智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法

李 娟，杜 博

(西南科技大學城市學院，四川 綿陽 621000)

1 引言

建筑電氣技術的革新推動了我國智慧城市發展的進程，智慧城市已經成為了城市發展的核心動力與競爭力。目前城市建筑中的智能樓宇、安全監控布線以及智能家居等，都成為了人們生活中不可或缺的一部分。我國低壓配網系統屬于三相四線制，居民小區等商住兩用建筑中，會大量使用單相負荷，隨著居民用電量的不斷增加，導致低壓配電網內出現三相負荷不平衡的現象，也就是電力系統中三相電流或電壓的幅值不同且相差超過規定范圍[1]。這種三相負荷不平衡會使供電效率下降，增加變壓器和線路的電能損耗，損壞用電設備，還會使感應電動機的有功出力減少。由于三相負荷不平衡會給電網帶來諸多損害，因此我國電力系統的要求中，允許的一般公共連接點正常電流的不平衡度最大為15%，瞬時不平衡度需要保持在40%以下。經過國內外學者多年來的共同研究和努力，也提出了很多不同的解決方案和相關的裝置與方法。

陳霞等人提出負載不平衡條件下雙PWM換流器控制策略[2]，通過改進PWM換流器，利用逆變側實現雙環控制策略改進，采用復系數濾波器實現電負荷平穩控制，此方法能夠有效提升負荷評估準確率，但是此方法對諧波的抑制效果不好。高雯曼等人提出基于斷面負載均衡度的統一潮流控制器潮流優化控制方法[3]，通過潮流控制器對輸電能力受限進行改進，利用斷面負載均衡度優化重載通道的熱穩極限，此方法能夠有效提升斷面輸電能力，但是電流電壓的分配不均衡。

根據各個方法中的平衡控制精度、成本經濟性以及時效性等因素，為了保證智能化建筑電氣低壓配電負荷的不平衡度在允許的范圍內，本文設計一種智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法，方法的研究過程中的主要內容包括負荷平衡控制裝置的設計和平衡控制策略方面的深入研究。

2 智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法研究

2.1 設計三相負荷平衡控制裝置

在智能化建筑電氣低壓配電網中，主要是由于單相負荷在三相之間無法均勻分配，以至于出現三相負荷不平衡的情況，給配電網以及用電器造成損害。要想改善這種情況，需要從根本上根據配電母線以及支路中各相的功率大小，對單相負荷進行合理、平穩且無沖擊的換相，并需要注意在此過程中要保證不影響單相負荷的正常供電，且盡可能將單相負荷支路在三相之間平均分配，以此來降低配電網的三相不平衡度[4-5]。根據以上要求，本文設計了三相負荷平衡控制裝置，如圖1所示。

圖1 三相負荷平衡控制裝置設計簡圖

在上圖設計的平衡控制裝置中，主要具有以下的功能單元：實時數據采集單元、實時通信單元、三相電流不平衡度計算單元、限值分析單元以及最優換相指令計算單元，這些功能單元共同組成了負荷自平衡的上位控制裝置[6-7]。通過采集得到配電網的三相電力信號，經過計算能夠判斷不平衡度是否符合國家標準要求。在得到判斷結果后，將結果帶入到平衡裝置中，通過負荷自適應平衡換相策略和判斷結果，共同作用后計算出各負荷支路中的投切相序，并從中選擇最優解，最后控制靜止換相開關裝置，通過開關裝置的閉合完成投切動作，并能夠保證其可靠性。與此同時，在不影響負荷正常用電情況下，通過使用設計的負荷平衡控制裝置，來更換三相母線上各負荷支路的相序。從上述的設計簡圖中可以看出，三相負荷自平衡裝置投切過程的實現，必須依靠靜止換相開關裝置，該裝置實際上是電力電子開關，本文能使用的晶閘管開關半導體進行替代，晶閘管擁有三個極，結構為PNPN型四層結構，這種結構能夠通過小電流來控制一些具有特大電流的電子器件。本文選擇的晶閘管開關功率為36MVA，具有較快的開關時間，其工作過程是可控的，且耐用效率高。至此完成三相負荷平衡控制裝置的設計。

2.2 優化負荷分配方案

在本文的負荷分配過程中，可調配的負荷有成百上千，傳統的一些遺傳算法等會由于實際存在的收斂速度問題而無法應用在實際的工程中。本文設計的負荷平衡控制方法需要從實際出發，以降低負荷節點之間的損耗為目的，提出一種基于網絡拓撲結構的葉節點有限的負荷分配方案[8]。葉節點負荷優先安排主要是從配電網葉節點向著根節點推進，其示意圖如圖2所示。

圖2 葉節點負荷優先安排示意圖

從上圖可以明顯地看出與用戶j有關的電流，當各個用戶負荷的功率因數相同時，那么，用戶J傳輸線路電阻Rj上出現的線損可以表示為

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

(1)

式中，Ij表示用戶的負荷電流，Iaj-1、Ibj-1、Icj-1表示用戶節點的三相電流，kaj、kbj、kcj表示用戶與配電網之間三相的連接因子，取值為1和0，取值為1時表示連接，取值為0時表示不連接。經過葉節點的負荷優先安排，用戶節點的三相電流與用戶電流需要達到一定的平衡，目的是抑制諧波的產[9-10]生。上文中設計的三相負荷平衡裝置中，主要是能夠對輸出電流進行跟蹤控制，除此之外還需要控制直流側支撐電容器的電壓。維持電壓的傳統常用方法為在電容器的外端增加并聯的外部電源，但是會增加整個負荷平衡控制裝置的重量、體積和開發成本。因此本文選擇通過增加一個直流電壓的軟件來實現閉環控制。在實際的負荷平衡補償工作中，直流側電壓恒定不變的同時能夠與電網中各個負荷節點之間傳輸線上的電流相對平衡。三相換相開關中，負荷電流之間的相序關系是恒定不變的，因此對于根節點的負荷優先安排，實際上是完成了根節點向葉節點的負荷優先安排對于負荷分配方案的優化。

2.3 建立不平衡補償的數學模型

對于智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法來說，主要針對的是三相四橋臂電壓源變流器的主電路結構，其示意圖如圖3所示。

圖3 三相四橋臂電路結構

圖3中的Lf為變換器的交流濾波電感，Rf表示寄生電阻值。本文需要建立以三相四橋臂電路為基礎的數學模型，因此需要將三相電源視為理想的電壓源，將變流器的并網濾波電抗器看做線性電抗器，相關的開關管也看做理想的器件[11-12]。根據電流和電壓的之間的關系，可以表示為

(2)

式中的uga、ugb、ugc表示電網各相的電壓，ifa、ifb、ifc表示補償裝置發出的各相的電流。由于電壓和電流中存在著中性線電感。根據電流電壓之間的關系，將其變換到αβγ坐標系下，得到兩個坐標系之間的變換矩陣形式為

(3)

從上式可以看出，在經過坐標變換之后，相間耦合不會存在于αβγ坐標系中的三軸之間，因此不會影響三軸之間的相互獨立控制。以坐標系中的α軸為例，其中的不平衡補償裝置的數學模型可以表示為

圖4 三相四橋臂電路數學模型

在數學模型的主電路中，其功率開關管主要應用的是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，這種主功率電子器件的開關頻率較高，導通壓較小，耐壓耐流能力強，將上述模型應用在低壓配電負荷平衡控制方法中，能夠實現負荷平衡的最優效果。

3 實驗

3.1 實驗準備

為了驗證本文設計的智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法的有效性，本文需要設計實驗進行驗證。根據文中的理論分析，在仿真軟件中對負荷平衡控制裝置進行設計。在實驗中，實驗的樣機選擇的是浮點數字信號處理芯片，并搭建了如圖5所示的樣機。

圖5 實驗樣機

在上述實驗裝置中，電源電壓設置為恒定的200V，實驗樣機中絕緣柵雙極型晶體管開關頻率為10.2kHz，樣機中包含的直流電壓參考值為800V，電容器值為2115μF，交流電感值為1mF。在上述的實驗條件下，使用本文設計的低壓配電負荷平衡控制方法進行不平衡以及無功的補償實驗。

在上面的實驗裝置中模擬出10個電力用戶，以電源端為起始，開始依次編號。在設置的過程中，安排電源端直連的第1個用戶其中的距離為3m，其余用戶與用戶之間的距離也同樣設置為3m，保證距離之間不存在差異，從而保證各個電力用戶的功率因數也相同。為了驗證本文設計的方法對三相不平衡負荷電流的補償效果，本文在純阻性三相不平衡負載工況下進行了實驗驗證，計算三相不平衡度，三相不平衡度主要是指三相電力系統中三相的不平衡程度，計算公式如下所示

(4)

式中，I1表示用電流的負序分量方均根值，I2為電流的負序分量方均根值。對電網的三相電流進行采樣，通過對稱分量法得到三相不平衡電流，經過計算得到不平衡度，并對結果進行分析。

3.2 實驗結果與分析

在上述實驗條件下，僅僅設置實驗裝置中的B相電網接入5歐姆的純阻性負荷，A相與C相均為空載狀態，補償前的三相網側電流波形如圖6所示。

圖6 補償前的三相網側電流波形

在相同實驗條件下，應用本文設計的低壓配電負荷平衡控制方法對其進行平衡調節補償，得到的補償后的三相網側電流波形如圖7所示：

圖7 補償后的三相網側電流波形

分析圖6中的電流波形進行分析，得到的結果如表1所示：

表1 補償前的三相網側電流值統計

分析圖7中的電流波形進行分析，得到的結果如表2所示。

表2 補償后的三相網側電流值統計

從上述的實驗結果可以看出，在使用本文設計的負荷平衡控制方法之前，由于電網中僅有B相接入了負荷，A相和C相都是空載情況，導致了電流值為0，三相電流不平衡度為300%，嚴重超過了我國電力系統的公共連接點中正常電流的不平衡度的允許值；在電力設備系統中使用了本文設計的方法后，從圖片上可以看出，補償后的三相網側電流波形基本能夠實現正弦對稱，從表中的數值能夠計算出，三相不平衡度約為12.1%，由此可見，本文設計的智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法能夠有效的對電力系統中的配電負荷進行平衡，降低電力系統中的不平衡度。

4 結束語

隨著我國電力系統建設規模的擴大，用戶用電的負荷量也在日益增長。在智能建筑的電氣低壓配網中，當出現三相不平衡現象時，會導致出現一些非正常動作，損害配電網和用電器，導致電能的浪費和損耗。因此解決配電負荷不平衡是保證供電質量的關鍵，因此本文設計的一種智能化建筑電氣低壓配電負荷平衡控制方法，通過對負荷平衡控制裝置進行設計，并對控制策略進行詳細研究，使得負荷平衡控制方法在最大程度降低三相不平衡的同時，使三相網側電流波形基本能夠實現正弦對稱。本文雖然取得了一定的成果，但是還有很多問題需要進行更深一步的研究。在實際的居民用電配電網中，其復雜程度遠遠高于實驗室搭建的模型，因此對于本文方法在實際配電網中的應用，還需要進行進一步的探究。