聶成松

（伊犁師范大學(xué)電子與工程學(xué)院，新疆伊犁835000）

0 引言

我國低壓線路采用三相四線制供電方式，而用戶負載多為單相負載，用戶負載功率不確定、用電時間不確定，導(dǎo)致三相線路上負荷不相等，造成三相負荷不平衡[1-2]。三相負荷不平衡會導(dǎo)致電能質(zhì)量降低、電能損耗增加、末端用戶電壓偏低等問題，影響用戶正常用電[3-4]。隨著居民生活水平的不斷提高，居民用電量日益增大，低壓線路三相負荷不平衡問題愈發(fā)嚴(yán)重，因此國家電網(wǎng)頒布的《國網(wǎng)運檢部關(guān)于開展配電臺區(qū)三相負荷不平衡問題治理工作的通知》（運檢三〔2017〕68號）文件中明確提出要解決三相負荷不平衡問題。

目前，治理三相負荷不平衡問題的方案主要有：人工調(diào)整用戶相線、使用負荷補償裝置進行負荷補償、使用智能換相裝置調(diào)節(jié)用戶相線[5]。人工調(diào)整方案要求人工分析臺區(qū)電網(wǎng)運行狀態(tài)，找出引起不平衡的主要負荷，重新分配其所在相線，調(diào)整周期長、效果差，僅適用于不平衡狀況比較規(guī)律的臺區(qū)。負荷補償方案能較好地平衡變壓器出口側(cè)干路上的電流，并能提供較好的功率因數(shù)補償，但各支路電流仍不平衡。智能換相裝置調(diào)節(jié)方案通過在用戶側(cè)安裝智能換相裝置來治理三相負荷不平衡問題，是一種從源頭上治理三相負荷不平衡問題的方案。智能換相裝置雖然能有效治理三相負荷不平衡問題，但也存在換相時間長、機械壽命有限等問題，針對此問題，不同學(xué)者相繼對換相結(jié)構(gòu)和控制策略進行了優(yōu)化。本文對比了近幾年提出的幾種換相結(jié)構(gòu)和控制策略的優(yōu)缺點，并總結(jié)展望了智能換相裝置未來的研究方向。

1 智能換相裝置簡介

圖1為智能換相裝置安裝示意圖，智能換相裝置包括主控器和換相開關(guān)[1，6]。主控器是控制中心，安裝在變壓器出口側(cè)，可采集變壓器出口側(cè)的干路及各支路電壓、電流數(shù)據(jù)；換相開關(guān)是換相執(zhí)行機構(gòu)，安裝在用戶側(cè)，可采集用戶電壓、電流；主控器與換相開關(guān)之間通過有線或無線通信方式進行通信。

圖1 智能換相裝置安裝示意圖

智能換相裝置基本工作原理：換相開關(guān)將采集的用戶電壓、電流數(shù)據(jù)上傳給主控器，主控器對換相開關(guān)上報的數(shù)據(jù)和自身采集的數(shù)據(jù)進行綜合分析，計算出最優(yōu)換相方案，隨后下發(fā)換相指令到換相開關(guān)，換相開關(guān)接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)的換相操作，調(diào)整用戶用電相線，降低臺區(qū)三相負荷不平衡度。

2 換相結(jié)構(gòu)

執(zhí)行換相操作是智能換相裝置的核心功能，如何實現(xiàn)安全、快速、可靠的換相是需要解決的核心問題。在換相過程中不得中斷用戶供電，不可對用電設(shè)備造成損壞，應(yīng)做到用戶無感。一般家用電器允許的電壓中斷時間在20 ms以內(nèi)，即20 ms以內(nèi)的電壓中斷不影響其正常工作，因此換相開關(guān)必須做到換相時間小于20 ms。在對換相開關(guān)研究的過程中，出現(xiàn)了三種主要的換相結(jié)構(gòu)：純機械式換相結(jié)構(gòu)、電力電子式換相結(jié)構(gòu)、混合式換相結(jié)構(gòu)。

2.1 純機械式換相結(jié)構(gòu)

純機械式換相結(jié)構(gòu)是早期提出的一種換相結(jié)構(gòu)，示意圖如圖2所示，其輸入為三相電壓，輸出為單相電壓，用于選通三相中的某一相。內(nèi)部包含三個機械式繼電器，其中S1、S2為兩進一出磁保持繼電器（換相開關(guān)專用型），其短時耐受電流可達6 kA，足以抵抗短路沖擊；S3為一進一出電磁式繼電器，可分?jǐn)鄶?shù)十安培電流，具有較強的電流分?jǐn)嗄芰Α?/p>

圖2 純機械式換相結(jié)構(gòu)

純機械式換相結(jié)構(gòu)的基本換相過程為先斷開用戶回路，然后切換用戶相線，最后再閉合用戶回路。以從C相切換到A相為例，換相開關(guān)接收到換相命令后持續(xù)檢測電流過零點，檢測到電流過零點后立即分?jǐn)郤3，然后將S2切換到C相，最后持續(xù)檢測C相電壓過零點，在C相電壓過零點時刻閉合S3，換相完成。斷開S3到重新閉合S3期間為用戶失電時間，最長失電時間不超過20 ms。S3的作用是在換相前切斷用戶電流，以保證S1、S2在切換時不發(fā)生相間拉弧。S3分?jǐn)鄷r容易產(chǎn)生拉弧，雖然不會造成相間短路問題，但拉弧產(chǎn)生的高溫會損傷繼電器觸點，減少繼電器使用壽命，因此實際工程中這種結(jié)構(gòu)的換相開關(guān)執(zhí)行換相操作的頻率一般設(shè)置得較低，不平衡治理效果不佳。為解決S3分?jǐn)鄷r的拉弧問題，文獻[7]提出了一種混聯(lián)式換相結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)與圖2類似，但在S3旁邊又并聯(lián)了一個雙向晶閘管，在分?jǐn)郤3前先導(dǎo)通晶閘管，然后分?jǐn)郤3，最后再截止晶閘管，從而避免了機械開關(guān)分?jǐn)嚯娏鲿r的拉弧問題，延長了換相開關(guān)壽命。

2.2 電力電子式換相結(jié)構(gòu)

大部分帶電源轉(zhuǎn)換模塊的家用電器對10～20 ms的掉電不敏感，但部分不帶電源轉(zhuǎn)換模塊的電器對掉電十分敏感，典型的如白熾燈，10～20 ms的掉電所產(chǎn)生的閃爍能被人眼察覺，影響用戶用電。為進一步縮短換相時間，文獻[8]設(shè)計了一種電力電子式換相結(jié)構(gòu)，圖3是電力電子式換相結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 電力電子式換相結(jié)構(gòu)

電力電子式換相結(jié)構(gòu)中使用了雙向晶閘管（也有使用IGBT的）代替純機械式換相方式中的繼電器，具有換相時不拉弧、換相速度快、壽命長等優(yōu)點。配合電流過零檢測技術(shù)和晶閘管過零自動關(guān)斷的特性，該結(jié)構(gòu)換相時間可以縮短到2～3 ms，顯著提高了換相速度。該換相結(jié)構(gòu)也存在嚴(yán)重的缺點：一是電力電子式器件功耗較高，發(fā)熱嚴(yán)重，需配備相應(yīng)的風(fēng)冷或水冷散熱裝置；二是電力電子式器件抗短路沖擊能力弱，用戶負載發(fā)生短路故障時容易被擊穿或燒毀，造成嚴(yán)重后果。因此，該換相結(jié)構(gòu)風(fēng)險較高，難以運用到實際產(chǎn)品中去。

2.3 混合式換相結(jié)構(gòu)

為解決電力電子式換相結(jié)構(gòu)存在的弊端，文獻[9]提出了一種混合式換相結(jié)構(gòu)。圖4為混合式換相結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)在電力電子式換相結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行了改進，在每個雙向晶閘管旁邊又并聯(lián)了一個磁保持繼電器。不進行換相時，三路晶閘管均為截止?fàn)顟B(tài)，某一路繼電器導(dǎo)通維持供電，避免了晶閘管長期通電導(dǎo)致的發(fā)熱問題。晶閘管僅在換相過程中輔助分?jǐn)嘤脩綦娏?，避免拉弧，由于其通電時間很短，因此遇到用戶負載短路的概率也極低。該結(jié)構(gòu)分?jǐn)嚯娏鞯姆绞脚c混聯(lián)式換相結(jié)構(gòu)分?jǐn)嚯娏鞯姆绞较嗤?。在換相過程中，需等待一相晶閘管完全關(guān)閉后再導(dǎo)通另一相晶閘管，失電時長為2～3 ms。

圖4 混合式換相結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)0 ms無縫換相，文獻[10]在混合式換相結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將雙向晶閘管改為兩個可獨立控制的反向并聯(lián)的晶閘管，并優(yōu)化了換相操作流程，實現(xiàn)了等電壓0 ms無縫換相。換相過程中僅存在相位突變，不存在電壓突變和掉電，但換相操作流程復(fù)雜，且對換相的時間精度要求很高。隨著產(chǎn)品的老化，換相時間精度下降后存在安全隱患，因此對產(chǎn)品質(zhì)量提出了很高的要求。混合式換相結(jié)構(gòu)是目前主流的換相結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)的高可靠性0 ms無縫換相技術(shù)是未來研究的重點。

對上述三種換相結(jié)構(gòu)進行比較，如表1所示。

表1 三種換相結(jié)構(gòu)的比較

3 控制策略

控制策略決定了智能換相裝置治理三相負荷不平衡問題的效果，在控制器算力有限、換相開關(guān)機械壽命有限的情況下做出更好的換相決策是控制策略的重點研究方向。

三相負荷不平衡包括三相電壓不平衡、三相電流不平衡、三相相序不平衡，其中三相電流不平衡造成的影響最大，目前的研究也多著重于解決三相電流不平衡問題[11]。在實際工程中，為簡化計算，三相電流不平衡度可采用如下公式進行計算：

式中：βx為X相的不平衡度；Imx為X相的最大電流；Iav為三相平均電流[12]。

由上式可知，要降低三相負荷不平衡度，需使各相電流盡可能接近平均值，因此基本控制策略就是將重載相上的部分負荷切換到輕載相上。理論上換相時間間隔越短，換相頻率越高，所能達到的效果越好，但由于換相開關(guān)機械壽命有限（一般為10萬次左右），因此控制策略中一般不會實時檢測不平衡狀態(tài)，而采用定時檢測的方式檢測三相負荷不平衡狀態(tài)[12]。執(zhí)行換相操作時需盡可能用最少的換相次數(shù)來最大限度地降低三相負荷不平衡度，這也是控制策略研究的出發(fā)點。

文獻[13]提出了一種實時在線控制策略，以不平衡電流最小和換相次數(shù)最少構(gòu)建多目標(biāo)最優(yōu)換相數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進行求解。文獻[14]對不平衡控制策略的約束條件進行了研究，為減少換相次數(shù)并同時保證較好的不平衡治理效果，提出了三條約束條件：變壓器負載率低時可以不進行換相；根據(jù)不平衡類型靈活調(diào)整換相時間窗，優(yōu)化換相時間粒度；減少對大負載的換相操作，延長換相開關(guān)觸點壽命。文獻[12]則將三相電流平均值、相間最大電流差作為起判依據(jù)，當(dāng)三相電流平均值或相間最大電流差低于閾值時不進行換相，并以切換負荷應(yīng)最接近待轉(zhuǎn)移負荷為原則來減少換相次數(shù)。

以上提及的控制策略均為集中型控制策略，即主控器根據(jù)臺區(qū)當(dāng)前用電狀態(tài)分析計算出最優(yōu)換相組合后，下發(fā)控制指令到換相開關(guān)，由換相開關(guān)執(zhí)行換相操作，但當(dāng)通信出現(xiàn)故障時這種方式就失效了。文獻[15]考慮了通信出現(xiàn)故障的情況，提出了分布型控制作為集中型控制的補充，即當(dāng)出現(xiàn)通信故障后，換相開關(guān)將計算用戶電壓偏差，根據(jù)電壓偏差是否滿足《電能質(zhì)量供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）標(biāo)準(zhǔn)來進行換相操作，在一定程度上彌補了發(fā)生通信故障后不能工作的缺陷，但當(dāng)多裝置出現(xiàn)通信故障時，該方法也難以保證治理效果；為避免大電流換相對換相開關(guān)造成損傷，該文獻還提出根據(jù)用戶歷史用電數(shù)據(jù)預(yù)估出用戶低負載時段作為其換相時段，在用戶低負載時進行換相以延長換相開關(guān)使用壽命。

根據(jù)用戶負荷特性曲線，預(yù)測用戶用電規(guī)律，以便更精準(zhǔn)高效地進行換相操作是當(dāng)前和未來的研究熱點。文獻[16]提出的控制策略首先識別出戶相關(guān)系，然后以用戶長時間的負荷特性曲線為基礎(chǔ)，以全局不平衡度最小為目標(biāo)，計算出最優(yōu)換相組合。文獻[17]考慮了智能換相裝置的時滯問題，通過加入NARX自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對智能換相裝置的時滯對應(yīng)時間段內(nèi)（幾分鐘至幾小時）的負荷進行預(yù)測，將預(yù)測出的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)一起用于換相策略，與長時負荷預(yù)測相比減少了運算量，增強了動態(tài)調(diào)節(jié)能力。

對上述幾種控制策略進行比較，如表2所示。實際控制算法中一般會綜合使用多個策略，并進行多目標(biāo)優(yōu)化。

表2 幾種控制策略的比較

4 結(jié)語

本文首先簡要介紹了智能換相裝置，然后分析對比了智能換相裝置的幾種換相結(jié)構(gòu)和控制策略。智能換相裝置優(yōu)點明顯，但在換相結(jié)構(gòu)和控制策略方面仍存在問題，限制了其大規(guī)模普及。在換相結(jié)構(gòu)方面，目前的三種換相結(jié)構(gòu)均存在一定問題，但混合式換相結(jié)構(gòu)最具前景，基于該結(jié)構(gòu)的無縫換相技術(shù)有待進一步優(yōu)化。此外，提出新的換相結(jié)構(gòu)來克服現(xiàn)有換相結(jié)構(gòu)存在的問題也是后續(xù)研究的重要方向。在控制策略方面，仍有優(yōu)化空間，可進一步結(jié)合負荷預(yù)測等技術(shù)手段提高不平衡治理的效率。目前的控制策略均沒有考慮低壓線路拓撲結(jié)構(gòu)對三相負荷不平衡的影響，考慮低壓線路拓撲結(jié)構(gòu)的控制策略可能更適應(yīng)不同臺區(qū)的三相負荷不平衡治理。