摘要：我国低压配电网中普遍采用三相四线制供电，电力用户多而分散，其大部分是单相负荷，且它们的用电时间、用电量、用电性质存在着较大不同，存在着负荷时空不均匀分布，导致三相不平衡现象在我国低压配电地区较为普遍。三相不平衡现象具有较大的危害，会造成较大的损耗以及会威胁电网的运行安全，存在隐患。本文介绍了三相负荷不平衡对配电变压器的影响以及基于智能换相开关的经济型配电网三相不平衡调节器。
关键词：低压配电网；三相不平衡；治理措施
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
三相配电变压器输出容量为每相输出容量之和，即S=SL1+SL2+SL3。其绕组结构是在三相平衡运行情况下设计的，每相绕组的电气特性参数相同，当三相不平衡时，变压器最大出力只能以三相负载中最大的一相为限。例如一台630kVA的配电变压器，其二次侧额定电流为910A。若三相负荷不平衡，低压侧的负载电流分别是：IL1=909A，IL2=IL3=600A，那么这台变压器的输出容量为：
从以上示例计算可见，对于三相不平衡运行的变压器，其最大输出容量明显降低，利用率只有额定容量的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，低压侧三相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中闭合，会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。而一般配电变压器设计时是不考虑这些金属构件为导磁部件的，所以由此引起的磁滞和涡流损耗往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正序电阻大得多，所以，零序电流产生的附加铁损也比较大。
2智能换相开关
智能换相开关安装在电缆分接箱，可以实现智能换相功能。智能换相开关安装于配电网三相线路分配至单相线路的节点处，三相输入单相输出，任何时刻只能有一相导通，其余两相处于分断状态。正常运行时，智能换相开关将负载电流及导通相别实时上送给配变终端。当接收到配变终端的发出的换相指令后，智能换相开关在电压、电流过零点时投切，快速将负载转移到目标相别。换相开关由接触器（K1、K2、K3）、二极管（V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10、V11、V12）、晶闸管（KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6）组成。智能换相开关的工作过程为：首先智能终端采集三相负荷的电压和电流数据，通过计算机算法的计算后，依据三相负荷平衡原则，产生各个开关的投切命令，并下发。其次，智能换相开关控制电路SCU通过电力载波通信模块接收下发的信号命令，然后结合电流互感器TA监测负荷电流，进行系统状态判断。控制电路SCU产生控制信号对接触器进行操作，并配合二极管以及晶闸管的导通关断性质，最后实现换相操作。智能换相开关使用二极管、晶闸管、接触器作为电力电子开关。在开关闭合过程中，二极管只要正向电压大于0．7V就可以导通，但会反向关断，因此可以设计两个方向相反的二极管以及晶闸管并联电路，避免电路在电压负半周不导通的故障。同时开关投切间隙只有1ms，完全可以做到不断电切相，提高设备的可靠性。而二极管仅在开关闭合和断开的瞬间工作，损耗较低，无需额外加散热电路，节约成本。整个切换过程中，二极管起到了保护接触器触电和晶闸管的双重作用，极大延长了接触器和晶闸管的寿命。
3算法介绍
3.1电流检测算法
随着微电子技术的发展，出现了各种各样的谐波电流检测算法，工业中主要采用基于FFT和瞬时无功功率的电流检测算法。基于FFT的谐波检测算法，首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，由此产生补偿信号，由于FFT至少需要一个基波周期的信号，这样必然导致谐波检测算法的实时性差。基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压作用的结果，实时求出基波电流值，然后将补偿电流从原电流中分离出来，产生补偿信号，这种算法的最大特点就是实时性好。
基于瞬时无功功率的三相不平衡、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三相不平衡、无功、谐波电流和系统电压作用的结果，实时求出基波电流值，然后将补偿电流从原电流中分离出来，产生补偿信号。该方法对电能质量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用，为三相不平衡、无功、谐波的实时补偿提供了理论基础。三相不平衡电流在三相电力系统中以负序的形式表现出来，利用瞬时无功理论检测出负序电流即可对三相不平衡进行治理。该理论的核心思想是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负序、无功、谐波分量。以此理论为基础，发展了多种负序、无功、谐波检测算法，如p-q法、ip-iq法等。与p-q法相比，ip-iq法在电网电压发生畸变时，不会影响无功、谐波的检测精度。
为了实现电能质量综合治理装置的多功能化，让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不平衡及无功补偿的同时，另外加入了指定次谐波消除环节。一方面保证了电能质量综合治理装置的无功补偿能力及相应速度，另一方面对特定次谐波进行了消除。
2.4主要控制算法
有源不平衡补偿装置的控制算法主要包括直流侧电压控制和补偿电流控制，其中直流侧电压控制的目的是使得直流侧电压稳定在固定值附近，以保证装置的补偿效果；电流控制的目的是使得输出电流能够更好地跟踪电流指令，进而提高装置的补偿效果。在装置补偿过程中，瞬时功率的变化会引起直流侧电压的波动，对装置补偿效果甚至系统的稳定性产生影响，因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。
电流控制算法较多，比如滞环比较器瞬时值比较方法、无差拍控制方式、PI控制方式、重复控制方式，都有各自的特点，以下以滞环控制方法为例进行说明。在这种方法中，把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动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；不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波；若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力电子器件的开关频率是变化的，并且由于电力电子器件开关频率的限制，需要对滞环比较器的输出频率加上限幅。
结束语
总的来说，在出现三相不平衡时，通过控制终端的调控，改变部分负荷的接入相，调节不平衡度，改善不平衡。智能控制终端是能够实时在线监测三相负荷、调控不平衡度、无功补偿控制、计量、报表等一系列功能智能化控制器，有源不平衡补偿装置在低压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用效率，提高系统功率因数，另外精确控制电能质量，使电力客户满意度增加。
参考文献:
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论文作者:范艳峰,赵华云,刘洛阳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/11
标签：电流论文; 不平衡论文; 谐波论文; 变压器论文; 电压论文; 算法论文; 接触器论文; 《电力设备》2018年第3期论文;