考慮平衡三相負荷的低壓配電網(wǎng)降損方案

黃明欣，唐釀，葛陽，陳佳鵬，曾杰

(1.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080; 2.廣東電網(wǎng)有限責任公司，廣東 廣州 510600)

2020年我國能源消費產(chǎn)生的二氧化碳排放量占總排放量的88%左右，而電力行業(yè)的二氧化碳排放量占了能源行業(yè)排放總量的近一半，電力行業(yè)減排進程直接影響碳達峰、碳中和整體進程[1]。在整個電力網(wǎng)絡中，發(fā)、輸、配、送的任一環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生能量損耗。其中，直接與用戶相連的低壓配電網(wǎng)，因覆蓋范圍廣、配電設備多、線路復雜而密集，其電能損耗占電網(wǎng)總損耗的60%以上[2-4]。配電網(wǎng)層面如何技術(shù)降損，一直是電力行業(yè)重點關(guān)注及研究難點。目前，配電網(wǎng)降損的主要解決方案有：縮短低壓供電線路長度、無功補償、平衡三相負荷、采用節(jié)能變壓器、合理配置變壓器容量和采用大線徑電路[5-10]。系統(tǒng)收資發(fā)現(xiàn)由于存在大量時空不均勻分布的單相負荷和負荷用電的隨機性，三相不平衡運行不可避免，此時系統(tǒng)中存在不平衡電流，進而造成不平衡運行狀態(tài)下的變壓器和配電網(wǎng)線路損耗增加、變壓器出力降低、供電質(zhì)量下降等不良后果[11-16]。因此，在三相電流不平衡的三相四線制低壓配電網(wǎng)中，平衡三相負荷是技術(shù)降損的有效解決方向。

為平衡三相負荷，國內(nèi)學者、電力工作者提出了不同的解決措施[17-25]。文獻[17]提出通過分相電容和相間電容實現(xiàn)三相不平衡的調(diào)節(jié)，但該方案存在拉低功率因數(shù)、中性線電流不減反增等實際應用問題；文獻[18]提出基于協(xié)調(diào)控制靜止無功發(fā)生器(static var generator，SVG)的低壓配電網(wǎng)三相負荷不平衡補償系統(tǒng)，但僅從理論上驗證了該方案的可行性，詳細的應用研究還未開展；文獻[19-20]提出一種基于在線自動換相裝置和控制終端的三相不平衡實時治理方案，但主要研究換相控制邏輯，缺乏實際工程應用實例及降損效果分析；文獻[21]提出結(jié)合換相與附加補償手段來治理三相不平衡，但方案停留在仿真驗證階段，并無實際效益分析及核算；文獻[22]對電容型補償、電力電子變流器型補償和換相補償治理方案原理進行分析和整理，但缺乏降損效果、工程施工等方面的對比，對實際應用參考價值有限。因此，為了更好地推進平衡三相負荷在降低低壓配電網(wǎng)損耗中的應用，更為深入的應用研究及效益分析很有必要。

本文首先多維度對比分析典型三相不平衡治理方式的優(yōu)缺點，在此基礎上，通過數(shù)學推導和MATLAB仿真分析三相不平衡對低壓配電網(wǎng)能耗影響的量化關(guān)系，并對集中式SVG補償及換相開關(guān)方案的降損效果進行直觀對比。最后，結(jié)合廣東地區(qū)三相不平衡現(xiàn)狀，采用快速換相開關(guān)的技術(shù)方案，通過工程應用驗證方案的有效性，并進行詳盡的效益分析。

1 平衡三相負荷措施分析

目前，平衡三相負荷主要有3種技術(shù)方案，第1種是采用相間電容補償?shù)姆绞?，?種是利用SVG裝置，第3種是智能換相開關(guān)裝置。

1.1 電容型補償

電容型補償方式利用電容補償裝置實現(xiàn)，在電流最大的相線與電流最小的相線之間投入一定比例的電容器，在兩相之間增加無功電流的同時轉(zhuǎn)移一部分有功電流，實現(xiàn)補償功能。

優(yōu)點：只需在臺區(qū)三相線路上安裝數(shù)臺相間補償電容器，其工程安裝簡單，且造價低。

缺點：相間補償電容器工作時需要利用負載的電感來調(diào)整不平衡有功電流，如果負載的功率因數(shù)為1，就意味著沒有可以利用的電感，因此無法進行不平衡調(diào)整。另外，數(shù)臺相間補償電容器分級數(shù)不宜過多，電容器組只能分級補償，當負荷功率波動范圍較大時，補償效果無法保證。在實際應用中問題突出。

1.2 SVG補償

SVG補償方式利用電力電子換流器在三相之間轉(zhuǎn)移有功功率，從而解決變壓器三相繞組負荷不平衡問題。目前SVG補償方式主要分為集中式和分布式，集中式主要安裝在配電臺區(qū)變壓器出口側(cè)，分布式則是在低壓配電網(wǎng)臺區(qū)多個節(jié)點分別接入SVG。

優(yōu)點：集中式SVG方案可解決由三相不平衡導致的變壓器損耗問題，安裝簡單，僅需按不平衡度及變壓器容量選定裝機額定容量即可。而分布式SVG方案可平衡低壓配電網(wǎng)多個節(jié)點三相電流，減少線損，消除節(jié)點低電壓。

缺點：集中式SVG不能解決整個低壓配電網(wǎng)臺區(qū)線路的不平衡問題，臺區(qū)供電網(wǎng)絡仍運行在嚴重的不平衡狀態(tài)，不能解決供電線路的線路損耗、末端電壓低等問題，同時自身損耗及噪聲較大。

1.3 智能換相開關(guān)

快速換相開關(guān)通過將配電網(wǎng)中的一部分單相負荷加裝換相器，使其變?yōu)榭煽刎摵?；主控器檢測三相負荷的平衡狀況，實時地對單相負荷做出優(yōu)化決策，使整個臺區(qū)的負荷均衡地分布在三相供電線路上。

優(yōu)點:可以真正使整個臺區(qū)運行于三相平衡狀態(tài)，配電網(wǎng)的中性線電流顯著降低，變壓器及供電線路的損耗大大減小，而且由于相線電流的均衡及中性線電流的減小，末端電壓也獲得顯著的提升，臺區(qū)的運行能效得到明顯的改善。

缺點：設備需要串接，安裝在用戶電表旁，安裝時工程量稍大。

1.4 方案對比

為了更直觀地分析上述技術(shù)方案的優(yōu)缺點，本文從平衡效果、降損效果、改善末端低電壓等維度對3種技術(shù)方案進行對比，結(jié)果見表1。

表1 3種技術(shù)方案對比Tab.1 Comparisons of three technical schemes

相間電容補償?shù)姆桨鸽m然施工維護簡單，但平衡效果差，容易造成整個臺區(qū)供電網(wǎng)嚴重過補，拉低功率因數(shù)，嚴重時可能導致中性線電流不但未減小反而增加，實際使用不多。集中式SVG型技術(shù)方案安裝施工簡單，兼具無功補償能力，可解決變壓

器本體三相不平衡問題，目前主要針對變壓器負載率不小于80%的臺區(qū)使用，但自身損耗較大、噪聲很大，且不能有效解決整個臺區(qū)線路及負載側(cè)三相不平衡問題，因此也不能從根本上解決因三相不平衡帶來的線損及末端低電壓問題。若在臺區(qū)內(nèi)安裝多個SVG(即分布式SVG)，雖然也可取得較好的平衡效果，但由于SVG造價比較昂貴，其投資遠超換相開關(guān)的數(shù)倍，目前實際應用較少。快速換相開關(guān)方案是新一代的技術(shù)路線，真正使整個配電網(wǎng)臺區(qū)運行于三相平衡狀態(tài)，配電網(wǎng)絡的中性線電流顯著降低，變壓器及供電線路的損耗大大減小，且由于相線電流的均衡及中性線電流的減少，末端電壓也獲得顯著提升，可系統(tǒng)解決臺區(qū)三相不平衡、高線損、末端低電壓問題，適用于不同負載率的配電網(wǎng)臺區(qū)，唯一不足的是施工量稍大。

2 降損效果量化分析

第1章已對相間電容補償、SVG補償，快速換相開關(guān)3種技術(shù)方案進行從平衡效果、降損效果、改善末端低電壓等維度進行定性分析，本章通過數(shù)學推導和MATLAB仿真計算對目前應用較多的集中式SVG補償及快速換相方案的降損效果進行量化分析。

2.1 數(shù)學推導

三相不平衡在整個配電網(wǎng)中會帶來一系列損耗，通常從線路、配電網(wǎng)變壓器等角度進行分析。當三相負荷平衡時，中性線電流為0，此時不存在中性線損耗。當三相負荷不平衡時，相線和中性線中都存在不平衡電流，進而產(chǎn)生附加損耗，且不平衡程度越大，產(chǎn)生的損耗越多[26]。

定義三相電流不平衡度

(1)

式中：Imax為三相最大電流；Iav為三相平均電流。

則中性線電流

(2)

式中：βA、βB、βC為各相不平衡度，且βA+βB+βC=0；α= 1∠120°= cos 120°+ jsin 120°為工程上常用到的單位相量算子。

當三相負荷不平衡時，中性線上就會流過電流，從而產(chǎn)生附加損耗，此時中性線上的附加損耗

(3)

式中R0為中性線上阻抗。

由式(2)和式(3)推導得出中性線上的附加損耗P0與負荷電流不平衡度的關(guān)系為

(4)

在低壓配電網(wǎng)由于線路存在阻抗，輸電線中通過的電流必定會消耗部分電能，當三相電流平衡時，相線上損耗

(5)

式中RL為線路阻抗。

而當三相電流不平衡時，相線上損耗

(6)

由式(5)和式(6)可知，由于三相不平衡產(chǎn)生的相線損耗可表示為

(7)

假設中性線型號與相線型號相同，即RL=R0，三相四線制線路上三相不平衡新增損耗ΔPL可以用三相不平衡度表示，即

(8)

當三相負荷不對稱時，變壓器低壓側(cè)出現(xiàn)零序磁通，但由于配電網(wǎng)變壓器(以下簡稱配變)主要以鐵心柱的結(jié)構(gòu)為主，高壓側(cè)通常不存在零序電流，從而導致低壓側(cè)零序電流沒有通路，只能通過變壓器油箱壁和鋼構(gòu)件來形成回路。當變壓器鋼構(gòu)件中流過零序電流分量時，由于變壓器油箱壁和鋼構(gòu)件的磁阻與繞組磁阻相比數(shù)值較大，就會形成較大的磁滯及渦流損耗，造成鋼構(gòu)件的附加發(fā)熱，產(chǎn)生多余的鐵心損耗，附加鐵損

(9)

式中：IOC為變壓器二次側(cè)零序電流分量；ROC為變壓器二次側(cè)零序電流通路的等值電阻。

由于配電網(wǎng)變壓器繞組阻抗的存在，通過繞組的電流必定會消耗部分電能，當三相繞組電流平衡時，變壓器繞組損耗

(10)

式中RT為繞組阻抗。

當三相繞組電流幅值不平衡時，變壓器繞組損耗

(11)

由式(10)、(11)可知，由于三相不平衡產(chǎn)生的變壓器繞組損耗

(12)

在工程上，進行低壓配電網(wǎng)三相不平衡損耗計算時通常忽略變壓器的附加鐵損，此時低壓配電網(wǎng)變壓器由于三相不平衡的附加損耗可以由式(12)表示。

利用集中式SVG方案只能平衡其并聯(lián)接入點上游線路的電流、上游節(jié)點低電壓，實際只是平衡了配電網(wǎng)臺區(qū)變壓器出口側(cè)的電流，相線實際仍處于三相負荷電流不平衡的狀態(tài)，故降損效果主要體現(xiàn)在對變壓器附加損耗的降低上，如式(12)所示，無法降低式(8)所示的線路附加損耗；使用快速換相開關(guān)方案，能真正平衡臺區(qū)各相線上的負荷，使變壓器出口側(cè)的電流和相線上的電流處于一個均衡的狀態(tài)，因此可降低式(8)和式(12)所示的附加損耗。

2.2 仿真分析

2.2.1 配電網(wǎng)附加損耗與配變負載率及最大電流不平衡度的關(guān)系

為了更直觀地得到使用不同技術(shù)方案對配電網(wǎng)降損效果的影響，根據(jù)式(8)和式(12)，本文利用MATLAB數(shù)值仿真，首先計算配電網(wǎng)附加損耗與配變負載率及最大電流不平衡度的關(guān)系。算例選擇容量為500 kVA的10 kV/400 V配變，參數(shù)配置參照GB/T 6451—2015[27]，線路參數(shù)參照允許載流量800 A的銅線纜，供電半徑總長0.5 km。

仿真計算結(jié)果如圖1所示，當配變負載率一定時，最大電流不平衡度越大，系統(tǒng)附加損耗越大；當配變最大不平衡度一定時，變壓器負載率越大，系統(tǒng)附加損耗越大，隨著配變負載率的增加，三相負荷不平衡導致的系統(tǒng)附加損耗越明顯。因此，在配電網(wǎng)節(jié)能降損的過程中，需要重點關(guān)注負載率較大的臺區(qū)變壓器。

圖1 低壓配電網(wǎng)附加損耗與配變負載率及最大電流不平衡度的關(guān)系Fig.1 Relationships between additional power loss of low-voltage distribution network load rate of transformer and the maximum current unbalanced degree

2.2.2 配電網(wǎng)損耗增量比與最大電流不平衡度的關(guān)系

進一步計算當配變負載率為60%時，配電網(wǎng)損耗增量比，計算結(jié)果如圖2所示。其中損耗增量比定義為配變附加損耗占理想狀態(tài)(即不存在三相不平衡問題)下低壓配電網(wǎng)損耗的百分比?？紤]實際運行中A、B、C三相負載率每時每刻都可能變化，選取3種典型負載情況進行分析，分別是：情況1，1相重載、1相輕載、1相平均負荷(權(quán)重系數(shù)為1、-1、0)；情況2，2相輕載、1相重載(權(quán)重系數(shù)為-0.5、-0.5、1)；情況3，1相輕載、2相重載(權(quán)重系數(shù)為-1、1/3、2/3)。

圖2 低壓配電網(wǎng)損耗增量比與最大電流不平衡度的變化曲線Fig.2 Variation curves of power incremental ratio and the maximum current unbalanced degree

計算結(jié)果表明：降低系統(tǒng)最大不平衡度，配電網(wǎng)損耗增量比顯著下降。如圖2所示：在情況1時，將最大不平衡度從60%降低至15%以內(nèi)，損耗增量比能從約50%降低至5%以內(nèi)，降損效果明顯；而在情況3(此時三相負荷分布較情況1均衡)，同樣將最大不平衡度從60%降低至15%以內(nèi)，損耗增量比則從約40%降低至5%以內(nèi)。因此，綜合考慮配變的負載情況及三相負荷不平衡情況，借助先進技術(shù)手段調(diào)整電流不平衡度，對配電網(wǎng)節(jié)能損耗治理具有重大的意義。

2.2.3 不同技術(shù)方案可減少附加損耗的對比進一步計算選用SVG方案和換相開關(guān)方案平衡三相負荷電流時，可減少的附加損耗對比。假設治理前最大電流不平衡度為60%，以1相重載、1相輕載、1相平均負載的負荷分布為例，結(jié)果如圖3所示，其中降損量為治理前附加損耗與治理后附加損耗的差值。

圖3 可降低日附加損耗量對比Fig.3 Comparisons of reducible daily additional power loss

計算結(jié)果表明，采用SVG方案對低壓配電網(wǎng)的降損效果不如采用換相開關(guān)方案顯著。當變壓器出口側(cè)最大不平衡從60%降低至20%以內(nèi)，采用快速換相開關(guān)方案，日降損量在百千瓦時級別，采用集中式SVG補償，日降損量僅在幾千瓦時級別。因此，采用換相開關(guān)的技術(shù)方案，在降低配電網(wǎng)損耗上有更為明顯的效果，對提升整個電網(wǎng)的經(jīng)濟運行水平、降低損耗、節(jié)約能源都具有積極意義。

3 工程應用

3.1 總體設計

根據(jù)2021年系統(tǒng)收資數(shù)據(jù)，廣東地區(qū)臺區(qū)配變負載率30%～100%、三相不平衡度45%～100%區(qū)間段的變壓器臺數(shù)共計4萬余臺。按照南方電網(wǎng)《中低壓配電運行標準》規(guī)定要求：變壓器的三相負荷應力求平衡，不平衡度不應大于15%。當前治理措施主要對負載率不小于80%的配變二次側(cè)加裝電力電子型三相不平衡治理裝置。該方案只能解決變壓器本體三相不平衡問題，不能有效解決整個臺區(qū)線路及負載側(cè)三相不平衡問題，因此也不能從根本上解決因三相不平衡帶來的線損及末端低電壓問題。

全網(wǎng)針對低壓配電網(wǎng)三相不平衡問題的專項治理，既是為了適應售配電改革新形勢，又是提高配電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要手段，更是響應碳達峰、碳中和號召，積極降低配電網(wǎng)附加損耗的積極舉措。低壓負荷中三相和單相用電設備共存，且以單相用電設備為主，加上用戶用電行為的不可控性，通過運行管理與控制來改善和解決三相負荷不平衡問題是非常困難的，結(jié)合第1、2章分析，采用快速換相開關(guān)方案對單相負荷接入進行實時、智能的自動換相控制。2020年起分別在廣州、深圳、珠海、惠州等地示范應用，治理成效顯著。

3.2 現(xiàn)場實施

本文以當前惠州示范點500 kVA臺區(qū)配變進行測算，對治理措施進行詳細分析。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，臺區(qū)配變年平均負載率40%，高峰期負載率60%左右，治理前三相不平衡度最大值60%，平均值45%，中性線電流在30～120 A之間，各相電流不平衡較嚴重。調(diào)取裝置投運前臺區(qū)配變某日二次側(cè)出口處電壓、電流趨勢圖，可以發(fā)現(xiàn)臺區(qū)日負荷隨時間變化較大，臺區(qū)三相電流不平衡：用電高峰時A相重載，B、C相輕載；用電低谷時，A相輕載，B、C相重載。由于臺區(qū)負荷波動性較大，白天商業(yè)用電，晚上居民用電隨機變化，因此人工定期調(diào)相難以解決。

采用換相開關(guān)式三相不平衡治理裝置對該臺區(qū)進行治理，該臺區(qū)配置主控器1臺，換相開關(guān)14臺，主控器安裝在臺區(qū)配變低壓側(cè)。根據(jù)臺區(qū)用戶的分布情況，14臺換相開關(guān)分布在3條低壓支路的首端、中端、末端，并在較大負荷的電表前安裝1臺換相開關(guān)，這樣14臺換相器在主控器的控制下形成1個小局域的智能負荷自動調(diào)度系統(tǒng)。

3.3 治理效果

治理后三相負荷電流基本處于平衡狀態(tài)，三相不平衡度顯著降低，平均值小于15%，中性線電流不超過30 A。

治理裝置2020年9月投運以來，根據(jù)系統(tǒng)收資數(shù)據(jù)，臺區(qū)平均線損率由4.56%降至3%，下降幅度約34.2%。2020年1月至2021年8月該臺區(qū)月供出電量及臺區(qū)月線損值變化曲線如圖4所示。

圖4 月供出電量及月線損值變化曲線Fig.4 Variation curves of monthly power supply and line loss rates

投運后該臺區(qū)未發(fā)生單相電壓低或開關(guān)過載跳閘等事故，取得了預期的效果。運行前，2020年4月用電量為31.480 MWh,線損率4.95%；運行后2021年2月用電量為30.762 MWh，線損率為2.89%。大致等同用電量情況下，線損降低，治理效果顯著。

3.4 效益核算

3.4.1 挽回直接經(jīng)濟損失

按平均電價0.6元/kWh計算，該臺區(qū)每年可挽回損失10 635.2元。考慮廣東電網(wǎng)臺區(qū)配變負載率30%～100%，三相不平衡度45%～100%區(qū)間段變壓器臺數(shù)共計4萬余臺，通過三相不平衡技術(shù)降損，每年可挽回直接經(jīng)濟損失約5～6億元；集中治理好城中村三相不平衡問題，每年可挽回經(jīng)濟損失約3億元。

3.4.2 減少碳排放量

廣東地區(qū)目前主要仍以普通化石燃料電源為主，該類電源的單位發(fā)電量產(chǎn)生的碳排放量

(13)

式中：f為單位燃料充分燃燒所排放的碳量;q為燃料的單位發(fā)熱量，參考值為10 kJ/t；G為電源的能量轉(zhuǎn)換效率。

目前1 t燃料充分燃燒所排放的碳量為0.3 kg，燃料的單位發(fā)熱量為10 kJ/t，電源的能量轉(zhuǎn)換效率為1.5 kWh/kJ，由式(13)可知化石燃料的單位發(fā)電量產(chǎn)生的碳排放量約為2×10-5t/kWh。因此，該臺區(qū)每年可減少0.35 t碳排放量。

3.4.3 減少勞務成本

臺區(qū)負荷切割、人工換相按材料費、施工費、勞務成本平均450元/(人次)，1年按20次計算，約9 000元。同時運用技術(shù)手段，實時動態(tài)地對三相負荷進行有載調(diào)控，可降低工作人員勞動強度，減少安全責任事故。

3.4.4 投資回報周期

考慮線損部分及勞務成本，1年直接經(jīng)濟損失及運維約2萬元，按典型500 kVA臺區(qū)配變配置換相開關(guān)，2年可收回成本。換相型不平衡治理的全壽命周期為6年，全壽命周期期間，可實現(xiàn)200%的贏利，年平均收益33.33%。

4 結(jié)論

本文針對配電網(wǎng)技術(shù)降損難題，提出基于低壓配電網(wǎng)三相不平衡問題治理的解決方案，首先多維度對比現(xiàn)有不同方案的技術(shù)特點，再通過數(shù)學推導和MATLAB仿真分析平衡三相負荷對低壓配電網(wǎng)降損效果的影響，最終結(jié)合廣東地區(qū)實際情況，應用快速換相開關(guān)方案。通過工程實踐分析，結(jié)論如下：

a)通過平衡三相負荷，可有效解決臺區(qū)三相不平衡帶來的變壓器及線路損耗問題，提高整個電網(wǎng)的經(jīng)濟運行效率，降低損耗，節(jié)約能源，打造經(jīng)濟、可靠、堅強智能的配電網(wǎng)絡。

b)快速換相開關(guān)平衡三相負荷方案較其他技術(shù)方案具有明顯優(yōu)勢?？焖贀Q相開關(guān)通過源頭解決負荷不平衡問題，維護簡單，綜合成本低。同時數(shù)學推導及仿真結(jié)果表明，其降損效果較其他方案更為顯著。

c)典型臺區(qū)三相不平衡治理后，臺區(qū)線損率平均降低15%～20%，全年可以節(jié)約萬余度電量，減少約0.35 t碳排放量。按廣東電網(wǎng)適宜治理臺區(qū)配變基數(shù)，考慮不同臺區(qū)配變?nèi)萘颗渲脭?shù)量，通過三相不平衡技術(shù)降損，每年可挽回直接經(jīng)濟損失約5～6億元；集中治理好城中村三相不平衡問題，每年可挽回經(jīng)濟損失約3億元。