電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置(MEC)在三相不平衡配電網(wǎng)中的應(yīng)用

何 建，熊 超，李大成，張 帆，張 元，榮守松

（1.國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100053；2.山東電工電氣集團(tuán) 新能科技有限公司，濟(jì)南 250101）

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置(MEC)在三相不平衡配電網(wǎng)中的應(yīng)用

何 建1，熊 超1，李大成1，張 帆2，張 元2，榮守松2

（1.國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100053；2.山東電工電氣集團(tuán) 新能科技有限公司，濟(jì)南 250101）

1 目前配電網(wǎng)存在的主要問題

1.1 功率因數(shù)低

隨著人們生活水平的提高和家用電器的普及，電動機(jī)、壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備和電力電子裝置獲得廣泛應(yīng)用，此類設(shè)備無功需求大，并產(chǎn)生大量高次諧波電流，造成整個低壓電網(wǎng)的功率因數(shù)很低，約在0.65～0.70之間，導(dǎo)致線損較高，對工業(yè)用戶來說，將因功率因數(shù)低而產(chǎn)生額外的無功罰款。

1.2 電壓合格率低

隨著供電半徑的增大，在線路上會產(chǎn)生很大的電壓降，通常農(nóng)網(wǎng)末端用戶電壓低，設(shè)備無法正常運(yùn)行；而城市電網(wǎng)在夜間負(fù)荷較輕時，由于電纜的大量采用，又會出現(xiàn)電壓偏高問題；同時配變的時段性負(fù)荷峰谷變化對電壓影響顯著，因負(fù)荷變化引起日電壓差可超過50 V，也是電壓不合格的重要原因。電壓過低的危害:設(shè)備無法正常工作，燒毀電動機(jī)，增大線損，降低輸送能力等；電壓過高的危害:增加配變損耗，產(chǎn)生諧波，影響用電設(shè)備壽命等。

1.3 三相不平衡嚴(yán)重

在我國的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中，主要采用三相四線制的配電方式。由于低壓電網(wǎng)是三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合用電的供電網(wǎng)絡(luò)，而且單相用電的不同時性、臨時性等問題，導(dǎo)致低壓電網(wǎng)的三相不平衡問題一直十分突出，難以通過固定調(diào)配負(fù)荷的方式解決。三相負(fù)荷不平衡及中性線電流的存在，大幅增加線路和配變損耗；零序電流的存在，將使配變的鋼構(gòu)件局部溫度升高發(fā)熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低，嚴(yán)重時導(dǎo)致變壓器發(fā)熱燒毀。

2 三相不平衡主要解決方案評析

傳統(tǒng)的三相不平衡解決方案主要有以下幾種:一是均勻分布負(fù)荷；二是組合調(diào)整電感、電容；三是加大短路容量。由于用電戶負(fù)荷大小不同和用電時間的不同，所以，電網(wǎng)中三相間的不平衡狀況毫無規(guī)律性，也無法事先預(yù)知，導(dǎo)致了低壓供電系統(tǒng)三相負(fù)載的長期性不平衡。對于三相不平衡電流，電力部門除了盡量合理地分配負(fù)荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。

新型三相平衡技術(shù)——MEC電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，有效地解決了這個難題，該裝置具有在補(bǔ)償系統(tǒng)無功的同時調(diào)整不平衡有功電流的作用。其理論結(jié)果可使三相功率因數(shù)均補(bǔ)償至1，三相電流調(diào)整至平衡。實際應(yīng)用表明，可使三相功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.99，使三相電流不平衡度調(diào)整至10%以內(nèi)。

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）可應(yīng)用于配電網(wǎng)、居配工程、節(jié)能改造以及工業(yè)用戶等場合，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在功能全面和節(jié)能效果突出。功能性方面主要表現(xiàn)為MEC對電能質(zhì)量的綜合治理，對于配變存在功率因數(shù)低、三相不平衡等問題的臺區(qū)能夠進(jìn)行綜合治理；節(jié)能性方面主要體現(xiàn)在MEC通過提高配變功率因數(shù)、減小三相不平衡度（可控制在國標(biāo)要求范圍內(nèi)）等手段大大減少臺區(qū)運(yùn)行的損耗，有效提升經(jīng)濟(jì)性。

3 MEC工作原理

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）的基本原理就是將自換相橋式電路通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，就可以使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的電流，實現(xiàn)優(yōu)化電能質(zhì)量的目的。其工作原理如圖1。

圖1 MEC工作原理

MEC本質(zhì)為一可控電流源，快速響應(yīng)系統(tǒng)中負(fù)荷的變化，通過采樣負(fù)載，主動控制輸出電流的大小、頻率和相位，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，既補(bǔ)無功又補(bǔ)不平衡。具有響應(yīng)速度快、無功無級補(bǔ)償、安裝靈活、方便擴(kuò)展、占地面積小等特點，能夠很好地滿足用戶的需求。

配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）專用于低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，可解決大部分低壓配電網(wǎng)所存在一系列問題，如:無功損耗問題、三相電流不對稱等問題。

4 實例分析

MEC裝置可以安裝在變壓器出口進(jìn)行集中補(bǔ)償，也可以安裝于負(fù)荷側(cè)進(jìn)行就地補(bǔ)償，圖2為變壓器出口集中補(bǔ)償安裝應(yīng)用示意圖。

圖2 MEC應(yīng)用示意圖

4.1 應(yīng)用項目

此次在山東淄博淄川供電公司雙楊鎮(zhèn)政府南配臺區(qū)進(jìn)行MEC試點，變壓器容量200 kVA加裝1臺50 kvar，主要用于對系統(tǒng)的三相不平衡問題、功率因數(shù)較低問題進(jìn)行綜合治理。加裝電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置前后治理效果改善明顯。為詳細(xì)對比MEC裝置投運(yùn)前后電能質(zhì)量改善情況，通過日置（HIOKI）PW3197測試儀對臺區(qū)配變低壓側(cè)MEC投運(yùn)前后進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集以及分析對比。其數(shù)據(jù)及波形對比如圖3、圖4和圖5、圖6所示。

圖3 MEC投運(yùn)前數(shù)據(jù)圖

圖4 MEC投運(yùn)后數(shù)據(jù)圖

圖5 MEC投運(yùn)前波形圖

圖6 MEC投運(yùn)后波形圖

數(shù)據(jù)對比分析:電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置MEC能有效解決配網(wǎng)三相不平衡、功率因數(shù)較低、電壓偏差等問題，保證電壓、電流輸出波形的平滑穩(wěn)定。

通過電流數(shù)據(jù)分析，該臺區(qū)存在嚴(yán)重的三相不平衡問題。MEC投運(yùn)前三相電流為66.0 A、36.9 A、25.4 A，中性線電流為30.4 A，三相電流不平衡度為61.5%。A相電流明顯高于B、C相，三相不平衡問題非常嚴(yán)重。MEC投運(yùn)后三相電流調(diào)整為40.9 A、40.1 A、39.7 A，三相不平衡度由61.5%下降到2.9%，中性線電流大幅下降，由投運(yùn)前的30.4 A下降到投運(yùn)后的8 A，安裝電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置MEC后，有效的解決了配網(wǎng)三相不平衡問題。

通過功率因數(shù)數(shù)據(jù)分析，MEC投運(yùn)前的三相功率因數(shù)分別為0.945、0.972、0.886，總功率因數(shù)為0.944，低于國家標(biāo)準(zhǔn)0.95的要求，C相功率因數(shù)明顯低于A相和B相。MEC投運(yùn)后的三相功率因數(shù)分別為0.998、0.997、0.995，總功率因數(shù)為0.997，各相功率因數(shù)大大提高并滿足國標(biāo)要求。

通過電壓數(shù)據(jù)分析，MEC投運(yùn)前三相相電壓分別為222.8 V、223.0 V、228.7 V，三相電壓最大差值為5.9 V，三相電壓偏差較大，變壓器重載時容易出現(xiàn)臺區(qū)末端低電壓問題。MEC投運(yùn)后三相相電壓分別為226.0 V、224.6 V、225.7 V，三相電壓最大差值為1.4 V，三相電壓偏差降低，能有效解決臺區(qū)末端低電壓問題。

4.2 經(jīng)濟(jì)與社會效益

（1）經(jīng)濟(jì)效益

按照國家電網(wǎng)公司公司頒布的《節(jié)約電量電力項目表》中無功補(bǔ)償應(yīng)用項目年節(jié)約電量計算公式計算本項目的節(jié)能量

式中:1.1為負(fù)荷波動損耗系數(shù)；QC為無功補(bǔ)償全部投入的容量值，由于MEC輸出容量為±50 kvar，無功總?cè)萘繛?00 kvar；C為無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，本次仍按電容器補(bǔ)償取值，0.4 kV配電臺區(qū)無功補(bǔ)償按0.10取值；tgδ為電容器的介質(zhì)損耗角正切值，此處為MEC裝置的整機(jī)功耗，按0.01取值；T為無功補(bǔ)償裝置在最大節(jié)電力情況下等效運(yùn)行時間（h），居民類用戶為1 000 h，二班制工業(yè)用戶或商業(yè)用戶為3 000～4 000 h。該試點加裝無功補(bǔ)償裝置的配電臺區(qū)主要補(bǔ)償小工業(yè)動力負(fù)荷、商業(yè)用戶及居民負(fù)荷，故取1 500 h。

無功節(jié)電量=1.1×（100 kvar×0.10-100 kvar× 0.01）×1 500 h=14 850 kWh

（2）社會效益

安裝電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）能有效解決配網(wǎng)三相不平衡問題，降低低壓配電變壓器本身的損耗，提高供電公司的售電收益，使無功達(dá)到就地平衡，提高配電變壓器的出力和設(shè)備使用率。同時，實時改善電壓質(zhì)量，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，提高配電系統(tǒng)的安全可靠性，降低配電網(wǎng)因三相負(fù)荷不平衡產(chǎn)生的負(fù)序和零序電流，延長配電變壓器、繼電保護(hù)裝置和電力設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)束語

本文研究的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置（MEC）在解決三相不平衡問題中效果明顯，能夠解決各種原因引起的三相不平衡問題，能夠?qū)崟r動態(tài)快速調(diào)節(jié)由于負(fù)載不平衡產(chǎn)生的負(fù)序電流和零序電流，保證流入電網(wǎng)的三相電流平衡，大提高供用電的電能質(zhì)量，增加低壓配網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為配網(wǎng)安全可靠性用電打下了堅實的基礎(chǔ)。D

［1］ GB/T 12325—2008，電能質(zhì)量 供電電壓偏差［S］.

［2］ GB/T 15543—2008，電能質(zhì)量 三相電壓不平衡［S］.

［3］ DL/T 699—2005，城市中低壓配網(wǎng)改造技術(shù)導(dǎo)則［S］.

［4］ Q/GDW 462—2010，農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與改造技術(shù)導(dǎo)則［S］.

Application ofpowerquality comprehensive optimization device in three?phase unbalanced distribution network

HE Jian1,XIONG Chao1,LI Da?cheng1,ZHANG Fan2,ZHANG YUAN2,RONG Shou?song2
（1.State Grid North HebeiEnergy Conservation Service Company,Beijing 100053,China; 2.Shandong Electrical&Electronics Corporation,Ji’nan 250101,China）

針對目前城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中普遍存在的三相不平衡問題，分析了現(xiàn)狀與成因，對比了現(xiàn)階段主要解決方案的特點，介紹了電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置(MEC)原理及其在實際臺區(qū)的應(yīng)用效果。

低壓配網(wǎng)；三相四線制；三相不平衡；電能質(zhì)量優(yōu)化

In view ofthe presentthree?phase imbalance in ur?ban and rural distribution network,the paper analyzed the present situation and the causes,compared the characteristics ofthe current main solution.This paper introduced the power quality comprehen?sive optimization principle and its application in the actual area of the device.

low voltage distribution network;three?phase four?wire system;three?phase imbalance;powerquality optimization

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.014

TM714.2

B

2017-03-27；

2017-04-25