蘭州工業(yè)學(xué)院 高 迪 范 靜 山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司 李海全 中國(guó)人民解放軍78156部隊(duì) 南康杰

1 引言

我國(guó)各地區(qū)電力用戶數(shù)量多、分布分散，再加上地區(qū)負(fù)荷特性復(fù)雜，造成了大量單相負(fù)荷在時(shí)間和空間上的非均衡分布，從而造成了大部分配電臺(tái)出現(xiàn)了不同程度的三相負(fù)荷不平衡。當(dāng)配變不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，會(huì)在配網(wǎng)中形成與之對(duì)應(yīng)的零序、負(fù)序，這不僅會(huì)使變壓器額外損耗增大，對(duì)功率輸出有一定的影響，還會(huì)使線損增大，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩減小[1]。此外，由于負(fù)序電流的存在，會(huì)對(duì)電能表計(jì)的測(cè)量精度產(chǎn)生一定的影響，從而對(duì)電力系統(tǒng)帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2 配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡的影響

在低電壓配電網(wǎng)絡(luò)中，單相負(fù)荷所占比重很大，且具有很強(qiáng)的隨機(jī)特性，常造成三相負(fù)荷不平衡。隨著負(fù)荷類型、功率的不斷增長(zhǎng)，以及非線性負(fù)荷、單相負(fù)荷以及沖擊負(fù)荷所占比例的不斷提高，三相不平衡問題日益突出，對(duì)配電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行造成了極大的威脅[2]。低壓配電網(wǎng)三相不平衡的長(zhǎng)時(shí)間不平衡會(huì)導(dǎo)致變壓器出力下降，變壓器損耗增大，電網(wǎng)保護(hù)元件誤動(dòng)作，異步電動(dòng)機(jī)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(duì)變壓器的危害

配變的功耗分為空載功耗和負(fù)荷功耗。在這兩種情況下，空載損失基本上是常數(shù)，而負(fù)荷損失是與負(fù)荷電流的平方成比例的。在配電網(wǎng)絡(luò)中，由于三相負(fù)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(huì)引起變壓器的高溫，而且還會(huì)引起變壓器的損壞。因?yàn)樽儔浩鞯睦@組結(jié)構(gòu)是根據(jù)三相對(duì)稱運(yùn)行來進(jìn)行的，因此，在三相負(fù)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(huì)首先到達(dá)設(shè)計(jì)的額定容量，而輕載相則會(huì)有一定的容量裕度，這就會(huì)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(fù)荷是均衡的，三相電流是均衡的，而中性點(diǎn)是零點(diǎn)。該方法不計(jì)中性線損失，其損失與變壓器負(fù)荷損失的計(jì)算方法基本一致。由于三相負(fù)荷不平衡時(shí)，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(fù)荷不平衡將導(dǎo)致線路損耗增大。在三相四線制下，三相負(fù)荷間的不平衡性對(duì)線路損耗的增幅有較大的影響：?jiǎn)蜗嘭?fù)荷較輕，二相負(fù)荷較重時(shí)，線路損耗增幅較大；在一相負(fù)荷輕、一相負(fù)荷平均、一相負(fù)荷重的條件下，線損上升幅度明顯；在二相負(fù)荷輕，一相負(fù)荷重的條件下，線損的增長(zhǎng)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(xì)，在三相負(fù)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(jìn)而威脅到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全。

2.3 降低感應(yīng)電動(dòng)機(jī)輸出有功功率

由于三相負(fù)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(fù)序電壓和零序電壓。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來說，負(fù)序電壓成分會(huì)形成一個(gè)與正序成分相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，會(huì)對(duì)電機(jī)造成制動(dòng)，從而導(dǎo)致電機(jī)的輸出功率降低。由于正反兩個(gè)方向的周期效應(yīng)，使得轉(zhuǎn)矩周期波動(dòng)，造成電機(jī)發(fā)熱、振動(dòng)，長(zhǎng)此以往，會(huì)縮短電機(jī)的使用壽命。

3 三相不平衡度計(jì)算

配電網(wǎng)絡(luò)中三相負(fù)荷不平衡的形成原因很多，其中最重要的內(nèi)容是：負(fù)荷非對(duì)稱接地引起的負(fù)荷分布不均勻；負(fù)荷用電具有隨機(jī)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(gè)重要指標(biāo)，一般表示為負(fù)序基波，或正序基波與零序基波之方均根的百分比。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《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(jí)電網(wǎng)的三相不平衡值不高于2%；在同一聯(lián)接點(diǎn)上，單個(gè)客戶造成的三相不平衡值不高于1.3%；三相不平衡值的計(jì)算不僅是對(duì)三相不平衡進(jìn)行有效管理的前提，也是對(duì)三相不平衡值進(jìn)行分析和確定的依據(jù)。三相不平衡的計(jì)算方法有兩種，一種是國(guó)標(biāo)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(duì)稱。

3.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義三相不平衡度的計(jì)算方法

國(guó)標(biāo)定義的三相不平衡度，用對(duì)稱分量法分解得到正序分量、負(fù)序分量和零序分量。計(jì)算公式為

三相電壓負(fù)序不平衡度：

三相電壓零序不平衡度：

IGN 對(duì)三相電壓不平衡的一種計(jì)算方法，是用三相三線制電網(wǎng)的線路電壓進(jìn)行計(jì)算的，計(jì)算表達(dá)式為：

3.2 三相不平衡度的近似計(jì)算方法

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

式中：I2為負(fù)序電流值；UL為線電壓；Sk為公共連接點(diǎn)的三相短路容量。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)定義的三相不平衡度計(jì)算法，按照式（2）和式（3），三相電壓幅值，相位的測(cè)量，再由對(duì)稱分量求出正負(fù)序及零序。由于該方法的計(jì)算比較煩瑣，而且其輸出電壓的幅值及相位不易測(cè)定，所以在實(shí)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(jì)算三相不平衡，并且其結(jié)果和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的定義的數(shù)值一樣。

4 負(fù)荷相序平衡法

4.1 人工換相

人工換相指的是在對(duì)人工測(cè)量或系統(tǒng)采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，用試錯(cuò)的方法再次將三相負(fù)載在低壓線路上換相，達(dá)到負(fù)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(fèi)用比較便宜，但在換相之前要進(jìn)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(yàn)。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷的隨機(jī)、不確定，且無法通過人為手段實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)負(fù)荷不平衡狀態(tài)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，故僅能緩解三相負(fù)荷不平衡，而很難實(shí)現(xiàn)良好的均衡。

4.2 自動(dòng)換相

根據(jù)負(fù)載信息和電網(wǎng)參數(shù)，自動(dòng)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(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的自動(dòng)換相，進(jìn)而降低三相負(fù)荷的不平衡程度。自動(dòng)換相控制室的作用是收集三相電流，計(jì)算三相不平衡度，對(duì)負(fù)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(fù)荷狀況，并實(shí)施換相控制策略，這樣就可以控制換流器的自動(dòng)開關(guān)相位順序。自動(dòng)切換裝置將測(cè)量到的負(fù)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(shí)現(xiàn)負(fù)載相序的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，降低三相不平衡，提高電力質(zhì)量。 自動(dòng)換相系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)換相系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，克服了手動(dòng)換相的缺點(diǎn)。

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(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果，根據(jù)負(fù)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(gè)系統(tǒng)的拓?fù)浒l(fā)生變化。該方法既能使負(fù)載在每條線路、每一臺(tái)變壓器上均布，又能使負(fù)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(fù)荷轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)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(biāo)優(yōu)化。在運(yùn)行過程中，同步進(jìn)行開關(guān)與線路轉(zhuǎn)換，會(huì)造成開關(guān)元件的損失，并存在著一定的斷電危險(xiǎn)。

6 三相負(fù)荷不平衡的治理措施

6.1 用管理手段來降低不平衡度

強(qiáng)化對(duì)配電變壓器的日常管理，及時(shí)跟蹤、檢測(cè)三相電流不平衡，當(dāng)負(fù)荷不平衡程度較大時(shí)，應(yīng)調(diào)整線路所載負(fù)載的分布比例。此外，為防止中性線燒斷會(huì)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(fù)荷相序平衡法

負(fù)荷相序平衡方法是指在不改變?cè)渚W(wǎng)結(jié)構(gòu)的情況下，使用手工換相或使用自動(dòng)換相裝置，將不平衡的負(fù)荷均勻地分布在每一相位上，以降低三相負(fù)荷的不平衡程度。負(fù)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(jià)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(duì)其進(jìn)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(cè)到每一個(gè)用戶的負(fù)荷狀況，并將其置入適當(dāng)?shù)南辔?，就可以達(dá)到三相負(fù)荷的均衡。以上的算法，主要是以三相負(fù)荷不平衡度、網(wǎng)絡(luò)線損、換相次數(shù)等作為目標(biāo)函數(shù)或約束條件，以負(fù)荷所在相別、負(fù)荷大小和負(fù)荷的空間位置等信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)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(fù)荷分配方法，并采用一種新的電力系統(tǒng)負(fù)荷分配方法，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)三相負(fù)荷分配。

6.4 兩種技術(shù)方案的特性對(duì)比

負(fù)荷補(bǔ)償可在不改變配網(wǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行模式的前提下，迅速、有效地消除低壓配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡，并具有無功補(bǔ)償、諧波抑制等作用，適用于中高壓場(chǎng)合，是當(dāng)前三相負(fù)荷不平衡的重要方法。然而，由于負(fù)荷補(bǔ)償設(shè)備價(jià)格昂貴，維護(hù)費(fèi)用高，對(duì)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(fù)荷的相序平衡就是指從負(fù)荷的觀點(diǎn)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)荷的平衡。本文主要研究了一種基于數(shù)學(xué)方法的低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)荷分布問題，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的負(fù)荷分布算法。該方法費(fèi)用低廉，操作簡(jiǎn)便，能在一定程度上減少線路損耗，改善系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，從而從根本上解決低壓配電網(wǎng)絡(luò)中的三相負(fù)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(yán)重。三相不平衡現(xiàn)象是一種對(duì)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(fù)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(yán)重影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。如何有效控制三相負(fù)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。