电力系统三相不平衡度的评估

电力系统三相不平衡度的评估摘要电能质量越来越受到各国的重视，其中三相不平衡对于电力系统的影响也越来越不容忽视，各国纷纷制定了三相不平衡度的标准，以防范三相不平衡度超标过高对电力系统的严重伤害。为了解决电力系统中三相不平衡问题，就要对实际监测数据进行评估，本文通过使用Matlab仿真进行评估。首先使用Matlab仿真一个三相信号，用于校准算法的正确性。然后对三相信号进行采样，运用Matlab中的快速傅里叶变换（FFT）进行数字信号处理，滤除信号中的谐波和噪声成分，得到三相电压的基波。最后，应用对称分量法得出三序分量，根据电压不平衡度的定义，得出此电力系统模型的不平衡度。本文通过仿真结果表明该方法的有效性，并说明使用Matlab仿真可以使三相不平衡度监测不够精确、便捷，设计周期长，浪费资源等问题得到很好的解决。关键词:电力系统；三相不平衡度；Matlab；仿真；快速傅里叶变换；对称分量法AssessmentofThree-phraseUnbalanceofPowerSystemAbstractThequalityofelectricityattractsmoreandmoreattentionofeverycountry.Influencescausedbythethree-phase'sunbalancetopowersystemarealsomoreandmoresevere.Everycountryformulatesthestandardofthree-phaseunbalancedegreeinsuccessioninordertopreventfromthedamagemadebytheexcessivestandardofthree-phase'sunbalancetopowersystem.Tosolvethisprobleminpowersystem,peopleshouldevaluatetheactualmonitoringdata.ThisthesiswillmakeevaluationbyMatlabsimulation.Firstly,it’llcheckthecorrectnessofcalculationthroughathree-phrasesignalsimulatedbyMatlab.Secondly,collectingsamplefromthesignalandusetheFFTinMatlabtocarryonthedealofdigitalsignalandfiltertheharmonicsandnoisecomponentsinthedigitalforobtainingthefundamentalwave.Finally,theresultwillarriveatthethreesequencecomponentsbytheapplicationofsymmetricalcomponentmethod.Theunbalancedegreeinthispowersystemmodelwillbereachedaccordingtothedefinition.ThisthesisshowstheeffectivenessofthemethodbymeansofsimulationresultandexplainthatthroughMatlabsimulation,theproblemssuchastheinaccurate,inconvenientmonitor,thelongdesignperiodandthewasteofresourcesinmonitoringthethree-phraseunbalancedegreeandsooncanalsobesolved.Keywords:powersystem;three-phraseunbalancedegree;Matlab;simulation;fastfourniertransformation;methodofsymmetricalcomponents第一章前言1.1电能质量的概述电力作为一种特殊的商品，也有着自己的质量问题。随着我国电力行业的发展，用户与电力企业之间的矛盾已经逐渐从电能数量向电能质量方面转移。近年来，电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，给公用电网供电质量造成严重污染，向公用电网注入大量的谐波，并汲取较多的无功功率，导致电网中暂态冲击、无功功率、高次谐波及三相不平衡等问题日趋严重。[1]另一方面，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量的要求也越来越高。电能质量越来越成为电力行业和电能用户共同关注的热点问题之一，其中对于电力系统三相不平衡度的监测、控制和管理也已成为大家关注的热门课题。1.1.1电能质量的研究内容电能质量包含电压质量、频率质量和波形质量三个方面。电压质量和频率质量一般都是以偏移是否超过给定值来衡量。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。[2]理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。对电压质量和频率质量的保证，我国电力工业部门多年来早已有要求，并已将其作为考核电力系统运行质量的重要内容之一。对波形质量的要求只是在系统中谐波污染日益严重的情况下才开始注意的。随着电力电子技术的发展，电力电子装置作为一个主要谐波污染源给电网带来的损害是无法估量的。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。1.1.2我国电能质量的现状作为电能质量指标的电压和频率偏差，因为与电力系统密切相关，基本上由各级电力调度部门进行日常监管，这方面已制定了一些规程、导则，例如调度规程、无功和电压管理导则。谐波、电压波动和闪变以及三相不平衡度同用户的电力负荷特性的关系较密切，这三个指标难以做到实时监督，一般由试验部门定期组织测量。当电网的电能质量被干扰或污染，达不到国家相关标准时，就必须有针对性地对电网进行电能质量改善。[3]我国对电能质量的研究起步较晚，自20世纪90年代至今，我国颁布了六部相关电能质量的国家标准:GB/T12325-2008《电能质量供电电压允许偏差》GB/T14549-1993《电能质量公共电网谐波》GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率允许偏差》GB/T12326-2008《电能质量电压允许波动和闪变》GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》1.1.3改善电能质量的措施改善电能质量措施的研究涉及面很广。近几年在全国范围内进行的城乡电网改造工程，也是提高电能质量的重要措施。为减少频率和电压偏差，应实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及许多新型的调频、调压装置的开发和应用。在抑制谐波、降低电压波动和闪变以及解决三相不平衡方面，目前基本上采用技术已经相当成熟的电网补偿技术和滤波装置，包括静止无功补偿装置、静止无功发生装置、有源滤波装置等。对于电能质量的改善可以从无功补偿和滤波治理两个角度来考虑。无功缺乏可能导致系统电压降低，从而引发一系列问题；谐波污染则会破坏通讯系统的运行，并对电气设备的寿命和电力系统的运行造成威胁。1.2三相不平衡的概述本文将讨论三相电压和电流的不平衡。由于不平衡电流是引起不对称电压的重要原因，并且电压不平衡是一个公认的电能质量参数，所以本文主要讲述三相正弦电压的不平衡。三相系统如果三相电压和电流具有相同的幅值并且相位互相差120°，则被称为三相对称系统或平衡系统。如果其中的一个或两个条件不满足，则称为三相不对称系统或不平衡系统。[4]三相对称系统的对称性还表现为：在任意时刻，三相电量的瞬时值之和为零；三相瞬时总功率与时间无关。对称三相系统在任意时刻的总瞬时功率是常数，也就是说对称三相系统也一定是平衡三相系统。对于三相系统，系统的不对称直接导致不平衡，所以不对称三相系统和不平衡三相系统在使用上不做严格区分。1.2.1引起三相不平衡的原因在电力系统中，存在着种种不平衡因素，可以归结为正常性和事故性两大类。正常性不平衡是由于三相负荷的不平衡以及电力系统元件三相不对称所致，后者包括非全相运行工况，这类不平衡有别于不对称故障状态。事故性的不平衡是由于系统发生故障引起的，这种运行工况在系统中是不允许的，一般要通过保护装置切除故障元件，经处理后再恢复系统运行迅速加以消除；而正常运行的不平衡，则允许长期存在或在相当长的一段时间内存在。如图1的Y-Y连接电路中三相电源是对称的，但负荷不对称。先讨论开关S打开（即不接中线）时的情况。可以求得节点电压为：（1）由于负荷不对称，一般情况下，即N’点和N点电位不同了，由图1（b）可以看出，N’点和N点不重合，这一现象称为中点位移。在电源对称的情况下，可以根据中点位移的情况判断负载端不对称的程度。当中点位移较大时，会造成负载端的电压严重的不对称，从而可能使负载的工作不正常。和上开关S（接上中线），尽管电路是不对称的，但在这个条件下，可使各相保持独立性，各相的工作互不影响，因而各相可以分别独立计算。这就克服了无中线时引起的缺点。因此，在负载不对称的情况下中线的存在是非常重要的。[5]图1：不对称三相电路中点位移电力系统在正常运行方式下，供电环节的不平衡或用电环节的不平衡都将导致电力系统三相不平衡。电力系统是由发电、输电、配电和用电各个环节组成的统一整体。其中发电、输电和配电又称为供电环节。正常情况下，电力系统调度人员努力在供电环节和用电环节之间的公共连接点处提供一个三相平衡系统。在正常条件下，这些电压由发电机的端子电压，电力系统的阻抗，在输电和配电电网内负载汲取的电流来决定的。由于在大型集中发电厂广泛采用同步发电机，因此从发电厂出来的系统电压总体上是高度对称的。集中发电通常不会产生不平衡。即便是采用感应式异步发电机，例如一些类型的风力透平机，仍可以获得平衡的三相电压。电力系统组件的阻抗三相并不是都精确相同。架空线的几何布置使相线对地阻抗不对称，导致线路的电气参数有差异。通常这些差异非常小，如果采取适当的预防措施，例如导线的换位，它们的影响就可忽略不计。[6]在大多数实际情况，负载的不对称是不平衡的主要原因。在高压和中压等级，负载通常为三相平衡的。低压负载通常是单相的，例如PC机和照明系统，因此很难确保相间平衡。在为这些负载供电的电力接线系统进行布置时，负载回路通常在三相系统之间平均分配，例如公寓或办公楼的每一层采用单相供电，或对一排房三相依次供电。1.2.2三相不平衡的严重后果三相电压不平衡是一个严重的电能质量问题，主要影响低压供电系统，例如在拥有大量PC机和照明负载的办公大楼里所遇到的。但对于像变压器和感应电动机这样的旋转型电气设备也应特别注意。三相电压不平衡所产生的最严重的后果如下：1、当电机承受三相不平衡电压时，定子和转子铜损、转子铁损会增加，使电机附加发热，并引起二倍频的附加振动力矩，危机安全运行和正常出力。2、三相电压不平衡将引起以负序分量为启动元件的多种保护发生误运作（特别是当电网中同时存在谐波时）。3、电压不平衡会使换流设备产生附加的谐波电流（非特征谐波），而这种设备一般在设计上只允许2%的不平衡。4、变压器三相负荷不平衡不仅使负荷较大的那相线圈因绝缘过热导致寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡、大量漏磁经箱壁使其严重发热，造成附加损耗。5、在低压配电线路中，由于三相电压不平衡还会引起照明电灯的寿命缩短、电视机的损坏等。6、对于供电系统，负荷不平衡时，将引起线损及配电线路电压损失增大。7、对于通信系统，电力三相不平衡时，会增大对其干扰，影响正常通信质量。[7]1.2.3三相不平衡的国家标准随着现代化工业技术的迅猛发展，单相的大容量用电设备得到了广泛的应用，使电网三相电压不平衡日趋严重，三相不平衡如果超过一定范围，将会影响系统的安全运行。因