三相不平衡對(duì)電網(wǎng)的影響及解決方法

徐 剛,吳寶祥,錢巍斌，胡水蓮,解 蕾，楊 光,侯 濤

(1.國網(wǎng)上海市電力公司 市區(qū)供電公司,上海 200080；2.美登思電氣(上海)有限公司，上海 201114)

0 引 言

在低壓配電網(wǎng)中,三相負(fù)荷不平衡問題是非常普遍的[1]．在對(duì)實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行工況的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),三相不平衡問題廣泛存在,嚴(yán)重威脅電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行．所以,對(duì)電網(wǎng)三相不平衡問題的研究以及三相不平衡調(diào)補(bǔ)措施的研究是非常必要的[2]．20世紀(jì)70年代開始,晶閘管技術(shù)廣泛應(yīng)用于三相功率平衡中(裝置包括晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器),其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn),然而由于晶閘管本身的特性,只能控制導(dǎo)通,所以發(fā)展受限[3]；從80年代起,靈活交流輸電興起[4],其基于電力電子技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)交流輸電進(jìn)行改造[5],典型應(yīng)用就是有源電力濾波器和靜止無功補(bǔ)償器[6],通過FACTS裝置平衡各相電壓和電流,使達(dá)到三相平衡，但其對(duì)三相四線制供電方式研究較少;另外,對(duì)于負(fù)荷調(diào)節(jié)方式,目前，大都采用管理的方式,通過監(jiān)測(cè)電網(wǎng)通電數(shù)據(jù)情況,進(jìn)行人工調(diào)整三相負(fù)荷,但此方法實(shí)現(xiàn)具有局限性,無法做到實(shí)時(shí)三相負(fù)荷平衡[7]．目前，還有的解決方案是對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行不對(duì)稱調(diào)補(bǔ),但其中求取補(bǔ)償導(dǎo)納的算法需要增加并聯(lián)補(bǔ)償裝置,難以控制,并且費(fèi)用較高[7]．

針對(duì)上述方案的缺點(diǎn),文中給出了3種不平衡補(bǔ)償方案,分別為換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)方案、電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)方案、電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)方案．詳細(xì)介紹了電網(wǎng)三相不平衡產(chǎn)生的原因、對(duì)電網(wǎng)的危害．給出了3種典型運(yùn)用于治理電網(wǎng)三相不平衡的方案,分析其工作原理,對(duì)比3種方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用條件,能更好地指導(dǎo)相關(guān)的研究與應(yīng)用工作．

1 電力系統(tǒng)三相不平衡概述

1.1 產(chǎn)生的原因

電力系統(tǒng)三相不平衡是由三相負(fù)荷不平衡或系統(tǒng)元件三相不對(duì)稱所致[8]．而三相負(fù)荷的不平衡通常由多種原因造成．一方面是用電負(fù)荷分配不均,即工作人員在接入負(fù)載時(shí)沒有綜合考慮,接線時(shí)對(duì)負(fù)荷分配較隨意,因此產(chǎn)生三相不衡現(xiàn)象[9]；另一方面是用電負(fù)荷的隨機(jī)變化,即使在最初平分了三相負(fù)荷,實(shí)際工作過程中三相負(fù)荷并不是同時(shí)開啟或退出,這種情況下負(fù)荷隨機(jī)性波動(dòng),不能預(yù)測(cè),規(guī)律性不強(qiáng),電流曲線交叉重疊[13]；第三大功率負(fù)載的增多以及其他外力因素也會(huì)造成電網(wǎng)三相不平衡,比如季節(jié)因素和臨時(shí)用電的影響;另外,對(duì)于電力牽引負(fù)荷,是一種大功率整流負(fù)荷,工作產(chǎn)生的諧波、負(fù)序、電壓波動(dòng)和閃變電流嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[10]．

1.2 對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響

三相電壓或電流不平衡會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害,這些危害給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)造成的損失是巨大的．實(shí)際上,用戶負(fù)載存在很多沖擊性負(fù)荷,比如變流器、電弧爐等,因?yàn)榇嬖诓黄胶獾臎_擊性,不僅會(huì)產(chǎn)生三相不平衡和電壓波動(dòng),而且會(huì)在系統(tǒng)中注入大量的高次諧波,導(dǎo)致三相負(fù)載處于不對(duì)稱狀態(tài)[11]．主要有以下幾個(gè)危害[12]:首先，加大線路損耗，三相四線制系統(tǒng)當(dāng)工作在三相不平衡情況時(shí),中性線就會(huì)有電流,增加了線路損[13]；其次，增加變壓器損耗，當(dāng)變壓器工作在不平衡狀態(tài)時(shí),其產(chǎn)生的零序電流會(huì)導(dǎo)致零序磁通的出現(xiàn),使變壓器嚴(yán)重發(fā)熱,減小使用壽命[14]；最后，產(chǎn)生低電壓問題,無法保證用電安全．三相負(fù)載不平衡會(huì)導(dǎo)致變壓器內(nèi)部三相不等的壓降,重載的一相電壓降低,造成低電壓,輕載的一相電壓升高,損壞用電設(shè)備,發(fā)生不安全事故,用電可靠性降低．

1.3 電力系統(tǒng)三相不平衡治理標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 15543—2008 《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》 4.1條中規(guī)定了三相不平衡要求,即“在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),負(fù)序電壓不平衡度不超過2 %,短時(shí)不得超過4 %”，《標(biāo)準(zhǔn)》4. 2中規(guī)定“接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起的該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1. 3 %,短時(shí)不超過2. 6 %,根據(jù)連接點(diǎn)的負(fù)荷狀況以及鄰近發(fā)電機(jī)、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置安全運(yùn)行要求,該允許值可作適當(dāng)變動(dòng)”[15]．另外,該標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)系統(tǒng)正常工作時(shí)的電壓不平衡．故障情況導(dǎo)致的電壓不平衡不在考慮之中．

2 電力系統(tǒng)三相不平衡治理方案

作為電能質(zhì)量問題之一,三相不平衡已不是一個(gè)新的問題,國內(nèi)外早已開展了相關(guān)的研究．文中給出3種典型應(yīng)用于農(nóng)網(wǎng)的三相不平衡治理方案:換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置．

2.1 換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是由一個(gè)智能換相終端(負(fù)責(zé)負(fù)荷監(jiān)測(cè)與自動(dòng)換相控制)和若干個(gè)換相開關(guān)單元(負(fù)責(zé)執(zhí)行負(fù)荷換相的操作機(jī)構(gòu))組成．智能換相終端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配變低壓出線的三相電流,如果在一定監(jiān)測(cè)周期內(nèi)配變低壓側(cè)三相負(fù)荷不平衡度超限,智能換相終端讀取配變低壓出線和所有換相開關(guān)單元各負(fù)荷支路的電流、相序?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,發(fā)出最優(yōu)換相指令,使各換相開關(guān)根據(jù)指令進(jìn)行換相動(dòng)作,調(diào)整用戶負(fù)載,使得配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷均衡分配[7]．

目前換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置中對(duì)不平衡負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控和優(yōu)化計(jì)算的算法有很多,例如窮舉法、貪婪算法、退火算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等[16],根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)選取不同的優(yōu)化算法．

2.2 電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置(相間無功補(bǔ)償裝置)是在相線間跨接電力電容器,實(shí)現(xiàn)有功功率轉(zhuǎn)移,平衡相間的有功功率,同時(shí)利用連接在相線與零線之間的電力電容器對(duì)每一相進(jìn)行不等量無功補(bǔ)償,平衡相間的無功功率,降低三相不平衡度、提升功率因數(shù)．

2.3 電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置

電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置(低壓靜止無功補(bǔ)償裝置SVG、有源濾波器APF)是采用大功率可關(guān)斷型電力電子開關(guān)技術(shù)的電能質(zhì)量綜合治理裝置．它通過快速檢測(cè)出接入處無功、負(fù)序、諧波電流,根據(jù)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制晶閘管輸出與檢測(cè)到的無功、負(fù)序、諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流,綜合解決配電臺(tái)區(qū)無功、諧波、電壓波動(dòng)以及三相負(fù)荷不平衡等問題[17]．

3 解決負(fù)荷三相不平衡方案仿真分析

為了驗(yàn)證上述3種方法的正確性,利用仿真軟件搭建一個(gè)三相負(fù)載不平衡的三相四線制系統(tǒng)．線路電感取0.1mH,假設(shè)有9位用戶隨機(jī)分配在三相中的任意一相,N代表地線，搭建仿真模型如圖1所示.

圖 1 三相不平衡負(fù)載Fig.1 Unbalanced load of three-phase

仿真系統(tǒng)中取9位用戶的阻感負(fù)載值分別為(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)．通過仿真可知，三相電流嚴(yán)重不平衡,其正序電流值為29.67 A,負(fù)序電流為7.286 A,零序電流為7.104 A,通過計(jì)算得到電流不平衡度為24.6%,超出三相不平衡允許值．

⑩[美]羅伯森，[美]邁克丹尼爾：《當(dāng)代藝術(shù)的主題——1980年以后的視覺藝術(shù)》，南京：江蘇美術(shù)出版社，2013年，第167頁。

3.1 換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置方案仿真

為了治理三相負(fù)荷不平衡問題,在低壓線路末端配置負(fù)荷自動(dòng)換相裝置．根據(jù)智能換相終端讀取各負(fù)荷支路的電流、相序?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù),進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,發(fā)出最優(yōu)換相控制指令,將C相的用戶9#換相到B相上．計(jì)算出換相后的電流三相不平衡度5.07%,說明換相后配電臺(tái)區(qū)電能質(zhì)量有所提高,線路損耗也因此下降,實(shí)現(xiàn)用戶負(fù)荷相序調(diào)整、配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷均衡分配．

3.2 電容型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置方案仿真

應(yīng)用矢量分析法計(jì)算出三相四線調(diào)補(bǔ)電容的大?。瓵B相間、BC相間、CA相間分別接入相間電容0.185 mF,0.115 mF,0.12 mF的電容值．相間電容在0.1 s時(shí)接入電網(wǎng).

由仿真可知,通過計(jì)算負(fù)載中存在的電感值大小, 適當(dāng)在相與相之間及各相與零線之間接入不等容量的電容,從而達(dá)到電網(wǎng)補(bǔ)償功率因數(shù)以及調(diào)節(jié)不平衡有功電流的目的[18]．

3.3 電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置仿真

APF補(bǔ)償裝置0.5 s時(shí)投入,由仿真可知，補(bǔ)償前系統(tǒng)側(cè)三相電流幅值不等,三相的相位十分接近,這與各相間相位相差120°的要求相差甚遠(yuǎn)．而補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)三相電流對(duì)稱,因此補(bǔ)償有起到平衡三相負(fù)荷的作用．

4 三相不平衡負(fù)荷自換相系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

文中選取了三相不平衡負(fù)荷自換相方案進(jìn)行測(cè)試和功能驗(yàn)證,以此來驗(yàn)證所給出的三相不平衡治理方案的有效性．

4.1 控制器設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證方法

控制器是整個(gè)調(diào)整系統(tǒng)的核心單元,負(fù)責(zé)調(diào)度各個(gè)單相負(fù)荷的換相操作,最終達(dá)到三相負(fù)荷平衡度最優(yōu)．控制器核心功能CPU單元選用意法半導(dǎo)體公司的STM32系列的STM32F407芯片．該芯片是一種基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核的高性能微控制器,工作頻率可達(dá)到168 MHz,內(nèi)部集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元提升了計(jì)算能力,可以高效地完成一系列復(fù)雜的計(jì)算和控制任務(wù);內(nèi)部集成了1 MB FLASH和192 kB SRAM,減少了外圍擴(kuò)展電路,滿足系統(tǒng)采集、通訊、控制等功能的計(jì)算能力需求.

為了驗(yàn)證本項(xiàng)目提出的三相不平衡負(fù)荷自換相系統(tǒng)方案和控制策略有效性,項(xiàng)目組根據(jù)本項(xiàng)目方案研制了樣機(jī)系統(tǒng),并進(jìn)行了基于實(shí)際配電臺(tái)區(qū)系統(tǒng)相同結(jié)構(gòu)的模擬系統(tǒng)的測(cè)試．考慮系統(tǒng)使用的經(jīng)濟(jì)性,測(cè)試時(shí)采用了2種三相不平衡負(fù)荷自換相系統(tǒng)配置方案:第1種是所有單相出線回路都配置智能換相終端,如圖2所示;第2種是部分單相出線回路配置智能換相終端,即存在部分回路負(fù)荷不可換相調(diào)整.N代表地線，L代表A,B,C三相中的某一相，如圖3所示.

圖 2 出線回路都配置智能換相終端方式Fig.2 Intelligent commutation terminal mode of wire loop configuration

圖 3 單相出線回路配置智能換相終端方式Fig.3 Intelligent commutation terminal mode of the single-phase outgoing loop

當(dāng)這3個(gè)條件同時(shí)滿足條件時(shí)執(zhí)行調(diào)整操作,系統(tǒng)將處于當(dāng)前負(fù)載條件及智能換相終端配置狀態(tài)下的三相不平衡度最優(yōu)狀態(tài)．經(jīng)實(shí)際檢測(cè),控制算法的負(fù)載平衡效果能夠滿足上述設(shè)計(jì)要求．

4.2 功能驗(yàn)證實(shí)例

為了驗(yàn)證本項(xiàng)目提出的硬件方案和控制策略有效性,根據(jù)本項(xiàng)目方案研制了樣機(jī)系統(tǒng),按照全部回路配置智能換相終端的方式,由1臺(tái)控制器及5臺(tái)智能換相終端進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證．實(shí)際數(shù)據(jù)如圖4所示.

圖 4 實(shí)際數(shù)據(jù)Fig.4 Actual data

4.3 智能終端換相速度驗(yàn)證

為了避免對(duì)用電負(fù)荷的供電連續(xù)性造成破壞,作為換相操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能終端在進(jìn)行供電相別切換時(shí),應(yīng)具有快速性,并保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命,避免連續(xù)工作過程中,換相操作對(duì)換相器件觸點(diǎn)的損耗過快．

本系統(tǒng)為了滿足切換速度<2 ms的要求,采用了全控型的IGBT器件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),同時(shí)為保證連續(xù)供電和切換操作對(duì)設(shè)備的可靠性要求,采用接觸器作為連續(xù)供電器件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)．該實(shí)現(xiàn)方式既能滿足切換速度的要求,也能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作次數(shù)的可靠性要求．實(shí)際換相操作的波形記錄如圖5所示.由圖5中實(shí)測(cè)波形可知換相操作的耗時(shí)在1.6 ms水平,該切換速度從器件性能角度還有提高的空間．

圖 5 實(shí)際換相操作的波形Fig.5 The waveform of the actual commutation operation

通過本項(xiàng)目的研究開發(fā),系統(tǒng)性研究了配電系統(tǒng)三相不平衡的治理方法,利用可控電力電子器件實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷自動(dòng)快速換相,換相速度較人工操作和基于非全控器件實(shí)現(xiàn)的換相裝置有較大提高,可靠避免了電源供電相別切換對(duì)用戶的影響．另外, 給出了一種基于貪婪算法的不平衡負(fù)荷調(diào)整方法,實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前實(shí)時(shí)負(fù)荷條件下的三相不平衡度最優(yōu)負(fù)荷分配． 并且利用全控器件IGBT與接觸器結(jié)合, 設(shè)計(jì)了一種兼顧換相速度和設(shè)備可靠性的智能換相終端,保證了產(chǎn)品的使用壽命, 提高了較大額定電流等級(jí)的執(zhí)行設(shè)備可靠性．

5 電網(wǎng)三相不平衡治理方案對(duì)比

換相開關(guān)型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝在分支線路,是從負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)三相不平衡,其優(yōu)點(diǎn)為通過智能化邏輯判斷自動(dòng)選擇供電相,降低配變損耗和低壓線路損耗,提高電能利用率和可靠性;缺點(diǎn)是線路功率因數(shù)提高有限,費(fèi)用高,整體改建實(shí)施難度大．換相開關(guān)裝置有非常好的應(yīng)用前景,適用于配電變壓器低壓側(cè)功率因數(shù)大于0.85,配電臺(tái)區(qū)低壓主干線和主要分支線為三相供電,并且要求換相開關(guān)供電范圍內(nèi)無對(duì)可靠性要求高的敏感性負(fù)荷．

跨接相間電容調(diào)整三相不平衡安裝在配電變壓器位置,是從電源側(cè)調(diào)節(jié)三相不平衡．其優(yōu)點(diǎn)為優(yōu)化三相不平衡電流,增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例,投資費(fèi)用較低,安裝方便,運(yùn)行維護(hù)簡單．缺點(diǎn)為容易產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象,系統(tǒng)特性容易漂移,僅通過相間功率轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)配變低壓出口三相負(fù)荷平衡,不能從根本上解決實(shí)際負(fù)荷均衡分配問題[19]．目前此方法應(yīng)用較少,主要適用于配電臺(tái)區(qū)同時(shí)存在三相負(fù)荷不平衡和無功不足問題,以及配電臺(tái)區(qū)供電半徑較短的情況．

電力電子型三相負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置也是安裝在配電變壓器位置,從電源側(cè)調(diào)節(jié)三相不平衡．其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,改善系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定能力,控制方便,工作模式靈活,壽命長,噪聲小．缺點(diǎn)是僅通過輸出補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)配變低壓出口三相負(fù)荷平衡,并且建設(shè)成本高,采用時(shí)必須經(jīng)過充分的經(jīng)濟(jì)論證．此種方式適用于用戶對(duì)電能質(zhì)量要求較高或同時(shí)存在三相負(fù)荷不平衡、無功不足和諧波超限問題．

6 結(jié) 論

治理配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡具有很重要的實(shí)際意義，現(xiàn)對(duì)其總結(jié),歸納如下:

(1) 文中分析了電網(wǎng)中存在的三相不平衡現(xiàn)象、背景以及造成三相不平衡的原因和危害,并分析了目前研究領(lǐng)域中所存在的問題．

(2) 針對(duì)三相不平衡問題,文中對(duì)不平衡補(bǔ)償技術(shù)展開深入研究,給出了3種典型用于補(bǔ)償三相不平衡的方案,詳細(xì)分析了它們的工作原理,并分別進(jìn)行仿真,其結(jié)果驗(yàn)證3種補(bǔ)償方案的有效性和可行性．

(3) 針對(duì)3種補(bǔ)償方案進(jìn)行對(duì)比分析,確定每種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍,為電網(wǎng)不平衡治理的研究提供思路,具有一定的應(yīng)用價(jià)值．

(4) 針對(duì)文中提出的3種治理方案中所存在的不同問題和缺點(diǎn),在接下來的研究中需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)．

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