智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法

李 娟，杜 博

(西南科技大学城市学院，四川 绵阳 621000)

1 引言

建筑电气技术的革新推动了我国智慧城市发展的进程，智慧城市已经成为了城市发展的核心动力与竞争力。目前城市建筑中的智能楼宇、安全监控布线以及智能家居等，都成为了人们生活中不可或缺的一部分。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[1]。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。由于三相负荷不平衡会给电网带来诸多损害，因此我国电力系统的要求中，允许的一般公共连接点正常电流的不平衡度最大为15%，瞬时不平衡度需要保持在40%以下。经过国内外学者多年来的共同研究和努力，也提出了很多不同的解决方案和相关的装置与方法。

陈霞等人提出负载不平衡条件下双PWM换流器控制策略[2]，通过改进PWM换流器，利用逆变侧实现双环控制策略改进，采用复系数滤波器实现电负荷平稳控制，此方法能够有效提升负荷评估准确率，但是此方法对谐波的抑制效果不好。高雯曼等人提出基于断面负载均衡度的统一潮流控制器潮流优化控制方法[3]，通过潮流控制器对输电能力受限进行改进，利用断面负载均衡度优化重载通道的热稳极限，此方法能够有效提升断面输电能力，但是电流电压的分配不均衡。

根据各个方法中的平衡控制精度、成本经济性以及时效性等因素，为了保证智能化建筑电气低压配电负荷的不平衡度在允许的范围内，本文设计一种智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法，方法的研究过程中的主要内容包括负荷平衡控制装置的设计和平衡控制策略方面的深入研究。

2 智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法研究

2.1 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[4-5]。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。

图1 三相负荷平衡控制装置设计简图

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[6-7]。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。

2.2 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[8]。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。

图2 叶节点负荷优先安排示意图

从上图可以明显地看出与用户j有关的电流，当各个用户负荷的功率因数相同时，那么，用户J传输线路电阻Rj上出现的线损可以表示为

Pj=Rj[(Iaj-1+kajIj)2+(Ibj-1+kbjIj)2+(Icj-1+kcjIj)2]

(1)

式中，Ij表示用户的负荷电流，Iaj-1、Ibj-1、Icj-1表示用户节点的三相电流，kaj、kbj、kcj表示用户与配电网之间三相的连接因子，取值为1和0，取值为1时表示连接，取值为0时表示不连接。经过叶节点的负荷优先安排，用户节点的三相电流与用户电流需要达到一定的平衡，目的是抑制谐波的产[9-10]生。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点向叶节点的负荷优先安排对于负荷分配方案的优化。

2.3 建立不平衡补偿的数学模型

对于智能化建筑电气低压配电负荷平衡控制方法来说，主要针对的是三相四桥臂电压源变流器的主电路结构，其示意图如图3所示。

图3 三相四桥臂电路结构

图3中的Lf为变换器的交流滤波电感，Rf表示寄生电阻值。本文需要建立以三相四桥臂电路为基础的数学模型，因此需要将三相电源视为理想的电压源，将变流器的并网滤波电抗器看做线性电抗器，相关的开关管也看做理想的器件[11-12]。根据电流和电压的之间的关系，可以表示为

(2)

式中的uga、ugb、ugc表示电网各相的电压，ifa、ifb、ifc表示补偿装置发出的各相的电流。由于电压和电流中存在着中性线电感。根据电流电压之间的关系，将其变换到αβγ坐标系下，得到两个坐标系之间的变换矩阵形式为

(3)

从上式可以看出，在经过坐标变换之后，相间耦合不会存在于αβγ坐标系中的三轴之间，因此不会影响三轴之间的相互独立控制。以坐标系中的α轴为例，其中的不平衡补偿装置的数学模型可以表示为

图4 三相四桥臂电路数学模型

在数学模型的主电路中，其功率开关管主要应用的是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，这种主功率电子器件的开关频率较高，导通压较小，耐压耐流能力强，将上述模型应用在低压配电负荷平衡控制方法中，能够实现负荷平衡的最优效果。

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。在实验中，实验的样机选择的是浮点数字信号处理芯片，并搭建了如图5所示的样机。

图5 实验样机

在上述实验装置中，电源电压设置为恒定的200V，实验样机中绝缘栅双极型晶体管开关频率为10.2kHz，样机中包含的直流电压参考值为800V，电容器值为2115μF，交流电感值为1mF。在上述的实验条件下，使用本文设计的低压配电负荷平衡控制方法进行不平衡以及无功的补偿实验。

在上面的实验装置中模拟出10个电力用户，以电源端为起始，开始依次编号。在设置的过程中，安排电源端直连的第1个用户其中的距离为3m，其余用户与用户之间的距离也同样设置为3m，保证距离之间不存在差异，从而保证各个电力用户的功率因数也相同。为了验证本文设计的方法对三相不平衡负荷电流的补偿效果，本文在纯阻性三相不平衡负载工况下进行了实验验证，计算三相不平衡度，三相不平衡度主要是指三相电力系统中三相的不平衡程度，计算公式如下所示

(4)

式中，I1表示用电流的负序分量方均根值，I2为电流的负序分量方均根值。对电网的三相电流进行采样，通过对称分量法得到三相不平衡电流，经过计算得到不平衡度，并对结果进行分析。

3.2 实验结果与分析

在上述实验条件下，仅仅设置实验装置中的B相电网接入5欧姆的纯阻性负荷，A相与C相均为空载状态，补偿前的三相网侧电流波形如图6所示。

图6 补偿前的三相网侧电流波形

在相同实验条件下，应用本文设计的低压配电负荷平衡控制方法对其进行平衡调节补偿，得到的补偿后的三相网侧电流波形如图7所示：

图7 补偿后的三相网侧电流波形

分析图6中的电流波形进行分析，得到的结果如表1所示：

表1 补偿前的三相网侧电流值统计

分析图7中的电流波形进行分析，得到的结果如表2所示。

表2 补偿后的三相网侧电流值统计

从上述的实验结果可以看出，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。

4 结束语

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。