斯坦梅茨三相平衡理论在民用电网上的应用

熊子菡

摘  要：我国民用电网中大多采用的是三相四线制系统，这种系统会有零序电流的存在。因此在进行平衡零序电流的时候则会比平衡三相三线制电路更复杂。文章将三相平衡理论作为核心思想，利用Y-变换平衡三相负荷，保障电力系统可以安全运行。此基础上，利用simulink建模仿真，证明该补偿理论不仅对所有三相四线制系统是适应的，还可以实现三相四线制系统的电流平衡化。

关键词：三相四线制;三相平衡理论;动态补偿

中图分类号：TM761.1       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0018-02

Abstract： The three-phase four-wire system is mostly used in the civil power grid in our country， which will have zero sequence current. Therefore， it is more complex to balance the zero sequence current than the balanced three-phase three-wire circuit. In this paper， the three-phase balance theory is taken as the core idea， and the Y-transformation is used to balance the three-phase load to ensure the safe operation of the power system. On this basis， using simulink modeling and simulation， it is proved that the compensation theory is not only suitable for all three-phase four-wire systems， but also can realize the current balance of three-phase four-wire systems.

Keywords： three-phase four-wire system; three-phase equilibrium theory; dynamic compensation

1 研究背景

在当前我国民用电网运行中三相电流不平衡的现象普遍存在。三相电流、电压的不平衡对整个供电系统都会造成干扰，危害到电网设备正常运行，增加电路的消耗，影响用户的正常用电。在低压环境中，又会影响正常的通讯质量。为应对人们日益增加的电量以及电能质量的需求，对电力系统三相不平衡的研究十分必要。

2 三相不平衡对于电气设备的危害

（1）出现零序电流，导致变压器局部温度变高，严重时会导致安全事故。（2）损坏变压器、降低其寿命。（3）变压器负载不平衡会引起电压的不对称，此时就会存在正、负、零相序三个电压分量，出现零序电流，零序电流就会产生磁场，磁场会让金属的局部温度增高，这样会消耗一定的无功功率，从而给发电机带给更大的损伤。

3 电能质量的治理

3.1 解决电压问题

电力系统中，无功功率与电压的变化有关，无功功率的产生对电动机产生危害。我国民用电网过于庞大，当前只能通过局部解决问题的方式来解决问题，在用户端的就地補偿与变电器补偿的方式进行补偿，改善电压问题。根据平衡特点，无功补偿设备装置应就地平衡。

3.2 提高功率因数

功率因数的补偿方式有高压集中补偿、低压成柜补偿和低压分散补偿等。高压集中补偿，主要是从电源方向，其补偿的范围有限，只能补偿到高压母线之前;低压成组使用范围为低压，其补偿范围适中，其电容器也就放到了低压母线上;低压分散补偿能够补偿所有等级的电压线路，只需要将电容器分散的装在各个用电设备的附近即可。应用时多种补偿方式相互结合，取长补短。

3.3 解决谐波问题

谐波会危害到电力设备与装置。在解决谐波问题的时候，必须将其作为一个整体来思考。从滤波的角度来说可以安装交流滤波器和使用有源滤波器，从设备上提供串接电抗器于电容回路，从数量上减小谐波源的谐波含量，从效果考虑增大供电系统容量。也可以考虑从减小谐波对并联电容器的影响出发、电力电容器的谐波过载能力和电容器对系统谐波阻抗的影响等。

4 Steinmetz平衡化原理

4.1 平衡化的实现

在电力系统中，负荷是随时都会发生变化的。正是因为负荷会随时发生变化，所以需要增加Steinmetz应用的广泛性。我们可以通过计算，得到需要补偿的导纳，补偿电流等。当我们得知补偿电流，就可以控制SPWM中发出的信号控制IGBT，从IGBT出来的电流就可以实时的补充到电网，以给予补偿。此方法是切实可行的。

在SPWM模块中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。以下是一个在实际生活中不平衡电荷的解决方法，其主电路的原理如图1所示。

PI调节器的算法是通过测量电路系统的实际电压U（t）和理想电压Uref做比较。从对比当中我们可以得到误差电压E（t），通过PI将偏差E（t）的比例（P）和积分（I）线性组合，从而得到统一的系统，从而构成控制输出量B（t），线性化之后就可以得到触发角信号。当在有了信号之后，触发环节皆可以产生触发脉动从而将信息反馈给主电路，然后可以将产生的电压差通过闭环控制反馈给PI。

由于负荷不可能一成不变，所以平衡装置可以做成分级或者是连续的。如果是单相负荷，两个方案有一定的区别，第一种方案其开关主要决定是否将电抗器接入;第二种方案由触头决定电抗器接入电路系统的大小。但是在这种情况下，这样就会出现超出一些通电设备的功率从而造成损坏。如果三相的负荷都不平衡，就像是现在的民用电网由于各式各样的负载接入导致三相负荷的不平衡，而且功角的绝对值都接近于90°，那么可以采用三相不同容量的电容器组作为平衡装置。对于一般情况而言，我们可以采取哪里不平衡就平衡哪里，用C性器件接到不平衡电压上面就可以平衡。

一般情况下，采取哪里不平衡就平衡哪里的原则，用C性器件接到不平衡的电压上就可以完成目的。电容器组的选择和接发取决于负序等值电流I2？撞的相角？渍2？撞。

额定电压下，电容器组的总容量为

4.2 Steinmetz实现的拓补结构

当前，我国民用电网大多采用的是三相四线制的结构，这样会造成ABC三相负荷的不平衡，而Steinmetz的平衡理论的前提是三相对于N相的负荷需要平衡，所以要先对其进行平衡，使得：

IN=Ia+Ib+Ic=0    （式2）

通过平衡之后，就可以直接采用Steinmetz的平衡理论来平衡ABC三相负荷。

5 进行仿真

5.1 建立模型

因为在Steinmetz中采用的是闭环控制。在基于不平衡的负荷无功补偿的仿真模型，包含PWM模块、三相电源、IGBT模块电路的寄生电感、补偿电容模块、Steinmetz计算导纳模块等。

在Steinmetz模型中电流与电压是基本输入信息，相应的采用Steinmetz模块中相应数学加减乘除，通过积分就可以计算出补偿导纳，从而根据这些信息得到补偿导纳。

5.2 仿真结果

在对系统进行仿真之后，得到一个结果，并将在系统Steinmetz没有投入运行的时候仿真系统模型整个系统的三相电流波形与使用Steinmetz补偿后的系统的三相电流作比较。

从图2、3中可以看出刚开始系统的N相是有电流波动的，然后通过Steinmetz的补偿，可以看到在0.13秒左右IN的电流已经平衡為零了，并且在后续的波形中，可以明显的观察到三相平衡了，即电流大小相等，相位相差120°。说明Steinmetz的平衡原理也是可以应用在三相四线制的系统中，并且可以有效的平衡。

由第一套装置可以看出在第二套平衡装置投入运行时IN的电流已经由第一套补偿装置补偿完毕，IA、IB和IC三相基本稳定了，使Steinmetz真正运用到了三相三线制的系统中，可以看出其相应的波形三相运行稳定，大小和相位也都相应的平衡了，通过仿真之后看到之后改善效果就十分明显。

6 结论

本文通过探讨我国民用电网三相不平衡问题，分析Steinmetz的平衡理论的应用，并对其进行仿真，并计算出结果，由此判断Steinmetz的平衡理论对民用电网中的平衡是否有作用。通过模型模块设计、计算，验证了补偿理论的正确性。

参考文献：

[1]王江彬，田铭兴，陈敏，等.基于Steinmetz理论的三相四线制不平衡电流补偿[J].电力系统及其自动化学报，2016（09）：20-26.

[2]梁毅，商文颖.三相不平衡负荷补偿技术[J].东北电力技术，2008（12）：18-22.

[3]张竟飞.面向不平衡负荷的无功功率补偿研究与设计[D].西安电子科技大学，2012.