通过开展事故预想, 分析电网薄弱方式, 提高事故处理能力。

3.4 处理事故时相互监护