基于低压配电台区分布式储能的三相不平衡控制策略研究

湖南潇湘技师学院（湖南九嶷职业技术学院） 刘志伟 湖南时铭电气有限公司 陈常曦

湖南潇湘技师学院（湖南九嶷职业技术学院） 文琬淇

我国居民用电一般为单相负荷，这种负荷具有随机性和不平衡性。负荷不平衡不仅影响电力系统的稳定性，还能损害用电设备，增加能源浪费。目前，处理三相不平衡的方法主要集中在供电侧，包括静态补偿和动态补偿。静态补偿通常涉及在负荷端使用电容器来平衡电力系统，而动态补偿则涉及根据电力需求自动调节补偿电容。本文将探讨基于分布式储能系统的三相不平衡控制策略，着重分析储能变流器（PCS）在调节电网参数和改善电能质量方面的作用。

1 低压配电台区储能变流器的模型及控制策略

电网储能系统中，使用双向AC/DC 变换器连接各网络至大电网，系统可逆变或整流，核心部件是6个反并联续流二极管的IGBT[1]。通过IGBT 开关频率控制，实现功能转换为SPWM 信号。储能变流器的拓扑结构如图1所示。

图1 储能变流器拓扑结构

根据电路定理可得到其并网的数学模型为：

储能变流器常采用双环结构，外环控制用于功能控制，如电压或功率；内环控制响应快，用于精细调节和电能质量提高。外环产生内环控制参数，实现联合控制。储能变流器采用恒功率控制（PQ 控制），包括功率外环和电流内环控制。如图2所示。

图2 PQ 控制

坐标变换后的功率计算公式为 ：

经过 PI 控制后，得到电流环的输入参考值，其关系式为：

电流内环控制后，储能变流器的输出电压参考值 为 Vd和 Vq，为了能够独立控制电流，进行电流的解耦，并引入电压前馈控制，其表达式为 ：

2 低压配电台区三相不平衡电流的数学模型

三相四线系统包括3相+1中性线，正常下中性线无电流。不平衡时，电流分解为正序iP、负序iN和零序i0。同理，电压不平衡也可分解成正负零序。三相电流基波分解为正负零序：

三相不平衡引起损耗和设备寿命下降，影响继电保护。需要补偿电流中的负序分量以提高用电效率。

3 低压配电台区不平衡电流正负序分离

为解决不平衡电流控制问题，将正负序分离并分析，采用坐标变换原理将电路模型由abc 坐标系转换为dq0旋转坐标系[2]。这需要先通过Clarke 矩阵转换到β 坐标系，再通过Park 矩阵变换到旋转坐标系。 Clarke 矩阵和 Park 矩阵如下 ：

正负序分量代入变换矩阵后，dq0坐标系下的分量为：

正序电流分量经Clarke 和Park 变换后变为直流信号，负序为2倍工频的交流信号。DSC 算法流程如图3所示，用于正负序分离。

图3 DSC 算法流程

图4 Pabc_p

图5 Qabc_p

图6 Pabc_n

图7 Qabc_n

图8 Qabc-Qabc_n

图9 Pabc-Pabc_n

三相电流经Clarke 变换后得到“β 坐标系下分量：

延迟 T/4 周期后得到的表达式为：

根据以上表达式得到电流在 “β 坐标系下正负序分量：

将得到的“β 轴分量进行 Park 变换后，得到电流 在dq0坐标系下的正负序分量。

4 低压配电台区三相负序电流的有功与无功计算

在并网条件下，电压和频率相对稳定，导致dq0坐标系中的ud保持恒定（如在50Hz、380V 的系统中ud恒定为311V），而uq为0。因此，功率计算主要基于电流的dq 分量。负序分量存在导致电力系统不平衡，负序电流做功为：

通过补偿负序电流的有功和无功，可以消除其对电力系统的不平衡影响，实现系统平衡。

低压配电台区系统仿真分析。

Pabc_p 和Qabc_p 图表反映特定运行条件下各相有功功率（P）和无功功率（Q）分布。相较没有储能系统，储能系统使功率变化更平稳[3]。其可在需求剧烈变化时释放能量，或在需求低时储存能量，实现调峰和储能功能。

Pabc_n 和Qabc_n 图表中的“_n”表示无储能系统的正常状态。这些图表显示电力系统在此情况下的运行状态，存在显著三相功率不平衡。没有储能系统作为缓冲，电网需要采取其他措施来应对不平衡挑战，如备用发电机组或需求响应策略，以维持电力系统的稳定运行。

Pabc-Pabc_n 和Qabc-Qabc_n 图表对比储能系统调节三相电力系统不平衡的效果，通过比较不同情况下的功率值显示出储能系统的有效性。线条趋于平稳且接近零，表明储能系统在维持电力系统平衡方面效果良好，提供直观的评估方法。

差分图表显示储能系统对P 和Q 平衡的效果。线趋平稳接近零，储能系统吸放功率减少波动，维护稳定电网，提高电能质量，储能释放。

第一组图表显示在特定时刻（大约在x 轴的0.02处）发生了显著的三相不平衡，但分布式储能的存在似乎减轻了不平衡，差分功率图表中的变化较小。

5 结语

低压配电台区的分布式储能系统在解决三相不平衡问题上表现出显著效果。试验结果显示，通过实时监测和正负序分离处理不平衡电流，结合高效的控制策略和先进的变流技术，储能系统能精确补偿每相的负序电流的有功和无功，有效消除不平衡影响。这种基于储能变流器的控制策略提高了电力系统效率，增强了电网灵活性和韧性。