配電網(wǎng)三相不平衡原因分析及治理系統(tǒng)仿真研究

劉曉宇

摘要：三相不平衡問題是引起配電網(wǎng)電能質(zhì)量下降的主因之一。介紹三相不平衡度計算方法，剖析配電網(wǎng)三相不平衡原因及其危害，設(shè)計一種基于不平衡電路應(yīng)用換相開關(guān)的治理原理圖，使用MATLAB軟件對配網(wǎng)三相不平衡狀態(tài)進行仿真設(shè)計。仿真分析表明，原相電壓較低的負荷相可通過補償使其負荷相電壓達到允許范圍，從而實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的平衡運行。

關(guān)鍵詞： 配電網(wǎng);三相不平衡;電能質(zhì)量;換相;治理系統(tǒng);仿真

隨著工業(yè)和科技的進步，各行業(yè)用電量需求較大，并對電能質(zhì)量提出了更高要求。作為衡量電能質(zhì)量的基礎(chǔ)指標，三相不平衡分為三相電壓不平衡和三相電流不平衡，其中，三相電壓不平衡是指三相電壓相位差不等于120 °，或電壓幅值不一致，或存在組合問題。電力系統(tǒng)公共接線點的電壓不平衡度限值為負序電壓不平衡允許值不大于2%，短時小于4%。供電企業(yè)常使用三相電壓不平衡、電壓暫降、波動與閃變、頻率偏差、諧波等指標作為電能質(zhì)量的表征參數(shù)，其中，三相不平衡作為衡量配電網(wǎng)電能質(zhì)量好壞的重要指標，常常因為它而引起其他指標的異常。目前，配電網(wǎng)系統(tǒng)正常工作是以三相平衡為基礎(chǔ)的，對電網(wǎng)中三相不平衡問題的治理成為重要研究方向。

1 配電網(wǎng)三相不平衡分析

任何電網(wǎng)系統(tǒng)均具有對稱性和不對稱性。對稱是指各相位之間的電位相等，相位之間的夾角呈等差序列。系統(tǒng)平衡是指系統(tǒng)功率的瞬時值是否隨時間變化。在電力系統(tǒng)中，三相不平衡是指配電網(wǎng)中三相電壓/電流幅值不同或相位差不為120 °?，F(xiàn)設(shè)定一個三相平衡系統(tǒng)，其線路中的負荷大小相等，取負荷功率為 P，基礎(chǔ)相為A（即UA=0 °，UB=120 °，UC=-120 °），則該三相系統(tǒng)模擬圖見圖1。

如果此時該系統(tǒng)的A相增加一個大小為 R 的負荷，即通過改變相負載引起該系統(tǒng)的不平衡，則不平衡系統(tǒng)模擬圖見圖2。

由此可見，當配電網(wǎng)三相系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)運行時，若其中某相的負載因不確定因素而突然增加，則會導(dǎo)致配網(wǎng)系統(tǒng)的不平衡。在電網(wǎng)實際工作情況下，系統(tǒng)中的用電負荷大多為單相負荷。當大功率單向負載無規(guī)律、不定時接入時，就會導(dǎo)致不平衡情況的經(jīng)常發(fā)生。

2 三相不平衡度計算方法

國內(nèi)外配電網(wǎng)系統(tǒng)三相電能質(zhì)量的不平衡情況常用不平衡度來表征。低壓配電網(wǎng)三相系統(tǒng)的電能質(zhì)量不平衡程度稱為三相不平衡度，其計算公式為電壓或電流的負序分量均方根與正序分量均方根比值，分別用i和u表示電流和電壓不平衡度的符號。

2.1 三相電壓不平衡度計算

計算公式為電網(wǎng)電壓的負序分量有效值與電壓的正序分量有效值之比，即：

式中，U2表示三相電壓負序分量的均方根有效值，U1表示三相電壓正序分量的均方根有效值。需要注意的是，應(yīng)用該公式計算三相電壓不平衡度時，要首先獲知電壓負序分量和正序分量的有效值。

2.2 三相電流不平衡度計算

總體來看，三相電流不平衡度計算相對簡單，故在電網(wǎng)實際計算中常被應(yīng)用。配電網(wǎng)系統(tǒng)的電流不平衡度有兩種常用計算表達式：

3 三相不平衡的成因及危害

造成低壓配電網(wǎng)三相不平衡的原因在于：一是負荷分配不合理，即負荷相序分布不平衡。很多工作人員在裝表接電的時候，因為缺乏三相負荷平衡方面的專業(yè)知識，不了解電網(wǎng)現(xiàn)有負荷相序分布情況，在接入負荷入網(wǎng)時未進行電網(wǎng)規(guī)劃，而是將負荷隨機接入電網(wǎng)中的某相且盲目地接電荷裝表于電路中。二是外在環(huán)境引起用電負荷變化導(dǎo)致某區(qū)域用電負荷不穩(wěn)。外在環(huán)境變化包括該地區(qū)常出現(xiàn)移表、拆遷或用戶增加，以及季節(jié)性用電和臨時用電帶來的不穩(wěn)定性，實際上是用電負荷在總量和時間上的不確定和不集中變化導(dǎo)致系統(tǒng)三相不平衡。三是大功率負荷不定時投入和退出導(dǎo)致單相負荷過大。隨著大功率設(shè)備不斷使用且無規(guī)律地投入電網(wǎng)，不可避免地導(dǎo)致單相負荷過大，從而引起三相不平衡。四是偷電、斷線、區(qū)域負荷分配不均等也會引起配電網(wǎng)系統(tǒng)三相不平衡。

三相不平衡的危害主要體現(xiàn)在：一是減小變壓器輸出功率。在低壓配電網(wǎng)中，變壓器外部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部繞組的設(shè)計主要參考其對應(yīng)的負荷等級，變壓器輸出功率主要取決于額定容量。在三相平衡配電網(wǎng)電路中，每相負荷近似相同，因此，各相大致相同的額定容量會合理地調(diào)控變壓器輸出功率。若出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象，則負荷較低一相會因存在剩余容量而對變壓器的輸出功率造成影響，從而導(dǎo)致變壓器輸出功率變小。二是產(chǎn)生零序電流。出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象時會產(chǎn)生零序電流，且不平衡程度越高零序電流越大。若零序電流在配電變壓器中運行，則零序磁通會在其鐵心內(nèi)部產(chǎn)生。三是變壓器的功率損耗增加。作為低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)的主要供電設(shè)備，在三相負荷不平衡情況下運行會引起功率損耗的增加。四是影響電力設(shè)備的安全運行使用。若在電壓不穩(wěn)的情況下供電，則容易損壞連接到高電壓的電氣設(shè)備。若電壓過低，則連接用戶的電氣設(shè)備可能無法正常使用。

4 用于配電網(wǎng)三相治理的自動換相裝置設(shè)計與仿真

4.1 自動換相裝置工作原理

應(yīng)用光伏電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)三相不平衡電路進行治理時，需要在不平衡電路中接入一個判斷故障相（某相電壓與其他兩相電壓相比不同），可像開關(guān)一樣將光伏電源接入故障相并對其進行電壓補償，且不接入其他正常相的一個自動裝置。

在配電網(wǎng)三相不平衡條件下，設(shè)計一種用于負荷相治理的三相不平衡治理裝置。該裝置能夠方便快捷地找出故障相，并自動接入調(diào)節(jié)系統(tǒng)負載相序。其主要部件由控制器和自動開關(guān)組成，其中，控制器通過控制元件中的信息傳送端將執(zhí)行操作指令發(fā)送到換向開關(guān)，自動換相開關(guān)接到指令后開始執(zhí)行指令，對用戶負載的相位序列進行調(diào)整，使相電壓較低的負載能夠通過重新分配而得到補償，進而使整個三相系統(tǒng)處于正常的工作范圍內(nèi)。鑒于換相開關(guān)運行時會不可避免地引起正常系統(tǒng)中運行的電氣設(shè)備瞬時性斷電，因此，需要進一步研究如何縮短換相開關(guān)運行過程中電氣設(shè)備的瞬時斷電時間。對于那些配電網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點上對電流變化不敏感的電氣設(shè)備，可允許關(guān)機時間以毫秒為單位并使用自動換相裝置來調(diào)節(jié)其不平衡負載。

4.2 自動換向開關(guān)仿真設(shè)計

通過比對元件庫的各控制元件功能及查閱相關(guān)資料，獲取了自動換相開關(guān)所需的各種仿真元件?，F(xiàn)利用MATLAB的SIMULINK功能對自動換相開關(guān)裝置進行仿真，仿真圖見圖3。

搭建該電路所需的元件包括示波器元件、三相負載元件、補償裝置模型、電壓/電流檢測裝置，功率有效值計算元件、功率檢測開關(guān)、負荷轉(zhuǎn)換補償模塊等。在自動換相裝置工作過程中，應(yīng)先使用電壓/電流檢測模塊對三相電路的每一相電壓和電流進行測量，隨后將數(shù)據(jù)送至功率有效值計算模塊中，求出每一相的功率數(shù)據(jù)有效值。接下來，將計算所得的功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦β蕶z測開關(guān)中，與設(shè)定的閾值進行比較。若三相功率中有小于該閾值的相，則可將三相負載接到負荷轉(zhuǎn)換補償模塊中，并對三相負荷進行重新調(diào)整和分配，使三相電路達到負載平衡。

自動換相開關(guān)仿真功能的實現(xiàn)是利用自動負荷調(diào)節(jié)裝置的測量電路對三相不平衡電網(wǎng)情況進行實時監(jiān)測，并將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，終端再根據(jù)收到的信息下達調(diào)控指令，通過換相開關(guān)可把負荷較高相上的負荷調(diào)整到負荷相對較低的相上，使其不平衡電路每相負載達到平衡，保障系統(tǒng)可以正常工作。仿真效果見圖4。

通過三相不平衡治理前后的波形圖對比驗證，本仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)對不平衡電網(wǎng)調(diào)節(jié)過程的動態(tài)仿真。

5結(jié)論

以負荷自動換相裝置為基礎(chǔ)，對電網(wǎng)三相不平衡問題進行治理。設(shè)計一種用于負荷相治理的三相不平衡治理裝置，采用MATLAB軟件對配網(wǎng)三相不平衡狀態(tài)進行仿真設(shè)計。仿真分析表明，原相電壓較低的負荷相可通過補償使其負荷相電壓達到允許范圍，從而實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的平衡運行。

參考文獻

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