基于低壓配電臺區分布式儲能的三相不平衡控制策略研究

湖南瀟湘技師學院（湖南九嶷職業技術學院） 劉志偉 湖南時銘電氣有限公司 陳常曦

湖南瀟湘技師學院（湖南九嶷職業技術學院） 文琬淇

我國居民用電一般為單相負荷，這種負荷具有隨機性和不平衡性。負荷不平衡不僅影響電力系統的穩定性，還能損害用電設備，增加能源浪費。目前，處理三相不平衡的方法主要集中在供電側，包括靜態補償和動態補償。靜態補償通常涉及在負荷端使用電容器來平衡電力系統，而動態補償則涉及根據電力需求自動調節補償電容。本文將探討基于分布式儲能系統的三相不平衡控制策略，著重分析儲能變流器（PCS）在調節電網參數和改善電能質量方面的作用。

1 低壓配電臺區儲能變流器的模型及控制策略

電網儲能系統中，使用雙向AC/DC 變換器連接各網絡至大電網，系統可逆變或整流，核心部件是6個反并聯續流二極管的IGBT[1]。通過IGBT 開關頻率控制，實現功能轉換為SPWM 信號。儲能變流器的拓撲結構如圖1所示。

圖1 儲能變流器拓撲結構

根據電路定理可得到其并網的數學模型為：

儲能變流器常采用雙環結構，外環控制用于功能控制，如電壓或功率；內環控制響應快，用于精細調節和電能質量提高。外環產生內環控制參數，實現聯合控制。儲能變流器采用恒功率控制（PQ 控制），包括功率外環和電流內環控制。如圖2所示。

圖2 PQ 控制

坐標變換后的功率計算公式為 ：

經過 PI 控制后，得到電流環的輸入參考值，其關系式為：

電流內環控制后，儲能變流器的輸出電壓參考值 為 Vd和 Vq，為了能夠獨立控制電流，進行電流的解耦，并引入電壓前饋控制，其表達式為 ：

2 低壓配電臺區三相不平衡電流的數學模型

三相四線系統包括3相+1中性線，正常下中性線無電流。不平衡時，電流分解為正序iP、負序iN和零序i0。同理，電壓不平衡也可分解成正負零序。三相電流基波分解為正負零序：

三相不平衡引起損耗和設備壽命下降，影響繼電保護。需要補償電流中的負序分量以提高用電效率。

3 低壓配電臺區不平衡電流正負序分離

為解決不平衡電流控制問題，將正負序分離并分析，采用坐標變換原理將電路模型由abc 坐標系轉換為dq0旋轉坐標系[2]。這需要先通過Clarke 矩陣轉換到β 坐標系，再通過Park 矩陣變換到旋轉坐標系。 Clarke 矩陣和 Park 矩陣如下 ：

正負序分量代入變換矩陣后，dq0坐標系下的分量為：

正序電流分量經Clarke 和Park 變換后變為直流信號，負序為2倍工頻的交流信號。DSC 算法流程如圖3所示，用于正負序分離。

圖3 DSC 算法流程

圖4 Pabc_p

圖5 Qabc_p

圖6 Pabc_n

圖7 Qabc_n

圖8 Qabc-Qabc_n

圖9 Pabc-Pabc_n

三相電流經Clarke 變換后得到“β 坐標系下分量：

延遲 T/4 周期后得到的表達式為：

根據以上表達式得到電流在 “β 坐標系下正負序分量：

將得到的“β 軸分量進行 Park 變換后，得到電流 在dq0坐標系下的正負序分量。

4 低壓配電臺區三相負序電流的有功與無功計算

在并網條件下，電壓和頻率相對穩定，導致dq0坐標系中的ud保持恒定（如在50Hz、380V 的系統中ud恒定為311V），而uq為0。因此，功率計算主要基于電流的dq 分量。負序分量存在導致電力系統不平衡，負序電流做功為：

通過補償負序電流的有功和無功，可以消除其對電力系統的不平衡影響，實現系統平衡。

低壓配電臺區系統仿真分析。

Pabc_p 和Qabc_p 圖表反映特定運行條件下各相有功功率（P）和無功功率（Q）分布。相較沒有儲能系統，儲能系統使功率變化更平穩[3]。其可在需求劇烈變化時釋放能量，或在需求低時儲存能量，實現調峰和儲能功能。

Pabc_n 和Qabc_n 圖表中的“_n”表示無儲能系統的正常狀態。這些圖表顯示電力系統在此情況下的運行狀態，存在顯著三相功率不平衡。沒有儲能系統作為緩沖，電網需要采取其他措施來應對不平衡挑戰，如備用發電機組或需求響應策略，以維持電力系統的穩定運行。

Pabc-Pabc_n 和Qabc-Qabc_n 圖表對比儲能系統調節三相電力系統不平衡的效果，通過比較不同情況下的功率值顯示出儲能系統的有效性。線條趨于平穩且接近零，表明儲能系統在維持電力系統平衡方面效果良好，提供直觀的評估方法。

差分圖表顯示儲能系統對P 和Q 平衡的效果。線趨平穩接近零，儲能系統吸放功率減少波動，維護穩定電網，提高電能質量，儲能釋放。

第一組圖表顯示在特定時刻（大約在x 軸的0.02處）發生了顯著的三相不平衡，但分布式儲能的存在似乎減輕了不平衡，差分功率圖表中的變化較小。

5 結語

低壓配電臺區的分布式儲能系統在解決三相不平衡問題上表現出顯著效果。試驗結果顯示，通過實時監測和正負序分離處理不平衡電流，結合高效的控制策略和先進的變流技術，儲能系統能精確補償每相的負序電流的有功和無功，有效消除不平衡影響。這種基于儲能變流器的控制策略提高了電力系統效率，增強了電網靈活性和韌性。