配網臺區三相不平衡分析及治理方法探究

羅明亞

(云南電網有限責任公司麗江供電局，云南麗江，674100)

0 前言

配電網作為電力系統的重要組成部分，是地區重要的基礎設施，也是連接電源與用戶之間的樞紐。配電網可以為地區經濟社會發展和人民生活水平的提高提供優質的電力供應，與此同時，電能質量也制約企業發展和社會進步的速度。因此，配電網的供電可靠性不僅可以用來反映電力行業對國民經濟電力需求的滿足程度，而且已經成為衡量一個國家經濟發展的標準之一[1,2]。隨著用電需求的急速增加，傳統的接線模式已經無法調節單相負荷差異化增長帶來的三相不平衡問題，導致配網臺區終端的電能質量較差，達不到用戶預期效果，對社會經濟發展以及居民的日常生活帶來嚴重的威脅和挑戰[3]。因此對典型配網臺區的三相不平衡問題的產生原因進行分析，尋找更為高效的治理方式對于提升電網的供電水平以及改善終端的電能質量具有重要的意義。

1 配電網三相不平衡分析

1.1 三相不平衡現象的產生原因

隨著配電網的快速發展以及用戶終端對于電力的需求增長，配網臺區的三相不平衡現象對電網的穩定運行帶來嚴峻的挑戰。本文將結合電網發展現狀以及用戶負荷變化等角度進行考慮，從以下幾個方面對其產生的原因進行分析。

（1）針對飛速發展的電網建設以及電力需求，傳統的網架結構已經滿足不了日益增長的電力需求，無法解決網絡損耗對電能質量的影響，從而導致三相負荷不平衡問題普遍存在。

（2）隨著用電需求的不斷增長，負荷之間的差異也隨之變大，因為傳統的供電方式忽略了負荷差異對于中性線電流的影響，所以傳統的三相四線制供電方式會造成低壓配網臺區的三相不平衡現象。

（3）隨著社會經濟的不斷增長，用戶終端的種類也變得更加復雜，不同的用電習慣使得電網中單相負荷差異化增長，從而加劇了三相不平衡問題。

（4）供電公司的運行管理人員缺乏相關的理論知識，對三相不平衡問題的產生原因以及危害缺乏全面的認知，導致三相不平衡問題的調節平衡效果較差。

1.2 三相不平衡的危害

對典型電網臺區的運行現狀進行分析，可以發現三相不平衡對電網的危害主要體現在以下幾個方面：

（1）電網出現三相不平衡現象時，會降低配電網的供電可靠性，對某些電力設備造成不可逆的損害，減小設備的運行壽命，甚至造成停電等電網事故，給電力公司以及社會帶來較大的損失[4]。

（2）三相電流不平衡會影響電力變壓器的正常運行，增加一些不必要的損耗，這部分損耗造成的變壓器發熱對正常運行狀態造成威脅，隨著三相不平衡的相位差的增大，額外損耗也會隨著增加。

（3）三相不平衡將削弱變壓器的出力情況，對于電網調度人員來說，對變壓器的出力進行精準估算具有較大的難度，從而影響電網調度過程中的精準性，對整個電網的穩定運行具有一定的影響[5]。

（4）三相不平衡將增加輸電線路上的損耗，影響臺區的電壓平衡，增加供電部門的供電成本，隨著三相不平衡的相位差的增大，額外損耗也會隨著增加[6]。

（5）三相不平衡將降低三相電動機的輸出功率，增大運行過程中的功耗，發熱現象嚴重，加速電動機的老化過程，甚至造成電動機停運或者損壞[7]。

2 三相不平衡治理措施及裝置

配網臺區的三相不平衡問題給電網的穩定高效運行造成了較大的威脅，同時也給用戶的日常生活帶來不便?；陔娏﹄娮悠骷牟粩喔乱约癙WM調制技術的快速發展，傳統的三相平衡調制技術被基于電力電子逆變技術的靜止無功發生器(Static Var Generator，SVG)所取代[8,9]。本文提出一種結合SVPWM算法的SVG裝置，可以有效提高針對臺區配網三相不平衡的治理效果。

2.1 傳統的SVG裝置

SVG的工作原理是將自換相橋式電路借助電抗器并接入電網，通過檢測負載側電流，根據補償功能需要，直接控制VSC交流側輸出電流，達到補償目的[10]。

目前常用的三相三線SVG主要是直流側為電容支撐的電壓型SVG。對于我國低壓配電網的三相四線制系統，由于三相三線SVG中不含零序通路，無法補償不平衡負載電流，為了濾除所有有害電流(包括負載電流中的無功以及不平衡部分)，SVG的主電路結構也必須采用三相四線制形式。

2.2 SVPWM算法的基本原理

SVPWM算法是一種基于平均值等效原理的調制算法，可以實現在任意一個周期內，將基礎變量單元進行矢量組合，得到新矢量的平均值與期望值相等。

和傳統的調制算法相比，SVPWM算法可以有效地提高開關周期的效率，減少開關的動作次數，降低系統響應時間，與此同時，可以削弱相關諧波的不利影響。隨著芯片技術的不斷發展，該算法的調制效率也越來越高，同時可以滿足多種電力電子調制的需求，在三相電路的變量調制方面應用不斷增加。

2.3 基于SVPWM算法的改進SVG裝置

由于三相四橋臂SVG系統中三相電壓矢量是相互獨立的，從而組合得到16中不同的開關狀態，傳統的PWM算法具有較少的參考矢量，滿足不了SVG系統的要求，因此本文將3D-SVPWM調制技術引入SVG裝置。該算法具有控制效果好、實時性高、便于數字化實現的特點。配合FPGA的強大硬件邏輯實現能力，將其引入到級聯SVG的模塊化設計中，可以有效地改善SVG的動態實時性。

本文采用的3D-SVPWM調制算法可以產生PWM控制信號。通過比較參考電壓矢量各分量關系，確定指針函數值，進一步確定空間四面體位置與非零基準電壓矢量占空比并換算為作用時間。在考慮死區影響的情況下，將調制波與載波比較產生PWM波。本方法不僅可以減少調制過程中的計算量，而且可以精準實現對于三相不平衡現象的治理。

3 三相不平衡治理效果分析

本文在寧德市選取典型三相不平衡臺區配網進行應用，通過加裝改進的SVG裝置，對治理前后的負載電流進行對比，隨機選取治理前后的兩個工作日，對當日的負載電流進行監測，可以得到如圖1、圖2所示的電流采樣圖。

圖1 SVG安裝前的負載電流采樣圖

圖2 SVG安裝后的負載電流采樣圖

通過圖1中的電流波形，可以發現在SVG安裝前，該地區電網的三相不平衡現象較為嚴重，A相的負載電流的幅值大于另外兩相。通過將上述兩圖中的負載電流采樣波形進行對比，可以發現該地區配網電流的三相不平衡度得以有效的降低，證明本文提出的治理方法及裝置具有較好的效果。

4 總結與展望

目前國內配電網的接線模式比較單一，電力負荷具有隨機性，而且大部分負荷為單相運行，因此導致某些供電區域出現較為嚴重的三相不平衡現象，嚴重影響電網的供電可靠性以及供電水平。因此如何抑制三相不平衡現象，減少由于三相不平衡帶來的威脅，對于電網的穩定運行與可靠發展具有重要的意義。本文提出一種基于SVPWM算法的SVG裝置，可有效的調節三相不平衡情況，對電網的穩定發展具有重要意義。

而為了實現更好的調節平衡效果并降低治理成本，以下問題依舊是值得被研究的方向。

（1）SVG裝置適用于傳統的接線模式，可以有效地抑制三相不平衡問題，可以將不同的算法以及控制策略與之結合，拓展SVG裝置的適用范圍，改善對于電能質量的調節效果。

（2）常見的配網調節系統只考慮了無功補償以及三相不平衡，但是對系統中的諧波補償等問題還還沒有高效的解決辦法，可以實現配網電能質量調節系統的集成化與一體化。