三相負(fù)荷不平衡對配變出口電壓影響的仿真分析

唐澤洋，王 濤，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鯤鵬

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

三相負(fù)荷不平衡對配變出口電壓影響的仿真分析

唐澤洋，王 濤，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鯤鵬

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

為研究三相負(fù)荷不平衡對配變出口電壓的影響，通過建立ATP-EMTP仿真模型，研究了不同負(fù)荷參數(shù)下配變出口電壓。仿真結(jié)果表明：配變出口三相電壓同時(shí)受負(fù)荷有功和無功功率的影響，三相負(fù)荷不平衡時(shí)，會(huì)導(dǎo)致配變出口三相電壓不平衡，但配變出口三相電壓并不一定表現(xiàn)為負(fù)荷重的一相電壓低、負(fù)荷輕的一相電壓高，仿真和實(shí)測結(jié)果吻合。三相負(fù)荷不平衡時(shí)，理論上配變高壓側(cè)三相電壓存在6種大小關(guān)系。

三相負(fù)荷；不平衡；配變出口電壓；無功功率；ATP-EMTP仿真模型

0 引言

配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡時(shí)，一方面由于低壓側(cè)為三相四線制，中性線上會(huì)有不平衡電流流過，變壓器處于不對稱運(yùn)行狀態(tài)，變壓器損耗增大，線路損耗也會(huì)增大[1-2]。已有一些研究者提出了三相負(fù)荷不平衡的若干治理措施，包括人工離線調(diào)整負(fù)荷[3]、安裝補(bǔ)償裝置[4]、基于快速選相的三相負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)[5]、在線自動(dòng)換相[6]、三相負(fù)荷不平衡實(shí)時(shí)在線治理[7-8]、安裝換相開關(guān)[9]等方法。另一面三相負(fù)荷不平衡會(huì)導(dǎo)致三相電壓不平衡，也有一些研究者開展了相關(guān)研究，尹繼明[10]從結(jié)構(gòu)性、功能性和故障性因素方面研究了配變?nèi)嚯妷翰黄胶猓X少鋒等[11]通過對稱分量法分析了不平衡負(fù)載對繞組接線形式為yyn0的變壓器的影響，周揚(yáng)等[12]研究了三相負(fù)荷不平衡對低壓側(cè)電壓的影響，但其分析的是負(fù)荷側(cè)中性點(diǎn)的偏移，并未研究配變高壓側(cè)中性點(diǎn)的偏移，研究結(jié)論并未反映三相負(fù)荷不平衡對配變出口電壓的影響，且只考慮了三相有功功率，并未考慮無功功率對三相電壓的影響。因此，很多研究者認(rèn)為三相負(fù)荷不平衡時(shí)，負(fù)荷重的一相電壓一定低，負(fù)荷輕的一相電壓高，但根據(jù)PMS配網(wǎng)運(yùn)維管控模塊的數(shù)據(jù)顯示，某臺區(qū)三相有功功率中A相最大為28.5 kW，但A相出口電壓不是最低。為解釋這種現(xiàn)象，本文建立了ATP-EMTP仿真模型，研究了不同負(fù)荷參數(shù)下的配變出口電壓，并對三相負(fù)荷不平衡狀態(tài)下，配變出口三相電壓可能存在的大小關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)。

1 仿真模型介紹

如圖1所示，建立ATP-EMTP仿真模型研究三相不平衡負(fù)荷對配變出口電壓的影響，模型中包含電源、變壓器、負(fù)荷、低壓線路及中性線，忽略了電源至變壓器的線路，負(fù)荷采用集中負(fù)荷形式。

圖1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1）電源參數(shù)

將10 kV線路外部電路等效為1個(gè)電源，電源的單相交流幅值為

2）變壓器參數(shù)

仿真模型中配電變壓器采用S11型變壓器，其中繞組的接線形式為yyn0接法，原邊和副邊的變比為10/0.4，10 kV配電線路額定電壓UN為10 kV，頻率 f為50 Hz，當(dāng)變壓器容量 SN為100 kV·A，變壓器的短路阻抗百分?jǐn)?shù)Us為4%時(shí)，可以計(jì)算出折算到高壓側(cè)的電抗為

折算到高壓側(cè)的繞組電感值為

變壓器勵(lì)磁電阻Rm取1 000 Ω，零序勵(lì)磁電阻R0取2 Ω，配變檔位設(shè)置為9.5 kV檔。

3）負(fù)荷參數(shù)

仿真模型中通過1個(gè)電阻RLoad和1個(gè)電感LLoad并聯(lián)來模擬負(fù)荷，負(fù)荷電壓ULoad為220 V，以負(fù)荷的有功功率P=10 kW、負(fù)荷的無功功率Q=4.8 kVar為例，計(jì)算公式如下

4）線路參數(shù)

低壓線路和中性線導(dǎo)線型號為LGJ-150，長度為0.5 km，單位長度的電阻為0.21 Ω/km，單位長度的電抗為0.39 Ω/km。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 負(fù)荷影響

為研究負(fù)荷對配變出口電壓的影響，如表1所示采用了5組負(fù)荷參數(shù)進(jìn)行仿真。其中參數(shù)組1的三相有功和無功功率均相同；參數(shù)組2的三相有功功率相同，無功功率不同；參數(shù)組3～4的三相有功和無功功率均不同；參數(shù)組5的無功功率相同，有功功率不同。

表1 仿真模型中的負(fù)荷參數(shù)Table 1 Load parameters in simulation model

當(dāng)變壓器繞組接線形式為yyn0時(shí)，不同負(fù)荷參數(shù)下的仿真結(jié)果如表2所示。從仿真結(jié)果可以看出，參數(shù)組1中三相負(fù)荷的有功和無功功率均相同，配變出口電壓對稱，三相電壓均為218.2 V，此時(shí)配變高壓側(cè)中性點(diǎn)不偏移；參數(shù)組2中三相負(fù)荷有功功率相同，無功功率不同，配變出口電壓不對稱，其中B相電壓最低為218.7 V，C相電壓最高為241.7 V，配變高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓為283.9 V，滯后電源A相電壓45.7°，對比參數(shù)1、2和5的仿真結(jié)果可知，配變出口電壓不僅受負(fù)荷有功功率影響，也受負(fù)荷無功功率影響。

對比參數(shù)組3和4，可看出兩組參數(shù)的有功功率相同，B相有功功率最大為28.5 kW，A相有功功率最小為10.4 kW；兩組參數(shù)無功功率不同。對比兩組參數(shù)的仿真結(jié)果，參數(shù)組3配變出口電壓B相電壓最低為213.4 V，A相電壓最高為258.6 V，配變高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓為537.1 V，滯后電源A相電壓163.4°；參數(shù)組4配變出口電壓A相電壓最高為244.9 V，C相電壓最低為210.8 V，配變高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓為189.6 V，滯后A相電壓191.5°。兩組參數(shù)的視在功率均是B相最大，A相最小，從以上分析可知，三相負(fù)荷不平衡時(shí)，對配變出口電壓而言，不一定是功率最大的一相電壓最低，功率最小的一相電壓最高。

表2 不同負(fù)荷參數(shù)下的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results under different load parameters

從參數(shù)組4的仿真結(jié)果可以看出配變出口電壓C相電壓最低為210.8 V，A相電壓最高為244.9 V，配變高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓為189.6 V，滯后A相電壓191.5°。如表3所示，對比參數(shù)組4仿真結(jié)果和和某臺區(qū)實(shí)測結(jié)果，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合，可以很好地解釋有功功率最大但電壓不是最低的現(xiàn)象。

表3 仿真結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)的對比Tab.3 Comparison of simulation results and measured data

2.2 配變高壓側(cè)中性點(diǎn)偏移位置分析

根據(jù)參數(shù)組3～4仿真結(jié)果中的中性點(diǎn)電壓滯后A相電壓的角度，繪制配變高壓側(cè)中性點(diǎn)偏移后的位置，如圖2所示。

圖2 配變高壓側(cè)中性點(diǎn)偏移示意圖Fig.2 Schematic diagram of neutral point deviation of transformer’s high voltage side

根據(jù)上述分析，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，可以將配變高壓側(cè)中性點(diǎn)偏移的位置劃分為D1～D6這6個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間內(nèi)配變高壓側(cè)三相電壓的大小關(guān)系均不一樣，6個(gè)區(qū)間配變高壓側(cè)三相電壓大小關(guān)系如表4所示。

表4 不同區(qū)間配變出口三相電壓大小關(guān)系Tab.4 The relationship of transformer’s outlet three phase voltage in different intervals

2.3 繞組接線形式

當(dāng)變壓器繞組接線形式為Dyn11接法時(shí)，不同負(fù)荷參數(shù)下的仿真結(jié)果如表5所示。可以看出當(dāng)配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡時(shí)，配變出口三相電壓仍然不平衡，對比變壓器繞組接線形式為yyn0接法的仿真結(jié)果。對于參數(shù)組3，Dyn11接法時(shí)配變出口三相電壓差值最大為8.2 V，而yyn0接法時(shí)配變出口三相電壓差值最大為45.2 V，這表明當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，Dyn11接法的變壓器更加有利于配變出口三相電壓的平衡。

表5 變壓器繞組接線形式為Dyn11和yyn0仿真結(jié)果對比Tab.5 Comparison of simulation results when transformer winding is Dyn11 and yyn0

3 結(jié)論

通過建立ATP-EMTP仿真模型，研究了負(fù)荷對配變出口電壓的影響，可以得到如下結(jié)論：

1）仿真結(jié)果表明，當(dāng)配變繞組接線形式為yyn0時(shí)，三相負(fù)荷不平衡會(huì)造成配變出口三相電壓的不平衡，三相電壓的大小情況與三相負(fù)荷的有功和無功功率均有關(guān)，并不一定表現(xiàn)為負(fù)荷重的一相電壓低、負(fù)荷輕的一相電壓高。

2）對比仿真和實(shí)測結(jié)果，兩者結(jié)果吻合，可以很好的解釋實(shí)測中發(fā)現(xiàn)的某相有功功率最大，但電壓不是最低的現(xiàn)象。

3）三相負(fù)荷不平衡時(shí)，理論上配變高壓側(cè)中性點(diǎn)偏移位置有6種可能性，對應(yīng)了6種配變高壓側(cè)三相電壓的大小關(guān)系。

4）配變繞組采用Dyn11接法時(shí)，有利于配變出口三相電壓的平衡。

（References）

[1] 王彪,鄭濤,倪斌,等.計(jì)及三相負(fù)荷不平衡的農(nóng)村低壓配電網(wǎng)理論線損計(jì)算[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(1)：81-85.WANG Biao,ZHENG Tao,NI Bin,et al.Theoretical line loss calculation of rural low-voltage distribution networks considering unbalanced three-phase loads[J].Journal of Electric Power Science and Technology,2013,28(1)：81-85.

[2] 蔣浩,王淼.三相負(fù)荷不平衡對低壓網(wǎng)損影響的分析[J].供用電,2008,25(3)：68-70.JIANG Hao,WANG Miao.Analysis on the influence of unbalanced three-phase loads on LV line loss[J].Distribution and Utilization,2008,25(3)：68-70.

[3] 張明,謝珊珊,羅云峰.低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡優(yōu)化模型的研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,38(1)：59-62.ZHANG Ming,XIE Shanshan,LUO Yunfeng.Optimization model of the three-phase load imbalance in low voltage distribution network[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2015,38(1)：59-62.

[4] 李海峰,詹濤,吳選廣,等.配變?nèi)嘭?fù)荷不平衡治理[J].農(nóng)村電氣化,2012(S1)：187.LI Haifeng,ZHAN Tao,WU Xuanguang,et al.Governance of unbalanced three-phase load of distribution transformer[J].Rural Electrification,2012(S1)：187.

[5] 向馳,柳占杰,于偉.基于快速選相的三相負(fù)荷平衡調(diào)節(jié)[J]. 農(nóng)村電氣化,2015(11)：11-13.XIANG Chi,LIU Zhanjie,YU Wei.Adjustof three-phase load based on rapid phase selection[J].Rural Electrification,2015(11)：11-13.

[6] 辛業(yè)春,李國慶,王朝斌.無功和三相負(fù)荷不平衡的序分量法補(bǔ)償控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2014(14)：72-78.XIN Yechun,LIGuoqing,WANG Chaobin.Compensation control of reactive power and three-phaseunbalance load based on the method of sequence component[J].Power System Protection and Control,2014(14)：72-78.

[7] 方恒福,段祥駿,王威.配變臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理方法[J].中國電力企業(yè)管理,2015(4)：94-95.FANG Hengfu,DUAN Xiangjun,WANG Wei.Governance method of unbalanced three-phase load of distribution transformer[J].ChinaElectric Power Enterprise Management,2015(4)：94-95.

[8] 方恒福,盛萬興,王金麗,等.配電臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡實(shí)時(shí)在線治理方法研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(9)：2185-2193.FANG Hengfu,SHENG Wanxing,WANG Jinli,et al.Research on the method for real-time online control of three-phase unbalanced load in distribution area[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(9)：2185-2193.

[9] 張征凱,章元德,史亮,等.智能配電臺區(qū)三相負(fù)荷不平衡治理方案[J].電力需求側(cè)管理,2016(1)：49-52.ZHANG Zhengkai,ZHANG Yuande,SHI Liang,et al.The governance scheme of three-phase unbalanced load management for intelligent distribution transformer[J].Power DSM,2016(1)：49-52.

[10] 尹繼明.10 kV配電變壓器電壓三相不平衡分析[J].通訊世界,2016(9)：162-163.YIN Jiming.Analysis of unbalance of 10 kV distribution transformer’s three-phase voltage[J].Telecom World,2016(9)：162-163.

[11] 錢少鋒,陳國琦,周亮,等.關(guān)于Yyn0型接線電力變壓器實(shí)際應(yīng)用的探討[J].電氣技術(shù),2014(5)：123-125.QIAN Shaofeng,CHEN Guoqi,ZHOU Liang,et al.Investigation for practical application of YYN0 type power transformers[J].Electrical Technology,2014(5)：123-125.

[12] 周楊,馮俊,李亮.三相負(fù)荷不平衡對配變低壓側(cè)電壓的影響及對策[J].電工技術(shù),2013(2)：7.ZHOU Yang,FENG Jun,LI Liang.The impact and countermeasure of unbalanced three-phase load on distribution transformer’s low voltage side[J].Electrical Engineering,2013(2)：7.

Simulation Analysis of the Impact of Unbalanced Three-phase Load on Distribution Transformer’s Outlet Voltage

TANG Zeyang,WANG Tao,CAI Defu,CAO Kan,XIN Junhui,ZHOU Kunpeng
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

In order to study the influence of unbalanced three-phase load on distribution transformer’s outlet voltage,the ATP-EMTP simulation model is built,and outlet voltage of distribution transformer under different load parameters is researched.The simulation results show that both active and reactive power have influence on distribution transformer’s outlet voltage simultaneously.The unbalanced three-phase load will cause outlet three-phase voltage unbalance of distribution transformer.The simulation results agree well with the measured results.It’s actually not the case that the heavier the load,the lower the phase voltage whlile the lighter the load,the higher the phase voltage.When the three-phase load is unbalanced,there are 6 kinds of relationship between the distribution transformer’s outlet three phase voltage.

three-phase load;unbalanced;distribution transformer’s outlet voltage;reactive power;ATP-EMTP simulation model

TM72

]B

1006-3986(2017)03-0014-05

10.19308/j.hep.2017.03.004

2017-02-01

唐澤洋（1987），男，湖北江陵人，博士，工程師。

國網(wǎng)湖北省電力公司科技項(xiàng)目（52153216001H）