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摘要：本文主要探讨了有源型用电负荷三相不平衡调节装置设计的危害和其特点，通过其原理进行了实例分析应用。
关键词：电能质量治理；无功补偿；三相不平衡调节；谐波治理
1 背景描述
农村电网经过大规模农网改造，已具备了一定的基础，但由于历史发展原因以及服务对象为广大农村用户这一客观因素影响，目前我国农村电网的发展还普遍存在着基础设施投入不足、网架结构不甚合理，科技手段相对落后的特点，整体农村低压电网的发展存在瓶颈，远远无法满足其需求增长速度。
在此背景下，国家电网提出了建设坚强智能电网的目标，而农村电网是中国国家电网的重要组成部分，县城及农村用电量已占全社会用电量的50% 以上，且发展速度迅猛，农村电网智能化建设是智能国家电网建设不可或缺的一个重要环节，农网智能化项目作为跨环节试点工程，主要是开展农村智能配电台区、农网配电自动化、农村用电信息采集系统和农网营配调管理模式优化综合试点建设。
为了全面贯彻建设智能电网“统筹规划、统一标准、试点先行、整体推进”的工作方针，提升农网智能配电台区工程建设规范化和标准化水平，满足农网智能化发展需要和客户对供电能力、供电质量和供电服务的新要求，提高供电能力和供电可靠性，提升运行管理水平和服务能力，农网智能低压配电台区建设已是必然趋势。
2 三相不平衡的危害性
在低压配网系统中，一般采取三相四线制，用电终端多为单相负荷或单相和三相负荷混用，并且负荷大小不同、用电时间不固定。电网中广泛存在着三相电流不平衡，并且不平衡状况具有无规律性，它对配电和用电设备的主要危害如下：
1）额外增加了线路的功率损耗，造成用户不必要的电费支出；
2）增加了配电变压器的铜损，减少其出力程度，影响其长期可靠运行；
3）降低了电动机的输出功率，使其绕组温度升高，危机其安全运行；
4）可能进一步造成三相电压不平衡，致使电压高的一相上挂载的用电设备烧坏，而电压低的一相上挂载的用电设备无法正常使用。
3 传统三相不平衡调节方式及其特点：
1）安装电子换相开关
根据系统三相不平衡情况，通过电子开关，将单相负荷切换到合适的相。需要按照ABC三相，把所有的单相或两相负荷分成若干组，每组用一个电子开关进行换相控制。从一定程度上缓解了三相不平衡，但当每组内负荷发生动态变化或分组不够精确时，系统始终会存在三相不平衡。另外，在换相过程中，还存在电压闪变和跌落。
2）投切相间和分相电容
根据wangs 定理（王氏定理），投切分相电容器，调节每相无功电流，投切相间电容器，转移相间有功电流。三相不平衡的具体调节效果，取决于相间电容器和分相电容器的分组数量和容量级差。在实际使用过程中，由于电容容量的离散性，系统仍然在一定程度上存在着不平衡，并且当负荷快速变化时，电容往返投切频繁，会加速其老化。另外，在一些应用场合，无法同时兼顾无功补偿和三相不平衡电流调节。
3）使用静止无功补偿装置
现今普遍使用的静止无功补偿装置（SVC），一般为固定电容器（FC）+ 晶闸管控制电抗器（TCR）。根据Steinmetz 理论和瞬时无功算法，计算系统三相补偿导纳，控制TCR 的每一相触发角，调整分相和相间的无功功率，实现三相不平衡电流的平滑调节。在实际使用过程中，TCR 本身会产生一些低次谐波电流，当FC 的滤波参数设计不合适时，还会造成谐波放大。
4 新一代有源型不平衡调节装置原理
1）设计原理：
ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置，采用类似于有源滤波器的主电路拓扑结构，并对并网组件参数进行系列优化设计，使之更适合于系统基波电流的不平衡控制。它实时采集系统的三相电流波形，并提取出基波电流的正序、负序和零序波形，综合系统的无功补偿和三相不平衡需求，即时合成相应指令波形送给IGBT 逆变器，输出可抵消系统三相不平衡的电流。
ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置通过外部互感器CT 实时采集负载电流信号，由内部专用检测电路快速提取其中的基波无功，基波不平衡以及各次谐波成份，在统一协调控制器的智能决策下，控制过零开关阵列对电容芯组进行动态投切，实现无功和不平衡电流的粗略补偿，同时也输出合适的PWM 开关信号给IGBT 模块，逆变出三相幅度和相位可调的基波电流，实现无功和不平衡电流的精细补偿，此外，它还可抑制负载产生的部分谐波电流。详见图1、图2所示。
1）装置优点：
a）可实现三相不平衡的平滑调整；
b）可兼顾无功补偿和三相不平衡调节；
c）响应速度快，无电压闪变和波动；
d）无谐波电流污染。
1）产品特性
a）实时电能、环境数据采集和监测，直观的数据对比分析
b）良好的三相电流不平衡动态调节
c）实时的无功功率动态补偿、电压调节支撑
d）超强滤波补偿能力、智能电能质量管理
e）同时可实现“遥测、遥信、遥控、遥脉”四遥功能
f）全方位事情记录，掉电不丢失，事件量达500 条
g）微机保护
i）5 英寸高清晰触摸屏，可实时显示配电系统图及开关量状态位置
j）能给远方后台监控系统及值班人员手持APP 终端发送区域内位置信息，为值班人员故障快速抢修提供定位和导航服务，同时设备具有防偷定位功能
k）支持后台系统软件远程在线升级
5 产品工作原理
1）三相不平衡补偿原理
ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置通过外部专用CT 实时采集系统电流信号，由内部专用检测电路和控制器快速分析处理，以判断系统三相不平衡度，同时计算出三相平衡转换电流值，并发出信号驱动IGBT 模块工作，将不平衡电流从电流偏移量剩余的相转移到电流偏移量不足的相。
如图03所示，ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置在不平衡负载导致的电网三相电流不平衡的状态下将电网电流调节为100A 的平衡状态，其中A 相负载用电为52A，如果电网调节为100A 那么该相电流偏移量会剩余48A，同理C 相电流偏移量缺少48A，ZCESVG会将A 相的偏移电流48A 转移到C 相，来达到保证负载侧不平衡用电的情况下，电网的三相电流平衡。
2）电压支撑原理
如图04所示，ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置通过补偿电压点进行采样，当内部控制器得到电压信息数据后立刻对补偿点电压信息进行分析处理，以判断补偿点电压是否超过设定值，当电压低于设定下限（Umin）值时ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置输出容性电流，提升电压，当电压高于设定上限（Umax）值时，ZCESVG系列智能型用电负荷三相不平衡调节装置输出感性电流，降低电压，从而实现各相电压稳定在正常范围内运行。
4）无功补偿原理
AsineSVG通过外部专用CT实时采集负载侧系统电流信号，在内部控制器的智能决策下，当系统功率因数低于设定的功率因数目标值时，装置瞬时发出感性或荣性的无功电流注入系统，实现动态无功补偿的目的，以确保系统达到最佳补偿效果。
6 应用实例
本次测试在某供电局某公变进行，选取负载用电情况较大的时间段17：30-18：00，进行设备投入前-投入中-断开设备三个阶段的数据分析对比，来体现ZCESVG对电能质量问题的治理能力。
1）电能质量对比分析
ZCESVG投入前——运行中——设备断开三相电流波形与数据分析
从上图运行状态、数据表以及基波柱状图可看出，设备在17：32：00启动投入工作，在没投入之前17：31：00时，三相电流分别为A相：71.5A B相：92.5A C相：62.1A，三相不平衡度为40%。在投入运行的20分钟里，三项电流一直如数据中显示为平衡状态，如17：34：00时，三相电流分别为A相75.2A B相76A C相76.3A，不平衡度＜2%。
从上述数据中可以看出，ZCESVG投入前和试验段开设备后都存在电流不平衡的现象，在设备运行状态中三相电流基本保持平衡状态。因此可以看出ZCESVG具有良好的三相电流不平衡调节功能。
该柱状图为投入前和投入后谐波含量柱状图，可以明显看出ZCESVG投入前存在一定的3次谐波、5次谐波，在ZCESVG投入后奇次谐波含量基本滤除。由此可以看出，ZCESVG具有良好的谐波滤出的功能。
7 分析总结
在我国农村配电网中，低压配电一般采用三相四线制，但是末端负载多为单相负载与三相负载混合使用，由于符合分配不均匀、符合大小不同、用电时刻不同等因素。农村配电网中大部分都存在着无规律、变化快的三相电流不平衡，并且因为此次该供电局某公变负载中还包含联通的基站，导致配电电网中还会不定时的出现谐波污染。针对以上问题，ZCESVG三相负荷不平衡自动调节装置从技术和运行两大方面彻底解决了上述问题。
在该供电局某公变安装ZCESVG后，通过上文中数据对比分析可以看出ZCESVG的几个显著效果：
a）ZCESVG能够有效治理配电台区的三相电流不平衡的问题，保证治理后三相不平衡度＜3%。
b）ZCESVG彻底的滤除了由于联通基站导致的配电台区谐波含量高的问题，治理后谐波电流含量＜5%。
c）ZCESVG运行安全稳定，数据准确可靠，设备免维护，操作简单方便，运行成本低，经济性强。
自2016年5月安装投运后，ZCESVG三相负荷不平衡自动调节装置有效的解决了某供电局某公变存在的三相电流不平衡和谐波含量高等问题，降低了配电台区的线损节约了电费和能源，提高了设备运行效率，为配电台区的安全运行和提高电能质量起到了重要的作用。
参考文献：
[1]配电网三相不平衡负载的无功补偿技术研究[D].房雪涛.东南大学 2015
[2]三相不平衡综合治理措施及智能换相GUI系统研究[D].喻勇.华东交通大学 2015
[3]江西电网配电变压器三相不平衡综合治理措施研究[D].叶伟杰.南昌大学 2013
论文作者:余伙庆
论文发表刊物:《基层建设》2017年第21期
论文发表时间:2017/11/3
标签：不平衡论文; 电流论文; 谐波论文; 电网论文; 电压论文; 装置论文; 负载论文; 《基层建设》2017年第21期论文;