基于STATCOM与换相开关结合的三相不平衡治理方法

陆洲杰，吴光源，李俊波，李 烁，冯梦婷

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

由于低压配电区域存在大量单相负荷随机接入的情况，导致产生配电线路末端三相不平衡问题[1-2]。当配电网长时间在三相不平衡的工况下运行时，会给配电线路造成一系列不良影响，严重时会引起火灾等灾害，使电网无法正常稳定运行。

针对配电网三相不平衡问题，国内外学者已经做了大量的研究工作，并取得了一定成果。当前解决三相不平衡问题主要有负荷相序平衡法、配网重构法和负荷补偿法3种方法[3]。文献[3]介绍了解决三相不平衡的常用解决方案，对当前国内外治理配电网三相不平衡的现状做了详细概述。文献[4]提出一种以降低配电网三相不平衡度为优化目标的配电网重构模型，但其重构周期较长，若缩短重构周期，则需要增加重构次数，从而会带来开关损耗严重、人工成本增加等问题。文献[5-6]介绍了一种基于自动换相的三相负荷平衡技术，通过在配网终端加入智能换相开关，并通过合理的换相算法实现对三相不平衡问题的调节，该方案可以有效治理三相不平衡问题，但由于智能换相开关在换相过程中会造成约20 ms的停电，对一些敏感的电气设备依旧会产生影响。文献[7]提出在低压配电网侧加入配电网静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)来治理三相不平衡问题，并采用比例谐振(proportion resonant，PR)控制电流环对正弦量直接进行跟踪调节，但在三相不平衡状况下，DSTATCOM直流侧电压以及功率的二倍频不能完全消除。

本文将智能换相开关与静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)同时并入配电网来治理配电网三相不平衡[8]，首先通过智能换相开关对不平衡度进行调整，使不平衡度达到特定值，随后通过STATCOM对不平衡度进行微调，使三相不平衡度降到最低，保证电网安全稳定运行，并提高电网的经济效益。利用MATLAB/Simulink仿真软件进行仿真分析，结果表明，该方法可以有效降低配电网三相不平衡度。

1 三相不平衡度计算

国标[9]规定，在配电网中公共接入点的三相不平衡度长时间内负序电压(电流)不能大于2%，短时间内不平衡度不能超过4%。计算三相不平衡度的方法有很多种，由于本文主要针对三相电流不平衡进行治理，因此以电流不平衡为例，采用方法如下。

将三相电流中最大的相电流值与最小的相电流值做差，将差值比上三相电流的平均值后乘以100%，具体的计算如式(1)所示。

(1)

式中：ε为三相电流不平衡度；Imax为最大相电流值；Imin为最小相电流值；IA、IB、IC分别为各相电流值；Iav为三相电流平均值。

2 智能换相开关

智能换相开关可以实现低压配电网中A、B、C三相之间的自动调节，当线路中的电流传感器将电流数据上传至云端后，云端通过对智能换相开关发送相应的指令[10]，使负荷尽可能平均分配在三相中，降低三相不平衡度。图1是智能换相开关的结构图，其中VS是反并联晶闸管模块，每只晶闸管只导通交流的正半周或负半周，一个周期的导通由2个晶闸管交替完成，KM是磁保持继电器，图2是云端对智能换相开关发送指令的流程图。

图1 智能换相开关的结构

图2 换相指令流程

3 STATCOM的基本结构及工作原理

3.1 基本结构

STATCOM作为一种电网综合补偿设备，能够快速有效解决配电网中三相不平衡的问题。当前用于三相四线制系统的主电路拓扑结构主要为四桥臂式结构和分裂电容式结构，如图3所示，2种拓扑结构功能相同，但由于四桥臂式结构比分裂电容式结构多了一个桥臂，在治理三相不平衡问题时不够稳定，所以需要更加复杂的控制策略，同时也会增加成本。在三相四线制电路中，分裂电容式结构的STATCOM与单电容结构的STATCOM相比，可以形成零序通路，对线路中电流的零序分量进行补偿。因此，本文采用分裂电容式拓扑结构作为主电路结构。图3中，L1、L2、L3、Ln分别表示各线路中的电感，Udc表示直流侧的电容电压。

(a)四桥臂式结构

(b)分裂电容式结构图3 2种不同拓扑结构的STATCOM

3.2 工作原理

STATCOM的工作原理如图4所示，通过电流互感器检测出三相电路中的电流信号isa、isb、isc，通过计算得到需要补偿的电流信号，并将所得的电流信号经过一系列处理，由逆变器产生相应大小的电流ia、ib、ic送到三相电路中，从而实现对三相不平衡问题的治理以及无功电流的补偿。图4中，isa、isb、isc分别表示配电网电流，iLa、iLb、iLc分别表示负载电流，ia、ib、ic表示STATCOM的补偿电流，iN、in为中性线电流。

图4 STATCOM工作原理

4 STATCOM补偿电流的检测以及直流侧电压稳定控制策略

图5为传统的三相四线制中ip-iq指令电流检测方法的原理[11-12]。该方法利用锁相环(phase-locked loop，PLL)和正余弦发生器得到与电网A相电压同相的正余弦信号，以此来消除电压畸变对检测结果的影响。由于三相四线制系统与三相三线制系统的主要区别是三相四线制的中性线上存在零序电流，因此针对2种不同的系统所采用的指令电流检测方法也有所不同，三相四线制系统传统的指令电流检测方法是通过三相电流中先分离出零序电流，然后运用ip-iq检测法提取负序电流和无功电流[8]。

图5 传统ip-iq法原理

4.1 Clark变换和Park变换

在进行变换前，先建立αβ坐标系，将三相电流ia、ib、ic进行αβ变换得

(2)

(3)

由式(2)可知，三相电流ia、ib、ic经过Clark变换后得到的电流iα和iβ中不再包含有零序分量，但由于比例积分(proportional integral，PI)控制器对直流参考信号的跟踪信号更佳，因此在Clark变换的基础上，需要将静止的αβ坐标系转换为旋转的dq坐标系，即Park变换。通过Park变换，可以得到有功电流分量ip和无功电流分量iq。

(4)

(5)

将经过Park变换得到的有功电流分量ip和无功电流分量iq分别通过低通滤波器，提取其中的直流分量iLp和iLq后，再经过Park逆变换和Clark逆变换得到基波电流分量iLaf、iLbf、iLcf。

当STATCOM对三相四线制线路进行不平衡补偿时，对于基波负序分量来说，装置产生的瞬时功率不为零，这会导致直流侧电压产生波动，同时对于分裂电容式结构的STATCOM，装置产生的零序补偿电流在经过直流侧电容中线时会造成上下2个电容的电压值不等。因此，要使分裂电容式结构的STATCOM正常稳定工作，就必须保证其直流侧电压的稳定，且维持上下电容电压值相等。

4.2 直流侧稳压

使直流侧电容稳压的常用方法是PI控制法[13]，通过将线路中的电压与参考电压做差，将差值经过PI控制器，使PI控制器的输出信号作为STATCOM的有功电流调节信号，然后叠加到瞬时有功电流上，以此来保持直流侧电容电压稳定。

4.3 直流侧电容均压

直流侧电容均压常用的方法是将STATCOM实际输出的补偿电流和经过运算得到的补偿电流做差，将差值经过PI控制器，使PI控制器的输出信号作为零序电流的直流偏置分量，并将该分量叠加到指令电流上，从而产生补偿电流，以此来维持直流侧2个电容的电压相等。

5 方案建立及仿真验证

5.1 仿真模型的搭建

图6为三相不平衡整体的治理方案，具体治理流程如图7所示。通过对线路中的电压电流进行检测，并实时计算线路中的不平衡度，当线路中出现不平衡问题时，控制中心首先向智能换相开关输送指令，换相开关接收到指令后，根据最优换相策略进行换相操作，操作完后再一次进行不平衡度计算，并将治理后的三相电流不平衡度εx1与阈值εn和ε1比较，若εn<εx1<ε1时，停止用换相开关进行治理，采用STATCOM进行治理，当治理后的不平衡度εx2<εn时，结束三相不平衡的治理。

图6 三相不平衡整体治理方案框架

图7 三相不平衡治理方案流程

5.2 仿真验证

对图6的方案在MATLAB/Simulink上搭建模型进行仿真，图8—图10为仿真波形图。图8为三相电网电压波形，由图8可知，补偿前后三相电网的电压保持稳定不变。由图9的波形可知，在未进行补偿前，电流的幅值分别为38 A，18 A，14 A，不平衡度达到102%，在0.1 s时投入换相开关，三相不平衡度大大降低，此时三相电流分别为13 A，14 A，15 A，不平衡度为14%，在0.2 s时投入STATCOM对三相不平衡进一步调整，虽然在投入一瞬间电流不平衡度出现短暂升高，但最终经过STATCOM对电流的补偿，使三相不平衡度趋近于零，达到了预期效果。

图8 三相电网电压波形

图9 三相电网电流波形

图10 PI控制下直流侧电压

在投入STATCOM时，STATCOM的直流侧电压要尽可能保持稳定，图10为STATCOM直流侧电压波形，由图10可知，直流侧电压在经过一些波动后趋近于稳定，由于最终三相没有达到完全平衡，直流侧电压及功率的二倍频不能完全消除。

6 结语

本文针对低压配电网三相不平衡问题进行了简要的综述，提出一种新的三相不平衡治理方案，采用智能换相开关与STATCOM相结合的方式，首先通过智能换相开关对线路中的负荷进行大致平均分配，随后通过STATCOM对线路中的无功电流进行补偿，达到三相平衡的目的。最后利用MATLAB/Simulink仿真软件对所提出的方案进行仿真验证，仿真结果表明，所提方案可行，能达到预期目标。

本文所提方案可以对低压配电网三相不平衡问题进行更精确的治理，使不平衡度尽可能降到最低。