摘要：本文分析基于换相开关和基于电力电子技术两种方案进行不平衡台区的治理，依次介绍相关技术，并对其进行深入研究，以供参考。
关键词：换相开关；电力电子；不平衡
1前言
理想的三相交流低压配网供电系统是三相电压频率相同、幅值相等，相位互差120°。在实际应用中，由于单相用户的不可控增容、大功率单相负荷的随机性接入及单相负荷的用电不同时性等客观原因，在配网中极易造成配电台区三相负荷分配不平衡，从而导致低压配网不平衡产生。
2.基于换相开关的不平衡治理技术
下图1-1换相开关治理不平衡电流装置技术方案示意图，利用换相开关来进行不平衡电流的治理，需要配电变压器的侧安装平衡监测主机，在负荷之路上负荷换相切换开关分机。该技术方案需要在变电变压器的低压侧出线出安装平衡监测主机，平衡主机的作用主要是用于监测整个配电变压器A、B、C三相上的负荷电流，并根据预设的控制切换规则整体协调控制各换相切换开关分机的切换动作。在单相负荷之路上与安装换相切换开关分机，换相开关分机可以将开关以后负荷切换到供电主线的任意一个单相上，实现电能有线路到负荷用户的连接，同时分机还与平衡监测主机之间进行数据通讯，向监控主机发送分机状态并接收监控主机发送的换相指令。监控主机和换相分机开关之间的通讯一般采用电力载波通讯，这种通讯方式直接利用电力传输线路作为信号传输介质，不用再建通讯线路，工程实现上较为容易实现。
图1-1 换相开关治理不平衡电流装置技术方案示意图
从图1-1中可以看出，换相开关为了尽可能减小换相带来的波形畸变，一般选择在两相电压瞬时值相等的时刻换相，如图1-2所示。在换相时刻之前，换相开关分机接收到换相切换指令，等到切换的两相电压瞬时值相同时，进行负荷相线切换。对于采用普通机械换相相开关的装置其响应时间在20～30ms，而对于采用进闸管或复合开关的换相装置，考虑到相间电压相位跳变的因素，补偿全响应时间不大于10ms。
图1-2 所示为换相开关换相时刻示意图
2.1 基于电力电子的不平衡治理技术
（1）基于电力电子的不平衡治理技术基本原理；
基于电力电子的三相不平衡治理一种新的有源低压电网不平衡治理装置，其原理是通过基于电力电子构建三相变流器系统，通过检测负荷侧的三相电压和电流，计算出三相系统的正序、负序和零序电流分量，采用适当的控制方式，使变流器输出与负荷侧负序和零序电流相反的补偿电流，再注入到配网线路中从而实现对三相不平衡电流的治理。当变流器三相不平衡电流进行了补偿以后，在补偿点以后，三相线路电流还是处于不平衡状态，但对于配电变压器来说，其出线三相线路已经达到了平衡，因此配变变压器的中性线上电流几乎为零。对三相不平衡当采用PWM调制控制电路时还可实现对输入功率因数补偿及对谐波的治理等电能质量综合治理功能。基于电力电子的三相不平衡电流治理装置能够实时跟踪三相负变化进行动态补偿，补偿过程平滑，不会造成电压电流波形的突变，三相不平衡治理效果良好。
（2）基于电力电子变流器的不平衡电流治理装置技术方案；
图1-3 基于电力电子变流器的不平衡电流治理装置技术方案示意图
图1-3为基于电力电子变流器的不平衡电流治理装置技术方案示意图，图中可以看出该技术方案需要将不平衡治理装置通过连接电抗器并联接在负荷与配电变压器之间，装置直接从配网低压供电线路上取能进行不平衡电流补偿。其原理是通过CT实时检测电流信息，然后将采集信息发给DSP数字控制处理器分析，之后驱动功率电路、和利用内部储能电容将系统三相不平衡电流转移、均匀分配，使三相电流达到平衡状态，具体原理如下：
如图1-3所示，假设A、B、C三相负载电流分别为：5A、10A、15A，这时候我们就认为此系统的三相电流出现了不平衡，三相电流完全平衡的状态应该是A、B、C三相电流全部为10A。
不平衡治理装置在运行时，会通过外接电流互感器（CT）实时检测系统电流，然后将CT采集到的电流信息发给内部控制器进行处理，经过控制器分析之后，不平衡治理装置就会发现系统的电流不平衡状态，同时计算出三相电流达到平衡状态所需转换的电流值。以图1-3为例，A相电流想达到平衡状态则需要增加5A的电流，B相电流正好为10A无需调整，C相电流想达到平衡状态则需要减少5A的电流。计算完成之后，控制器就会通过IGBT驱动电路来驱动IGBT动作，从而使得电流从系统C相流入不平衡治理装置 5A，从不平衡治理装置内部流出5A到系统A相。从而使得A、B、C三相电流全部重新分配为10A，而系统的三相总电流保持不变。当然，这一系列的计算及控制动作都是在很短的时间内完成的，并且，在这一过程中不平衡治理装置只是起到一个重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量（如风扇运转、控制器件的能量消耗、开关器件的能量消耗）。
图1-4电容储存能量示意图
正如通常我们所说的电流值的大小是电流有效值一样，我们前文所述的不平衡治理装置分流电流的大小也是在一定时间内的有效值。而实际上SVG补偿三相不平衡时开关器件的动作都是瞬时的。
在某一个瞬时，C相的IGBT动作，将C相的交流电整流为直流电之后储存在SVG内部的母线电容中，如图1-4所示。
而在另一个瞬时，A相的IGBT动作，不平衡治理装置内部的母线电容（A、B、C公用同一组母线电容）上的直流电进行逆变，然后释放到系统A相上，如图1-5所示。
图1-5电容能量转移示意图
不平衡治理装置的动作是瞬时的，而在某一段时间内其收发电流的有效值却是平衡的，因此可以将其动作的结果理解为分流作用，使得系统三相电流的有效值达到一个平衡状态。
图1-6 设备安装位置示意图
当系统三相电流都偏离平衡点时，补偿原理与以上所述的两相偏离平衡点的状况类似。其根本原则就是将某相多出来的电流存储到不平衡治理装置母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相，这种补偿方式补偿过程平滑，不会因为补偿而造成电压电流波形的畸变。
3结语
对于配电网三相电流不平衡，首先应对台区用户用电数据进行采集分析，判断当前台区三相不平衡严重程度，台区用电总量和用电特性是否适合采用控制换相方案进行治理。对用户用电特性稳定的台区，三相不平衡现象不严重，只需进行线路一次性改接即可改善当前三相不平衡情况，无需进行三相不平衡治理。对于不平衡现象严重的台区，应对由三相不平衡带来的经济损失进行一定的估计，为治理方案实施细节及参数提供参考依据。
作者简介：
段军鹏，高级工程师，云南电网有限责任公司楚雄供电局，长期从事电压无功专业技术管理工作。
论文作者:段军鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/15
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