三相电流平衡（精选8篇）
三相电流平衡 篇1
0 引言
随着电力电子技术的发展,电网中冲击性、非线性负载不断增加,使得电网功率因数低、三相不平衡、高次谐波放大等电能质量问题日益严重[1]。系统三相不平衡度如果超过一定范围,将会影响系统的安全运行,产生的负序电压和负序电流将导致旋转电机发热和振动,变压器漏磁增加和局部过热,电网线损增大及各种保护和自动装置误动等等。不平衡电流可以分解为正序、负序和零序的电流分量,因此会对计量仪表的精度产生影响。对于三相不平衡电流,通常采取的解决办法是尽量合理地分配负荷,但是由于各用户的负荷量不一致且用电的时间不一致,因此不能从根本上解决问题。
本文专为三相四线的低压供电系统设计的不平衡补偿装置不但可以将三相的功率因数均补偿到0.9以上,而且可以将三相间的不平衡有功电流校正到合理范围内。
1 不平衡补偿算法
设系统各相的有功功率和无功功率分别为Pa、Pb、Pc和Qa、Qb、Qc,实际系统负荷部分是由∆接线形式和Y接线形式组合而成,其有功功率和无功功率是由两部分联合产生的,但各自的实际比例并不确定[2]。
假定参数Qx,得到如下的补偿公式:
公式中QΔab表示A相与B相间的无功补偿值,QbΔc表示C相与B相间的无功补偿值,QcΔa表示A相与C相间的无功补偿值,aQY表示A相与零线间的无功补偿值,bQY表示B相与零线间的无功补偿值,cQY表示C相与零线间的无功补偿值。
不平衡无功补偿的原则是[3,4]:
(1)只补偿电容;
(2)尽量使三相功率因数接近1,三相有功电流平衡;
(3)在满足上述条件基础上,尽量减小电容的使用数量。
在满足上面三个条件下,根据实际电容分布情况调节Qx,达到无论在补偿效果上还是电容器配置上都是最优。
2 控制器硬件设计
2.1 系统主控芯片Freescale 56F807的功能
Freescale 56800系列DSP是16位定点的DSP芯片,集实时信号处理能力和控制外设功能于一身,关键部分采用双哈佛结构,支持并行处理,在80 MHz时钟频率下可达到40兆条指令/s(MIPS)的指令执行速度,JTAG/On CE程序调试接口,允许在系统设计过程中随时进行调试,并可对软件进行实时调试。
2.2 硬件设计
硬件设计上从实际情况出发,采用点阵式的液晶显示器、全中文和图形化的界面,控制器内部的高精度实时时钟保证在断电的情况下正常走时10年,交流电和电池两种供电模式能够保证在停电的情况下控制器正常工作3~4个小时。硬件电路主体分为三个部分:控制板、通讯板和驱动板。
控制板提供人机界面处理、读取实时时钟、校时、控制信号输出以及电容器智能控制等功能,控制板原理框图见图2所示。
通信板提供对控制器远程控制的GPRS模块,RS485接口,以及本地的RS232接口,通信板原理框图见图3所示。
驱动板提供驱动输出,通过控制板的控制信号驱动智能复合开关,控制电容器组的投切。驱动板的原理框图见图4所示。
3 控制器软件设计
软件代码采用C语言和DSP芯片相关汇编语言混合编写,控制器软件主要包括下面几个功能模块:底层驱动模块,计算模块,保护模块,电容器投切控制模块,A/D模块,人机交互模块和通信模块等。其中A/D模块采用的是抗谐波电能计量芯片ADE7758。
电容器的分组的具体方法比较灵活,一般希望能组合产生的电容级数越多越好,但是综合考虑到系统复杂性以及经济性问题,可以采用二进制的方案,即采用k-1个电容值均为C的电容和一个电容值为C/2的电容,这样的分组法可以组合成的电容值为2k级[5]。
主程序是整合几个模块进行处理及响应中断,主程序流程图见图5。
4 控制器的测试
对控制器性能进行测试。测试的内容包括:
(1)控制器是否能够将电力系统中的电压、电流、功率因数和无功功率等参数正确显示和测量。
(2)验证控制器是否能够正常的对电力系统状况进行判断,正确地投切电容器。
(3)验证控制器的其他功能是否正常,如通信、时钟等功能。
5 实验数据分析
(1)功率因数:补偿前功率因数平均值为0.6,补偿后功率因数均上升为0.9以上。
(2)不平衡度:补偿前三相不平衡度为13.7%,补偿后三相不平衡度为0.03%。
表1所示为采集到的补偿前与补偿之后的两组数据。
从图6,7中可以看出恰当的选择电容器的接法,就可以达到既补偿功率因数又调整不平衡电流的目的。
6 结束语
使用调整不平衡电流功率因数补偿装置可以取得较好的节能效果,并且零线电流很小,完全符合国家标准关于零线电流不超过变压器额定电流25%的要求,因此在三相严重不平衡的供电系统中具有重要的现实意义。
参考文献
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配电网三相不平衡源的定位 篇2
关键词：三项不平衡；配电网；仿真
中图分类号： TM711 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）20-110-2
0 引言
中性点非有效接地运行方式在我国的配电网中得到了广泛的应用，其往往具有较大的零序阻抗。同时一般使用不换位架设三相架空线路，并对断线故障和补偿电容、电压互感器和单相高压负载进行了考虑。这也造成三相对地参数不对称的概率较高，容易造成三项不平衡电压。通过配电网三项不平衡源定位，能够找到不平衡问题的根源，从而有的放矢地解决三项不平衡的问题。
1 配电网不平衡源定位的理论和方法
1.1 配电网不平衡源定位的对称分量法
由于电力系统属于三相系统，因此可以使用对称分量法来对三项系统的不平衡问题进行分析。根据该方法，可以在三项系统中选取任意三个相量，组成一组，每组中都包括零序分量、负序分量和正序分量。基于叠加原理，将独立的三组对称三相系统组合起来，能够使其成为一组三项不对称的系统[1]。
①零序分量。假设三相相量分别为a、b、c，则三相相量就是Fa（0）、Fb（0）、Fc（0），Fa（0）、Fb（0）、Fc（0）的相位和幅值是相同的。可以用Fa（0）=Fb（0）=Fc（0）来表示三相相量之间的关系。
②负序分量。三相相量分别为a、b、c，则三相相量就是Fa（2）、Fb（2）、Fc（2），Fa（2）、Fb（2）、Fc（2）的幅值是相同的。在相位方面，c相与b相相比，超前了120°，b相又比a相超前120°。旋转转子可以用α来表示，也就是α乘以某相量，则表示这个相量进行了逆时针120°旋转。可以用α2Fa（2）= Fc（2）、αFa（2）=Fb（2）、Fa（2）=Fa（2）来表示三个相量之间的关系。
③正序分量。三相相量分别为a、b、c，则三相相量就是Fa（1）、Fb（1）、Fc（1），Fa（1）、Fb（1）、Fc（1）的幅值是相同的。在相位方面，b相与c相相比，超前了120°，a相又比b相超前120°。可以用αFa（1）=Fc（1）、α2Fa（1）=Fb（1）、Fa（1）=Fc（1）。
1.2 配电网等效电路
作为一个三项平衡电压源，发电机主要是通过线路阻抗和系统阻抗来向负荷供电。图1为三相平衡负荷等效电路示意图，从图中可以看出系统中的有功功率会流向负荷，此时的负荷是三相平衡。图中的PS1表示线路损耗、PL1表示发电机侧流向三相平衡负荷的正序功率、Pg1表示发电机提供的正序功率[2]。
但是如果有不平衡负荷出现于负载中，那么一部分被不平衡负荷吸收的正序功率就会变成负序功率，并向发电机侧回馈。此时的发电机会成为一个实际的阻感负荷，并向其他负荷和系统输入负序电流。流向其他负荷和系统的不平衡负荷也就是有功功率。三相不平衡负荷等效电路如图2所示。
如果电力系统比较复杂，还会出现以下一些情况。第一，不平衡负荷为用户，正弦波为电源。此时正序功率会被不平衡负荷吸收，变成了负序功率。此时其他用户和电源中都会倒流进一部分负序功率。这样一来用户不仅会减少一部分应交电费，而且还会污染整个电网。
第二，平衡负载使用了三相不平衡电源，此时用户的用电设备会受到负序功率的影响，不仅可能损坏用户的设备，还使用户必须承担更多的电费。第三，除以上两种情况外，还会出现比较复杂的三相不平衡电流负荷情况。此时以上两种情况都可能发生。
1.3 对配电网三相不平衡源进行定位
以以上结论为依据，对配电网的三相不平衡源进行定位。
①电流测量量程为IB，如果0.03IB≥IL2，或者β的范围在-90°至-80°之间，或者0.02UL1≥UL2。如果如果ZS2（系统负序阻抗）比ZL2（负荷负序阻抗）小，那么IL2的流向是系统到负荷。反之， ZS2（系统负序阻抗）和ZL2（负荷负序阻抗）处于同一个数量级，那么IL2的流向是负荷到系统。
②如果0.03IB 2 对配网三相不平衡源定位进行仿真 本文建立了三项不平衡配电系统模型，对三相平衡电源进行仿真模拟。该模型中的负荷有两个，分别为Load1和Load2，三相不平衡负荷用Load1表示，三相平衡负荷用Load2表示。图3为三相不平衡配电系统等效仿真模型图，本文测量并分析了C1、C2、Cs三个测试点的三相电压电流。 根据分析结果可知，使用分量分解的方式对三相负荷平衡侧的电压电流进行分析，对称分量分解后的负序阻抗角属于第一象限。而对三相负荷不平衡侧对电压电流进行测试，然后对其进行对称分量分解，序阻抗角属于第二象限。而且此时的系统负序阻抗和负序阻抗的幅值基本相等，能够对上文的配电网三相不平衡源定位的理论进行验证。 鉴于现场进行断电测试有一定的困难，因此本次实验使用了电能质量测试分析仪器来对新两钠配电室的末端和前端在不同时间段内的相位、电流幅值和基波电压进行了测量，以此来判断造成三相电压不平衡的原因。 根据测试结果可知，新两钠末端的电压不平衡度已经超过了国家标准，达到了2.1%，必须将不平衡源找出来，才能制止其对电网的污染。而通过分析不平衡源的定位可以发现，新两钠末端的负荷的负序阻抗和正序阻抗都在第一象限，阻感性的电动机负荷则位于新两钠的末端，因此新两钠末端并未出现三相不平衡的情况。此时再进一步测试新两钠前端可以发现负序阻抗角不到-90°，因此电动机负荷和配点电缆负荷等效后就出现了不平衡的情况。前段三相电缆参数的不平衡直接导致了端三相电压不平衡。 3 结语 本文通过理论分析和仿真研究，提出了配电网三相不平衡源的定位方法，能够对三相配电系统的三相不平衡源进行准确的定位。尽管本文提出的方法仍然存在一些制约因素，在判断准确性方面还有提高的空间，但是当前绝大部分电能质量测试仪器的准确度都能够达到相关要求。 参 考 文 献 [1] 朱兴文，衣兰妹，原玉.220kV辅助变压器低压侧电压不平衡原因分析及处理[J].电工技术，2016（02）. [2] 杨新华，雷洋洋，吴丽珍，汪龙伟.逆变型微源离网运行下电压不平衡动态补偿策略[J].电气应用，2016（08）. 关键词：异步电动机,电流不平衡,负序保护,仿真 0 引言 在电力生产过程中,有大量的以电动机拖动的机械设备用以保证反应堆、汽轮发电机组等主设备和辅助设备的正常运行[1]。因此,电动机的可靠运行与电厂的安全稳定运行密切相关。 正常运行状态下,异步电动机的三相电流基本相等。当发生断相、匝间短路及电压不对称等故障时,电动机回路三相电流不平衡,产生负序电流分量。负序电流在电动机气隙中产生一个与转子旋转方向相反的磁场,负序磁场产生制动转矩,引起定子损耗、绕组温升增加。同时,负序效应也使转子绕组的损耗增加,产生振荡转矩,引起电动机的振动[2]。三相电流严重不平衡时可能会烧毁电动机。 1 异步电动机三相电流不平衡故障 异步电动机常见的故障类型有两种,一种为三相短路、堵转、过载等对称故障,另一种为不对称故障。异步电动机三相电流不平衡故障属于不对称故障,可分为接地性故障和非接地性故障。接地性故障包括单相接地短路与两相接地短路,非接地性故障主要有断相、两相短路、匝间短路及电压波动等。 当电动机发生接地性故障时,会产生零序电流,此时电动机配备的单相接地保护就能提供有效的保护;当电动机发生两相短路时,表现为电流增大,此时速断或过流保护就能达到保护电动机的目的。当发生断相或电压波动时,电动机回路中并无零序电流,电流也没有明显增加,单相接地保护和速断保护不会动作,这种故障下电动机三相电流不平衡保护尤为重要。 2 异步电动机三相电流不平衡仿真 引起电动机三相电流不平衡的原因有很多,断相故障比较常见。此外,实际也发生过励磁涌流引起电压不对称骤降,进而导致电动机三相电流不平衡保护跳闸,所以本文对断相故障和电压骤降故障进行仿真。 2.1 Matlab/Simulink仿真环境 异步电动机是一个高阶、强耦合的多变量系统,建立异步电动机的数学模型非常复杂。Matlab/Simulink是一款非常成熟的商业数学软件,可用于微分方程数值计算、数据分析。利用Simulink友好的图形化交互式建模环境、丰富的模块库,用户可以快速完成建模,加上和Matlab的无缝结合,利用其强大的科学计算功能,用户可以很方便地分析仿真结果。本文利用Simulink中的Sim Power Systems模块不仅能快速搭建异步电动机模型,完成异步电动机三相电流不平衡仿真分析,而且还能够对断相、短路等不平衡故障进行仿真,大大提高了工作效率[3]。 2.2 电动机断相故障仿真 采用一台三相四极鼠笼型转子异步电动机进行仿真,具体参数如下:额定功率Pn=37k W,额定电压Un=380V,额定频率fn=50Hz,定子绕组电阻为0.08233Ω,定子绕组漏感为0.000724H,转子绕组电阻为0.0503Ω,转子绕组漏感为0.000724Ω,定转子绕组互感为0.02711H,转动惯量J为0.37kg·m2,极对数p=1。通过设定三相断路器模块的参数,在1s时将电动机A相断开,即可实现电动机断相故障仿真。 从仿真波形中可以看出发生断相故障后,电动机A相电流为零,B相和C相电流增大,约为额定电流的2倍,电流不平衡度达到100%,此时负序电流与正序电流基本相等,零序电流仍为零。可知断相后电动机电流并没有明显增大,轻载下可能达不到过流保护的定值,所以不能以电流增大为判据来检测断相故障。电动机出现断相故障后,电流不平衡度明显增大,因此通过检测电流不平衡度可以有效判断断相故障。 2.3 电压骤降故障仿真 在0.5s施加额定负载,并通过三相可编程电源模块,设定1.1s时A相电压降为0.95UN,B相降为0.9UN,C相降为0.8UN。 从分析图中可以看出三相供电电压不同程度骤降后,电动机三相电流并没有都下降。由于电动机出力不变,定子电流体现为A相和C相电流增大,B相电流减小。通过分析可知,电压骤降瞬间电动机三相电流不平衡度达到了最大值40%,随后稳定在30%左右。 3 负序过流保护 当发生断相、供电电压不平衡等故障时,电动机会出现较大的负序电流,三相电流不平衡度也较大,因此通过检测负序电流和计算电流不平衡度就可以判断故障,目前国内多采用负序过电流保护延时切除此类故障。 3.1 动作判据 负序过流保护的实现形式可以是定时限,也可以是反时限,亦或是定时限与反时限相结合。但无论是定时限特性还是反时限特性,负序过流保护的动作电流应躲过正常运行时电动机可能出现的最大负序电流,动作判据如下: (1)负序定时限过流保护判据: (2)负序反时限过流保护判据: 式中:I2—电动机实际负序电流值(A) I2.op.set—负序保护动作电流整定值(A) t2—电动机实际启动时间(s) T2.op.set—负序保护动作时间整定值(s) t2.op—负序反时限保护动作时间(s) 3.2 整定计算 电动机综合保护均设置多段负序过流保护,整定值可根据现场实际情况选择下列几种保护功能计算: (1)电动机两相运行保护功能整定值计算: 为保证电动机在两相运行时负序过流保护可靠动作,取I2.op.set=(0.4-0.6)Im.n,其中Im.n为电动机额定电流;动作时间按躲过区外不对称短路故障切除最长时间计算,一般取T2.op.set=(3-4)s。 (2)电动机不对称短路故障后备保护功能计算: 动作电流按躲过相邻设备两相短路时电动机可能的最大负序电流计算,一般可取I2.op.set=(4.2-5.2)Im.n;动作时间按躲过相邻设备出口两相短路时电动机高峰负序反馈电流持续时间计算,取T2.op.set=0.5s。 (3)电动机匝间短路故障辅助保护功能整定计算: 由于电动机匝间短路故障时具有负序电流特征,其值一般较小,动作电流应按躲过正常运行时电动机可能的最大负序电流,动作时间必须躲过系统不正常运行出现负序电流最长时间计算,所以取I2.op.set=(0.15-0.3)Im.n,T2.op.set=(6-8)s。 4 结束语 不平衡电流对电动机的危害很大,其会引起电动机转子绕组损耗大大增加,为保护转子不受不平衡电流的损害,建议电动机配置负序过流保护。 参考文献 [1]李磊.厂用电动机保护配置的探讨[J].中国高新技术企业,2013(28):55-57. [2]GB-T22713-2008不平衡电压对三相笼型感应电动机性能的影响[S]. 随着电力电子技术、开关电源、变频器等技术的发展,电流控制技术被提出了越来越高的要求。电流控制已是各种高性能功率变换器常用的核心技术之一,常常作为功率变换器控制系统的内环,其性能直接影响到功率变换器的控制性能[1-2]。电流滞环跟踪控制的交流变频器具有输出电流正弦度高,电流易于控制的优点[3],其应用越来越广泛。对转速动态性能要求较高的三相异步电动机控制系统中,需要利用对称的三相3线正弦交流电流来形成均匀稳定的旋转磁场[4]。对单相电流滞环跟踪技术已进行了大量的探讨研究[5-11],其中文献[11]深入分析了三态准PWM电流滞环控制技术及其在异步电机中的应用,但未对三相3线制系统电流存在的耦合问题提出解决方案。目前三相3线变换器电流解耦方案有很多,但多是针对有功电流和无功电流之间的解耦控制方案[12],而电流滞环跟踪是一种非线性电流控制技术,仅需利用简单的叠加原理就可以实现解耦。本文就是这样利用电流滞环跟踪技术与叠加解耦原理来产生三相逆变器所需的PWM控制波,从而得到三相3线对称正弦交流电流,通过仿真比较验证了其有效性及优越性。 2 三相逆变器电路结构 三相逆变器电路结构如图1所示。三相交流电经三相桥式整流电路及电容滤波后变成了具有恒定电压值的直流电,为后面的三相桥式逆变器提供输入。为了保证三相桥式逆变器能快速开关,在这里采用了高频率的全控型MOS管,而MOS管的门极触发信号由电流滞环跟踪及反馈解耦PWM波来控制。开关管VTb与Rb用来解决电路泵升电压问题,当控制器检测到泵升电压高压规定值时,开关管VTb导通,使多余的能量通过放电电阻Rb消耗掉。 3 三相 3 线电流耦合分析及解耦设计 3.1 三相 3 线电流耦合分析 当图1中的负载为三相对称负载时,有 记三相参考电流分别为ir A,ir B,ir C,电流跟踪误差分别为DiA,DiB,DiC,则 定义Sa,Sb,Sc分别表示三相的开关状态,“1”表示上桥臂导通,“-1”表示下桥臂导通。当Sa=1时,ua= 0.5Udc;当Sa=-1时,ua= -0.5Udc,即有ua=Sa·0.5Udc,b,c节点情况相类似。因而根据图1,可列方程如下: 其中L=L1=L2=L3 式中:uNN1为三相电压中性点N与直流中性点N1之间的电压差。 从式(5)、式(6)明显看出A相电流不仅与其对应的开关状态Sa有关,还与Sb,Sc有关,对于B,C相情况类似。为了能较好地控制各相电流,必需进行一定的解耦控制。 3.2 解耦设计 为了解除各相之间的耦合控制,先假设N与N1点之间的压差为0。根据叠加原理,式(5)可分解两部分之和为 其中 且有: 1) 为三相交流中性点N与直流中性点N1短接时对应的电流值。它们的电流控制只与本相开关状态有关。若能通过 与其对应的参考电流进行跟踪控制实现所需三相3线对称正弦电流,则实现了三相3线电流的解耦。 2) 为仅有三相交流中性点N与直流中性点N1的压差工作时对应的三相电流,且有: 定义 对应电流跟踪误差为 从上式可以看出,若要以 与其对应的参考电流进行跟踪,需先取得电流跟踪误差分别为 再负补偿 即可。 4 电感参数计算 电流跟踪型逆变器中电感的选取很重要,它不仅会影响逆变器的外特性[13],而且会直接影响逆变器的跟随性及主电路开关元件的使用寿命[14]。在负载一定的情况下,电感是决定跟踪性能的关键因素。 设主电路开关元件的允许开关频率fc为20 k Hz,参考电流频率f为50 Hz,环宽H设为0.1,参考电流的幅值Irm为2 A,直流电压Udc为20 V,计算电感的上、下限值[7]: 所以L取3 m H。 5 方案验证 5.1 解耦方案的实现 按照上述解耦原理,重点是如何设计实现负补偿 方案如图2所示。 5.2 整体方案验证 采用图1所示的主电路,电流参考幅值设为2 A,输出期望幅值也为2 A。图3为三相3线仅有电流滞环跟踪(未解耦)的仿真实验结果。图4为加解耦后的仿真实验结果。图4a为电流跟踪误差分别为DiA,DiB,DiC的波形;图4b为三相输出电流iA,iB,iC的波形;图4c为电路中1号MOS管对应的PWM触发脉冲;图4d为Di′A,Di′B,Di′C的波形。由于篇幅所限,在这里仅列出了一个MOS管的PWM触发脉冲。从仿真结果来看解耦后跟踪误差得到明显改善,而且解耦后能保持开关管频率基本恒定,表明了该解耦方案在电流滞环跟踪控制中的效果良好。 关键词：三相电压电流,真有效值算法,MSP430 0 引言 传统仪表对周期性交流信号一般采用平均值法测量其有效值, 这种测量交变信号有效值的方法存在着诸多缺点[1], 特别需要注意的是平均值测量法只能用于无谐波的纯正弦信号场合[2], 对含有大量谐波分量, 畸变严重的信号测量失真特别严重。 本文采用TI公司生的MSP430FE425芯片为仪表的主控芯片, MSP430FE42x系列微控制器配有三个独立的16位Σ-ΔA/D[3], 可用于同时直接测量三相电压或电流的交流信号, 充分利用其较强大的数据运算处理能力, 实现对含有谐波分量的交流三相电压或电流信号进行真有效值测量。 1、三相电压电流真有效值算法理论分析 电力系统的三相电压电流信号一般都含有大量的谐波分量, 以三相电压为例, 假设含有M次谐波分量三相电压信号如式 (1) 所示。 根据电参数真有效值的定义, 可得交流电压的真有效值如式 (2) 所示。 其中0t是采样起始点, T'是总的采样时间。 假设电压信号只有基频分量, 即令u (t) =U1 sin (wt+ϕ1) , 代入 (2) 式, 计算可得: 由 (3) 式可知, 如果sin (wT') ≠0, 真有效值的计算结果将会与初始相位ϕ1和起始采样点t0有关。故按照真有效值的定义必须满足 (4) 式。 由 (3) 式可知, 如果不满足 (4) 式, 真有效值计算的结果将会因为初始采样点t0周期性的变化而带来周期性的误差, 而且还会与初始相位1ϕ有关。表现在仪表上则会出现周期性跳字的现像, 以及仪表校准完毕后, 校准输出源初始相位发生变化而造成显示结果偏差的现象。 分析可知, 如果基频满足 (4) 式, 则其它各次谐波均能满足 (4) 式。即可知按照 (2) 式可计算出含有M次谐波分量的交流电压信号的真有效值。 将 (2) 式进行离散处理可得 (5) 式。 其中n为采样点数, u (j) 为第j次采样所到得交流瞬时电压信号。取n=N, 当N足够大时, 可得 (6) 式。 2、系统设计要点 通过对真有效值算法分析, 以及系统软硬件设计要求, 现将系统设计要点总结如下。 1、总的采样时间T'必须要满足 (4) 式, 才能降低初始采样点的周期性变化所带来的跳字和初始相位的变化而带来的偏差; 2、采样点数N应尽量大。越大, 误差越小, 但是反应速度会变慢; 3、采样周期sT与采样点数N的乘积为总的采样时间T', 故它同时受 (4) 式限制。而且sT越小, 根据奈奎斯特采样频率条件, 所能较真实得恢复谐波成分越多。但sT的大小同时受系统的硬件限制, 故不能太小。sT还必须稳定, 这个时间一般是由定时器产生的, 故必须有稳定的时钟, 而且中断的优先级必须最高。实测发现, MSP430FE425外接32.768KHz的晶振 (为了提高晶振的稳定度, 建议使用外部负载电容) , 经过FLL锁频环倍频后的频率稳定性足够高, 可不考虑时钟源的影响。而MSP430一般不提倡中断嵌套, 则系统设计应尽量减少中断的数目; 4、MSP430FE425没有硬件乘法器, 故应将含有大量运算的乘法和除法用移位代替, 提高系统的运算速度; 3、三相电压电流表硬件设计 (如图1) 4、三相电压电流表软件设计 系统初始化将完成自检, 校准, 系统各部分硬件初始化, 以及获取用户设定参数等。进入主循环后, 系统将按模块运行, 完成所有的控制和计算 (如图2) 。 参考文献 [1]鲁顺昌.交变信号的真有效值精确采样原理[J].仪器仪表学报, 2000, 21 (6) :1～2. [2]徐垦.交流信号真有效值数字测量方法[J].华中科技大学学报, 2006, 34 (2) :1～2. 某条低压线路三相电阻R均为2Ω, 中性线电阻r为2Ω (线路电抗忽略不计, 以每月30天计算) 。 若三相负荷不平衡运行, 三相电流分别为60, 20, 10 A, 中性线电流IN为46 A, 则线路损失为 若三相负荷平衡运行, 每相电流均为30 A, 中性线电流为零, 则线路损失为 每月多损失电能量为 从以上示例看出, 三相负荷是否平衡对线路损耗有重大影响。实践证明, 三相负荷不平衡可引起线损率升高;严重偏相时, 线损率会更高。因此, 平衡好台区三相负荷是重要的降损措施之一。 2整治措施 《电力变压器运行规程》和《农村低压电力技术规程》规定:配电变压器的三相负荷应尽量平衡, 不得仅用一相或两相供电。对于连接组别为Y, yn0的配电变压器, 中性线电流不应超过低压侧额定电流的25%。因此, 应采取措施平衡台区三相负荷。 (1) 充分考虑三相负荷分布。减少两线制供电, 增加四线制供电, 以便在三相负荷不平衡时进行负荷调整, 最大程度降低偏相问题。 (2) 加强三相负荷监控。日常工作中, 通过采集监控手段和技术监督手段, 实时监控配电设备三相负荷、三相电流、三相电压和三相电流不平衡度等运行数据, 并加强运行数据分析应用。 中性线截面积是相线截面积1/2的情况下,三相负荷分配不平衡时,线损要增加3—9倍。以上只是考虑了线路的功率损耗,同样道理,变压器的功率损耗也会随着三相负荷分配的不平衡程度的增加而成倍地增长。以下推荐一种平衡三相负荷的方法,供参考。 根据各用户的电能表日供电能量,计算出各用户的平均负荷,以此为参考,均衡三相负荷,定出方案,然后进行负荷调整。调整时要从末端向首端调整,从分支线向主干线调整;调整时切记只调相线,严禁调整中性线,以防将220 V用户调到380 V线上。 调整结束后,在高峰和低谷时段再用钳形电流表实测三相电流,如果不平衡,可再做进一步调整,直到三相负荷电流不平衡度达到《架空配电线路及设备运行规程》的要求:负荷管理不大于15%,配电变压器中性线上的电流不超过额定电流的25%。 近年来, 随着微电子技术的快速发展, 电力电子变换技术从中受益良多, 获得了迅猛的发展, 被世界各国学者视为人类社会的第二次腾飞。电力电子变换技术中的逆变器技术在可再生能源发电系统中的利用形式主要有两类:一类是独立运行逆变器 (离网型) , 主要用于解决偏远地区和特殊领域 (如移动式检测设备) 的供电问题;另一类是并网运行逆变器 (并网型) , 其主要功能是将电能注入电网, 由小型独立用户系统向大型并网系统发展, 是可再生能源的发展趋势[1,2]。三相逆变器主要有电压源型和电流源型两种拓扑结构, 使用范围各有侧重。历来的研究侧重于电压源型结构, 对此相关的一系列研究已经比较成熟, 参考文献数量和研究成果都比较多。而对电流源型三相逆变器的研究, 相对来说明显偏少, 因此有必要对其进行研究。 1 电流源型三相逆变器的建模与分析 1.1 电流源型三相逆变器的原理 逆变器每个功率开关单元都由一只全控型的开关管和一只快速恢复二极管串联组成。其中串联快速恢复二极管的作用在于承受反向电压和防止电流的反向流通。在交流输出侧接有LC低通滤波器, 用以滤除谐波。直流侧电感L作为一个电流续流源。 逆变器一个开关周期分为三个开关模态, 如图1, 图2, 图3所示。 (1) 模态1:S1和S2开通, 其他开关关断, 电压源给直流侧电感充电, 此时交流侧电流ia, ib, ic通过滤波电容C续流; (2) 模态2:S3和S2开通, 直流侧电感向b相和a相放电, c相电流通过滤波电容续流; (3) 模态3:S5和S2开通, 直流侧电感向c相和a相放电, b相电流通过滤波电容续流。当直流侧电感每个开关周期充放电平衡时, 电感电流Idc的平均值将保持不变, 而Idc的纹波大小将随着开关频率的提高及直流侧电感值的增大而减小。当Idc的纹波幅度远小于其平均值时, 逆变器的直流侧可看作是一个恒流源。 1.2 坐标变换 引入坐标变换的目的是将三相变换两相, 中间需要经过两个变换步骤:三相静止坐标系 (abc) 到两相静止坐标系 (αβ) 的3/2变换;两相静止坐标系 (αβ) 到两相旋转坐标系 (d-q) 的旋转变换[3], 如图4所示。 在进行3/2变换过程中, 使α轴与三相电流的a相电流重合。考虑变换过程中功率守恒, 三相到两相静止坐标系下的坐标变换式为式 (1) 。 通过3/2变换转换到静止坐标系下的量是交流量。在控制系统中, 交流量的控制比直流量的控制复杂。为了简化控制器的设计, 将两相静止坐标系下的交流量通过αβ/dq变换可以变换到两相旋转坐标系下的直流量, 对于直流量的控制, PI调节器在理论上能够实现无差跟踪。静止坐标系到旋转坐标系的变换为式 (2) 。坐标变换的实现方法如图5所示。 1.3 d-q坐标系下逆变器的数学模型 图6为电流源型三相逆变器拓扑图, 其中各参数意义。 C:输出的滤波电容;Usd, Usq:逆变器输出电压的d-q分量;Isd, Isq:逆变器输出电流的d-q分量;w:d-q坐标轴的旋转角速度;L:直流侧大电感;Idc:直流侧大电感的电流;R:负载;Uin:输入直流电压;r:输入侧串联电阻的等效值。 以第6扇区为例分析, 由电流源型三相逆变器的工作原理可得式 (3) : 根据逆变器的拓扑以及d-q坐标变换, 得到式 (5) : d-q坐标变换中变换阵T的表达式为式 (6) : 结合三相线电压2/3变换, 并考虑两电流矢量的作用时间, 可得式 (7) : 据此推导得出电流源型三相逆变器在d-q坐标系下的平均模型表达式 (Idc是给定值) 为式 (8) , 结构框图如图7。 1.4 电流源型三相逆变器的参数设计 1.4.1 三相逆变器的功率因数 三相逆变器使用PWM技术, 能获得相对较高的功率因数和较小的谐波含量, 即能减小THD, 从而更加适应串级调速系统和其它的工业应用对三相逆变器的需求[4]。功率因数为输入的有功功率与视在功率的比值, 而视在功率为有功和无功矢量合成的模。 如果三相逆变器处于并网状态, 则可以认为输出电压为正弦波, λ可表示为式 (9) : 其中U1, I1为输出基波电压的有效值、输出基波电流的有效值;φ为输出基波电压与输出基波电流之间的夹角 (相位角) ;I2, I3, …, In为输出电流的高次谐波分量的有效值。 设输出电流波形的失真因数[5]为式 (10) : 则可以得到式 (11) : 电流源型三相逆变器采用IGBT或者MOSFET作为系统的功率开关管。当功率开关管工作时, 三相逆变器输出电流中的低次 (主要是5、7次) 谐波成分非常小, 而高次 (一般来说11次以上为高次) 谐波成分易被电容过滤掉, 所以输出电流也就是向电网注入的电流在此PWM调制状态下, 电流波形失真因数ε近似等于1。这就基本解决了逆变器因为输出电流产生畸变而引起的功率因数降低的问题[6]。 1.4.2 谐波分析 为了在d-q坐标系下对整个三相逆变器系统进行分析以及对控制器进行设计, 需要对逆变器的输出电压、电感电流、负载电流进行三相到两相的Clarke变换和旋转变换, 得到d-q坐标系下控制系统的各控制量。假设三相逆变器输出电流为三相对称, 则可以得出三相电流各次谐波表达式, 如式 (12) : 式中ian、ibn、icn分别为a、b、c相电流的第n次谐波;imn为n次电流谐波的幅值, w为基波角频率。 基于幅值守恒的三相到两相的电流Clarke变换以及基于基波的电流旋转变换, 可计算得到各次谐波通过变换后在d-q坐标系下的分量, 如式 (13) : 式 (13) 中idn和iqn分别为第n谐波经过变换后d轴分量和q轴分量。 1.4.3 输出滤波器的设计 电流源型三相逆变器交流侧电流与开关函数成正比, 为了滤除交流电流中的谐波分量, 其交流侧必须设置滤波环节[7,8,9]。LC滤波器是典型的无源滤波器, 使用设计都比较简单, 能满足基本需求, 所以本文采用最简单的LC滤波器。电流源型三相逆变器输出交流侧的滤波环节的谐波电流传递函数Gh (s) 可表示为式 (14) : 其中R为LC滤波环节的等效电阻;Isjh (s) 为输出电流谐波分量的拉氏变换量;Ipjh (s) 为输出电流谐波分量的拉氏变换量。电流源型三相逆变器交流侧LC滤波环节的传递函数呈现为二阶传递, 当设计LC滤波环节的参数时, 必须要确定合理的LC滤波器的截止频率, 以滤除PWM谐波, 并有效地抑制低次谐波电流。另外, 还必须使得LC谐波器具有一定的阻尼比, 以抑制网侧电流振荡[10]。LC滤波器设计还必须充分考虑到开关频率点附近的谐波衰减, 同时还必须确保足够大的基波增益。LC滤波器设计还要限制其自然振荡频率Wn处的增益, 目的是抑制电流中的低次谐波成分[11,12]。根据以上LC滤波器的设计思路, 即可求出所希望的电流源型三相逆变器输出网侧电流幅频特性。LC滤波器的自然振荡频率Wn和阻尼比ζ分别为式 (15) : 考虑到逆变器自身的约束, 上述LC滤波器的参数设计就要进行相应调整。电容C值不能过大, 否则超前无功功率会相应增加。另外, 电容还能抑制电压尖峰、保护开关管, 如果电容值太小, 会削弱对开关管的保护作用。因此, 取LC滤波器电容C的取值范围为式 (16) : 其中Idcmin为输入端直流电流最小值;Em为输出端电网电压的最大值 (幅值) ;Pe为输入直流端的额定功率;whmin为输出交流侧最低次谐波的角频率。一旦电容C值取值范围确定, 即能根据截至频率求出电感L值, 进而设计出电流源型三相逆变器输出滤波器的其他所需参数。 2 结束语 本文主要对电流源型三相逆变器进行数学建模与分析, 并分析了电流源型三相逆变器的相关参数, 包括功率因数、谐波状态和输出滤波器设计等, 下一步的研究方向是探讨电流源型三相逆变器的控制技术。 参考文献 [1]Tsengenes G A, Adamidis G A.Study of a simple control strategy for grid connected VSI using SVPWM and pq theory[C].Electrical Machines (ICEM) , 2010 XIX International Conference on.IEEE, 2010:1-6. 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PWM三相电流滞环解耦控制研究 篇4
三相电流平衡 篇5
平衡三相负荷降低线路损耗 篇6
平衡三相负荷的简便方法 篇7
一种电流源型三相逆变器模型 篇8