混合型用电负荷三相不平衡调节技术的研发

纪小勇，余伙庆

（1.广东正诚电气科技有限公司，广东 汕头 515041；2.广东省智能电网设备（正诚）工程技术研究中心，广东 汕头 515041）

0 引 言

低压配电台区主要面向居民用电，以单相用户为主，由于用户用电时段的随机性、单相与三相负载混用等原因，导致配电台区在实际运行中普遍存在着比较严重的三相不平衡。

三相电压与电流不平衡会威胁电力系统的安全性，并且会对用户的用电体验产生影响，其主要危害表现在以下方面。一是增加线路损耗，三相四线制系统在运行过程中出现三相不平衡问题时，中性线也会产生电流，导致线路损耗增加；二是增加变压器损耗，在变压器运行过程中，如果处于不平衡状态，零序电流就会产生零序磁通，从而使变压器温度快速上升，不仅会影响变压器的安全性，而且会缩短变压器的使用寿命；三是容易出现低电压问题，影响用电安全。电力系统运行过程中出现三相不平衡会直接影响变压器内部压降，重载一相电压会降低，产生低电压问题，而轻载一相的电压不断升高，导致用电设备损害，出现安全事故。

在当前智能电网建设项目不断发展的过程中，必须坚持统筹规划、试点进行的原则，尽可能提高配电网建设智能化水平，要保证工程建设的标准性和规范性，确保建立的新型电网能够满足城镇居民及农村地区经济发展过程中的用电需求，提高供电系统的整体供电能力与可靠性。

低压配电系统中会利用三相四线制进行配置，用电终端一般是以单相负荷或者单相三相负荷混用为主，负荷大小存在极大差异、用电时间并不固定。在电网中的三相电流不平衡比较普遍，不平衡状态并没有具体的规律，会对配电系统和用电设备产生危害。例如，线路的功率损耗增加，并且会影响配电变压器的损耗率，导致零线烧毁或变压器的使用寿命降低。再加上三相不平衡还会影响电动机的输出功率，绕组温度在升高的过程中存在安全风险，甚至可能会烧毁用电设备。

1 国内外研究现状

广东正城电气公司在2018年研制出了有源与无源型结合三相不平衡调节装置，在应用中有良好的效果[1]。高永键说明了低压配电网三相不平衡问题及对策，提出了运用管理手段和智能装置解决三相不平衡的问题[2]。邓惠华论述了评估负荷三相不平衡对低压配电网运行带来的危害及影响，提出了自动换相装置的解决办法[3]。熊勇则提出基于电压源逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）的不平衡补偿装置，其实质为有源型三相不平衡调节装置[4]。刘祺建立了三相不平衡问题数学模型，应用自动换相装置解决三相不平衡的问题，并提出了应用云平台系统，对系统的三相不平衡问题进行监测[5]。

上述内容均介绍了解决三相不平衡问题的方法，但大多数均从一个技术类型来解决。对于解决三相不平衡的问题，一般使用换相开关技术、纯无源型补偿技术或纯有源型补偿技术，本文主要介绍将3种技术混合使用，在电力网中形成一个解决三相不平衡问题的系统。

2 三相不平衡调节方式及原理

2.1 换相开关技术

换相开关原理如图1所示，采用多个电力电子元件组成智能换相终端。当需要换相时，当前相电力电子元件电流过零自然关断，目标相电力电子元件导通，完成换相过程。

图1 换相开关原理

在该技术实际应用中，需要利用智能换相控制终端完成配变负载侧三相负载电流实时监测，特别是需要注意在监测周期要防止负载侧三相负荷不平衡度超出限制。在智能换相控制终端获取配变低压出线以及换相开关单元负荷支路的电流、相序实时数据后可以开展优化计算，从而获取最优换相指令，确保各个换相开关能够根据换相指令进行操作，合理调整用户负载，进而对配电台区的三相负荷进行科学配置。在实际操作中，需要根据A、B、C三相将单相或者两相负荷分成多个组，每一组需要利用一个电子开关进行控制。换相开关技术在实际操作中需要充分发挥智能化逻辑统筹判断的优势，实现自动选择供电相、降低线路损以及调节三相不平衡的目的，对提高电能利用率和稳定性有积极作用，但是需要注意换相开关技术在实际操作过程中无法做到精细调节。

2.2 纯无源型补偿技术

以王氏定理的相关内容为基础进行分析，在投切分相电容器时，需要对每一相无功电流进行科学调整，以相间电容器投切来达到转移相间有功电流，同时进行无功补偿。而三相不平衡的调节结果受相间电容器与分相电容器数量与容量极差的影响相对较大，在具体操作中电容容量本身具有离散性，会导致系统仍存在不平衡度，再加上负荷变化速度比较快，电容的往返投切频率较高，会导致其老化速度加快。并且在一些相对特殊的应用场合中，无功补偿和三相不平衡电流不能同时兼顾。

2.3 纯有源型补偿技术

纯有源型补偿技术通过整流和逆变，将高负荷相负载电流转移至较低负荷相的技术。在该技术使用过程中可以对接入部分的无功、负序以及谐波电流等进行快速准确检测，并且可以根据检测结果利用空间矢量脉宽调制控制方法获取补偿电流，这一补偿电流能够触发脉冲信号驱动对晶闸管进行控制，从而获取无功、负序、谐波电流。而补偿电流的大小相同、方向相反，能够解决配电台区三相负荷不平衡与无功功率精细补偿、谐波、电压波动等各种问题。在具体应用中需要根据实际情况进行分析，该技术在应用中的最大缺点是功率损耗相对较大。

无源型补偿技术和有源型补偿技术分别通过相间功率转移、输出补偿电流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。而换相开关技术仅适用于配电变压器低压侧功率因数大于0.85以上的配电台区，且存在一定的调节级差，无法做到较精细调节。混合型用电负荷三相不平衡调节技术是将上述3种技术结合，先采用换相开关技术解决大功率的三相不平衡，然后用无源型补偿技术提供无功补偿及粗略的调整，再用有源型补偿技术进行微调及解决配电台区无功、谐波以及电压波动等问题。

3 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的设计方案

3.1 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的拓扑结构

混合型用电负荷三相不平衡调节技术的拓扑结构如图2所示，有源型和无源型补偿装置安装于10/0.4 kV的变压器出口处，并联在配电网络中。换相开关装置安装在靠近单相负载处，串联在单相负载中。本技术可应用于低压开关柜和低压配电箱等供电方案，现以台区变低压配电箱方案进行说明。变压器低压侧出线连接低压配电箱的进线，经过计量互感器和测量互感器接至进线隔离开关、进线断路器，并联有源型和无源型补偿装置，进行三相不平衡及无功功率的综合补偿，提高供电电能质量。经过出线断路器，接至换相开关箱，由智能控制器控制分配所接的相序，再给单相负载供电[6-8]。

如图2所示，混合型用电负荷三相不平衡调节技术通过测量互感器实时采集系统电流信号，由智能控制器快速分析处理，以判断系统三相不平衡度，同时计算出三相平衡转换电流值、基波不平衡度以及各次谐波成份和无功功率，包括功率因数。

图2 混合型用电负荷三相不平衡调节技术拓扑

其三相不平衡度的计算公式为：

式中，ΔI为平衡度，是控制器的主要计算依据；Imax为最大相电流；Imin为最小相电流；∑I为三相平均电流。

3.2 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的换相开关技术应用

充分应用混合型用电负荷三相不平衡调节技术的换相开关技术，实现大功率的负载电流转移，以达到可以用小功率有源型补偿技术作精细补偿即可。在该技术实际应用中，要利用测量互感器获取负载电流信号，之后内部的专用检测电路能够有效提取基波无功、基波不平衡与各次谐波成分。此时，统一协调控制器可以开展智能决策，对换相开关进行有效控制，确保其能够投入到在某一相别中，从而完成不平衡电流粗略补偿。一般情况下，在低压供电系统中需要配置的换相开关数量以3的倍数为宜，如6、9、12等。因为换相开关需要投切，级差相对较大，所以在完成换相开关投入后需要对三相不平衡度进行调节，确保其能够降到15%左右，才能够满足供电部门的相关要求。但是如果单纯利用换相开关技术，则不能完成无功补偿，并且对三相不平衡度进行精细调节和谐波补偿也会存在一些问题，这就需要对系统增加无功补偿与有源型技术进行精细调节[9,10]。

3.3 换相开关通信技术应用

混合型用电负荷三相不平衡调节技术通信示意如图3所示，换相开关与智能控制器间通信采用无线数传电台，智能控制器作主站，换相开关作为子站，形成内部网，均采用RS485无线接口，协议采用Modbus协议。一般情况下，采用无线数传电台最远可传30 km，不需要放SIM卡。

图3 混合型用电负荷三相不平衡调节技术通信示意

3.4 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的无源补偿技术应用

混合型用电负荷三相不平衡调节技术的无源补偿补偿技术，通过安装电力电子开关阵列对电容芯组进行动态投切，电容芯组包含相间电容及单相电容，实现无功和不平衡电流的粗略补偿。根据王氏定理，投切分相电容器，可对每相的无功电流进行补偿。在相间电容器投切过程中可以转移相间有功电流，并统一协调控制器能够开展智能决策，对电力电子阵列进行合理控制，完成电容芯组动态投切操作，最终实现无功功率以及不平衡电流补偿。在对三相不平衡进行调节时，相间电容器与分散电容器的数量和容量级差都会对其调节效果产生影响，因此在具体操作中要从电容容量的离散性出发，掌握系统中存在的不平衡性，如果负荷变化速度比较快，则电容很容易出现频繁往返投切，导致其老化速度加快。除此之外，在一些比较特殊的应用场合中，无功补偿和三相不平衡电流调节不能兼顾，因此需要投入电容芯组，而电容芯组的有效应用能够调节三相不平衡度，但是不能完成无功补偿和三相不平衡度精细调节与谐波补偿。在这种情况下需要利用有源型技术对系统进行优化，才能够实现无功补偿和三相不平衡度的精细调节。

3.5 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的有源型补偿技术应用

混合型用电负荷三相不平衡调节技术的有源型补偿技术，基于IGBT技术，采用类似有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）的主电路结构。如果电容器补偿单元无法满足不平衡电流的补偿要求，统一协调控制器可以进行智能决策，从负载较小的相中输入系统电流，整流形成直流信号，再输出合适的PWM开关信号控制负载较大相的IGBT开关。IGBT模块接收到信号后逆变出幅度以及相位能够调整的基波电流，从而达到精细补偿目的。利用IGBT模块进行调节具有良好的连续性，并且能够保证时效性，可以完成无功补偿、三相不平衡度精细补偿。通常情况下，在该模块应用过程中能够将三相不平衡度降到5%，而功率因数能够补偿到0.99，有较强的应用价值。

实时采集系统三相电流的波形，同时需要将基波电流的正序波形、负序波形与零序波形提取出来。此外，需要充分考虑系统无功补偿与三相不平衡要求，可以形成指令，并将指令发送给IGBT逆变器，输出的谐波电流可以被抵消掉，从而合理控制负载的部分谐波电流。

3.6 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的控制流程

混合型用电负荷三相不平衡调节技术在控制时，应将3种类型的补偿技术执行一定顺序的逻辑。如图4所示，获得监测的数据之后，因无源补偿技术较为经济，应首先执行，其次执行换相开关技术，最后再执行有源型补偿技术。这样可充分发挥无源型补偿技术和换相开关的经济性，降低投入有源型补偿技术的损耗。

图4 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的工作流程

4 应用实例

本次测试在某供电局某公变台区进行，如图5所示，该台区配变容量适中、负载率适中、三相不平衡度较高、功率因数较低、线损大。于2020年5月对台区实施改造，在该台区增加混合型用电三相负荷不平衡自动调节技术，装置于2020年9月30日投入运行。投运前后数据对比分析，效果明显，达到治理效果，本文以2021年6月3日的数据进行举例。

图5 混合型用电负荷三相不平衡调节技术的现场安装图

选取负载用电情况较大的时间段17:00—21:00比较典型的数据，进行设备投入前（负载电流）和投入后（系统电流）两个阶段的数据分析对比，来体现系统对电能质量问题的治理能力。具体数据如表1和表2所示，表1为设备投入前（负载电流）的数据，表2为投入后（系统电流）的数据。

表1 投入前电流及三相不平衡度（负载电流）

表2 投入后电流及三相不平衡度（系统电流）

可以明显看出混合型用电负荷三相不平衡调节技术投入前存在一定的三相负荷不平衡度较大现象，而投入后三相负荷基本达到平衡。

5 结 论

在供电局公变台区安装混合型用电负荷三相不平衡调节技术后，通过表1和表2中数据对比分析可以看出混合型用电负荷三相不平衡调节技术的几个显著效果。一是混合型用电负荷三相不平衡调节技术能够有效治理配电台区的三相电流不平衡的问题，保证治理后三相不平衡度＜5%。二是混合型用电负荷三相不平衡调节技术运行安全稳定，数据准确可靠，设备免维护，操作简单方便，运行成本低，经济性强。

自2020年9月投运后，混合型三相负荷不平衡自动调节技术有效解决了某供电局某公变存在的三相电流不平衡和谐波含量高等问题，降低了配电台区的线损节约了电费和能源，提高了设备运行效率，为配电台区的安全运行和提高电能质量起到了重要的作用。