蘭州工業(yè)學院 高 迪 范 靜 山西兆光發(fā)電有限責任公司 李海全 中國人民解放軍78156部隊 南康杰

1 引言

我國各地區(qū)電力用戶數(shù)量多、分布分散，再加上地區(qū)負荷特性復(fù)雜，造成了大量單相負荷在時間和空間上的非均衡分布，從而造成了大部分配電臺出現(xiàn)了不同程度的三相負荷不平衡。當配變不對稱運行時，會在配網(wǎng)中形成與之對應(yīng)的零序、負序，這不僅會使變壓器額外損耗增大，對功率輸出有一定的影響，還會使線損增大，使電機轉(zhuǎn)矩減小[1]。此外，由于負序電流的存在，會對電能表計的測量精度產(chǎn)生一定的影響，從而對電力系統(tǒng)帶來一定的經(jīng)濟損失。

2 配電網(wǎng)三相負荷不平衡的影響

在低電壓配電網(wǎng)絡(luò)中，單相負荷所占比重很大，且具有很強的隨機特性，常造成三相負荷不平衡。隨著負荷類型、功率的不斷增長，以及非線性負荷、單相負荷以及沖擊負荷所占比例的不斷提高，三相不平衡問題日益突出，對配電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、可靠運行造成了極大的威脅[2]。低壓配電網(wǎng)三相不平衡的長時間不平衡會導(dǎo)致變壓器出力下降，變壓器損耗增大，電網(wǎng)保護元件誤動作，異步電動機有功功率下降，線路損耗增大，配電網(wǎng)終端“低電壓”等一系列問題。

2.1 對變壓器的危害

配變的功耗分為空載功耗和負荷功耗。在這兩種情況下，空載損失基本上是常數(shù)，而負荷損失是與負荷電流的平方成比例的。在配電網(wǎng)絡(luò)中，由于三相負荷的不平衡，使變壓器的損失增大，并且隨著不平衡程度的增大，額外損失也隨之增大[3]。這種損失不僅會引起變壓器的高溫，而且還會引起變壓器的損壞。因為變壓器的繞組結(jié)構(gòu)是根據(jù)三相對稱運行來進行的，因此，在三相負荷不平衡的情況下（一相重載、兩相輕載或者兩相重載、一相輕載），重載相不可避免地會首先到達設(shè)計的額定容量，而輕載相則會有一定的容量裕度，這就會導(dǎo)致變壓器的出力下降，從而影響到變壓器的工作效率。

2.2 增加線路損耗

在配電網(wǎng)絡(luò)中，線損失與通過導(dǎo)線的電流的平方和線路阻抗成比例。在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，三相負荷是均衡的，三相電流是均衡的，而中性點是零點。該方法不計中性線損失，其損失與變壓器負荷損失的計算方法基本一致。由于三相負荷不平衡時，中性線電流非零值，所以在不平衡情況下，除了三相線損之外，還包含了中性線損，三相負荷不平衡將導(dǎo)致線路損耗增大。在三相四線制下，三相負荷間的不平衡性對線路損耗的增幅有較大的影響：單相負荷較輕，二相負荷較重時，線路損耗增幅較大；在一相負荷輕、一相負荷平均、一相負荷重的條件下，線損上升幅度明顯；在二相負荷輕，一相負荷重的條件下，線損的增長幅度很小。三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線零序線路通常較三相導(dǎo)線較細，在三相負荷不平衡條件下，將產(chǎn)生較大的中性線短路，從而導(dǎo)致中性線短路，進而威脅到整個電力系統(tǒng)的安全。

2.3 降低感應(yīng)電動機輸出有功功率

由于三相負荷的不平衡，導(dǎo)致了三相電壓的不平衡，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，三相電壓的不平衡可分為正序電壓、負序電壓和零序電壓。對于電動機來說，負序電壓成分會形成一個與正序成分相反的旋轉(zhuǎn)磁場，會對電機造成制動，從而導(dǎo)致電機的輸出功率降低。由于正反兩個方向的周期效應(yīng)，使得轉(zhuǎn)矩周期波動，造成電機發(fā)熱、振動，長此以往，會縮短電機的使用壽命。

3 三相不平衡度計算

配電網(wǎng)絡(luò)中三相負荷不平衡的形成原因很多，其中最重要的內(nèi)容是：負荷非對稱接地引起的負荷分布不均勻；負荷用電具有隨機特性，難以確保三相同步工作。

三相電壓不平衡是衡量電力品質(zhì)的一個重要指標，一般表示為負序基波，或正序基波與零序基波之方均根的百分比。在國家標準《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》中規(guī)定，在一般條件下，各等級電網(wǎng)的三相不平衡值不高于2%；在同一聯(lián)接點上，單個客戶造成的三相不平衡值不高于1.3%；三相不平衡值的計算不僅是對三相不平衡進行有效管理的前提，也是對三相不平衡值進行分析和確定的依據(jù)。三相不平衡的計算方法有兩種，一種是國標規(guī)定的三相不平衡；二是用一種近似的算法來求三相不對稱。

3.1 國家標準定義三相不平衡度的計算方法

國標定義的三相不平衡度，用對稱分量法分解得到正序分量、負序分量和零序分量。計算公式為

三相電壓負序不平衡度：

三相電壓零序不平衡度：

IGN 對三相電壓不平衡的一種計算方法，是用三相三線制電網(wǎng)的線路電壓進行計算的，計算表達式為：

3.2 三相不平衡度的近似計算方法

為估算一個單一不均衡負載引起的三相電壓失衡而產(chǎn)生的共同連接點，通常，將公用接頭與電源間的接頭阻抗正、負序阻抗相等，計算式為：

式中：I2為負序電流值；UL為線電壓；Sk為公共連接點的三相短路容量。

國家標準定義的三相不平衡度計算法，按照式（2）和式（3），三相電壓幅值，相位的測量，再由對稱分量求出正負序及零序。由于該方法的計算比較煩瑣，而且其輸出電壓的幅值及相位不易測定，所以在實際應(yīng)用中并不多見。CIGRE 的定義可以通過只用線電的量值來計算三相不平衡，并且其結(jié)果和國家標準的定義的數(shù)值一樣。

4 負荷相序平衡法

4.1 人工換相

人工換相指的是在對人工測量或系統(tǒng)采集的運行數(shù)據(jù)進行分析后，用試錯的方法再次將三相負載在低壓線路上換相，達到負載平衡，從而減少三相不平衡度。

人工換相的方式以手工操作為主，所以費用比較便宜，但在換相之前要進行大量的數(shù)據(jù)處理，這就要求工作人員有很高的專業(yè)的操作經(jīng)驗。由于電力系統(tǒng)負荷的隨機、不確定，且無法通過人為手段實現(xiàn)對真實負荷不平衡狀態(tài)的實時、動態(tài)調(diào)節(jié)，故僅能緩解三相負荷不平衡，而很難實現(xiàn)良好的均衡。

4.2 自動換相

根據(jù)負載信息和電網(wǎng)參數(shù)，自動換相技術(shù)，以平衡三相電流，改善電壓分布，減少有功損耗，增加線路容量等為目的或約束，采用最優(yōu)方法求解出最優(yōu)的換相控制方案，實現(xiàn)三相負荷的自動換相，進而降低三相負荷的不平衡程度。自動換相控制室的作用是收集三相電流，計算三相不平衡度，對負荷均衡狀況的判斷，以及與逆變開關(guān)的通訊，來獲取線上的負荷狀況，并實施換相控制策略，這樣就可以控制換流器的自動開關(guān)相位順序。自動切換裝置將測量到的負載電流，電壓，以及切換狀態(tài)等信息，通過有功線路載體，傳輸?shù)娇刂蒲b置，并從控制室那里得到指令，這樣就能實現(xiàn)負載相序的自動轉(zhuǎn)換，降低三相不平衡，提高電力質(zhì)量。 自動換相系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動換相系統(tǒng)

實現(xiàn)三相負荷的實時調(diào)節(jié)，克服了手動換相的缺點。

5 配網(wǎng)重構(gòu)法

配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)是一種重要的優(yōu)化模式，該方法根據(jù)負荷預(yù)測結(jié)果，根據(jù)負荷的變化情況，通過調(diào)整聯(lián)接開關(guān)和分接開關(guān)的斷開狀態(tài)，從而使整個系統(tǒng)的拓撲發(fā)生變化。該方法既能使負載在每條線路、每一臺變壓器上均布，又能使負載平衡，又能減少網(wǎng)損，改善電力質(zhì)量。

配網(wǎng)重組可通過負荷轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對負壓的有效均衡，但其本質(zhì)是一種以提高電網(wǎng)潮流分配、降低網(wǎng)損為目的的多目標優(yōu)化。在運行過程中，同步進行開關(guān)與線路轉(zhuǎn)換，會造成開關(guān)元件的損失，并存在著一定的斷電危險。

6 三相負荷不平衡的治理措施

6.1 用管理手段來降低不平衡度

強化對配電變壓器的日常管理，及時跟蹤、檢測三相電流不平衡，當負荷不平衡程度較大時，應(yīng)調(diào)整線路所載負載的分布比例。此外，為防止中性線燒斷會導(dǎo)致中性線的電力損失增加，還可以將中性線的橫斷面增大到與相線斷面相近或相同的程度。

6.2 負荷相序平衡法

負荷相序平衡方法是指在不改變原配網(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，使用手工換相或使用自動換相裝置，將不平衡的負荷均勻地分布在每一相位上，以降低三相負荷的不平衡程度。負荷相序平衡能從根源上消除三相不平衡，減少線損，且設(shè)備造價低廉，在解決三相不平衡問題方面有著廣泛的應(yīng)用。

6.3 相序平衡的優(yōu)化算法

在電力系統(tǒng)中，利用電力系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)，對其進行建模，找出最優(yōu)的電力系統(tǒng)控制策略。在低壓配電系統(tǒng)中，只要監(jiān)測到每一個用戶的負荷狀況，并將其置入適當?shù)南辔?，就可以達到三相負荷的均衡。以上的算法，主要是以三相負荷不平衡度、網(wǎng)絡(luò)線損、換相次數(shù)等作為目標函數(shù)或約束條件，以負荷所在相別、負荷大小和負荷的空間位置等信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于最優(yōu)解的電力系統(tǒng)負荷分配方法，并采用一種新的電力系統(tǒng)負荷分配方法，實現(xiàn)了電力系統(tǒng)三相負荷分配。

6.4 兩種技術(shù)方案的特性對比

負荷補償可在不改變配網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運行模式的前提下，迅速、有效地消除低壓配網(wǎng)三相負荷不平衡，并具有無功補償、諧波抑制等作用，適用于中高壓場合，是當前三相負荷不平衡的重要方法。然而，由于負荷補償設(shè)備價格昂貴，維護費用高，對維修人員的技術(shù)水平有較高的要求，使得該設(shè)備不能在低電壓配電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，特別是在城鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)建筑中的家庭供電。負荷的相序平衡就是指從負荷的觀點出發(fā)，實現(xiàn)三相負荷的平衡。本文主要研究了一種基于數(shù)學方法的低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的負荷分布問題，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的負荷分布算法。該方法費用低廉，操作簡便，能在一定程度上減少線路損耗，改善系統(tǒng)的經(jīng)濟性能，從而從根本上解決低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的三相負荷不平衡問題。

7 結(jié)語

在新能源、信息和電力電子等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，配電網(wǎng)中的電力質(zhì)量和供電可靠度問題日趨嚴重。三相不平衡現(xiàn)象是一種對電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)有很大影響的現(xiàn)象，是由三相不平衡引起的。在配電網(wǎng)絡(luò)中，由于三相負荷的不均勻性，這將引起三相電壓不平衡，引起線損增大，變壓器輸出功率降低，并嚴重影響用電設(shè)備的正常運行。如何有效控制三相負荷不平衡，是提升配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定、改善配電系統(tǒng)電能品質(zhì)的重要課題。