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配电网三相不平衡原因分析及治理系统仿真研究

范文

刘晓宇

摘要：三相不平衡问题是引起配电网电能质量下降的主因之一。介绍三相不平衡度计算方法，剖析配电网三相不平衡原因及其危害，设计一种基于不平衡电路应用换相开关的治理原理图，使用MATLAB软件对配网三相不平衡状态进行仿真设计。仿真分析表明，原相电压较低的负荷相可通过补偿使其负荷相电压达到允许范围，从而实现低压配电网的平衡运行。

关键词：配电网;三相不平衡;电能质量;换相;治理系统;仿真

随着工业和科技的进步，各行业用电量需求较大，并对电能质量提出了更高要求。作为衡量电能质量的基础指标，三相不平衡分為三相电压不平衡和三相电流不平衡，其中，三相电压不平衡是指三相电压相位差不等于120 °，或电压幅值不一致，或存在组合问题。电力系统公共接线点的电压不平衡度限值为负序电压不平衡允许值不大于2%，短时小于4%。供电企业常使用三相电压不平衡、电压暂降、波动与闪变、频率偏差、谐波等指标作为电能质量的表征参数，其中，三相不平衡作为衡量配电网电能质量好坏的重要指标，常常因为它而引起其他指标的异常。目前，配电网系统正常工作是以三相平衡为基础的，对电网中三相不平衡问题的治理成为重要研究方向。

1 配电网三相不平衡分析

任何电网系统均具有对称性和不对称性。对称是指各相位之间的电位相等，相位之间的夹角呈等差序列。系统平衡是指系统功率的瞬时值是否随时间变化。在电力系统中，三相不平衡是指配电网中三相电压/电流幅值不同或相位差不为120 °。现设定一个三相平衡系统，其线路中的负荷大小相等，取负荷功率为 P，基础相为A（即UA=0 °，UB=120 °，UC=-120 °），则该三相系统模拟图见图1。

如果此时该系统的A相增加一个大小为 R 的负荷，即通过改变相负载引起该系统的不平衡，则不平衡系统模拟图见图2。

由此可见，当配电网三相系统处于平衡状态运行时，若其中某相的负载因不确定因素而突然增加，则会导致配网系统的不平衡。在电网实际工作情况下，系统中的用电负荷大多为单相负荷。当大功率单向负载无规律、不定时接入时，就会导致不平衡情况的经常发生。

2 三相不平衡度计算方法

国内外配电网系统三相电能质量的不平衡情况常用不平衡度来表征。低压配电网三相系统的电能质量不平衡程度称为三相不平衡度，其计算公式为电压或电流的负序分量均方根与正序分量均方根比值，分别用i和u表示电流和电压不平衡度的符号。

2.1 三相电压不平衡度计算

计算公式为电网电压的负序分量有效值与电压的正序分量有效值之比，即：

式中，U2表示三相电压负序分量的均方根有效值，U1表示三相电压正序分量的均方根有效值。需要注意的是，应用该公式计算三相电压不平衡度时，要首先获知电压负序分量和正序分量的有效值。

2.2 三相电流不平衡度计算

总体来看，三相电流不平衡度计算相对简单，故在电网实际计算中常被应用。配电网系统的电流不平衡度有两种常用计算表达式：

3 三相不平衡的成因及危害

造成低压配电网三相不平衡的原因在于：一是负荷分配不合理，即负荷相序分布不平衡。很多工作人员在装表接电的时候，因为缺乏三相负荷平衡方面的专业知识，不了解电网现有负荷相序分布情况，在接入负荷入网时未进行电网规划，而是将负荷随机接入电网中的某相且盲目地接电荷装表于电路中。二是外在环境引起用电负荷变化导致某区域用电负荷不稳。外在环境变化包括该地区常出现移表、拆迁或用户增加，以及季节性用电和临时用电带来的不稳定性，实际上是用电负荷在总量和时间上的不确定和不集中变化导致系统三相不平衡。三是大功率负荷不定时投入和退出导致单相负荷过大。随着大功率设备不断使用且无规律地投入电网，不可避免地导致单相负荷过大，从而引起三相不平衡。四是偷电、断线、区域负荷分配不均等也会引起配电网系统三相不平衡。

三相不平衡的危害主要体现在：一是减小变压器输出功率。在低压配电网中，变压器外部结构及内部绕组的设计主要参考其对应的负荷等级，变压器输出功率主要取决于额定容量。在三相平衡配电网电路中，每相负荷近似相同，因此，各相大致相同的额定容量会合理地调控变压器输出功率。若出现三相不平衡现象，则负荷较低一相会因存在剩余容量而对变压器的输出功率造成影响，从而导致变压器输出功率变小。二是产生零序电流。出现三相不平衡现象时会产生零序电流，且不平衡程度越高零序电流越大。若零序电流在配电变压器中运行，则零序磁通会在其铁心内部产生。三是变压器的功率损耗增加。作为低压配电网系统的主要供电设备，在三相负荷不平衡情况下运行会引起功率损耗的增加。四是影响电力设备的安全运行使用。若在电压不稳的情况下供电，则容易损坏连接到高电压的电气设备。若电压过低，则连接用户的电气设备可能无法正常使用。

4 用于配电网三相治理的自动换相装置设计与仿真

4.1 自动换相装置工作原理

应用光伏电源并网对配电网三相不平衡电路进行治理时，需要在不平衡电路中接入一个判断故障相（某相电压与其他两相电压相比不同），可像开关一样将光伏电源接入故障相并对其进行电压补偿，且不接入其他正常相的一个自动装置。

在配电网三相不平衡条件下，设计一种用于负荷相治理的三相不平衡治理装置。该装置能够方便快捷地找出故障相，并自动接入调节系统负载相序。其主要部件由控制器和自动开关组成，其中，控制器通过控制元件中的信息传送端将执行操作指令发送到换向开关，自动换相开关接到指令后开始执行指令，对用户负载的相位序列进行调整，使相电压较低的负载能够通过重新分配而得到补偿，进而使整个三相系统处于正常的工作范围内。鉴于换相开关运行时会不可避免地引起正常系统中运行的电气设备瞬时性断电，因此，需要进一步研究如何缩短换相开关运行过程中电气设备的瞬时断电时间。对于那些配电网系统节点上对电流变化不敏感的电气设备，可允许关机时间以毫秒为单位并使用自动换相装置来调节其不平衡负载。

4.2 自动换向开关仿真设计

通过比对元件库的各控制元件功能及查阅相关资料，获取了自动换相开关所需的各种仿真元件。现利用MATLAB的SIMULINK功能对自动换相开关装置进行仿真，仿真图见图3。

搭建该电路所需的元件包括示波器元件、三相负载元件、补偿装置模型、电压/电流检测装置，功率有效值计算元件、功率检测开关、负荷转换补偿模块等。在自动换相装置工作过程中，应先使用电压/电流检测模块对三相电路的每一相电压和电流进行测量，随后将数据送至功率有效值计算模块中，求出每一相的功率数据有效值。接下来，将计算所得的功率数据传输到功率检测开关中，与设定的阈值进行比较。若三相功率中有小于该阈值的相，则可将三相负载接到负荷转换补偿模块中，并对三相负荷进行重新调整和分配，使三相电路达到负载平衡。

自动换相开关仿真功能的实现是利用自动负荷调节装置的测量电路对三相不平衡电网情况进行实时监测，并将信息传输到监控终端，终端再根据收到的信息下达调控指令，通过换相开关可把负荷较高相上的负荷调整到负荷相对较低的相上，使其不平衡电路每相负载达到平衡，保障系统可以正常工作。仿真效果见图4。

通过三相不平衡治理前后的波形图对比验证，本仿真系统可实现对不平衡电网调节过程的动态仿真。

5结论

以负荷自动换相装置为基础，对电网三相不平衡问题进行治理。设计一种用于负荷相治理的三相不平衡治理装置，采用MATLAB软件对配网三相不平衡状态进行仿真设计。仿真分析表明，原相电压较低的负荷相可通过补偿使其负荷相电压达到允许范围，从而实现低压配电网的平衡运行。

参考文献

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[2] 王志伟.低压配电网三相不平衡监测装置的设计与实现[D].太原：太原理工大学， 2015.

[3] 王毅超.变电站所用电三相电压不平衡原因及消除策略[J].上海电力学院学报，2015（B05）：105-108.

[4] 张峰，卢敏波.基于10kV母线三相电压不平衡的分析[J].电子技术与软件工程，2017（2）：248-249.

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