配電網三相負荷不平衡治理綜述

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

隨著新能源、信息技術和電力電子技術的快速發展以及分布式電源和分布式儲能的大量接入，對配電網電能質量和供電可靠性的要求越來越高[1-2]。三相不平衡是影響配電網電能質量的重要因素之一，在中低壓配電網中普遍存在，而三相負荷不平衡是導致三相不平衡的主要原因[3-4]。當配電網三相負荷不對稱時，系統出現三相電壓不平衡，從而引起線路損耗增大、配電變壓器出力降低、用電設備損害等問題[5]。因此，治理三相負荷不平衡提高配電網運行穩定性和電能質量的關鍵問題。

目前國內外學者對配電網三相不平衡已有大量研究并取得一定成果，文獻[6]提出一種基于無源性滑膜非線性的MMC-UPFC控制策略，并通過MMC-UPFC串聯側變流器來補償負序電流，以實現抑制三相不平衡。文獻[7]介紹了一種自動換向的三相負荷平衡技術，通過在線調節負荷接入的相別，將負荷均衡分布到各相序中。文獻[8]則提出了一種基于遺傳算法平衡負荷的配網重構方法，既平衡了負荷又降低了網損。文獻[9-10]采用無功補償裝置進行快速平衡化補償，并降低了無功電流諧波含量。

雖然關于配電網三相不平衡的研究很多，且有相關綜述，但是對其研究方法歸類不完全，也未對比其優缺點。本文在目前國內外三相不平衡抑制研究的基礎上，進一步綜合分析了三相不平衡度的計算并從負荷相序平衡、配網重構、負荷補償三個方面綜述配電網三相負荷不平衡的治理方法。

1 三相不平衡度計算

配電網三相負荷的不平衡由多種原因造成，其主要原因有以下兩種：一是負荷的不對稱接入導致的用電負荷不均；二是負荷用電的隨機性，極難保證三相同時處于運行狀態[12]。

三相電壓不平衡度是電能質量的重要標準之一[13]，一般規定用電壓、電流的負序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值的百分比表示。國家標準《電能質量三相電壓允許不平衡度》明確規定，正常情況下電網各級電壓的三相不平衡度不大于2%，每個用戶在公共連接點引起的三相不平衡度不得超過1.3%[14]。計算三相不平衡度是治理配電網三相不平衡的基礎，并為補償裝置的控制策略提供重要參數。三相不平衡度的計算方法一般分為兩種：一是國家標準定義三相不平衡度的計算方法；二是三相不平衡度的近似計算方法。

1.1 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

(1)

三相電壓負序不平衡度

(2)

三相電壓零序不平衡度

(3)

國際大電網委員會(CIGRE，International Council on Large Electric Systems)定義的三相電壓不平衡度計算方法，利用三相三線制系統的線電壓計算電壓不平衡度[15]，其公式為

(4)

Vab、Vbc、Vca——線電壓基波有效值。

1.2 三相不平衡度的近似計算方法

為了估算單個不平衡負荷對公共連接點造成的三相電壓不平衡度，通常設公共連接點與電源之間的聯系阻抗的正序阻抗和負序阻抗相等[16]，其公式為

(5)

式中I2——負序電流值;

UL——線電壓;

SK——公共連接點的三相短路容量。

對于并接于相間的單相負荷，其引起的不平衡度近似計算公式

(6)

式中SL——單相負荷容量;

SK——公共連接點的三相短路容量。

IEEE std 112-1991根據相電壓計算電壓不平衡度，為相電壓不平衡率(PVUR)[24]，其公式

(7)

式中Uave——三相電壓有效值的平均值;

UA、UB、UC——A、B、C三相電壓有效值。

IEEE std 936-1987定義的電壓不平衡度為相電壓不平衡率(PVUR)[17]，其公式

(8)

式中Uave——三相電壓有效值的平均值;

Umax——三相電壓有效值的最大相電壓;

Umin——三相電流有效值的最小相電壓。

國標定義的如式(2)和式(3)的三相不平衡度計算法，需測量三相電壓的幅值、相位大小后再用對稱分量求出正、負序分量和零序分量，該方法計算過程復雜、電壓的大小和相位也不容易測量，在實際工程中很少使用；CIGRE定義如式(4)所示僅需線電壓的大小就能計算出三相不平衡度，且結果與國標定義計算值相同；IEEE std 112-1991和IEEE std 936-1987定義的兩種近似計算方法，只需考慮線電壓的大小便可計算出不平衡度，但是計算結果誤差較大，不能反映電網相角不平衡情況，適用于粗略的估算三相不平衡度。

2 負荷相序平衡法

負荷相序平衡以不改變配電網原有結構為前提，通過人工手動換相或自動換相裝置，將不平衡負荷合理的平均分配到各相上，從而降低三相負荷不平衡度[18]。根據換相方法的不同可分為人工換相和自動換相。

2.1 人工換相

人工換相是將人工測量或者系統采集的運行數據進行分析之后，工作人員再采用試錯法對低壓線路上的三相負荷進行換相操作，使負荷平均分配以達到降低三相不平衡度的目的。

人工換相主要通過人工操作來完成，成本相對較低，但是在換相前需要處理大量數據，需要工作人員具有非常專業的操作經驗。同時用電負荷具有隨機性和不確定性，人工不能對實際負荷的不平衡狀況進行在線實時調整[16]，因此，該方法只能在一定程度上降低三相負荷不平衡度，難以達到好的平衡效果。

2.2 自動換相

自動換相是根據負荷數據和網絡參數，以平衡三相電流、改善電壓分布、降低有功損耗、增加線路容量等為目標或約束條件建立數學模型，利用優化算法求出最優負荷不平衡的換相控制策略，并通過切換開關對負荷進行自動換向，從而降低三相負荷不平衡度[16]。其結構主要分為控制單元和自動切換單元[19]，控制單元用于采集三相電流、計算三相不平衡度、判斷負荷的平衡狀況，并實時與換相開關通訊獲取線路負載狀況，執行換相控制策略，進而控制換相單元自動切換相序；自動切換單元將測量的負荷電流、電壓、開關狀態等信息，通過電力線載波傳送給控制單元，并接收控制單元的指令，自動切換負荷相序，減小三相不平衡度，提高電能質量。圖1為自動換相系統示意圖。

自動換相能實時調整三相負荷，解決了人工換向的弊端。文獻[21]以平衡三相電流、自動換相裝置開關切換次數最少為目的，基于向量基因遺傳算法，實現了配電臺區三相負荷不平衡實時在線治理，同時低壓負荷在線自動裝置采用低壓復合開關設計，融合了磁保持繼電保護和電力電子開關的優點，換相過程基本無電能損耗，對用戶無沖擊，保證供電可靠性。文獻[22]提出了一種固態智能換相開關解決三相不平衡的方法，相比手動換相和常規智能換相開關，其實時性較強，負荷供電不受影響。但切換相序時會出現短暫停電，自動切換開關與負荷串聯，開關發生故障時將導致用戶停電[20]，一些特殊負荷(例如醫院、銀行等)不適合換相操作。

3 配網重構法

配電網網絡重構是配電網運行優化的一種重要方法，根據負荷預測和網絡負荷變化情況，改變聯絡開關和分段開關的離合狀態、從而改變網絡的拓撲，既能使負荷在各線路和變壓器之間平均分配，達到平衡負荷的目的，又能降低網損、提高電能質量[23]。

配網重構常用算法主要有數學優化算法、最優流模式法、支路交換法、人工智能算法等，大多以網損最小作為目標，而以負荷平衡為目的配電網重構，則是通過開關的操作實現饋線間的負荷轉移來降低三相不平衡度[9]。在以負荷平衡為目標的配網重構中，文獻[24]提出了一種大規模三相不平衡配電網系統網絡重構算法，隱含并行地搜索各領域結構的最優解。文獻[25]采用了2個用以配電網故障恢復供電和平衡負荷的重構算法，即啟發式算法與模糊算法結合，實現對故障區域恢復供電，降低過負荷引起的不平衡狀況。文獻[26]以負荷平衡指數為目標函數，網損為輔助目標，采用改進自適應遺傳算法實現含分布式發電的配電網重構，在均衡負荷的同時降低了網損。文獻[27]提出了一種降低配電網總體三相不平衡度的配網重構模型，一定程度的改善了各節點三相電壓不對稱狀況，但是該方法重構周期較長。

配網重構雖然能通過負荷轉移，有效的平衡負荷，但配網重構是一個多目標優化策略，優化目標側重改善電網潮流分布以減小網絡損耗。同時開關操作和線路切換會損耗開關元件并具有一定停電風險。

4 負荷補償法

負荷補償是目前治理配電網三相不平衡最有效的方法，它主要是通過在配電網變壓器出線側或負荷側安裝補償裝置的方式對三相不平衡負荷進行補償，從而降低三相電流不平衡度，實現系統三相平衡運行，提高電能質量[28-29]。負荷補償不會改變配電網結構和運行方式，并且在治理配電網三相負荷不對稱的同時，還能起到補償無功和抑制諧波的作用。其相關研究主要集中在負荷補償算法和負荷補償裝置。

4.1 負荷補償算法

負荷補償常用的算法主要有對稱分量法、同步對稱分量法、瞬時對稱分量法、瞬時無功功率理論、以及基于瞬時無功功率理論的ip-iq法和p-q法等[16]。

4.1.1 基于對稱分量法的補償方法

對稱分量法是三相不平衡研究中常用的方法，通過把三相不平衡電流或電壓分解為對稱的零序、正序、負序電流或電壓?；趯ΨQ分量法，逐漸研究完善得出同步對稱分量法、瞬時對稱分量法等算法，并應用于各種負荷補償裝置以實現三相負荷的補償。文獻[30]利用對稱分量法控制TSC+TCR混合型靜止無功補償器，實時對不平衡負荷的無功電流進行補償，從而抑制系統電壓波動。文獻[31]提出了基于同步對稱分量法的無功補償導納計算方法，該方可以省略鎖相環，且高效的補償對稱或不對稱負荷的無功功率，保持電壓趨于穩定。文獻[32]提出了一種實時求取系統無功功率方法，將瞬時無功理論和對稱分量法結合，利用實時序分量功率實現系統無功補償，減小電壓波動。

4.1.2 基于瞬時無功功率理論的補償方法

瞬時無功功率理論將三相電路的各相電壓和電流的瞬時值變換到dq兩相正交坐標上研究，從而得到了諧波和無功電流檢測方法，如：iP-iq法、p-q以及id-iq法等。文獻[34]針對三相負荷不平衡問題提出了一種基于瞬時無功功率理論補償導納的新算法，以該算法控制靜態無功補償器(SVC)，同時補償了無功和三相不平衡。文獻[35]采用基于dq變換的運算方式作為實時無功功率檢測方法，并將其應用到裝置上實現預期效果。文獻[36]在基于瞬時無功功率理論的id-iq法基礎上，提出了將諧波環節中鎖相環的鑒相部分與Park變換相結合的新型諧波檢測算法。該方法不使用電壓信息直接提取諧波，消除了由電壓畸變、不對稱和電壓采集所帶來的檢測誤差，能快速的提取諧波。

4.2 負荷補償裝置

三相負荷不平衡補償裝置主要由檢測電路、控制電路、IGBT功率變換器組成[20]，結構示意圖如圖2所示。其原理為：由檢測電路檢測電流、電壓信號后，控制電路再利用算法分離出有功、無功電流分量，計算補償量，產生驅動信號;然后將驅動信號傳給IGBT驅動電路，控制IGBT逆變橋交流側，形成補償電流。

目前，補償三相不平衡應用最廣泛的方法是附加無功補償裝置，一方面，無功補償裝置響應速度快，具有動態補償功能；另一方面，兼具補償無功功率和濾除諧波的特點，能有效抑制三相不平衡。圖3為幾種無功補償裝置的分類。早期的無功補償裝置通過在三相間接入電容器、電抗器以及同步調相機，達到降低三相不平衡度的效果。雖然該方法結構及控制方法簡單，但不能實時跟蹤電流電壓，且分相調節有限、補償效果欠佳。只能適用于補償需求較低、負荷波動較小的場合[36]。隨著電力電子技術的發展和用戶電能質量需求，相應的動態補償裝置相繼出現。其中，靜止無功補償器(SVC)、靜止同步補償器(STATCOM)、有源電力濾波器(APF)等是目前使用最多的補償裝置。

4.2.1 靜止無功補償器

靜止無功補償器(Static Var Compensator，SVC)主要類型有晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)以及混合型補償器(TCR+TSC、MSC+TCR)等，圖4為幾種常用的裝置。TCR的單相由反并聯的晶閘管和電抗器串聯組成，通過調節晶閘管觸發角的開關狀態來調節電流的大小和無功功率。晶閘管觸發角α的有效調節范圍為90°～180°，當α=90°時，晶閘管完全導通，電抗器完全接入，吸收的電流和無功功率最大；當α=180°時，晶閘管完全截止，電抗器未接入系統，吸收的電流和無功功率為零；當90°<α<180°時，晶閘管部分導通，吸收的電流和無功功率在最大值和零之間變化。由此可見，靜止無功補償器是一個可控、可連續調節的無功功率發生或吸收裝置，但同時TCR在控制晶閘管的過程中會產生諧波。TSC則由反并聯的晶閘管開關和電容器組構成，與TCR不同的是TSC中的晶閘管等效于開關，通過晶閘管的開通與關斷兩種狀態實現電容器組的投切。因此，TSC不會對電容造成諧波污染，可電容器組的容量不可調，會出現過補償問題，控制速度也較慢。為實現更有效的補償效果，產生了一種混合型靜止無功補償器TCR+TSC，如圖4(c)所示。該裝置兼具了TCR和TSC的優點，當投入電容器組后出現欠補償時，則再投入電容器組進行補償；若出現過補償，則調節TCR投入所需要的電抗值來抵消多余容性無功功率，并調節晶閘管的觸發角來調節電抗器的電感值，使補償效果達到最優。

SVC具有響應速度快、調節方便、補償效果明顯等優點，廣泛應用于三相不平衡負荷補償。文獻[37]采用TCR+TSC作為三相不平衡補償裝置，既能補償三相不平衡又提高了三相負荷的功率因素。同樣文獻[38]研究設計了三相不平衡負荷的TCR+FC型SVC，并進行仿真驗證了其良好的補償效果。文獻[39]對TCR+FC型SVC裝置的控制進行了研究，采用基于瞬時無功理論的控制算法，以實現高壓自動補償。但SVC也有不足之處，它主要通過接入的阻抗值來調節電流和無功功率，補償效果易受到電網電壓的影響。

4.2.2 靜止同步補償器

靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator ，STATCOM)應用在配電網中通常被稱為D-STATCOM，其主電路結構分為電壓型橋式電路和電流型橋式電路，如圖5所示。主電路由交流側、變流器、直流側組成，交流側連接電抗器，起濾除諧波作用；變流器由電力電子開關器件IGBT組成，實現交流側與直流側的能量交換；直流側以電容、電感作為儲能元件，將直流電壓、電流逆變送到交流側。由于電流源型電逆變器中的儲能電抗損耗較大，運行效率相對較低，所以電壓源型逆變器應用最為廣泛。

STATCOM并聯在配電網中，可等效為可變無功電源，可靈活控制無功電流、動態補償所需無功功率和諧波，有效地抑制配電網三相負荷不平衡。相比于SVC，STATCOM具有響應速度更快、調節范圍更大、補償效果更好、諧波更少和體積小等優點。因此，STATCOM被廣泛應用于配電網中，且技術也成為研究熱點并快速發展。文獻[42]研究了電壓不平衡下鏈式STATCOM的補償方式，提出了無功補償和電壓控制兩種改進補償方式。文獻[43]提出級聯星型STATCOM的負序電壓前饋和零序電壓穩壓的控制方法，可避免電網故障時的電壓失穩，并抑制三相不平衡。

4.2.3 有源電力濾波器

有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)能綜合補償三相不平衡、無功以及濾除諧波，在改善電能質量方面被廣泛應用。按照主電路儲能元件可分為電壓型有源濾波和電流型有源濾波，主電路圖如7所示。電壓型APF直流側接電容作為儲能元件，獨立的多電平模塊化結構，可以級聯不同數目的單元產生不同的電平，損耗較低；而電流型APF以電感作為儲能元件，直流側電感損耗較大，且不能擴展到多電平[40]。因此，電壓型APF目前使用較多。

APF由于兼具無功補償、諧波抑制的功能以及實際應用的需求，國內外學者對其進行了深入研究，大多集中于拓撲結構和控制策略。文獻[44]提出了改進注入支路的并聯混合型有源電力濾波器，在諧波電流注入支路上不設置對諧波補償注入電網有影響的阻抗，并采用一種新的定頻滯環電壓控制方法來控制逆變器輸出電壓，以達到諧波補償電流和直流側電容電壓的準確控制。文獻[45]針對APF的控制策略采用PI控制調節基波電流，諧振控制抑制諧波電流，并將兩種控制結合，在實現補償高次諧波電流的同時提高魯棒性。文獻[46]針對三相不平衡問題，對四橋臂APF在靜止坐標下采用改進PR控制，通過仿真和實驗驗證了在電網負載和頻率不穩定情況下仍能有效抑制諧波、補償三相不平衡。

綜上所述，對以上無功補償裝置進行對比，詳細說明各裝置的優缺點。如表1所示。

4 總結和展望

本文主要對配電網三相不平衡負荷的治理方法進行闡述。首先概述了配電網三相不平衡治理的必要性，介紹了三相不平衡度的計算方法；然后從負荷相序平衡、配網重構、負荷補償三個方面詳細綜述了配電網三相不平衡負荷補償方法，由于負荷補償裝置調節方便、補償效果明顯、補償速度快，并且具有諧波抑制功能使得其在實際工程中起到了重要作用。雖然目前已有許多學者對負荷三相不平衡進行深入研究，也取得了較大突破，但還存在以下問題沒有得到實質性解決：

(1)由于負荷變動更靈活，需要提高負荷三相不平衡的補償靈活度，能更快速地跟蹤負荷變化；

(2)配電網中的配電變壓器在三相負荷不平衡工況下運行時會產生零序電流，零序電流會對三相不平衡度產生較大影響，后續也應考慮如何減少或者消除零序電流在系統中的流動；

(3)事實上，無功補償裝置成本較高，今后的研究可著力于利用控制策略來消除諧波和三相不平衡電流。

表1 負荷補償裝置的性能比較