建箍电乞。 _I__—_____l_■BulLDING Z口1 7年第1 1期I ELECTRICITY 低压配电网三相不平衡治理措施 刘 伟 徐志伟(国网黑龙江宙电力有限公司,哈尔滨市 150()90) 侯秀梅(国网黑龙江省电力有限公司检修公司,哈尔滨市 15(090) Countermeasures for Three—-phase Unbalance of Low・-voltage Power Distribution Network LIU Wei XU Zhiwei(State Grid Heilongjiang Electric Power Company Limited,Harbin 1 50090,China) HOU Xiumei(Maintenanee Company of State Grid Heilongjiang Ele( tri( Power Company Limited,Harbin 1 50090,China) Abstract:In urban residential and rural power supply and distribution systems that adopt the low— voltage three-phase and four—wire mechanism,the 变压器和线路损耗的影响.介绍有源不平衡补偿装置 的原理和对三相不平衡的治理效果 关键词:配电网:有源不平衡补偿装置;三相不 平衡;线损;铁损;电能质量;无功补偿;谐波补偿 中图分类号TM732 文献标识码:A objective existence of three-phase current unbalance due to the uneven distribution an ̄l randomness in application of single・phase loads has b,'ought doi:10.3969/i.issn.1003—8493.20l7.11.0l3 significant adverse effects to power quality an(t become a noticeable of problem iu operatio|1 dist ̄‘ibution 0 引言 配电变压器在不对称运行时,将会在配电网【fI产 生相应的负序电流和零序电流.不但会增加变 器的 附加损耗和影响变压器的出力.而且会增加线路损 maintenance low—voltage power networks.In this paper,the impacts of three—phase unbalance 011 power distribution transformers and line losses. and the mechanism of a(・【i、 e unbalance compensator and the effect of SLI(、h d icethree-phase unbalance are introduced. Key words:power distribution network;active unbalance compensator;three—phase unbalance;line loss;iron loss;powm’quality;reactive compensation; harmonic compensation (311 耗,降低电动机的转矩 、另外,负序电流还会影响电 能表的计量精度,给供电部门造成计费损失:同时, 电网中的零序电流会造成巾性点电位偏移,使负倚较 小相的相电压升高,负荷较大相的相电 降低,存做 端情况下会烧毁用户的用电设施,对电力系统种1川 , 造成危害。因此, 值得研究。 相不平衡带来的危害及治理措施 摘 要:在低压三相四线制的城市居民和农网供 1 三相负荷不平衡对配电变压器的影响 1.1 影响变压器的出力 配电系统中.由于单相负荷分布的不均衡和投入使用 的随机性.使得三相电流不平衡客观存在并且无规律 性可循。对电能质量带来很大影响,成为低压配电网 运行维护中一个突出的问题;阐述三相不平衡对配电 三相配电变压器输出容餐为每卡H输…容 之罚1. 即S=SI 1+S1 2+5I 3。其绕组结构是存 卡【{平衡运行 作者信息 刘伟.男.国网黑龙江省电力有限公司,高级T程师,剐 徐志伟.男.同网黑龙江省电力有限公司,高级T程帅, 侯秀梅.女。围网黑龙江省电力有限公司检修公_|i],r- J 1 程师 58 —■l Nov 2017 Vol 36 No 1’ J httn:// w Iz“[1 iqPl I’n 情况下设计的,每相绕组的电气特性参数相同,当 梢不平衡时,变压器最大出力只能以_二相负载中最大 的一相为限 例如一台630 kVA的配电变压器.其二次侧额定 电流为910 A。若三相负荷不平衡,低压侧的负载电 流分别是:,l_l=909 A,,1 2=,l_3=600 A.那么这台变 器的输…容量为: S=SI 1+SI 2+St 3 =0.4/、/3×(909+600+600) =487 kVA s|SY=487|630=77.3 从以上示例计算可见,埘于三相不平衡运行的变 J1i器,其最大输出容量明 降低,利用牢只有额定容 的77.3%,同时,过载能力也降低。 1.2增加配电变压器的损耗 Yyn0接线的低压配电变压器,高压侧无零序电 流.低压侧=i卡H负载不平衡会产生零序电流,这个零 序电流完全是励磁电流.产生的零序磁通不能在铁芯 ffI闭合,会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成 旧路 而一般配电变压器设汁时是不考虑这些金属构 件为导磁部件的.所以由此fjJ起的磁滞和涡流损耗往 会造成这些部件发热,致使变压器局部金属件发热 产生铁损 、Yyn0接线方式的配电变压器零序电阻比 止宁电阻大得多,所以,零守电流产生的附加铁损也 比较大。 2三相负荷不平衡对线路损耗的影响 三相电流平衡时,功率损耗△Jf)I=31 2R,在极 限不平衡时,如一相电流为3,,另外两相电流为 零,则零序电流也为3,,此时损耗为△ =2(3,) 尺 =6(3, R),由此可见在极限三相负荷不平衡时,损 耗为_二桐完全平衡时的6倍 所以,在r二相四线制供 电线路中, 卡fI电流平衡时线路功率损耗最小。一相 电流不平衡时,线路功率损耗增大的部分称为线路的 电流不平衡附加线损。以下针对j相电流的相角和有 效值不同的不平衡情况进行计算,定量分析三相不平 衡对线路附加线损的影响。 2.1 三相电流相角相等。而有效值不相等时 附加线损计算为: △P= !二 ± 2二 3 ×R+/0- R0 (1) 2.2三相电流相角不相等。而有效值相等时 附加线损计算为: △P=3, l {l一 [3+2c。s( 一 ) +2cos( I 2一 1 3)+2cos(‘PI 3一 L1)]} +, 0 (2) 2.3三相电流相角和有效值均不相等时 附加线损计算为: △尸:盟[ 血 ×R+ R。+3(血 )!R ×{一-趾 嚣 一 (,lJl+,l2+ Ita: }㈩ ~ .) 式中:R——相线电阻; R ——中性线电阻。 根据式(1)、式(2)、式(3),可以计算在j相 电流有效值和相角不平衡情况下的附加损耗,如表1 所示 . 表I 三相电流有效值和功率因数不平衡条件下的附加损耗 Tab.1 Additional loss due to tile unbalance of effective va}II( ̄an(j powel’正jrf('r of three—phase culT'ent 电流,A 相角 附加损耗 比率 OSl I=0, 『l2=240。, Ii I=/i 2=Ii 3 O OSl 3=120。 OSt 1=0.SOl 2=260。, ,lll=/t 2:,Il I6% OS1 3=150。 ,1lI=2(X),Ii 2=320, Sot.1=0, L 2 240。, 43% 11 3=320 l 3=120。 /l_l=200,/j.2=320. IP1 1=0. 1 2:260。. 92% 11.3=320 妒l 3:I50。 可见.当i相电流完全平衡时,附加损耗为零, 当 现二t相电流有效值不平衡或者 相电流相序不对 称时,部会产生附加损耗,当有效值和相角都不相等 时,附加损耗最大 冈此,采取必要的手段对三相不 59 低压 电堕三相lf、、 黉 舟 惦 _一【 堕 除妻f 懂壹梅 J____ http://WWW.izdq ilel rl1 7u ) 建筑电乞。 ________I_lI BUILD1NG 21:31 7年第1 1期I ELECTFIIClTY 平衡电流进行治理,可以有效地降低线路损耗,对电 网系统具有良好的经济效益。 置已发出的补偿电流比较得到差值作为实时补偿信 号输出SPWM指令信号到IGBT驱动电路,触发 IGBT功率管将补偿电流注入到电网中,从而实现补 偿电网中的 相不平衡、无功及谐波电流的目的,ln1 图1所示。 3.2典型硬件拓扑 3三相负荷不平衡的治理措施 相负荷不平衡的治理主要从管理手段上和从技 术方法上来采取措施:①通过管理手段来减少不平 衡度,包括加强配电变压器的日常管理工作。及时跟 踪测量j相电流的不平衡情况, 有源不平衡补偿装置典型硬件拓扑如图2所示, 当负荷不平衡情况严重时,及 时调整线路所带负荷的分配比 例。另外可以增加中性线截面 使其接近或等于相线截面,以 避免烧断中性线和造成中性线 上电能损耗增大。②技术上的 治理措施主要是通过相间无功 补偿转移有功功率调整不平衡 电流和采用换相装置切换负荷 调整不平衡电流。但是这些方 法都存在一定的局限性。随着 电力电子技术的发展.有厂家 研制出有源型 相负荷不平衡 补偿装置。采用最新的电力电 子变流技术和基于高速DSP器 件的数字信号处理技术.是一 种新型的 相负荷不平衡治理 图l 低压配电网有源不平衡补偿装置电路原理图 Fig.1 Schematic circuit diagram of active unbalance compensator for low—voltage power distribution network 设备,补偿精度较高.并且同 时具备无功功率补偿功能和谐 波补偿功能,具有明显的技术 优势.以下主要对有源不平衡 补偿装置的治理方式进行介绍。 3.1 低压配电网有源不平衡 补偿装置系统原理 有源不平衡补偿装置是一 种电力电子功率变换装置.它 通过外部电流互感器实时检测 负载电流,并将采集到的电流 信号送给DSP控制器。控制器 从中提取出所有的不平衡电流、 无功电流、谐波电流,并通过 计算将要补偿的电流成分和装 60 /R…图2低压配电网有源不平衡补偿装置典型硬件拓扑 Fig.2 Typical hardware topology of active unbalance eonlpensator for low—voltage power distribution network No 2O17 VoI 36 No.1’ hltp://ww w_ lII_ I El1 、 —J 『M l技『术l — 严— — 以二微管钳位 电平的拓扑结构为主,其r L为输… 滤波电感,G为直流侧电容,N线引入A流侧两 电 窬的『{l点,输出采用LCL滤波方式,并存滤波电容 支路上串联阻尼电阻.用以抑制LCL滤波 潴振, 3.3电流检测算法 图3 三相不平衡、无功电流柃测方法原理图 Fig.3 Schematics of the metho(1 f dete( ling three—phase unbalance and rea( th P‘’III’1‘ellt 随着做电子技术的发展,出现了各利,各样的谐波 电流检测算法,丁业中主要采用基于F丌币¨瞬时无 功功牢的电流检洲算法 基于FFT的谐波检测算法, 苒‘先需要对负载电流进行一个电压基波周期的采样. 通过FFT将其中的谐波分量分离出来. 此产,f 补 偿信号,南于F丌至少需要一个基波周期的信号. 这佯必然导致谐波检测算法的实时性差 尽于瞬时无功功率的谐波检测算法,根据所定义 的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电 作川的 图4指定次谐波电流柃测原理图 Fig.4 St、hematics of speciic subharmo ̄fli(。(!llrren J de|e(‘lion 结果,实时求出基波电流值,然后将补偿电流从原电 流【I1分离出来,产乍补偿信号,这种算法的最大特点 就是实时性好. .于瞬时无功功率的 相不平衡、无功、谐波电 流检测算法,根据所定义的瞬时功率的波动部分为i 卡H不平衡、无功、谐波电流和系统电压作J刳的结果, 实时求f{I基波电流值,然后将补偿电流从原电流fI_1分 及卡H应速度,另一方面对特定次谐波进行了}『fj除 3.4主要控制算法 有源不平衡补偿装置的控制算法主 包括 流侧 电爪控制和补偿电流控制,其巾直流侧电 控制的『j 的是使得直流侧电压稳定在固定值附近.以 证装 的补偿效果;电流控制的目的是使得输…电流能够更 好地跟踪电流指令.进而提高装置的补偿效果 、 存装置补偿过程巾.瞬时功率的变化会,jl起A流 离j玎来,产生补偿信号。该方法对电能质蜒综合治理 装置的实用化研究及响应速度的提高起到了很大的推 动作川,为 !相不平衡、无功、谐波的实时补偿提供 了理论 础 相不平衡电流在三相电力系统『1t以负 侧电压的波动,对装置补偿效果甚至系统的稳定性产 生影响,冈此需要对直流侧电压进行控制 PI控制 是比较常见的直流侧电压控制方法,控制 图如罔5 所尔 、 序的形式表现m来,利用瞬时无功理论检测…负序电 流 町对 相不平衡进行治理。陔理论的核心思想足 根据所定义的瞬时功率的波动部分为负序、无功、谐 波电流和系统电压作用的结果这一特点来提取 序、 尤功、谐波分最 .以此理论为基础,发展了多种债 、电流控制算法较多.比如滞环比较{扑{瞬时值比较 方法、无差拍控制方式、PI控制方式、霞复控制方 式,都有各自的特点,以下以滞环控制方法为例进行 说明 无功、谐波检测算法,如P—q法、i。 一i 法等 、 在这种方法中。把补偿电流的指令信号 j实际的 P—q法相比,iIl—i l法在电网电压发生畸变}1lf,不 会影响无功、谐波的检测精度,如图3所示 为了实现电能质量综合治理装置的多功能化, 其具备一定的谐波治理能力,利 用瞬时无功理论的原理实现三相 补偿电流信号进行比较,两者的偏差作为滞环比较器 (如图6所示)的输入,通过滞环比较器产牛控制主 电路中开关通断的PWM信号,陔PWM信 驱动 不平衡及无功补偿的同时,另外 JJfl入了指定次谐波消除环节,如 同4所示。一方面保证了电能质 综合治理装置的无功补偿能力 图5直流侧电压控制框图 Fig.5 Diagram of’DC—side vohage control 61 骶』T 删 十目 袖『介州 1抱(刘伸 雄志伸 健寺梅)_____ i’//W ’ jz,I,I 1 I-II 、{J i建虢电乞 —ll・・_____・_■BU[IDING Z口1 7年第1 1期l ELECTRIClTY 电路来控制开关的通断,从而控制补偿电流的变化。 这种控制方法的特点是实时控制,电流响应很快:小 需要载波,输出电压巾不含特定频率的谐波;若滞环 的宽度同定.则电流跟随误差范同是 定的,但是电 图6滞环比较器 力电子器件的开关频率是变化 Fig.6 Hysteresis eomparator 的.并且由于电力电子器件开 关频率的.需要对滞环比 80 A⑦129 A 0 116^@52 A 0 较器的输m频率加 艮幅. 、 4 案例分析 \ \\< 在某低压台 安装有源不 √ tt 50m A, I+136 A2*一73 A3*一64 AN, +3} t=50ms A1 +1 00 A2-一88 A3 一7O AN,一41 平衡补偿装置,实际测试记录 RMS-●---RMs---●- 补偿前后的数据.图7为使用 (a)有源不平衡补偿装置开机前 (b)有源不平衡补偿装置开机后 的电网三相电流 的电网三相电流 电能质 分析仪测试补偿前后 (a)TI.’ee—phase current of the grid (h)Three—phase eurrent 0f the grid 的数据记录,可以看到补偿前 before the active unbalance after the active unbalance eonlpensalor stams up eonlpellsat(H’struts up 相电网电流相差30~60 A左 右(不平衡电流实时波动),补 田一II口 偿后_二l卡H电网电流相差3~6 A i 2 @ I 2 @ P(w}  ̄17・53k+3019k+257 盆 P tw) +24・21h+25・57k+25・48k盆 左右. 相电流不平衡度降到 ● 一 暑 5%以下.配电变压器低压侧三 Q1Im)《+1_76k《n59k .18k昌 。1I r】§+2.53 ̄《+3.38k《+3.39k昌 D(wO 2.6e ̄ 3.47 ̄ 3.80k D f_ar 12.61k 3.O5k 3.50k 相负载电流基本平衡,补偿效 s(v^J 17.82x 30.80k 2640k s CVA) 24.48t, 25.97k 25.9 ̄k 果比较理想。 w一——●—●■—■●—●●—●■ w .-●--_ 从图8可以看到电网三相 (e)有源不平衡补偿装置开机前 (d)有源不平衡补偿装置开机后 电流2 h内的变化情况.检测数 电网三相功率 电网三相功率 (‘ )Three・phase power of the grid ((1)Three—phase powm’of 11lr ‘1 据时问段为I1日上午II:08 before the active unlmlatice after the active unbalance 到下午13:07,其中存12:00 compensator stalls up conipensator starts up 将有源不平衡补偿装置开机投 图7 电能质量分析仪测试数据 Fig.7 rest data of powm’quality analyzel’ 运.13:00关机退 .从电流 的趋势变化可以明显看出.装 置投运期间电网=三相电流基波 趋于平衡。 通过现场实际应朋.有源 不平衡补偿装置较好地解决了 配电网 相电流不平衡的问 题.减少了输电线路和配电变 压器的损耗.提高了配电变压 器的f{j力和设备使刚牢.并可 使无功达到就地平衡.实时改 ¨ m ●善电 的质量,提高配网电能 图8补偿前/后电网三相电流趋势变化图 质量。 Tren(Is of three—phase eUlTellt of the grid before and after compensation 62 ■■一Nov.2017 Vol 36 No 1’ Mll_hllp://Ⅵww 『 I‘l llq ‘t t ii — 旦 鞋 5 结语 本文阐述了低 配电网 卡}1不平衡所带来的危 低j:曩电网理沦线损汁算 J1. 电力r{动化没备.2007(1J): 5l一54. 5] 林俐,胡景生. 配电 变电站 :列运行二‘绕 组变 器无功补偿的绎济分析[J]. 电网技术,2006(7): 82—87. 害,重点分析了il卡H不平衡对配电变 器和线路损牦 带来的影响 以低压配电网有源不平衡补偿装氍为 例,洋细介绍了 - 相不平衡治理装置的原理和治理效 果 有源不平衡补偿装置在低 配电网的应用可带来 较好的经济效益和社会效益,降低输电线路的损耗. 减少变压器损耗,提高变压器的带载能力和使川效 [6] l 航 规划没汁研究总院仃限公刮. T业与 供配电设汁F册 M]. 第4版. J匕京:r1-【玉J电力出版 iq:.20l6. 『7] 『{l fJ【lf1电没汁院有限公 叫. GB 50054—201 l 率,提高系统功率 数,另外精确控制电能质量,使 低乐配电设汁姚范[s].北京:中H汁则 版礼,2011. [8] 『{1 联合T程公一J.GB 50052—2009供酣lU 系统没计规范[S1.北京: … 汁划…版 ,2010. 电力客户满意度增加 垒 备 [1] 芸,张思寒. 电网经济运行分析及措施[J . :9 代弟. 配电网='相不 衡问题的分析与研 究[D].沈阳:沈阳f 业大学,2007. [10] 武汉闻测科技股份有限公司,巾同电力科学 研究院. GB/T l5543—2008 电能质量 二=相电压不 黑龙汀电力,2009(5):334—337. 『2] 郭JEl{1. 对于负荷不 衡对配电变压l器的危 和 平衡 S]. 北京:Il一同标准出版社.2009. 卡H臆的配电没订‘方法分析[J].新材料信装饰,2014(12): 337—338. [11 住房和城乡建设部T程质量安全 管司,中I 建筑标准设汁研究院. 伞国民用建筑] 程设计技术措施 3 畅 龙.壬风清.配电变乐器i相不平衡运行带 米的附加彳6i耗、电 偏差及补偿厅法f J]. 电 技术, 2004(8):73—76. (2009) 电气[M]. 北京:中国计划 版社,2009. 2Ol7—1o一15来稿 2017—1o一25修回 『4]郭峰,姚莉蜘j,刘恒,等., l入 相不平衡度的 201 7江苏省建筑电气学术年会召开 2()17 苏行建筑电气学术年会于2Ol7年lO』J 20 H~21日 南京,fj-召开 年会… 另:,古建筑电气没计技术 气总T、上海巾建筑电气设计技术 作及情报交流网理 K夏林莅临 会现场并作题为“建筑消防电气若1:问题的 思弩”精彩手}芝告 年会学术交流环 主题发。 还有:江 : 作及情报交流嘲、汀苏省照叫学会 内外照明专业蚕员 会、汀苏竹土木建筑学会建筑电 e专业委 会、汀苏省建 筑设汁研究院仃限公二J联合主办 苏省各大设计院电 省建筑设计研究院电气总r陈礼贵“父rl节能问题的探讨” 技术报告:南京If 建没丁程施丁 l}l心电气总T陈晓 没计人员、建筑电气厂商代表等约250余人参会.. 年会}彳 推动行业内学术交流 合作,捉高建筑供配 电系统、钭能建筑、窄内外照[Jfj l 程的理沦和T程设汁水 平.促进新产 、新技术、新利于£成_粜市场化和产业化, 以响应汀苏省“ =i五”创新型肯份建没主要目标和创新 _J】]针对施r『冬1 常 、多见问题做“2()17年施]:『复J审 rIl几个常见的问题”报告 不仅有l 々家的报告,, 大电器 业如艾迪迪电 C (苏州)仃 公司、-IE京英博电气J投份钉限公司、金海新源 电气江苏有限公州一 海森 机电没备行限公硎等企业代 表在年会上分亭J’r1己的最新技术和产 fr 驱动发展战略,促进整个汀苏省建筑电气行业持续发胜 省情报网理事}乇、江苏省建筑没汁研究院电气总T= 顾继明作汀苏省“一网”1一作报竹 .孙}羊、邹万流、 敏、张JlL{冰等各位理事主持了年会学术交流和企业代表 发 环节 针对、 前消防电气fa】题较多的情况.本次会汶 特别邀清r 济大学建筑没汁研究院(集团)有限公剐电 江苏省土木建筑学会建筑电气专业委员会 江苏省照明学会室内外照明专业委员会 供稿 江苏省建筑电气设计技术协作及情报交流网 本刊 摘编 - 日= 目 】, 一 ( 伟 h}埒)-_63l_tl【1://www izdq flI-I 1 H 一