配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡治理方案研究與應(yīng)用

李從林，王鵬，李昱辰

（國網(wǎng)陜西省電力公司商洛供電公司，陜西商洛 726000）

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，電力負(fù)荷越來越大，大量單臺(tái)容量在500～2000 W大功率單相家用電器進(jìn)入0.4 kV配網(wǎng)，同時(shí)由于我國低壓配電網(wǎng)大多數(shù)是通過10 kV/0.4 kV二繞組變壓器以三相四線制向用戶供電[1]，即三相生產(chǎn)用電與單相負(fù)載混合供電的用電模式；且受用戶接入過程中選相管理執(zhí)行不嚴(yán)格，用戶不可控增容等因素影響，引起大量配變?nèi)嘭?fù)荷分配不均，導(dǎo)致三相不平衡現(xiàn)象普遍存在，對(duì)配變臺(tái)區(qū)產(chǎn)生了一系列的影響，主要包括：配變出力降低，電能轉(zhuǎn)換效率下降；增加了配變變壓器和線路的損耗；配變臺(tái)區(qū)重載相產(chǎn)生低電壓；配變零序電流增大，引起配變運(yùn)行溫度異常升高，危及安全運(yùn)行[2]。因此降低配變臺(tái)區(qū)三相不平衡度，提高配網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平和供電電能質(zhì)量迫在眉睫，亟待解決。本文分析了現(xiàn)有三相不平衡治理現(xiàn)狀，提出了一種基于三相換相裝置的三相不平衡自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)。

1 配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡解決方案

1.1 人工換相治理方案

人工換相主要是采用相平衡控制法，其調(diào)整策略是選取某配變的若干單相用戶，通過人工測(cè)量、或用電信息采集系統(tǒng)采集的配變運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過試錯(cuò)法對(duì)低壓線路上A、B、C三相負(fù)荷換相操作，使三相負(fù)荷達(dá)到均衡[3]。這種方法雖然成本較低，但工作量大、且需要停電工作，同時(shí)又由于負(fù)荷的隨機(jī)性和不確定性，依靠人工調(diào)整很難取得較好的效果。

1.2 相間串接電容的調(diào)整方案

在兩相間跨接電感或者電容可以在兩相間轉(zhuǎn)移有功。此種調(diào)整方案主要是在相線之間和相線與零線之間串接合適的電感、電容，然后按照一定的控制策略在相線之間和相線與零線之間投切電容、電感來轉(zhuǎn)移相間的有功，平衡三相負(fù)荷，降低零線電流。

如圖1所示，電容C跨接在A相和B相之間，電容C兩端為線電壓Uab（Uba），從A相看，電容C的電流Ica超前于Uab90°，同時(shí)進(jìn)行矢量分解，分解為垂直于Ua的電容電流Iac和與Ua反向的有功電流Iar，即Iar為Ia的負(fù)序分量，相當(dāng)于A相有功電流減少為Ia-Iar。同理，在B相將產(chǎn)生一個(gè)Ibr的正序分量，即B相有功電流增大至Ib+Ibr。這樣看來，相當(dāng)于將A相的電流轉(zhuǎn)移至B相Ibr（Iar）大小的電流，改善了三相不平衡度。

此種方案的不平衡調(diào)節(jié)能力主要取決于低壓配電網(wǎng)的功率因數(shù)，當(dāng)功率因數(shù)小于0.75的時(shí)候，調(diào)整效果較好，大于0.75的時(shí)候，由于在調(diào)整三相電流時(shí)，會(huì)發(fā)生無功穿越，導(dǎo)致調(diào)整效果不理想，而且目前低壓系統(tǒng)感性無功較少，功率因數(shù)較高，故不平衡調(diào)節(jié)能力一般。

圖1 相間跨接電容調(diào)節(jié)負(fù)荷平衡原理圖

1.3 SVG的三相不平衡自動(dòng)調(diào)整方案

靜態(tài)無功發(fā)生器（SVG）基于大功率換流器，以電壓型逆變器為核心，直流側(cè)采用直流電容為儲(chǔ)能元件以提供電壓支撐，在運(yùn)行時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電壓、相位和幅值均可調(diào)的三相交流電源，能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)無功，同時(shí)具備調(diào)整三相電流的作用[4-5]。調(diào)整三相電流不平衡原理圖，如圖2所示。

圖2 調(diào)整三相電流不平衡原理圖

SVG開啟后，通過外接的電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電流，并將系統(tǒng)電流信息發(fā)送給內(nèi)部控制器進(jìn)行分析處理，以判斷系統(tǒng)是否處于不平衡狀態(tài)，同時(shí)計(jì)算出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各相所需轉(zhuǎn)換的電流值，然后將信號(hào)發(fā)送給IGBT并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作，將不平衡電流經(jīng)交—直變換儲(chǔ)存于電容中，再經(jīng)直—交變換將儲(chǔ)存的電流轉(zhuǎn)移到電流小的相別，實(shí)現(xiàn)三相平衡。

SVG一般安裝在配變低壓側(cè)，可以精細(xì)補(bǔ)償某相電流，使配變的三相總線電流平衡，但無法解決負(fù)荷側(cè)的三相不平衡，同時(shí)由于內(nèi)部有大量的電力電子器件，設(shè)備自身損耗大[6]。

基于以上配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡研究現(xiàn)狀，結(jié)合0.4 kV配電網(wǎng)分支線多的特點(diǎn)，本文提出了三相自動(dòng)換相裝置系統(tǒng)，解決配網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡問題。

2 三相自動(dòng)換相裝置的配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡治理方案

2.1 基本原理

三相自動(dòng)換相裝置是基于相平衡控制算法，通過自動(dòng)切換用戶的相序，來改善三相電流不平衡度[7]。三相自動(dòng)換相裝置系統(tǒng)的核心是臺(tái)區(qū)控制終端，實(shí)施主體是三相換相裝置。臺(tái)區(qū)控制終端負(fù)責(zé)收集配變低壓側(cè)三相電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析計(jì)算，按照最優(yōu)三相不平衡控制策略（最少的開關(guān)動(dòng)作次數(shù)獲取最優(yōu)的三相不平衡度），命令三相換相裝置進(jìn)行相序切換操作，調(diào)整三相負(fù)荷，改善三相不平衡度，三相換相裝置按照“過零投切”，順序換相的原則進(jìn)行支線相序的變換。

2.2 三相換相裝置原理

圖3為三相換相裝置原理圖，分支線L1，L2，L3分別通過繼電器 K1，K2，K3與 A、B、C 三相連接，在進(jìn)行換相切換時(shí)，以ABC、BCA、CBA的順序，按照“出線電流過零切除，進(jìn)線電壓過零投入”的原則，依次投切相應(yīng)的繼電器，最終實(shí)現(xiàn)相序的順序轉(zhuǎn)換。為確保在投切過程中的安全性，繼電器在投切時(shí)，先在臨近零點(diǎn)時(shí)投入一臺(tái)，然后在等電位投入另一臺(tái)。例如要實(shí)現(xiàn)ABC向BCA相序轉(zhuǎn)換，則L1斷開K1，接通K2，L2斷開K2，接通 K3，L3斷開 K3，接通 K1，即可實(shí)現(xiàn)相序轉(zhuǎn)換。

圖3 三相換相裝置原理圖

2.3 換相計(jì)算

按照配變臺(tái)區(qū)的接線布置情況，臺(tái)區(qū)總線上每一相的電流可由式(1)計(jì)算得出：

三相換相裝置安裝在配電臺(tái)區(qū)各分支線與主線“T”接點(diǎn)處，每一個(gè)分支線相序3種排列方式（ABC，BCA，CBA），若配變臺(tái)區(qū)有N個(gè)分支線，則共計(jì)有 3n種組合順序，同時(shí)計(jì)算A相、B相、C相電流平均值和三相不平衡計(jì)算公式，按照最接近或小于15%三相不平衡的原則，以開關(guān)動(dòng)作數(shù)量最少實(shí)現(xiàn)最小的三相不平衡度進(jìn)行控制。

2.4 理論計(jì)算

假設(shè)臺(tái)區(qū)有8條分支線，選擇5條分支線安裝5臺(tái)三相智能綜合箱，則每一相的換相組合如表1所示。

表1 換相組合

由表1可知，5路分支的排列組合方式共有3×3×3×3×3=243 種組合方式。

以三條分支線為例，A1=95 A，B1=60 A，C1=30 A；A2=75 A，B2=40 A，C2=30 A；A3=100 A，B3=75 A，C3=40 A。

表2 裝置投入前各相支線電流

表3 裝置投入后各相支線電流

2.5 相序轉(zhuǎn)換策略

為消除因三相換相引起電機(jī)反轉(zhuǎn)、中斷供電等問題，保證換相裝置安全可靠運(yùn)行，在三相投切過程中找到最近的“零點(diǎn)”進(jìn)行“過零投切”和雙繼電器配置，同時(shí)將投切時(shí)間控制在20 ms以內(nèi)，具體投切動(dòng)作和時(shí)間，如圖4。

圖4 最優(yōu)組合順序

由圖4可以看出，斷電開始到上電結(jié)束時(shí)間為16.5 ms，且在電壓過零時(shí)進(jìn)行投切。

2.6 換相裝置安裝原則

基于本三相不平衡治理方案的原理，安裝的換相裝置越多，則調(diào)整的效果越好，最優(yōu)可以使三相負(fù)荷不平衡率達(dá)到5%，但當(dāng)三相負(fù)荷不平衡度小于15%時(shí)，三相電流不平衡引起的配變出力降低、損耗變大、臺(tái)區(qū)低電壓等問題可以大幅度改善，考慮到投資效益和調(diào)整治理效果，實(shí)際安裝中不必每一個(gè)分支都安裝三相換相裝置，換相裝置的安裝最少數(shù)量可以由式(2)計(jì)算得知，且每一個(gè)臺(tái)區(qū)三相換相裝置的安裝數(shù)量不得少于分支線數(shù)量的

其中：IP為三相平均電流；Imax為三相最大電流；I支max、I支min為同一支路最大、 最小電流；n為最少安裝個(gè)數(shù)。

3 三相自動(dòng)換相裝置在配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡治理中的應(yīng)用

3.1 確定安裝位置及數(shù)量

110 kV山陽變電站137廣場(chǎng)新村綜合變臺(tái)區(qū)配變?nèi)萘?15 kVA，供電半徑500 m，臺(tái)區(qū)導(dǎo)線型號(hào)LGJ-120，共有分支線7條，供電用戶300余戶，負(fù)荷性質(zhì)以居民用電負(fù)荷為主。測(cè)量各分支線電流，如表4所示。

從表4可以看出，A、B、C三相平均電流208 A，則需將A相電流轉(zhuǎn)移115.3 A至B、C相，同時(shí)由于分支1～分支6線三相電流差值最大為42.5 A，經(jīng)式（2）計(jì)算得出，n=3，故最少需安裝3臺(tái)三相換相裝置才能滿足要求，本次計(jì)劃安裝4臺(tái)。

表4 各分支線電流

2017年商洛供電公司在該配變臺(tái)區(qū)安裝了一套三相不平衡調(diào)整系統(tǒng)，共安裝三相換相裝置4套，安裝見圖5所示。

圖5 三相換相裝置安裝示意圖

3.2 對(duì)比安裝前后效果

依據(jù)PMS2.0系統(tǒng)配網(wǎng)管控系統(tǒng)，查詢137廣場(chǎng)新村綜合變安裝前后24 h電流曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 安裝前的配變?nèi)嚯娏?/p>

圖6為安裝前的配變監(jiān)測(cè)的三相電流曲線，觀察曲線可知，最大負(fù)荷時(shí)（20:00），A相電流最大282.16 A，B相電流208.48 A，C相電流最大205.92 A。

式(3)為三相電流不平衡計(jì)算公式：

其中，IP為三相平均電流。

由式(3)可得出未安裝三相換相裝置時(shí)，廣場(chǎng)新村綜合變臺(tái)區(qū)三相電流不平衡度為21.52%。

圖7為安裝后的配電三相電流曲線，觀察曲線可知，最大負(fù)荷時(shí)（20:00），A相電流最大217.92 A，B相電流最大212.48 A，C相電流最大248.16 A。由式(3)計(jì)算得知，安裝后的不平衡度為9.71%，較未安裝時(shí)的三相電流不平衡度降低了11.81%。

圖7 安裝后的配電三相電流

4 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有三相不平衡治理裝置的工作機(jī)理，同時(shí)結(jié)合0.4 kV配電網(wǎng)分支線多的特點(diǎn)，運(yùn)用了排列組合的基本算法，提出來基于三相換相裝置的三相不平衡自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，并開展實(shí)際應(yīng)用，取得了較好效果。但此方案在分支線較多的0.4 kV線路中使用時(shí)投資較大，且換相裝置的可靠性對(duì)供電可靠性會(huì)產(chǎn)生一定影響，需要進(jìn)一步研究。

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