混合型用電負荷三相不平衡調節技術的研發

紀小勇，余伙慶

（1.廣東正誠電氣科技有限公司，廣東 汕頭 515041；2.廣東省智能電網設備（正誠）工程技術研究中心，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

低壓配電臺區主要面向居民用電，以單相用戶為主，由于用戶用電時段的隨機性、單相與三相負載混用等原因，導致配電臺區在實際運行中普遍存在著比較嚴重的三相不平衡。

三相電壓與電流不平衡會威脅電力系統的安全性，并且會對用戶的用電體驗產生影響，其主要危害表現在以下方面。一是增加線路損耗，三相四線制系統在運行過程中出現三相不平衡問題時，中性線也會產生電流，導致線路損耗增加；二是增加變壓器損耗，在變壓器運行過程中，如果處于不平衡狀態，零序電流就會產生零序磁通，從而使變壓器溫度快速上升，不僅會影響變壓器的安全性，而且會縮短變壓器的使用壽命；三是容易出現低電壓問題，影響用電安全。電力系統運行過程中出現三相不平衡會直接影響變壓器內部壓降，重載一相電壓會降低，產生低電壓問題，而輕載一相的電壓不斷升高，導致用電設備損害，出現安全事故。

在當前智能電網建設項目不斷發展的過程中，必須堅持統籌規劃、試點進行的原則，盡可能提高配電網建設智能化水平，要保證工程建設的標準性和規范性，確保建立的新型電網能夠滿足城鎮居民及農村地區經濟發展過程中的用電需求，提高供電系統的整體供電能力與可靠性。

低壓配電系統中會利用三相四線制進行配置，用電終端一般是以單相負荷或者單相三相負荷混用為主，負荷大小存在極大差異、用電時間并不固定。在電網中的三相電流不平衡比較普遍，不平衡狀態并沒有具體的規律，會對配電系統和用電設備產生危害。例如，線路的功率損耗增加，并且會影響配電變壓器的損耗率，導致零線燒毀或變壓器的使用壽命降低。再加上三相不平衡還會影響電動機的輸出功率，繞組溫度在升高的過程中存在安全風險，甚至可能會燒毀用電設備。

1 國內外研究現狀

廣東正城電氣公司在2018年研制出了有源與無源型結合三相不平衡調節裝置，在應用中有良好的效果[1]。高永鍵說明了低壓配電網三相不平衡問題及對策，提出了運用管理手段和智能裝置解決三相不平衡的問題[2]。鄧惠華論述了評估負荷三相不平衡對低壓配電網運行帶來的危害及影響，提出了自動換相裝置的解決辦法[3]。熊勇則提出基于電壓源逆變器（Voltage Source Inverter，VSI）的不平衡補償裝置，其實質為有源型三相不平衡調節裝置[4]。劉祺建立了三相不平衡問題數學模型，應用自動換相裝置解決三相不平衡的問題，并提出了應用云平臺系統，對系統的三相不平衡問題進行監測[5]。

上述內容均介紹了解決三相不平衡問題的方法，但大多數均從一個技術類型來解決。對于解決三相不平衡的問題，一般使用換相開關技術、純無源型補償技術或純有源型補償技術，本文主要介紹將3種技術混合使用，在電力網中形成一個解決三相不平衡問題的系統。

2 三相不平衡調節方式及原理

2.1 換相開關技術

換相開關原理如圖1所示，采用多個電力電子元件組成智能換相終端。當需要換相時，當前相電力電子元件電流過零自然關斷，目標相電力電子元件導通，完成換相過程。

圖1 換相開關原理

在該技術實際應用中，需要利用智能換相控制終端完成配變負載側三相負載電流實時監測，特別是需要注意在監測周期要防止負載側三相負荷不平衡度超出限制。在智能換相控制終端獲取配變低壓出線以及換相開關單元負荷支路的電流、相序實時數據后可以開展優化計算，從而獲取最優換相指令，確保各個換相開關能夠根據換相指令進行操作，合理調整用戶負載，進而對配電臺區的三相負荷進行科學配置。在實際操作中，需要根據A、B、C三相將單相或者兩相負荷分成多個組，每一組需要利用一個電子開關進行控制。換相開關技術在實際操作中需要充分發揮智能化邏輯統籌判斷的優勢，實現自動選擇供電相、降低線路損以及調節三相不平衡的目的，對提高電能利用率和穩定性有積極作用，但是需要注意換相開關技術在實際操作過程中無法做到精細調節。

2.2 純無源型補償技術

以王氏定理的相關內容為基礎進行分析，在投切分相電容器時，需要對每一相無功電流進行科學調整，以相間電容器投切來達到轉移相間有功電流，同時進行無功補償。而三相不平衡的調節結果受相間電容器與分相電容器數量與容量極差的影響相對較大，在具體操作中電容容量本身具有離散性，會導致系統仍存在不平衡度，再加上負荷變化速度比較快，電容的往返投切頻率較高，會導致其老化速度加快。并且在一些相對特殊的應用場合中，無功補償和三相不平衡電流不能同時兼顧。

2.3 純有源型補償技術

純有源型補償技術通過整流和逆變，將高負荷相負載電流轉移至較低負荷相的技術。在該技術使用過程中可以對接入部分的無功、負序以及諧波電流等進行快速準確檢測，并且可以根據檢測結果利用空間矢量脈寬調制控制方法獲取補償電流，這一補償電流能夠觸發脈沖信號驅動對晶閘管進行控制，從而獲取無功、負序、諧波電流。而補償電流的大小相同、方向相反，能夠解決配電臺區三相負荷不平衡與無功功率精細補償、諧波、電壓波動等各種問題。在具體應用中需要根據實際情況進行分析，該技術在應用中的最大缺點是功率損耗相對較大。

無源型補償技術和有源型補償技術分別通過相間功率轉移、輸出補償電流實現配變低壓出口三相負荷平衡，不能從根本上解決實際負荷均衡分配問題。而換相開關技術僅適用于配電變壓器低壓側功率因數大于0.85以上的配電臺區，且存在一定的調節級差，無法做到較精細調節。混合型用電負荷三相不平衡調節技術是將上述3種技術結合，先采用換相開關技術解決大功率的三相不平衡，然后用無源型補償技術提供無功補償及粗略的調整，再用有源型補償技術進行微調及解決配電臺區無功、諧波以及電壓波動等問題。

3 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的設計方案

3.1 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的拓撲結構

混合型用電負荷三相不平衡調節技術的拓撲結構如圖2所示，有源型和無源型補償裝置安裝于10/0.4 kV的變壓器出口處，并聯在配電網絡中。換相開關裝置安裝在靠近單相負載處，串聯在單相負載中。本技術可應用于低壓開關柜和低壓配電箱等供電方案，現以臺區變低壓配電箱方案進行說明。變壓器低壓側出線連接低壓配電箱的進線，經過計量互感器和測量互感器接至進線隔離開關、進線斷路器，并聯有源型和無源型補償裝置，進行三相不平衡及無功功率的綜合補償，提高供電電能質量。經過出線斷路器，接至換相開關箱，由智能控制器控制分配所接的相序，再給單相負載供電[6-8]。

如圖2所示，混合型用電負荷三相不平衡調節技術通過測量互感器實時采集系統電流信號，由智能控制器快速分析處理，以判斷系統三相不平衡度，同時計算出三相平衡轉換電流值、基波不平衡度以及各次諧波成份和無功功率，包括功率因數。

圖2 混合型用電負荷三相不平衡調節技術拓撲

其三相不平衡度的計算公式為：

式中，ΔI為平衡度，是控制器的主要計算依據；Imax為最大相電流；Imin為最小相電流；∑I為三相平均電流。

3.2 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的換相開關技術應用

充分應用混合型用電負荷三相不平衡調節技術的換相開關技術，實現大功率的負載電流轉移，以達到可以用小功率有源型補償技術作精細補償即可。在該技術實際應用中，要利用測量互感器獲取負載電流信號，之后內部的專用檢測電路能夠有效提取基波無功、基波不平衡與各次諧波成分。此時，統一協調控制器可以開展智能決策，對換相開關進行有效控制，確保其能夠投入到在某一相別中，從而完成不平衡電流粗略補償。一般情況下，在低壓供電系統中需要配置的換相開關數量以3的倍數為宜，如6、9、12等。因為換相開關需要投切，級差相對較大，所以在完成換相開關投入后需要對三相不平衡度進行調節，確保其能夠降到15%左右，才能夠滿足供電部門的相關要求。但是如果單純利用換相開關技術，則不能完成無功補償，并且對三相不平衡度進行精細調節和諧波補償也會存在一些問題，這就需要對系統增加無功補償與有源型技術進行精細調節[9,10]。

3.3 換相開關通信技術應用

混合型用電負荷三相不平衡調節技術通信示意如圖3所示，換相開關與智能控制器間通信采用無線數傳電臺，智能控制器作主站，換相開關作為子站，形成內部網，均采用RS485無線接口，協議采用Modbus協議。一般情況下，采用無線數傳電臺最遠可傳30 km，不需要放SIM卡。

圖3 混合型用電負荷三相不平衡調節技術通信示意

3.4 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的無源補償技術應用

混合型用電負荷三相不平衡調節技術的無源補償補償技術，通過安裝電力電子開關陣列對電容芯組進行動態投切，電容芯組包含相間電容及單相電容，實現無功和不平衡電流的粗略補償。根據王氏定理，投切分相電容器，可對每相的無功電流進行補償。在相間電容器投切過程中可以轉移相間有功電流，并統一協調控制器能夠開展智能決策，對電力電子陣列進行合理控制，完成電容芯組動態投切操作，最終實現無功功率以及不平衡電流補償。在對三相不平衡進行調節時，相間電容器與分散電容器的數量和容量級差都會對其調節效果產生影響，因此在具體操作中要從電容容量的離散性出發，掌握系統中存在的不平衡性，如果負荷變化速度比較快，則電容很容易出現頻繁往返投切，導致其老化速度加快。除此之外，在一些比較特殊的應用場合中，無功補償和三相不平衡電流調節不能兼顧，因此需要投入電容芯組，而電容芯組的有效應用能夠調節三相不平衡度，但是不能完成無功補償和三相不平衡度精細調節與諧波補償。在這種情況下需要利用有源型技術對系統進行優化，才能夠實現無功補償和三相不平衡度的精細調節。

3.5 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的有源型補償技術應用

混合型用電負荷三相不平衡調節技術的有源型補償技術，基于IGBT技術，采用類似有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）的主電路結構。如果電容器補償單元無法滿足不平衡電流的補償要求，統一協調控制器可以進行智能決策，從負載較小的相中輸入系統電流，整流形成直流信號，再輸出合適的PWM開關信號控制負載較大相的IGBT開關。IGBT模塊接收到信號后逆變出幅度以及相位能夠調整的基波電流，從而達到精細補償目的。利用IGBT模塊進行調節具有良好的連續性，并且能夠保證時效性，可以完成無功補償、三相不平衡度精細補償。通常情況下，在該模塊應用過程中能夠將三相不平衡度降到5%，而功率因數能夠補償到0.99，有較強的應用價值。

實時采集系統三相電流的波形，同時需要將基波電流的正序波形、負序波形與零序波形提取出來。此外，需要充分考慮系統無功補償與三相不平衡要求，可以形成指令，并將指令發送給IGBT逆變器，輸出的諧波電流可以被抵消掉，從而合理控制負載的部分諧波電流。

3.6 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的控制流程

混合型用電負荷三相不平衡調節技術在控制時，應將3種類型的補償技術執行一定順序的邏輯。如圖4所示，獲得監測的數據之后，因無源補償技術較為經濟，應首先執行，其次執行換相開關技術，最后再執行有源型補償技術。這樣可充分發揮無源型補償技術和換相開關的經濟性，降低投入有源型補償技術的損耗。

圖4 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的工作流程

4 應用實例

本次測試在某供電局某公變臺區進行，如圖5所示，該臺區配變容量適中、負載率適中、三相不平衡度較高、功率因數較低、線損大。于2020年5月對臺區實施改造，在該臺區增加混合型用電三相負荷不平衡自動調節技術，裝置于2020年9月30日投入運行。投運前后數據對比分析，效果明顯，達到治理效果，本文以2021年6月3日的數據進行舉例。

圖5 混合型用電負荷三相不平衡調節技術的現場安裝圖

選取負載用電情況較大的時間段17:00—21:00比較典型的數據，進行設備投入前（負載電流）和投入后（系統電流）兩個階段的數據分析對比，來體現系統對電能質量問題的治理能力。具體數據如表1和表2所示，表1為設備投入前（負載電流）的數據，表2為投入后（系統電流）的數據。

表1 投入前電流及三相不平衡度（負載電流）

表2 投入后電流及三相不平衡度（系統電流）

可以明顯看出混合型用電負荷三相不平衡調節技術投入前存在一定的三相負荷不平衡度較大現象，而投入后三相負荷基本達到平衡。

5 結 論

在供電局公變臺區安裝混合型用電負荷三相不平衡調節技術后，通過表1和表2中數據對比分析可以看出混合型用電負荷三相不平衡調節技術的幾個顯著效果。一是混合型用電負荷三相不平衡調節技術能夠有效治理配電臺區的三相電流不平衡的問題，保證治理后三相不平衡度＜5%。二是混合型用電負荷三相不平衡調節技術運行安全穩定，數據準確可靠，設備免維護，操作簡單方便，運行成本低，經濟性強。

自2020年9月投運后，混合型三相負荷不平衡自動調節技術有效解決了某供電局某公變存在的三相電流不平衡和諧波含量高等問題，降低了配電臺區的線損節約了電費和能源，提高了設備運行效率，為配電臺區的安全運行和提高電能質量起到了重要的作用。