浅谈智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法

史海迪

【摘 要】传统方法在进行电气低压配电负荷平衡控制时，单相负荷的换相不平稳，存在低压配电网三相负荷不平衡问题，设计智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法。构建负荷平衡控制的整套流程框架，设计三相负荷平衡控制装置，通过功能单元实现单相负荷的平稳换相;采用叶节点负荷优先安排方法优化负荷分配方案，从而抑制谐波的产生，实现电流电压的稳定分配;建立不平衡补偿数学模型，使低压配电负荷平衡控制效果达到最佳，至此完成智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法的研究。为验证文中方法的电气低压配电负荷平衡控制效果，设计比对实验。试验的结果表明，在建立的配电网中使用了设计的方法后，三相网侧电流波形基本能够实现正弦对称，三相不平衡度能够控制在国家标准要求的范围之内，验证了方法的有效性。

【关键词】智能化建筑;负荷分配;平稳换相;单相负荷

我国低压配网系统属于三相四线制，居民小区等商住两用建筑中，会大量使用单相负荷，随着居民用电量的不断增加，导致低压配电网内出现三相负荷不平衡的现象，也就是电力系统中三相电流或电压的幅值不同且相差超过规定范围。这种三相负荷不平衡会使供电效率下降，增加变压器和线路的电能损耗，损坏用电设备，还会使感应电动机的有功出力减少。

1.设计三相负荷平衡控制装置

在智能化建筑电气低压配电网中，主要是由于单相负荷在三相之间无法均匀分配，以至于出现三相负荷不平衡的情况，给配电网以及用电器造成损害。要想改善这种情况，需要从根本上根据配电母线以及支路中各相的功率大小，对单相负荷进行合理、平稳且无冲击的换相，并需要注意在此过程中要保证不影响单相负荷的正常供电，且尽可能将单相负荷支路在三相之间平均分配，以此来降低配电网的三相不平衡度。根据以上要求，本文设计了三相负荷平衡控制装置，如图1所示。

在上图设计的平衡控制装置中，主要具有以下的功能单元：实时数据采集单元、实时通信单元、三相电流不平衡度计算单元、限值分析单元以及最优换相指令计算单元，这些功能单元共同组成了负荷自平衡的上位控制装置。通过采集得到配电网的三相电力信号，经过计算能够判断不平衡度是否符合国家标准要求。在得到判断结果后，将结果带入到平衡装置中，通过负荷自适应平衡换相策略和判断结果，共同作用后计算出各负荷支路中的投切相序，并从中选择最优解，最后控制静止换相开关装置，通过开关装置的闭合完成投切动作，并能够保证其可靠性。与此同时，在不影响负荷正常用电情况下，通过使用设计的负荷平衡控制装置，来更换三相母线上各负荷支路的相序。从上述的设计简图中可以看出，三相负荷自平衡装置投切过程的实现，必须依靠静止换相开关装置，该装置实际上是电力电子开关，本文能使用的晶闸管开关半导体进行替代，晶闸管拥有三个极，结构为PNPN型四层结构，这种结构能够通过小电流来控制一些具有特大电流的电子器件。本文选择的晶闸管开关功率为36MVA，具有较快的开关时间，其工作过程是可控的，且耐用效率高。至此完成三相负荷平衡控制装置的设计。

2.优化负荷分配方案

在本文的负荷分配过程中，可调配的负荷有成百上千，传统的一些遗传算法等会由于实际存在的收敛速度问题而无法应用在实际的工程中。本文设计的负荷平衡控制方法需要从实际出发，以降低负荷节点之间的损耗为目的，提出一种基于网络拓扑结构的叶节点有限的负荷分配方案。叶节点负荷优先安排主要是从配电网叶节点向着根节点推进，其示意图如图2所示。

上文中设计的三相负荷平衡装置中，主要是能够对输出电流进行跟踪控制，除此之外还需要控制直流侧支撑电容器的电压。维持电压的传统常用方法为在电容器的外端增加并联的外部电源，但是会增加整个负荷平衡控制装置的重量、体积和开发成本。因此本文选择通过增加一个直流电压的软件来实现闭环控制。在实际的负荷平衡补偿工作中，直流侧电压恒定不变的同时能够与电网中各个负荷节点之间传输线上的电流相对平衡。三相换相开关中，负荷电流之间的相序关系是恒定不变的，因此对于根节点的负荷优先安排，实际上是完成了根节點向叶节点的负荷优先安排对于负荷分配方案的优化。

3.实验

3.1实验准备

为了验证本文设计的智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法的有效性，本文需要设计实验进行验证。根据文中的理论分析，在仿真软件中对负荷平衡控制装置进行设计。

3.2实验结果与分析

在使用本文设计的负荷平衡控制方法之前，由于电网中仅有B相接入了负荷，A相和C相都是空载情况，导致了电流值为0，三相电流不平衡度为300%，严重超过了我国电力系统的公共连接点中正常电流的不平衡度的允许值;在电力设备系统中使用了本文设计的方法后，从图片上可以看出，补偿后的三相网侧电流波形基本能够实现正弦对称，从表中的数值能够计算出，三相不平衡度约为12.1%，由此可见，本文设计的智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法能够有效的对电力系统中的配电负荷进行平衡，降低电力系统中的不平衡度。

结语：

随着我国电力系统建设规模的扩大，用户用电的负荷量也在日益增长。在智能建筑的电气低压配网中，当出现三相不平衡现象时，会导致出现一些非正常动作，损害配电网和用电器，导致电能的浪费和损耗。因此解决配电负荷不平衡是保证供电质量的关键，因此本文设计的一种智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法，通过对负荷平衡控制装置进行设计，并对控制策略进行详细研究，使得负荷平衡控制方法在最大程度降低三相不平衡的同时，使三相网侧电流波形基本能够实现正弦对称。本文虽然取得了一定的成果，但是还有很多问题需要进行更深一步的研究。在实际的居民用电配电网中，其复杂程度远远高于实验室搭建的模型，因此对于本文方法在实际配电网中的应用，还需要进行进一步的探究。

参考文献：

[1]张静，金明，程云国，等.三相不平衡条件下低压配电变压器合环操作研究[J].水电能源科学，2019，37（1）：168-171.

[2]姬秋华，韦徵，王彤，等.配电台区三相不平衡治理控制策略研究[J].电力电子技术，2020，54（2）：32-34，46.

（作者单位：辽宁康赛石建设工程有限公司）