一种配电网末端三相电压不平衡治理方法及装置与流程

本发明属于低压配电网电能质量治理，具体涉及一种无需外接电流互感器、基于电压采样闭环控制的三相电压不平衡治理方法及对应的补偿治理装置。

背景技术：

1、低压配电网末端普遍存在单相负荷分布不均、负荷投切随机性强的问题，极易引发三相电压幅值不平衡。三相电压不平衡会加剧变压器损耗、增大线路有功损耗，同时导致部分相电压偏高或偏低，影响用电设备的正常运行，严重时会造成设备损坏、寿命缩短。

2、当前主流的三相不平衡有源治理设备多采用电流补偿型架构，通过电流互感器采集线路负载的三相电流信号，计算负序、零序补偿分量，再控制变流器输出对应电流实现不平衡治理。该类技术方案在工程应用中存在以下缺陷： 第一，现场施工需要安装多只电流互感器，敷设二次控制线缆，安装工作量大、布线复杂，整体施工成本高；同时电流互感器存在二次开路的安全隐患，对现场运维人员的专业水平要求较高，不利于配网末端分散点位的批量改造。 第二，控制策略相对单一，无法根据台区实际工况灵活设置治理优先级。部分台区核心需求是抑制单相电压越限，允许存在轻微三相不平衡；部分台区核心需求是将三相不平衡度控制在考核指标内，电压可在合格范围内小幅浮动；现有设备难以兼顾多种治理目标，场景适配性不足。 第三，常规电压闭环 pi 控制器存在积分累积漂移问题。当实际电压已处于合格区间时，pi 控制器的积分量无法自动归零，设备会持续输出不必要的补偿电流，产生额外的线路损耗与装置自身损耗，无法兼顾治理效果与节能降损目标。 第四，传统负序、零序电流补偿方案，核心是抵消不平衡电流，对于配网末端因线路阻抗压降差异导致的电压幅值不平衡，治理针对性不足，调压效果有限。

3、因此，开发一款仅采集三相四线电压信号、无需外接电流互感器，具备多模式可选控制策略、稳态可自动收敛至最小补偿功率的三相电压不平衡治理方案，具备很高的工程应用价值。

技术实现思路

1、发明目的

2、本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种配电网末端三相电压不平衡治理方法及装置，一方面通过纯电压采样架构省去电流互感器与二次接线，简化现场安装；另一方面通过多模式控制策略适配不同台区治理需求，同时优化 pi 控制逻辑，实现稳态最小功率输出，在治理三相电压不平衡的同时降低线路与装置损耗。

3、技术方案

4、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、一、一种配电网末端三相电压不平衡治理方法

6、该方法包括以下步骤： s1、电压采样：实时采集配电网公共接入点的三相四线瞬时电压信号。 s2、参数计算：根据采集的瞬时电压信号，计算得到三相电压有效值、、，同时计算当前三相电压不平衡度。 s3、模式识别与目标电压计算：读取用户预先配置的工作模式，工作模式包括性能优先模式、电压优先模式、平衡优先模式、兼容模式四类；按照对应模式的计算规则，分别求解 a、b、c 三相的电压调节目标值、、。

7、四类工作模式的具体计算规则如下：

8、性能优先模式：求取三相电压平均值 ，将三相目标电压统一自动设置为平均值，即 、、。该模式以三相电压完全均衡为最终目标，优先保障三相电压平衡度。

9、电压优先模式：读取用户预设的固定电压上限、电压下限，逐相进行判定：若当前相电压大于，则该相目标电压取值为；若当前相电压小于，则该相目标电压取值为；若当前相电压介于 与 之间，则该相目标电压等于当前相实际电压，本相不主动执行调节。 该模式优先保障各相电压处于合格区间，在电压达标前提下允许一定程度的三相不平衡，以最小补偿功率满足电压合格要求。

10、平衡优先模式：读取用户预设的三相不平衡度限值，首先根据当前三相电压平均值，反推动态电压阈值：、；得到动态电压上下限后，再按照上述电压优先模式的判定规则，逐相计算各相电压调节目标。 该模式优先管控三相不平衡指标，电压阈值随当前电压水平自适应浮动，始终将不平衡度控制在设定限值以内。

11、兼容模式：读取用户设置的固定电压上下限 、，以及不平衡度限值 kunb；首先按照平衡优先模式的计算逻辑，得到动态电压阈值、；再对两组阈值进行合并筛选：最终有效电压上限 取两个上限值中的最小值，最终有效电压下限取两个下限值中的最大值；得到合并后的电压上下限后，再按照电压优先模式的判定规则逐相计算各相目标电压。 兼容模式同时满足单相电压越限约束与三相不平衡指标约束，取两项条件中更严苛的阈值作为控制边界，同时保障电压合格与平衡达标。

12、s4、闭环电流指令生成：分别计算各相实际电压与目标电压的偏差，记为，其中；将各相电压偏差送入对应相的 pi 控制器，输出补偿电流有效值指令 。 电流指令 的正负代表相位方向：为正时，补偿电流相位与本相电网电压相位相同；为负时，补偿电流相位与本相电网电压相位相差180°。控制周期与电网电压周期保持同步。

13、s5、瞬时电流分解与输出：将有效值形式的电流指令，按照对应相的电压相位分解为每个采样周期的瞬时电流指令；控制功率变流单元输出幅值为、相位匹配的补偿电流。补偿电流根据相位方向不同，可实现向电网注入有功或从电网吸收有功的双向能量交互，利用配电网末端固有的线路传输阻抗产生附加压降，反向调节公共接入点的三相电压幅值，实现不平衡治理。

14、s6、闭环反馈与积分收敛优化：实时采集更新三相电压信号，构成电压闭环控制系统。 在非性能优先模式下，当三相电压全部处于当前模式对应的电压上下限区间内、系统进入稳态合格状态时，对 pi 控制器的积分项执行慢速收敛处理；收敛速度远小于 pi 动态调节时的积分速度，在不影响动态响应性能的前提下，使稳态补偿输出电流逐步向零收敛，以最小补偿功率维持治理效果，降低线路损耗与装置自身损耗。

15、进一步地，pi 控制器积分项的收敛方式为比例收敛：每个控制周期，积分值乘以一个小于1且无限接近1的衰减系数，实现慢速衰减。

16、进一步地，pi 控制器积分项的收敛方式为固定步长收敛：每个控制周期，积分值向归零方向减去一个固定微小步长，逐步消除积分累积量。

17、进一步地，工作模式、电压上下限参数、不平衡度限值 ，可通过本地人机界面或者远程通讯方式进行配置。

18、进一步地，功率变流单元采用分相独立控制架构，各相补偿电流解耦调节，互不干扰。

19、二、一种配电网末端三相电压不平衡治理装置

20、该装置用于实现上述治理方法，包括电压采样单元、模式配置单元、主控运算单元以及功率变流单元。 所述电压采样单元，输入端直接连接三相四线一次电源线，仅采集电压信号；装置本体不外接电流互感器，不设置外部二次电流采样回路。 所述模式配置单元，用于接收并存储用户下发的工作模式标识、电压上下限参数以及三相不平衡限值 。所述主控运算单元，用于执行电压有效值计算、三相不平衡度计算、四种工作模式下的目标电压解算、pi 闭环运算、pi 积分收敛算法，输出瞬时电流控制指令。 所述功率变流单元，接收主控运算单元下发的瞬时电流指令，输出分相可控的补偿电流，利用配网线路阻抗压降实现三相电压幅值调节；该单元具备双向能量传输能力，可工作于逆变与整流两种模态，分别实现向电网注入有功、从电网吸收有功的双向调节。

21、进一步地，所述主控运算单元采用 dsp 或 mcu 微控制器。

22、进一步地，所述模式配置单元包含本地按键显示屏和/或远程485、以太网通讯接口。

23、有益效果

24、硬件架构简化，安装运维便捷。装置仅需接入三相四线一次线路，省去了电流互感器与二次电流布线，大幅降低现场施工难度与成本，同时消除了 ct 二次开路的安全隐患，尤其适合配网末端分散台区的批量改造。

25、多模式适配，场景覆盖全面。四种可切换的工作模式，可分别对应电压优先、平衡优先、双重兼容、极致均衡四类治理需求，用户可根据台区考核要求、负荷特性灵活选择，一台设备适配多种工况。

26、调压机理针对性强，双向调节灵活。采用分相独立的功率变流单元，支持能量双向流动，通过注入同相或反相电流改变线路压降，直接调节各相电压幅值，针对线路压降差异导致的电压不平衡问题，治理效果优于传统负序电流补偿方案。

27、稳态降损效果显著。增设 pi 积分慢速收敛机制，电压稳态达标后自动降低补偿输出功率，避免无效环流与不必要的功率输出，在保障电能质量的同时，有效降低线路损耗与装置自身损耗。