低压配电网中三相不平衡装置设计与研究

低压配电网中三相不平衡装置设计与研究

邓淼

南京亚派科技股份有限公司 江苏南京 210000

摘要：近年来，在我国社会用电量不断增加的背景下，低压配电网的负荷迅速增加，部分配网产生了严重的三相不平衡问题，对整个电网的安全运行产生了不利的影响。三相负荷不平衡会导致变压器容量损耗、使用寿命缩短的问题，最终带来严重的危害。因此，强化低压配电网中三相不平衡装置的设计以及研究，可以保证低压配电网中三相不平衡问题得到有效地解决，提升整个电网运行的安全性、可靠性。本文针对这一问题研究，提出了三相不平衡的危害以及低压配电网中三相不平衡装置的设计方案，从而保证低压配电网中三相不平衡电路能够尽量接近平衡状态，并且降低经济成本的投入，达到节能运行的效果。

关键词：低压 配电网 不平衡

1 引言

低压配电网是我国电网中的重要组成部分，在社会经济迅速发展的背景下用电量不断地增加，对于低压配电网的要求也越来越高。在低压配电网中三相不平衡是十分棘手的问题，大量单相负载的存在以及不对称非线性设计的存在，使得三相负荷不平衡得不到有效的解决。变压器容量损耗加剧、使用寿命缩短，整个系统的运行效率大大降低，甚至在低压配电网运行当中正常的通信质量也会受到影响。只有强化低压配电网三相不平衡装置的设计以及研究，解决在实际运行中三相负荷不平衡的补偿问题，才能使得低压配电网能够达到平衡的状态，提升整体的运行效率。

2 三相不平衡的危害

根据实际研究可以得知，低压配电网中三相不平衡会产生相应的危害，对于变压器、线损都产生了较大的影响。

2.1 对变压器产生危害

在低压配电网中，低压用户一般为单相负荷，如果低压用户端三相负荷不平衡，整个变压器中会出现某些相连续电流过大的状况。严重时，其产生的连续磁通量甚至会导致变压器的油箱或钢构件受到损害，这使得整个变压器的损耗大大增加。在此情况下，配电变压器运行的整体温度提升，其使用寿命也会因此而缩短，甚至在严重时会产生设备烧坏的问题，这对于企业日常的安全运行产生了不利的影响。

2.2 对线损的影响

通常情况下，低压配电网在实际运行中采取三相四线的接线方式来进行供电，引发三相不平衡问题产生的主要因素是单相负荷的存在，单相负荷往往也会导致各相线路的损害大大增加。除此之外，中性线的电流还会因此而产生叠加，在此背景下总的线损量会大大增加。因此在低压配电网中，若三相负载处于不平衡的状态，那么整个线路的损耗会远远高于平衡状态，这使得整个电网的节能运行都受到了不利的影响，需要根据低压配电网的实际运行来做出相应的调整，从而满足配电网安全运行的要求。

3 三相不平衡装置的设计

3.1总体设计

在低压配电网运行中，若其负载处于长期不平衡的状态，众多设备的安全运行将会受到影响，甚至影响了人们的生命财产安全。根据传统的无源方案，低压配电网中三相不平衡问题的调节方式主要是通过电容投切来进行的。手动的投切方式需要通过人工测量的方法来进行计算，这就要求投入大量的人力资源成本，整体的调节效果也相对较差。自动投切的方式，根据现有案例，实际实施的调节效果也很差，甚至因电容容量无法得到有效的调节，而导致能耗增大。因此传统的自动或手动调节，无法有效地解决低压配电网中三相不平衡的问题。解决这些问题需要实现低压配电网三相不平衡装置的设计，并且根据电网的实际带载状况来进行智能化的调节。

进行低压配电网三相不平衡装置设计时，需要明确其基本的原理。在具体工作中需要针对三相负载电流进行检测，并将某相补偿带载多的电流补偿到少的一相，从而实现三相电流平衡。因此，基于这一原理在进行具体设计时，需要加入外部电流互感器，针对负载电流进行实时检测，随后结合DSP来进行计算。通过内部运算，得出低压配电网负载中三相不平衡的具体程度，即三相电流不平衡度，再根据具体的设置值，使得逆变器输出需要的三相不平衡电流，最终达到三相不平衡补偿的效果。

整个装置设计的主电路拓扑图如图1中所示，从图中可以看出三个同向的单相T型模块，构成了整个主电路。其中ABC三相各具有单独的T型模块，三个模块保持完全一致，因此实际工作的方式也是完全一致的。在具体设置过程中，需要通过DSP控制模块的状态来使得整个装置的工作状态达到相应的转变。

图1 系统主电路拓扑图

每一个T型的模块单相拓扑图如图2中所示，从图中可以看出，整个拓扑图中包括四个模块、四个二极管，并且结合电容组来进行工作。在稳定状态下正负母线的电压保持均等的状态。为了保证整个装置的精确性，在单相T型的主电路拓扑图中增加6路高精度的输出装置，同时在芯片中设置采样通道，以便更加全面地对整个装置的电压、电流数据进行采用，这也为通信处理带来了较大的便利。

图2 单相T型主电路拓扑图

3.2母线电容

为了保证低压配电网三相不平衡装置设计的有效性，需要注重母线电容的选择。在实际应用中，母线电容可以进行储能，属于电容原件。在换路电容中，由于部分谐波的存在，其产生的无功会影响逆变器的正常运行。在应用母线电容原件时，可以针对直流侧电压波动进行有效控制，即母线电容大小的选取需要根据实际应用的状况来进行选择。若设置母线电容过大时，整个装置的成本大大增加，并且会出现频繁的过流状况。若电容选择偏小时，则会使得输出电流的谐波分量增加，特别是当系统处于不平衡状态时还会引发后续电流。因此在针对电容进行选择时，需要选择合适的数值，根据具体工作的情况来进行计算。电容最佳值的选取，主要是根据实验的调整状况，并结合装置原件的损耗以及电压的波动来进行确定。

3.3滤波电感

本文针对低压配电网三相不平衡装置设计时所选取的滤波器属于LCL滤波电路。在LCL滤波电路运行中，电容的主要作用是实现高频分量的过滤，会使得通电阻通路能够得到增加，而电感的应用主要作用是减小高频分量的电流。在整个装置中，相较而言，电感的重量较大，如果在实际设计时没有合理分配，那么整个装置就会出现过大过重的问题。因此在实际计算时需要设置一定的频段，并且将滤波电容做等效开路的处理。

在针对低压配电网三相不平衡装置当中的滤波电感进行选择时，需要结合仿真调试来确定电感值的大小，并结合整个系统的运行来保证滤波器可以发挥最大的作用。滤波电感的大小将直接影响着无功电流，从实际调查中发现当滤波电感取值越大时，整个结构的设计成本也会增大，因此只有选择合适的电抗值，保障纹波衰减的能力，同时抑制基波无功电流的变化，才可以达到良好的实用运行效果。

3.4系统软件设计

在配电网的软件设计中，需要结合配电网的实际运行需求来设置等待、自检、正常、故障等状态。在正常状态下需要实现各种信号的控制，而在故障状态下则需要断开继电器，因此从整个装置开机之后，系统需要依次跳转状态，如果发现进入下一状态的条件无法成立，那么则需要在当前的状态下进行循环运行，以保障整体的稳定性。

结语

在新时期人们生活工作中对电力的需求越来越高，电能质量对人们的生产生活也有着越来越深远的影响。据电力行业权威机构统计，全社会低压负荷在社会总用电量的占比高达25%-30%，低压配电网中三相不平衡的问题会严重的影响电网运行的效率。在电网中应用三相不平衡装置，结合各地区的实际地理环境来实现通信、防水、散热的优化，对实时保障电网的安全稳定运行起着积极有效的作用。

参考文献：

[1]侯云海,岳冶,李祖鹏. 中低压配电网不平衡负荷引起的损耗研究[J]. 现代工业经济和信息化,2017,10(03):116-117.

[2]黄辉,余泓圻,刘鹏伟. 考虑三相有功不平衡度的无功电压集中控制策略[J]. 云南电力技术,2019,48(02):31-36.