三相不平衡对电网的影响及解决方法

徐 刚,吴宝祥,钱巍斌，胡水莲,解 蕾，杨 光,侯 涛

(1.国网上海市电力公司 市区供电公司,上海 200080；2.美登思电气(上海)有限公司，上海 201114)

0 引 言

在低压配电网中,三相负荷不平衡问题是非常普遍的[1]．在对实际电网运行工况的调研中发现,三相不平衡问题广泛存在,严重威胁电网稳定运行．所以,对电网三相不平衡问题的研究以及三相不平衡调补措施的研究是非常必要的[2]．20世纪70年代开始,晶闸管技术广泛应用于三相功率平衡中(装置包括晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器),其具有动态响应快的优点,然而由于晶闸管本身的特性,只能控制导通,所以发展受限[3]；从80年代起,灵活交流输电兴起[4],其基于电力电子技术对传统交流输电进行改造[5],典型应用就是有源电力滤波器和静止无功补偿器[6],通过FACTS装置平衡各相电压和电流,使达到三相平衡，但其对三相四线制供电方式研究较少;另外,对于负荷调节方式,目前，大都采用管理的方式,通过监测电网通电数据情况,进行人工调整三相负荷,但此方法实现具有局限性,无法做到实时三相负荷平衡[7]．目前，还有的解决方案是对用电负荷进行不对称调补,但其中求取补偿导纳的算法需要增加并联补偿装置,难以控制,并且费用较高[7]．

针对上述方案的缺点,文中给出了3种不平衡补偿方案,分别为换相开关型三相负荷自动调节方案、电容型三相负荷自动调节方案、电力电子型三相负荷自动调节方案．详细介绍了电网三相不平衡产生的原因、对电网的危害．给出了3种典型运用于治理电网三相不平衡的方案,分析其工作原理,对比3种方式的优缺点以及适用条件,能更好地指导相关的研究与应用工作．

1 电力系统三相不平衡概述

1.1 产生的原因

电力系统三相不平衡是由三相负荷不平衡或系统元件三相不对称所致[8]．而三相负荷的不平衡通常由多种原因造成．一方面是用电负荷分配不均,即工作人员在接入负载时没有综合考虑,接线时对负荷分配较随意,因此产生三相不衡现象[9]；另一方面是用电负荷的随机变化,即使在最初平分了三相负荷,实际工作过程中三相负荷并不是同时开启或退出,这种情况下负荷随机性波动,不能预测,规律性不强,电流曲线交叉重叠[13]；第三大功率负载的增多以及其他外力因素也会造成电网三相不平衡,比如季节因素和临时用电的影响;另外,对于电力牵引负荷,是一种大功率整流负荷,工作产生的谐波、负序、电压波动和闪变电流严重威胁到电力系统的安全稳定运行[10]．

1.2 对电网产生的影响

三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害,这些危害给工农业生产和国民经济造成的损失是巨大的．实际上,用户负载存在很多冲击性负荷,比如变流器、电弧炉等,因为存在不平衡的冲击性,不仅会产生三相不平衡和电压波动,而且会在系统中注入大量的高次谐波,导致三相负载处于不对称状态[11]．主要有以下几个危害[12]:首先，加大线路损耗，三相四线制系统当工作在三相不平衡情况时,中性线就会有电流,增加了线路损[13]；其次，增加变压器损耗，当变压器工作在不平衡状态时,其产生的零序电流会导致零序磁通的出现,使变压器严重发热,减小使用寿命[14]；最后，产生低电压问题,无法保证用电安全．三相负载不平衡会导致变压器内部三相不等的压降,重载的一相电压降低,造成低电压,轻载的一相电压升高,损坏用电设备,发生不安全事故,用电可靠性降低．

1.3 电力系统三相不平衡治理标准

国家标准 GB/T 15543—2008 《电能质量 三相电压不平衡》 4.1条中规定了三相不平衡要求,即“在电网正常运行时,负序电压不平衡度不超过2 %,短时不得超过4 %”，《标准》4. 2中规定“接于公共连接点的每个用户引起的该点负序电压不平衡度允许值一般为1. 3 %,短时不超过2. 6 %,根据连接点的负荷状况以及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求,该允许值可作适当变动”[15]．另外,该标准只针对系统正常工作时的电压不平衡．故障情况导致的电压不平衡不在考虑之中．

2 电力系统三相不平衡治理方案

作为电能质量问题之一,三相不平衡已不是一个新的问题,国内外早已开展了相关的研究．文中给出3种典型应用于农网的三相不平衡治理方案:换相开关型三相负荷自动调节装置、电容型三相负荷自动调节装置、电力电子型三相负荷自动调节装置．

2.1 换相开关型三相负荷自动调节装置

换相开关型三相负荷自动调节装置是由一个智能换相终端(负责负荷监测与自动换相控制)和若干个换相开关单元(负责执行负荷换相的操作机构)组成．智能换相终端实时监测配变低压出线的三相电流,如果在一定监测周期内配变低压侧三相负荷不平衡度超限,智能换相终端读取配变低压出线和所有换相开关单元各负荷支路的电流、相序实时数据,进行优化计算,发出最优换相指令,使各换相开关根据指令进行换相动作,调整用户负载,使得配电台区三相负荷均衡分配[7]．

目前换相开关型三相负荷自动调节装置中对不平衡负载进行监控和优化计算的算法有很多,例如穷举法、贪婪算法、退火算法和神经网络算法等[16],根据不同的优化目标选取不同的优化算法．

2.2 电容型三相负荷自动调节装置

电容型三相负荷自动调节装置(相间无功补偿装置)是在相线间跨接电力电容器,实现有功功率转移,平衡相间的有功功率,同时利用连接在相线与零线之间的电力电容器对每一相进行不等量无功补偿,平衡相间的无功功率,降低三相不平衡度、提升功率因数．

2.3 电力电子型三相负荷自动调节装置

电力电子型三相负荷自动调节装置(低压静止无功补偿装置SVG、有源滤波器APF)是采用大功率可关断型电力电子开关技术的电能质量综合治理装置．它通过快速检测出接入处无功、负序、谐波电流,根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法产生触发脉冲信号驱动控制晶闸管输出与检测到的无功、负序、谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流,综合解决配电台区无功、谐波、电压波动以及三相负荷不平衡等问题[17]．

3 解决负荷三相不平衡方案仿真分析

为了验证上述3种方法的正确性,利用仿真软件搭建一个三相负载不平衡的三相四线制系统．线路电感取0.1mH,假设有9位用户随机分配在三相中的任意一相,N代表地线，搭建仿真模型如图1所示.

图 1 三相不平衡负载Fig.1 Unbalanced load of three-phase

仿真系统中取9位用户的阻感负载值分别为(30 Ω,5 mH),(40 Ω,3 mH),(50 Ω,1 mH),(35 Ω,5mH),(50 Ω,3 mH),(30 Ω,5 mH),(40 Ω,1 mH),(52 Ω,5 mH),(40 Ω,5 mH)．通过仿真可知，三相电流严重不平衡,其正序电流值为29.67 A,负序电流为7.286 A,零序电流为7.104 A,通过计算得到电流不平衡度为24.6%,超出三相不平衡允许值．

⑩[美]罗伯森，[美]迈克丹尼尔：《当代艺术的主题——1980年以后的视觉艺术》，南京：江苏美术出版社，2013年，第167页。

3.1 换相开关型三相负荷自动调节装置方案仿真

为了治理三相负荷不平衡问题,在低压线路末端配置负荷自动换相装置．根据智能换相终端读取各负荷支路的电流、相序实时数据,进行优化计算,发出最优换相控制指令,将C相的用户9#换相到B相上．计算出换相后的电流三相不平衡度5.07%,说明换相后配电台区电能质量有所提高,线路损耗也因此下降,实现用户负荷相序调整、配电台区三相负荷均衡分配．

3.2 电容型三相负荷自动调节装置方案仿真

应用矢量分析法计算出三相四线调补电容的大小．AB相间、BC相间、CA相间分别接入相间电容0.185 mF,0.115 mF,0.12 mF的电容值．相间电容在0.1 s时接入电网.

由仿真可知,通过计算负载中存在的电感值大小, 适当在相与相之间及各相与零线之间接入不等容量的电容,从而达到电网补偿功率因数以及调节不平衡有功电流的目的[18]．

3.3 电力电子型三相负荷自动调节装置仿真

APF补偿装置0.5 s时投入,由仿真可知，补偿前系统侧三相电流幅值不等,三相的相位十分接近,这与各相间相位相差120°的要求相差甚远．而补偿后系统侧三相电流对称,因此补偿有起到平衡三相负荷的作用．

4 三相不平衡负荷自换相系统测试和实验验证

文中选取了三相不平衡负荷自换相方案进行测试和功能验证,以此来验证所给出的三相不平衡治理方案的有效性．

4.1 控制器设计和功能验证方法

控制器是整个调整系统的核心单元,负责调度各个单相负荷的换相操作,最终达到三相负荷平衡度最优．控制器核心功能CPU单元选用意法半导体公司的STM32系列的STM32F407芯片．该芯片是一种基于ARM CortexTM-M4内核的高性能微控制器,工作频率可达到168 MHz,内部集成了单周期DSP指令和浮点单元提升了计算能力,可以高效地完成一系列复杂的计算和控制任务;内部集成了1 MB FLASH和192 kB SRAM,减少了外围扩展电路,满足系统采集、通讯、控制等功能的计算能力需求.

为了验证本项目提出的三相不平衡负荷自换相系统方案和控制策略有效性,项目组根据本项目方案研制了样机系统,并进行了基于实际配电台区系统相同结构的模拟系统的测试．考虑系统使用的经济性,测试时采用了2种三相不平衡负荷自换相系统配置方案:第1种是所有单相出线回路都配置智能换相终端,如图2所示;第2种是部分单相出线回路配置智能换相终端,即存在部分回路负荷不可换相调整.N代表地线，L代表A,B,C三相中的某一相，如图3所示.

图 2 出线回路都配置智能换相终端方式Fig.2 Intelligent commutation terminal mode of wire loop configuration

图 3 单相出线回路配置智能换相终端方式Fig.3 Intelligent commutation terminal mode of the single-phase outgoing loop

当这3个条件同时满足条件时执行调整操作,系统将处于当前负载条件及智能换相终端配置状态下的三相不平衡度最优状态．经实际检测,控制算法的负载平衡效果能够满足上述设计要求．

4.2 功能验证实例

为了验证本项目提出的硬件方案和控制策略有效性,根据本项目方案研制了样机系统,按照全部回路配置智能换相终端的方式,由1台控制器及5台智能换相终端进行了实际系统验证．实际数据如图4所示.

图 4 实际数据Fig.4 Actual data

4.3 智能终端换相速度验证

为了避免对用电负荷的供电连续性造成破坏,作为换相操作执行机构的智能终端在进行供电相别切换时,应具有快速性,并保证执行机构的寿命,避免连续工作过程中,换相操作对换相器件触点的损耗过快．

本系统为了满足切换速度<2 ms的要求,采用了全控型的IGBT器件作为执行机构,同时为保证连续供电和切换操作对设备的可靠性要求,采用接触器作为连续供电器件的执行机构．该实现方式既能满足切换速度的要求,也能实现动作次数的可靠性要求．实际换相操作的波形记录如图5所示.由图5中实测波形可知换相操作的耗时在1.6 ms水平,该切换速度从器件性能角度还有提高的空间．

图 5 实际换相操作的波形Fig.5 The waveform of the actual commutation operation

通过本项目的研究开发,系统性研究了配电系统三相不平衡的治理方法,利用可控电力电子器件实现了负荷自动快速换相,换相速度较人工操作和基于非全控器件实现的换相装置有较大提高,可靠避免了电源供电相别切换对用户的影响．另外, 给出了一种基于贪婪算法的不平衡负荷调整方法,实现在当前实时负荷条件下的三相不平衡度最优负荷分配． 并且利用全控器件IGBT与接触器结合, 设计了一种兼顾换相速度和设备可靠性的智能换相终端,保证了产品的使用寿命, 提高了较大额定电流等级的执行设备可靠性．

5 电网三相不平衡治理方案对比

换相开关型三相负荷自动调节装置安装在分支线路,是从负荷侧调节三相不平衡,其优点为通过智能化逻辑判断自动选择供电相,降低配变损耗和低压线路损耗,提高电能利用率和可靠性;缺点是线路功率因数提高有限,费用高,整体改建实施难度大．换相开关装置有非常好的应用前景,适用于配电变压器低压侧功率因数大于0.85,配电台区低压主干线和主要分支线为三相供电,并且要求换相开关供电范围内无对可靠性要求高的敏感性负荷．

跨接相间电容调整三相不平衡安装在配电变压器位置,是从电源侧调节三相不平衡．其优点为优化三相不平衡电流,增加电网中有功功率的输送比例,投资费用较低,安装方便,运行维护简单．缺点为容易产生谐波放大现象,系统特性容易漂移,仅通过相间功率转移实现配变低压出口三相负荷平衡,不能从根本上解决实际负荷均衡分配问题[19]．目前此方法应用较少,主要适用于配电台区同时存在三相负荷不平衡和无功不足问题,以及配电台区供电半径较短的情况．

电力电子型三相负荷自动调节装置也是安装在配电变压器位置,从电源侧调节三相不平衡．其优点是对电网实施动态补偿,改善系统暂态稳定能力,控制方便,工作模式灵活,寿命长,噪声小．缺点是仅通过输出补偿电流实现配变低压出口三相负荷平衡,并且建设成本高,采用时必须经过充分的经济论证．此种方式适用于用户对电能质量要求较高或同时存在三相负荷不平衡、无功不足和谐波超限问题．

6 结 论

治理配电网三相负荷不平衡具有很重要的实际意义，现对其总结,归纳如下:

(1) 文中分析了电网中存在的三相不平衡现象、背景以及造成三相不平衡的原因和危害,并分析了目前研究领域中所存在的问题．

(2) 针对三相不平衡问题,文中对不平衡补偿技术展开深入研究,给出了3种典型用于补偿三相不平衡的方案,详细分析了它们的工作原理,并分别进行仿真,其结果验证3种补偿方案的有效性和可行性．

(3) 针对3种补偿方案进行对比分析,确定每种方案的优缺点以及适用范围,为电网不平衡治理的研究提供思路,具有一定的应用价值．

(4) 针对文中提出的3种治理方案中所存在的不同问题和缺点,在接下来的研究中需要进一步完善和改进．

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