配電網三相不平衡原因分析及治理系統仿真研究

劉曉宇

摘要：三相不平衡問題是引起配電網電能質量下降的主因之一。介紹三相不平衡度計算方法，剖析配電網三相不平衡原因及其危害，設計一種基于不平衡電路應用換相開關的治理原理圖，使用MATLAB軟件對配網三相不平衡狀態進行仿真設計。仿真分析表明，原相電壓較低的負荷相可通過補償使其負荷相電壓達到允許范圍，從而實現低壓配電網的平衡運行。

關鍵詞： 配電網;三相不平衡;電能質量;換相;治理系統;仿真

隨著工業和科技的進步，各行業用電量需求較大，并對電能質量提出了更高要求。作為衡量電能質量的基礎指標，三相不平衡分為三相電壓不平衡和三相電流不平衡，其中，三相電壓不平衡是指三相電壓相位差不等于120 °，或電壓幅值不一致，或存在組合問題。電力系統公共接線點的電壓不平衡度限值為負序電壓不平衡允許值不大于2%，短時小于4%。供電企業常使用三相電壓不平衡、電壓暫降、波動與閃變、頻率偏差、諧波等指標作為電能質量的表征參數，其中，三相不平衡作為衡量配電網電能質量好壞的重要指標，常常因為它而引起其他指標的異常。目前，配電網系統正常工作是以三相平衡為基礎的，對電網中三相不平衡問題的治理成為重要研究方向。

1 配電網三相不平衡分析

任何電網系統均具有對稱性和不對稱性。對稱是指各相位之間的電位相等，相位之間的夾角呈等差序列。系統平衡是指系統功率的瞬時值是否隨時間變化。在電力系統中，三相不平衡是指配電網中三相電壓/電流幅值不同或相位差不為120 °。現設定一個三相平衡系統，其線路中的負荷大小相等，取負荷功率為 P，基礎相為A（即UA=0 °，UB=120 °，UC=-120 °），則該三相系統模擬圖見圖1。

如果此時該系統的A相增加一個大小為 R 的負荷，即通過改變相負載引起該系統的不平衡，則不平衡系統模擬圖見圖2。

由此可見，當配電網三相系統處于平衡狀態運行時，若其中某相的負載因不確定因素而突然增加，則會導致配網系統的不平衡。在電網實際工作情況下，系統中的用電負荷大多為單相負荷。當大功率單向負載無規律、不定時接入時，就會導致不平衡情況的經常發生。

2 三相不平衡度計算方法

國內外配電網系統三相電能質量的不平衡情況常用不平衡度來表征。低壓配電網三相系統的電能質量不平衡程度稱為三相不平衡度，其計算公式為電壓或電流的負序分量均方根與正序分量均方根比值，分別用i和u表示電流和電壓不平衡度的符號。

2.1 三相電壓不平衡度計算

計算公式為電網電壓的負序分量有效值與電壓的正序分量有效值之比，即：

式中，U2表示三相電壓負序分量的均方根有效值，U1表示三相電壓正序分量的均方根有效值。需要注意的是，應用該公式計算三相電壓不平衡度時，要首先獲知電壓負序分量和正序分量的有效值。

2.2 三相電流不平衡度計算

總體來看，三相電流不平衡度計算相對簡單，故在電網實際計算中常被應用。配電網系統的電流不平衡度有兩種常用計算表達式：

3 三相不平衡的成因及危害

造成低壓配電網三相不平衡的原因在于：一是負荷分配不合理，即負荷相序分布不平衡。很多工作人員在裝表接電的時候，因為缺乏三相負荷平衡方面的專業知識，不了解電網現有負荷相序分布情況，在接入負荷入網時未進行電網規劃，而是將負荷隨機接入電網中的某相且盲目地接電荷裝表于電路中。二是外在環境引起用電負荷變化導致某區域用電負荷不穩。外在環境變化包括該地區常出現移表、拆遷或用戶增加，以及季節性用電和臨時用電帶來的不穩定性，實際上是用電負荷在總量和時間上的不確定和不集中變化導致系統三相不平衡。三是大功率負荷不定時投入和退出導致單相負荷過大。隨著大功率設備不斷使用且無規律地投入電網，不可避免地導致單相負荷過大，從而引起三相不平衡。四是偷電、斷線、區域負荷分配不均等也會引起配電網系統三相不平衡。

三相不平衡的危害主要體現在：一是減小變壓器輸出功率。在低壓配電網中，變壓器外部結構及內部繞組的設計主要參考其對應的負荷等級，變壓器輸出功率主要取決于額定容量。在三相平衡配電網電路中，每相負荷近似相同，因此，各相大致相同的額定容量會合理地調控變壓器輸出功率。若出現三相不平衡現象，則負荷較低一相會因存在剩余容量而對變壓器的輸出功率造成影響，從而導致變壓器輸出功率變小。二是產生零序電流。出現三相不平衡現象時會產生零序電流，且不平衡程度越高零序電流越大。若零序電流在配電變壓器中運行，則零序磁通會在其鐵心內部產生。三是變壓器的功率損耗增加。作為低壓配電網系統的主要供電設備，在三相負荷不平衡情況下運行會引起功率損耗的增加。四是影響電力設備的安全運行使用。若在電壓不穩的情況下供電，則容易損壞連接到高電壓的電氣設備。若電壓過低，則連接用戶的電氣設備可能無法正常使用。

4 用于配電網三相治理的自動換相裝置設計與仿真

4.1 自動換相裝置工作原理

應用光伏電源并網對配電網三相不平衡電路進行治理時，需要在不平衡電路中接入一個判斷故障相（某相電壓與其他兩相電壓相比不同），可像開關一樣將光伏電源接入故障相并對其進行電壓補償，且不接入其他正常相的一個自動裝置。

在配電網三相不平衡條件下，設計一種用于負荷相治理的三相不平衡治理裝置。該裝置能夠方便快捷地找出故障相，并自動接入調節系統負載相序。其主要部件由控制器和自動開關組成，其中，控制器通過控制元件中的信息傳送端將執行操作指令發送到換向開關，自動換相開關接到指令后開始執行指令，對用戶負載的相位序列進行調整，使相電壓較低的負載能夠通過重新分配而得到補償，進而使整個三相系統處于正常的工作范圍內。鑒于換相開關運行時會不可避免地引起正常系統中運行的電氣設備瞬時性斷電，因此，需要進一步研究如何縮短換相開關運行過程中電氣設備的瞬時斷電時間。對于那些配電網系統節點上對電流變化不敏感的電氣設備，可允許關機時間以毫秒為單位并使用自動換相裝置來調節其不平衡負載。

4.2 自動換向開關仿真設計

通過比對元件庫的各控制元件功能及查閱相關資料，獲取了自動換相開關所需的各種仿真元件。現利用MATLAB的SIMULINK功能對自動換相開關裝置進行仿真，仿真圖見圖3。

搭建該電路所需的元件包括示波器元件、三相負載元件、補償裝置模型、電壓/電流檢測裝置，功率有效值計算元件、功率檢測開關、負荷轉換補償模塊等。在自動換相裝置工作過程中，應先使用電壓/電流檢測模塊對三相電路的每一相電壓和電流進行測量，隨后將數據送至功率有效值計算模塊中，求出每一相的功率數據有效值。接下來，將計算所得的功率數據傳輸到功率檢測開關中，與設定的閾值進行比較。若三相功率中有小于該閾值的相，則可將三相負載接到負荷轉換補償模塊中，并對三相負荷進行重新調整和分配，使三相電路達到負載平衡。

自動換相開關仿真功能的實現是利用自動負荷調節裝置的測量電路對三相不平衡電網情況進行實時監測，并將信息傳輸到監控終端，終端再根據收到的信息下達調控指令，通過換相開關可把負荷較高相上的負荷調整到負荷相對較低的相上，使其不平衡電路每相負載達到平衡，保障系統可以正常工作。仿真效果見圖4。

通過三相不平衡治理前后的波形圖對比驗證，本仿真系統可實現對不平衡電網調節過程的動態仿真。

5結論

以負荷自動換相裝置為基礎，對電網三相不平衡問題進行治理。設計一種用于負荷相治理的三相不平衡治理裝置，采用MATLAB軟件對配網三相不平衡狀態進行仿真設計。仿真分析表明，原相電壓較低的負荷相可通過補償使其負荷相電壓達到允許范圍，從而實現低壓配電網的平衡運行。

參考文獻

[1] 程晨.低壓配電網三相不平衡治理的研究[D].成都：電子科技大學.2017.

[2] 王志偉.低壓配電網三相不平衡監測裝置的設計與實現[D].太原：太原理工大學， 2015.

[3] 王毅超.變電站所用電三相電壓不平衡原因及消除策略[J].上海電力學院學報，2015（B05）：105-108.

[4] 張峰，盧敏波.基于10kV母線三相電壓不平衡的分析[J].電子技術與軟件工程，2017（2）：248-249.