紀(jì)小勇，余伙慶

（1.廣東正誠(chéng)電氣科技有限公司，廣東 汕頭 515041；2.廣東省智能電網(wǎng)設(shè)備（正誠(chéng)）工程技術(shù)研究中心，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

低壓配電臺(tái)區(qū)主要面向居民用電，以單相用戶為主，由于用戶用電時(shí)段的隨機(jī)性、單相與三相負(fù)載混用等原因，導(dǎo)致配電臺(tái)區(qū)在實(shí)際運(yùn)行中普遍存在著比較嚴(yán)重的三相不平衡。

三相電壓與電流不平衡會(huì)威脅電力系統(tǒng)的安全性，并且會(huì)對(duì)用戶的用電體驗(yàn)產(chǎn)生影響，其主要危害表現(xiàn)在以下方面。一是增加線路損耗，三相四線制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)三相不平衡問題時(shí)，中性線也會(huì)產(chǎn)生電流，導(dǎo)致線路損耗增加；二是增加變壓器損耗，在變壓器運(yùn)行過程中，如果處于不平衡狀態(tài)，零序電流就會(huì)產(chǎn)生零序磁通，從而使變壓器溫度快速上升，不僅會(huì)影響變壓器的安全性，而且會(huì)縮短變壓器的使用壽命；三是容易出現(xiàn)低電壓?jiǎn)栴}，影響用電安全。電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)三相不平衡會(huì)直接影響變壓器內(nèi)部壓降，重載一相電壓會(huì)降低，產(chǎn)生低電壓?jiǎn)栴}，而輕載一相的電壓不斷升高，導(dǎo)致用電設(shè)備損害，出現(xiàn)安全事故。

在當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目不斷發(fā)展的過程中，必須堅(jiān)持統(tǒng)籌規(guī)劃、試點(diǎn)進(jìn)行的原則，盡可能提高配電網(wǎng)建設(shè)智能化水平，要保證工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)性和規(guī)范性，確保建立的新型電網(wǎng)能夠滿足城鎮(zhèn)居民及農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的用電需求，提高供電系統(tǒng)的整體供電能力與可靠性。

低壓配電系統(tǒng)中會(huì)利用三相四線制進(jìn)行配置，用電終端一般是以單相負(fù)荷或者單相三相負(fù)荷混用為主，負(fù)荷大小存在極大差異、用電時(shí)間并不固定。在電網(wǎng)中的三相電流不平衡比較普遍，不平衡狀態(tài)并沒有具體的規(guī)律，會(huì)對(duì)配電系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生危害。例如，線路的功率損耗增加，并且會(huì)影響配電變壓器的損耗率，導(dǎo)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(huì)影響電動(dòng)機(jī)的輸出功率，繞組溫度在升高的過程中存在安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至可能會(huì)燒毀用電設(shè)備。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

廣東正城電氣公司在2018年研制出了有源與無(wú)源型結(jié)合三相不平衡調(diào)節(jié)裝置，在應(yīng)用中有良好的效果[1]。高永鍵說明了低壓配電網(wǎng)三相不平衡問題及對(duì)策，提出了運(yùn)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(píng)估負(fù)荷三相不平衡對(duì)低壓配電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的危害及影響，提出了自動(dòng)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(bǔ)償裝置，其實(shí)質(zhì)為有源型三相不平衡調(diào)節(jié)裝置[4]。劉祺建立了三相不平衡問題數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用自動(dòng)換相裝置解決三相不平衡的問題，并提出了應(yīng)用云平臺(tái)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的三相不平衡問題進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。

上述內(nèi)容均介紹了解決三相不平衡問題的方法，但大多數(shù)均從一個(gè)技術(shù)類型來(lái)解決。對(duì)于解決三相不平衡的問題，一般使用換相開關(guān)技術(shù)、純無(wú)源型補(bǔ)償技術(shù)或純有源型補(bǔ)償技術(shù)，本文主要介紹將3種技術(shù)混合使用，在電力網(wǎng)中形成一個(gè)解決三相不平衡問題的系統(tǒng)。

2 三相不平衡調(diào)節(jié)方式及原理

2.1 換相開關(guān)技術(shù)

換相開關(guān)原理如圖1所示，采用多個(gè)電力電子元件組成智能換相終端。當(dāng)需要換相時(shí)，當(dāng)前相電力電子元件電流過零自然關(guān)斷，目標(biāo)相電力電子元件導(dǎo)通，完成換相過程。

圖1 換相開關(guān)原理

在該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，需要利用智能換相控制終端完成配變負(fù)載側(cè)三相負(fù)載電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，特別是需要注意在監(jiān)測(cè)周期要防止負(fù)載側(cè)三相負(fù)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(guān)單元負(fù)荷支路的電流、相序?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)后可以開展優(yōu)化計(jì)算，從而獲取最優(yōu)換相指令，確保各個(gè)換相開關(guān)能夠根據(jù)換相指令進(jìn)行操作，合理調(diào)整用戶負(fù)載，進(jìn)而對(duì)配電臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷進(jìn)行科學(xué)配置。在實(shí)際操作中，需要根據(jù)A、B、C三相將單相或者兩相負(fù)荷分成多個(gè)組，每一組需要利用一個(gè)電子開關(guān)進(jìn)行控制。換相開關(guān)技術(shù)在實(shí)際操作中需要充分發(fā)揮智能化邏輯統(tǒng)籌判斷的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選擇供電相、降低線路損以及調(diào)節(jié)三相不平衡的目的，對(duì)提高電能利用率和穩(wěn)定性有積極作用，但是需要注意換相開關(guān)技術(shù)在實(shí)際操作過程中無(wú)法做到精細(xì)調(diào)節(jié)。

2.2 純無(wú)源型補(bǔ)償技術(shù)

以王氏定理的相關(guān)內(nèi)容為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，在投切分相電容器時(shí)，需要對(duì)每一相無(wú)功電流進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，以相間電容器投切來(lái)達(dá)到轉(zhuǎn)移相間有功電流，同時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。而三相不平衡的調(diào)節(jié)結(jié)果受相間電容器與分相電容器數(shù)量與容量極差的影響相對(duì)較大，在具體操作中電容容量本身具有離散性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)仍存在不平衡度，再加上負(fù)荷變化速度比較快，電容的往返投切頻率較高，會(huì)導(dǎo)致其老化速度加快。并且在一些相對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，無(wú)功補(bǔ)償和三相不平衡電流不能同時(shí)兼顧。

2.3 純有源型補(bǔ)償技術(shù)

純有源型補(bǔ)償技術(shù)通過整流和逆變，將高負(fù)荷相負(fù)載電流轉(zhuǎn)移至較低負(fù)荷相的技術(shù)。在該技術(shù)使用過程中可以對(duì)接入部分的無(wú)功、負(fù)序以及諧波電流等進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)，并且可以根據(jù)檢測(cè)結(jié)果利用空間矢量脈寬調(diào)制控制方法獲取補(bǔ)償電流，這一補(bǔ)償電流能夠觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)晶閘管進(jìn)行控制，從而獲取無(wú)功、負(fù)序、諧波電流。而補(bǔ)償電流的大小相同、方向相反，能夠解決配電臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡與無(wú)功功率精細(xì)補(bǔ)償、諧波、電壓波動(dòng)等各種問題。在具體應(yīng)用中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，該技術(shù)在應(yīng)用中的最大缺點(diǎn)是功率損耗相對(duì)較大。

無(wú)源型補(bǔ)償技術(shù)和有源型補(bǔ)償技術(shù)分別通過相間功率轉(zhuǎn)移、輸出補(bǔ)償電流實(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。而換相開關(guān)技術(shù)僅適用于配電變壓器低壓側(cè)功率因數(shù)大于0.85以上的配電臺(tái)區(qū)，且存在一定的調(diào)節(jié)級(jí)差，無(wú)法做到較精細(xì)調(diào)節(jié)?；旌闲陀秒娯?fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)是將上述3種技術(shù)結(jié)合，先采用換相開關(guān)技術(shù)解決大功率的三相不平衡，然后用無(wú)源型補(bǔ)償技術(shù)提供無(wú)功補(bǔ)償及粗略的調(diào)整，再用有源型補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行微調(diào)及解決配電臺(tái)區(qū)無(wú)功、諧波以及電壓波動(dòng)等問題。

3 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的設(shè)計(jì)方案

3.1 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，有源型和無(wú)源型補(bǔ)償裝置安裝于10/0.4 kV的變壓器出口處，并聯(lián)在配電網(wǎng)絡(luò)中。換相開關(guān)裝置安裝在靠近單相負(fù)載處，串聯(lián)在單相負(fù)載中。本技術(shù)可應(yīng)用于低壓開關(guān)柜和低壓配電箱等供電方案，現(xiàn)以臺(tái)區(qū)變低壓配電箱方案進(jìn)行說明。變壓器低壓側(cè)出線連接低壓配電箱的進(jìn)線，經(jīng)過計(jì)量互感器和測(cè)量互感器接至進(jìn)線隔離開關(guān)、進(jìn)線斷路器，并聯(lián)有源型和無(wú)源型補(bǔ)償裝置，進(jìn)行三相不平衡及無(wú)功功率的綜合補(bǔ)償，提高供電電能質(zhì)量。經(jīng)過出線斷路器，接至換相開關(guān)箱，由智能控制器控制分配所接的相序，再給單相負(fù)載供電[6-8]。

如圖2所示，混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)通過測(cè)量互感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)電流信號(hào)，由智能控制器快速分析處理，以判斷系統(tǒng)三相不平衡度，同時(shí)計(jì)算出三相平衡轉(zhuǎn)換電流值、基波不平衡度以及各次諧波成份和無(wú)功功率，包括功率因數(shù)。

圖2 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)拓?fù)?/p>

其三相不平衡度的計(jì)算公式為：

式中，ΔI為平衡度，是控制器的主要計(jì)算依據(jù)；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(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的換相開關(guān)技術(shù)應(yīng)用

充分應(yīng)用混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的換相開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大功率的負(fù)載電流轉(zhuǎn)移，以達(dá)到可以用小功率有源型補(bǔ)償技術(shù)作精細(xì)補(bǔ)償即可。在該技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，要利用測(cè)量互感器獲取負(fù)載電流信號(hào)，之后內(nèi)部的專用檢測(cè)電路能夠有效提取基波無(wú)功、基波不平衡與各次諧波成分。此時(shí)，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制器可以開展智能決策，對(duì)換相開關(guān)進(jìn)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(bǔ)償。一般情況下，在低壓供電系統(tǒng)中需要配置的換相開關(guān)數(shù)量以3的倍數(shù)為宜，如6、9、12等。因?yàn)閾Q相開關(guān)需要投切，級(jí)差相對(duì)較大，所以在完成換相開關(guān)投入后需要對(duì)三相不平衡度進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保其能夠降到15%左右，才能夠滿足供電部門的相關(guān)要求。但是如果單純利用換相開關(guān)技術(shù)，則不能完成無(wú)功補(bǔ)償，并且對(duì)三相不平衡度進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)和諧波補(bǔ)償也會(huì)存在一些問題，這就需要對(duì)系統(tǒng)增加無(wú)功補(bǔ)償與有源型技術(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)[9,10]。

3.3 換相開關(guān)通信技術(shù)應(yīng)用

混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)通信示意如圖3所示，換相開關(guān)與智能控制器間通信采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，智能控制器作主站，換相開關(guān)作為子站，形成內(nèi)部網(wǎng)，均采用RS485無(wú)線接口，協(xié)議采用Modbus協(xié)議。一般情況下，采用無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)最遠(yuǎn)可傳30 km，不需要放SIM卡。

圖3 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)通信示意

3.4 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的無(wú)源補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的無(wú)源補(bǔ)償補(bǔ)償技術(shù)，通過安裝電力電子開關(guān)陣列對(duì)電容芯組進(jìn)行動(dòng)態(tài)投切，電容芯組包含相間電容及單相電容，實(shí)現(xiàn)無(wú)功和不平衡電流的粗略補(bǔ)償。根據(jù)王氏定理，投切分相電容器，可對(duì)每相的無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償。在相間電容器投切過程中可以轉(zhuǎn)移相間有功電流，并統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制器能夠開展智能決策，對(duì)電力電子陣列進(jìn)行合理控制，完成電容芯組動(dòng)態(tài)投切操作，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率以及不平衡電流補(bǔ)償。在對(duì)三相不平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，相間電容器與分散電容器的數(shù)量和容量級(jí)差都會(huì)對(duì)其調(diào)節(jié)效果產(chǎn)生影響，因此在具體操作中要從電容容量的離散性出發(fā)，掌握系統(tǒng)中存在的不平衡性，如果負(fù)荷變化速度比較快，則電容很容易出現(xiàn)頻繁往返投切，導(dǎo)致其老化速度加快。除此之外，在一些比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中，無(wú)功補(bǔ)償和三相不平衡電流調(diào)節(jié)不能兼顧，因此需要投入電容芯組，而電容芯組的有效應(yīng)用能夠調(diào)節(jié)三相不平衡度，但是不能完成無(wú)功補(bǔ)償和三相不平衡度精細(xì)調(diào)節(jié)與諧波補(bǔ)償。在這種情況下需要利用有源型技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，才能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償和三相不平衡度的精細(xì)調(diào)節(jié)。

3.5 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的有源型補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的有源型補(bǔ)償技術(shù)，基于IGBT技術(shù)，采用類似有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）的主電路結(jié)構(gòu)。如果電容器補(bǔ)償單元無(wú)法滿足不平衡電流的補(bǔ)償要求，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制器可以進(jìn)行智能決策，從負(fù)載較小的相中輸入系統(tǒng)電流，整流形成直流信號(hào)，再輸出合適的PWM開關(guān)信號(hào)控制負(fù)載較大相的IGBT開關(guān)。IGBT模塊接收到信號(hào)后逆變出幅度以及相位能夠調(diào)整的基波電流，從而達(dá)到精細(xì)補(bǔ)償目的。利用IGBT模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)具有良好的連續(xù)性，并且能夠保證時(shí)效性，可以完成無(wú)功補(bǔ)償、三相不平衡度精細(xì)補(bǔ)償。通常情況下，在該模塊應(yīng)用過程中能夠?qū)⑷嗖黄胶舛冉档?%，而功率因數(shù)能夠補(bǔ)償?shù)?.99，有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)三相電流的波形，同時(shí)需要將基波電流的正序波形、負(fù)序波形與零序波形提取出來(lái)。此外，需要充分考慮系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償與三相不平衡要求，可以形成指令，并將指令發(fā)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(fù)載的部分諧波電流。

3.6 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的控制流程

混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)在控制時(shí)，應(yīng)將3種類型的補(bǔ)償技術(shù)執(zhí)行一定順序的邏輯。如圖4所示，獲得監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)之后，因無(wú)源補(bǔ)償技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)，應(yīng)首先執(zhí)行，其次執(zhí)行換相開關(guān)技術(shù)，最后再執(zhí)行有源型補(bǔ)償技術(shù)。這樣可充分發(fā)揮無(wú)源型補(bǔ)償技術(shù)和換相開關(guān)的經(jīng)濟(jì)性，降低投入有源型補(bǔ)償技術(shù)的損耗。

圖4 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的工作流程

4 應(yīng)用實(shí)例

本次測(cè)試在某供電局某公變臺(tái)區(qū)進(jìn)行，如圖5所示，該臺(tái)區(qū)配變?nèi)萘窟m中、負(fù)載率適中、三相不平衡度較高、功率因數(shù)較低、線損大。于2020年5月對(duì)臺(tái)區(qū)實(shí)施改造，在該臺(tái)區(qū)增加混合型用電三相負(fù)荷不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，裝置于2020年9月30日投入運(yùn)行。投運(yùn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比分析，效果明顯，達(dá)到治理效果，本文以2021年6月3日的數(shù)據(jù)進(jìn)行舉例。

圖5 混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

選取負(fù)載用電情況較大的時(shí)間段17:00—21:00比較典型的數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備投入前（負(fù)載電流）和投入后（系統(tǒng)電流）兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，來(lái)體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量問題的治理能力。具體數(shù)據(jù)如表1和表2所示，表1為設(shè)備投入前（負(fù)載電流）的數(shù)據(jù)，表2為投入后（系統(tǒng)電流）的數(shù)據(jù)。

表1 投入前電流及三相不平衡度（負(fù)載電流）

表2 投入后電流及三相不平衡度（系統(tǒng)電流）

可以明顯看出混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)投入前存在一定的三相負(fù)荷不平衡度較大現(xiàn)象，而投入后三相負(fù)荷基本達(dá)到平衡。

5 結(jié) 論

在供電局公變臺(tái)區(qū)安裝混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)后，通過表1和表2中數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)的幾個(gè)顯著效果。一是混合型用電負(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)能夠有效治理配電臺(tái)區(qū)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(fù)荷三相不平衡調(diào)節(jié)技術(shù)運(yùn)行安全穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，設(shè)備免維護(hù)，操作簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

自2020年9月投運(yùn)后，混合型三相負(fù)荷不平衡自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)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(tái)區(qū)的線損節(jié)約了電費(fèi)和能源，提高了設(shè)備運(yùn)行效率，為配電臺(tái)區(qū)的安全運(yùn)行和提高電能質(zhì)量起到了重要的作用。