配網(wǎng)臺區(qū)三相不平衡分析及治理方法探究

羅明亞

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司麗江供電局，云南麗江，674100)

0 前言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，是地區(qū)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是連接電源與用戶之間的樞紐。配電網(wǎng)可以為地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民生活水平的提高提供優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)，與此同時(shí)，電能質(zhì)量也制約企業(yè)發(fā)展和社會進(jìn)步的速度。因此，配電網(wǎng)的供電可靠性不僅可以用來反映電力行業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)電力需求的滿足程度，而且已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)之一[1,2]。隨著用電需求的急速增加，傳統(tǒng)的接線模式已經(jīng)無法調(diào)節(jié)單相負(fù)荷差異化增長帶來的三相不平衡問題，導(dǎo)致配網(wǎng)臺區(qū)終端的電能質(zhì)量較差，達(dá)不到用戶預(yù)期效果，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及居民的日常生活帶來嚴(yán)重的威脅和挑戰(zhàn)[3]。因此對典型配網(wǎng)臺區(qū)的三相不平衡問題的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，尋找更為高效的治理方式對于提升電網(wǎng)的供電水平以及改善終端的電能質(zhì)量具有重要的意義。

1 配電網(wǎng)三相不平衡分析

1.1 三相不平衡現(xiàn)象的產(chǎn)生原因

隨著配電網(wǎng)的快速發(fā)展以及用戶終端對于電力的需求增長，配網(wǎng)臺區(qū)的三相不平衡現(xiàn)象對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本文將結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀以及用戶負(fù)荷變化等角度進(jìn)行考慮，從以下幾個方面對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

（1）針對飛速發(fā)展的電網(wǎng)建設(shè)以及電力需求，傳統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足不了日益增長的電力需求，無法解決網(wǎng)絡(luò)損耗對電能質(zhì)量的影響，從而導(dǎo)致三相負(fù)荷不平衡問題普遍存在。

（2）隨著用電需求的不斷增長，負(fù)荷之間的差異也隨之變大，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的供電方式忽略了負(fù)荷差異對于中性線電流的影響，所以傳統(tǒng)的三相四線制供電方式會造成低壓配網(wǎng)臺區(qū)的三相不平衡現(xiàn)象。

（3）隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷增長，用戶終端的種類也變得更加復(fù)雜，不同的用電習(xí)慣使得電網(wǎng)中單相負(fù)荷差異化增長，從而加劇了三相不平衡問題。

（4）供電公司的運(yùn)行管理人員缺乏相關(guān)的理論知識，對三相不平衡問題的產(chǎn)生原因以及危害缺乏全面的認(rèn)知，導(dǎo)致三相不平衡問題的調(diào)節(jié)平衡效果較差。

1.2 三相不平衡的危害

對典型電網(wǎng)臺區(qū)的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)三相不平衡對電網(wǎng)的危害主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）電網(wǎng)出現(xiàn)三相不平衡現(xiàn)象時(shí)，會降低配電網(wǎng)的供電可靠性，對某些電力設(shè)備造成不可逆的損害，減小設(shè)備的運(yùn)行壽命，甚至造成停電等電網(wǎng)事故，給電力公司以及社會帶來較大的損失[4]。

（2）三相電流不平衡會影響電力變壓器的正常運(yùn)行，增加一些不必要的損耗，這部分損耗造成的變壓器發(fā)熱對正常運(yùn)行狀態(tài)造成威脅，隨著三相不平衡的相位差的增大，額外損耗也會隨著增加。

（3）三相不平衡將削弱變壓器的出力情況，對于電網(wǎng)調(diào)度人員來說，對變壓器的出力進(jìn)行精準(zhǔn)估算具有較大的難度，從而影響電網(wǎng)調(diào)度過程中的精準(zhǔn)性，對整個電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的影響[5]。

（4）三相不平衡將增加輸電線路上的損耗，影響臺區(qū)的電壓平衡，增加供電部門的供電成本，隨著三相不平衡的相位差的增大，額外損耗也會隨著增加[6]。

（5）三相不平衡將降低三相電動機(jī)的輸出功率，增大運(yùn)行過程中的功耗，發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，加速電動機(jī)的老化過程，甚至造成電動機(jī)停運(yùn)或者損壞[7]。

2 三相不平衡治理措施及裝置

配網(wǎng)臺區(qū)的三相不平衡問題給電網(wǎng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行造成了較大的威脅，同時(shí)也給用戶的日常生活帶來不便?；陔娏﹄娮悠骷牟粩喔乱约癙WM調(diào)制技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的三相平衡調(diào)制技術(shù)被基于電力電子逆變技術(shù)的靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)所取代[8,9]。本文提出一種結(jié)合SVPWM算法的SVG裝置，可以有效提高針對臺區(qū)配網(wǎng)三相不平衡的治理效果。

2.1 傳統(tǒng)的SVG裝置

SVG的工作原理是將自換相橋式電路借助電抗器并接入電網(wǎng)，通過檢測負(fù)載側(cè)電流，根據(jù)補(bǔ)償功能需要，直接控制VSC交流側(cè)輸出電流，達(dá)到補(bǔ)償目的[10]。

目前常用的三相三線SVG主要是直流側(cè)為電容支撐的電壓型SVG。對于我國低壓配電網(wǎng)的三相四線制系統(tǒng)，由于三相三線SVG中不含零序通路，無法補(bǔ)償不平衡負(fù)載電流，為了濾除所有有害電流(包括負(fù)載電流中的無功以及不平衡部分)，SVG的主電路結(jié)構(gòu)也必須采用三相四線制形式。

2.2 SVPWM算法的基本原理

SVPWM算法是一種基于平均值等效原理的調(diào)制算法，可以實(shí)現(xiàn)在任意一個周期內(nèi)，將基礎(chǔ)變量單元進(jìn)行矢量組合，得到新矢量的平均值與期望值相等。

和傳統(tǒng)的調(diào)制算法相比，SVPWM算法可以有效地提高開關(guān)周期的效率，減少開關(guān)的動作次數(shù)，降低系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，與此同時(shí)，可以削弱相關(guān)諧波的不利影響。隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，該算法的調(diào)制效率也越來越高，同時(shí)可以滿足多種電力電子調(diào)制的需求，在三相電路的變量調(diào)制方面應(yīng)用不斷增加。

2.3 基于SVPWM算法的改進(jìn)SVG裝置

由于三相四橋臂SVG系統(tǒng)中三相電壓矢量是相互獨(dú)立的，從而組合得到16中不同的開關(guān)狀態(tài)，傳統(tǒng)的PWM算法具有較少的參考矢量，滿足不了SVG系統(tǒng)的要求，因此本文將3D-SVPWM調(diào)制技術(shù)引入SVG裝置。該算法具有控制效果好、實(shí)時(shí)性高、便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。配合FPGA的強(qiáng)大硬件邏輯實(shí)現(xiàn)能力，將其引入到級聯(lián)SVG的模塊化設(shè)計(jì)中，可以有效地改善SVG的動態(tài)實(shí)時(shí)性。

本文采用的3D-SVPWM調(diào)制算法可以產(chǎn)生PWM控制信號。通過比較參考電壓矢量各分量關(guān)系，確定指針函數(shù)值，進(jìn)一步確定空間四面體位置與非零基準(zhǔn)電壓矢量占空比并換算為作用時(shí)間。在考慮死區(qū)影響的情況下，將調(diào)制波與載波比較產(chǎn)生PWM波。本方法不僅可以減少調(diào)制過程中的計(jì)算量，而且可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對于三相不平衡現(xiàn)象的治理。

3 三相不平衡治理效果分析

本文在寧德市選取典型三相不平衡臺區(qū)配網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用，通過加裝改進(jìn)的SVG裝置，對治理前后的負(fù)載電流進(jìn)行對比，隨機(jī)選取治理前后的兩個工作日，對當(dāng)日的負(fù)載電流進(jìn)行監(jiān)測，可以得到如圖1、圖2所示的電流采樣圖。

圖1 SVG安裝前的負(fù)載電流采樣圖

圖2 SVG安裝后的負(fù)載電流采樣圖

通過圖1中的電流波形，可以發(fā)現(xiàn)在SVG安裝前，該地區(qū)電網(wǎng)的三相不平衡現(xiàn)象較為嚴(yán)重，A相的負(fù)載電流的幅值大于另外兩相。通過將上述兩圖中的負(fù)載電流采樣波形進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)配網(wǎng)電流的三相不平衡度得以有效的降低，證明本文提出的治理方法及裝置具有較好的效果。

4 總結(jié)與展望

目前國內(nèi)配電網(wǎng)的接線模式比較單一，電力負(fù)荷具有隨機(jī)性，而且大部分負(fù)荷為單相運(yùn)行，因此導(dǎo)致某些供電區(qū)域出現(xiàn)較為嚴(yán)重的三相不平衡現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電可靠性以及供電水平。因此如何抑制三相不平衡現(xiàn)象，減少由于三相不平衡帶來的威脅，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行與可靠發(fā)展具有重要的意義。本文提出一種基于SVPWM算法的SVG裝置，可有效的調(diào)節(jié)三相不平衡情況，對電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。

而為了實(shí)現(xiàn)更好的調(diào)節(jié)平衡效果并降低治理成本，以下問題依舊是值得被研究的方向。

（1）SVG裝置適用于傳統(tǒng)的接線模式，可以有效地抑制三相不平衡問題，可以將不同的算法以及控制策略與之結(jié)合，拓展SVG裝置的適用范圍，改善對于電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)效果。

（2）常見的配網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)只考慮了無功補(bǔ)償以及三相不平衡，但是對系統(tǒng)中的諧波補(bǔ)償?shù)葐栴}還還沒有高效的解決辦法，可以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的集成化與一體化。