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摘要：目前，国内低压配电网一般采用三相四线制供电方式，单相用电和三相用电两种用电方式并存。低压配电网中单相负荷数量多、特征复杂、随机性强、地域分布广、离散性大，单相负荷这些特点和供电管理侧对三相负荷不平衡现象不够重视、管理措施不够到位等造成了三相负荷不平衡现象在低压配电网中长期存在。三相负荷不平衡对电网及用电设备的安全、经济运行带来一系列危害，如：配电变压器容量利用率降低，配电变压器损耗增大；重载相电压下降、轻载相电压升高，电器设备有时不能正常工作；中性线电流增大，线路损耗增大。有研究表明，我国低压电网的电能损耗占整个供配电网络总损耗的50%~60%
关键词：换相技术；三相负荷；不平衡治理；应用研究
引言
随着国民经济水平不断提高，各行各业的用电量在不断增加，电力行业所面临的电能质量问题也越来越多，其中三相不平衡是影响电能质量的一个重要因素。目前，解决三相不平衡问题的主要措施是利用无功补偿装置进行补偿，但该装置对于线路整体调节的效果很有限，无法保证线路整体平衡。本文提出了一种基于换相技术的低压配网三相负荷自动平衡方案，通过实时监测并调整各个用户负荷的接入相别，保证低压配电网三相负荷均衡分配，从而降低不平衡度，提高电能质量。
1、换相数学模型
一个配电台区配置一套三相负荷不平衡自动换相装置，该装置由一台主控制器和若干台（一般为8~15台）换相开关组成，见图1。
图1三相负荷不平衡自动换相装置结构组成
2、换相流程策略
2.1换相流程
在实际工程应用中，为防止频繁换相引起换相开关损坏，主控制器不仅要判断三相负荷不平衡度是否超过规定限值，还要考虑配电变压器的容量及负载率。台区配变容量为100kVA时，当负载率η超过10%（平均线电流超过15A）且三相不平衡度δ超过15%并持续一定的时间后，才考虑换相。换相原则是以最少的换相开关动作次数使三相负荷不平衡度控制在规定限值以下。平衡三相负荷总是会将重载相将部分负荷转移到轻载相，因此，会有两类情况，第1类是某一相的部分符合向另外两相转移，如A相部分负荷向B相和C相转移或B相部分负荷向C相和A相转移或C相部分负荷向A相和B相转移，第2类是某两相向另外一相转移，如A相部分负荷和B相部分负荷向C相转移或B相部分负荷和C相部分负荷向A相转移或C相部分负荷和A相部分负荷向B相转移。下面分别以C相部分负荷向A相和B相转移、B相和C相部分负荷向A相转移为例对转移策略进行说明。先对相关符号作如下声明：
配变低压侧出线三相平均电流Iav为：
A相需转移电流Ita：Ita=IA-Iav
B相需转移电流Itb：Itb=IB-Iav
C相需转移电流Itc：Itc=IC-Iav
允许电流调整误差Itq：Itq为设定的一常数。C相换相开关负荷队列中最大负荷电流Icmax，是一变量。B相换相开关负荷队列中最大负荷电流Ibmax，是一变量。C相部分负荷向A相和B相转移的控制策略流程说明。A相部分负荷向B相和C相转移的控制策略流程、B相部分负荷向A相和C相转移的控制策略流程与之类似。B相和C相部分负荷向A相转移的控制策略流程说明。A相和B相部分负荷向C相转移的控制策略流程、C相和A相部分负荷向B相转移的控制策略流程与之类似。
2.2控制策略的实现
目标函数J是一个多目标优化函数，由于负荷状况比较复杂，需要采集的数据较多，故采用模糊C均值聚类算法对负荷进行聚类分析，进而完成对目标函数的求解。模糊聚类方法在数据分析中经常使用，其引入了隶属度的概念，通过建立模糊的相似关系对样本进行分类，其结论表现为样本数据以一定的隶属度从属于各个分类，这种方式可有效地反映复杂负载的负荷特性。根据分类结果，将特定时间相同负荷模式的用户均衡分配连接到三相相别之中，从而达到三相负荷平衡。
3、实验测试
3.1过零投切换相实验
换相开关实际工作时，必须保证换相引起的断电时间不能超过20ms，且避免在换相过程中出现拉弧或涌流。过零投切换相就是在电流过零点切除原相序，在电压过零点投入目标相序，此举可以实现切除旧相序无拉弧、投入新相序无涌流。实验选择额定电流为60A的大功率电阻作为模拟负载。下发换相指令给换相开关，使其从A相切换到B相，期间记录的电压波形和电流波形。装置实现了在电流过零点切除旧相序、在电压过零点投入新相序的功能。由于选用的负载是纯电阻性的，功率因数为1，故其电压波形和电流波形的相位差为零。过零投切前、后，负载电压波形的变化。换相前，负载在B相，其相位落后目标相位A相120°；换相后，其相位与目标相位A相相同，说明负载已切换到A相，换相时间约13ms，满足国家标准20ms以内的要求。
3.2负荷终端实验分析
负荷终端实验系统在220V电压系统下进行，负荷终端开关模块选用的晶闸管额定电流为60A，耐压1600V，机械开关采用额定电流为60A，耐压4kV的磁保持继电器，负载选用300Ω，200W的纯电阻负载。从负载电压和电流波形来看，负荷终端换相别的切换过程平稳、迅速，换相过程中电压仅有几毫秒的中断。经过多次实验，装置的切换均能在半个周波内完成，验证了相别切换方法的可行性。
3.3并网实验分析
三相负荷分配控制器安装在配电变压器低压出口侧，负荷终端分散安装在同一变压器下各个用户的进线端。从供电公司用户用电信息采集系统中，选取装置投入前后变压器电压与电流的数据与波形进行比较。装置投入运行之后，三相电压的波动更小，电压有效值相对有所升高。投入装置后三相电流波动逐渐变小，三相趋势平衡，三相电流不平衡度由23.07%降到了7.89%。同时配电台区的线损率由投入前的8.51%下降到了6.96%，验证了装置的有效性和经济性。可见，装置投入运行后，电流不平衡度得到了很大的改善，降低了线路损耗，提高了用户供电质量，带来了良好的经济效益
结束语：
引言随着国民经济水平不断提高，各行各业的用电量在不断增加，电力行业所面临的电能质量问题也越来越多，其中三相不平衡是影响电能质量的一个重要因素。目前，解决三相不平衡问题的主要措施是利用无功补偿装置进行补偿，但该装置对于线路整体调节的效果很有限，无法保证线路整体平衡。本文提出了一种基于换相技术的低压配网三相负荷自动平衡方案，通过实时监测并调整各个用户负荷的接入相别，保证低压配电网三相负荷均衡分配，从而降低不平衡度，提高电能质量。
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论文作者:徐勇
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：负荷论文; 不平衡论文; 电流论文; 负载论文; 装置论文; 电压论文; 波形论文; 《电力设备》2019年第9期论文;