高壓電網(wǎng)不平衡情況分析

1、高壓電網(wǎng)不平衡情況分析    摘要：新型高壓直流輸電系統(tǒng)接入三相電壓不平衡電網(wǎng)時(shí)，會(huì)遇到直流電容電壓出現(xiàn)2倍工頻紋波的問題,從而導(dǎo)致?lián)Q流器性能下降,影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。若只考慮基波電動(dòng)勢(shì),使用對(duì)稱分量法可以將不平衡電壓分解成對(duì)稱的正序和負(fù)序2部分,而這2部分平衡且相互獨(dú)立。換流器d、q軸分量是直流正序分量與2次交流諧波的負(fù)序分量之和,參考在電壓平衡情況下的數(shù)學(xué)模型,可以得到三相電壓不平衡情況下電壓源型換流器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,這個(gè)數(shù)學(xué)模型包含正序和負(fù)序2個(gè)部分。由三相輸入的復(fù)功率可知,有功功率包含2次余弦和正弦部分,通過正序電流和負(fù)序電

2、流分別獨(dú)立控制的雙電流閉環(huán)控制方法使其為零,從理論上就可以消除直流電容電壓的2次紋波。利用電力系統(tǒng)仿真軟件Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,雙電流閉環(huán)的控制方法可消除直流電壓的紋波,保證了新型高壓直流輸電系統(tǒng)在電壓不平衡的情況下仍然具有良好的性能。 關(guān)鍵詞：高壓電網(wǎng)不平衡 中圖分類號(hào)：U665.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 三相不平衡是指三相電源各相的電壓不對(duì)稱。是各相電源所加的負(fù)荷不均衡所致，屬于基波負(fù)荷配置問題。發(fā)生三相不平衡即與用戶負(fù)荷特性有關(guān)，同時(shí)與電力系統(tǒng)的規(guī)劃、負(fù)荷分配也有關(guān)。 電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度（GB/T155431995）適用于交流額定頻率

3、為50Hz電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下由于負(fù)序分量而引起的PCC點(diǎn)連接點(diǎn)的電壓不平衡，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值為2，短時(shí)間不得超過4。 而且該標(biāo)準(zhǔn)還解釋：不平衡度允許值指的是在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小方式下負(fù)荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)（運(yùn)行）周期中的實(shí)測(cè)值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測(cè)量等。在確定三相電壓允許不平衡指標(biāo)時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用95概率值作為衡量值。即正常運(yùn)行方式下不平衡度允許值，對(duì)于波動(dòng)性較小的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的五次接近數(shù)值的算術(shù)平均值對(duì)比；對(duì)于波動(dòng)性較大的場(chǎng)合，應(yīng)和實(shí)際測(cè)量的95概率值對(duì)比；以判斷是否合格。其短時(shí)允許值是指任何時(shí)刻均不能超過

4、的限制值，以保證保護(hù)和自動(dòng)裝置的正確動(dòng)作。 三相不平衡：是指在電力系統(tǒng)中三相電流（或電壓）幅值不一致，且幅值差超過規(guī)定范圍。 1增加線路的電能損耗。在三相四線制供電網(wǎng)絡(luò)中，電流通過線路導(dǎo)線時(shí)，因存在阻抗必將產(chǎn)生電能損耗，其損耗與通過電流的平方成正比。當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)以三相四線制供電時(shí)，由于有單相負(fù)載存在，造成三相負(fù)載不平衡在所難免。當(dāng)三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，中性線即有電流通過。這樣不但相線有損耗，而且中性線也產(chǎn)生損耗，從而增加了電網(wǎng)線路的損耗。 2增加配電變壓器的電能損耗。配電變壓器是低壓電網(wǎng)的供電主設(shè)備，當(dāng)其在三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行時(shí)，將會(huì)造成配變損耗的增加。因?yàn)榕渥兊墓β蕮p耗是隨負(fù)載的不平衡度而

5、變化的。 3配變出力減少。配變?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，其繞組結(jié)構(gòu)是按負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，其繞組性能基本一致，各相額定容量相等。配變的最大允許出力要受到每相額定容量的限制。假如當(dāng)配變處于三相負(fù)載不平衡工況下運(yùn)行，負(fù)載輕的一相就有富余容量，從而使配變的出力減少。其出力減少程度與三相負(fù)載的不平衡度有關(guān)。三相負(fù)載不平衡越大，配變出力減少越多。為此，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，其輸出的容量就無法達(dá)到額定值，其備用容量亦相應(yīng)減少，過載能力也降低。假如配變?cè)谶^載工況下運(yùn)行，即極易引發(fā)配變發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐膳渥儫龘p。 4配變產(chǎn)生零序電流。配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將產(chǎn)生零序電流，該電流將隨三相負(fù)載不平衡的程度而

6、變化，不平衡度越大，則零序電流也越大。運(yùn)行中的配變?nèi)舸嬖诹阈螂娏?，則其鐵芯中將產(chǎn)生零序磁通。(高壓側(cè)沒有零序電流)這迫使零序磁通只能以油箱壁及鋼構(gòu)件作為通道通過，而鋼構(gòu)件的導(dǎo)磁率較低，零序電流通過鋼構(gòu)件時(shí)，即要產(chǎn)生磁滯和渦流損耗，從而使配變的鋼構(gòu)件局部溫度升高發(fā)熱。配變的繞組絕緣因過熱而加快老化，導(dǎo)致設(shè)備壽命降低。同時(shí)，零序電流的存也會(huì)增加配變的損耗。 5影響用電設(shè)備的安全運(yùn)行。配變是根據(jù)三相負(fù)載平衡運(yùn)行工況設(shè)計(jì)的，其每相繞組的電阻、漏抗和激磁阻抗基本一致。當(dāng)配變?cè)谌嘭?fù)載平衡時(shí)運(yùn)行，其三相電流基本相等，配變內(nèi)部每相壓降也基本相同，則配變輸出的三相電壓也是平衡的。 假如配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)

7、行，其各相輸出電流就不相等，其配變內(nèi)部三相壓降就不相等，這必將導(dǎo)致配變輸出電壓三相不平衡。同時(shí)，配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡時(shí)運(yùn)行，三相輸出電流不一樣，而中性線就會(huì)有電流通過。因而使中性線產(chǎn)生阻抗壓降，從而導(dǎo)致中性點(diǎn)漂移，致使各相相電壓發(fā)生變化。負(fù)載重的一相電壓降低，而負(fù)載輕的一相電壓升高。在電壓不平衡狀況下供電，即容易造成電壓高的一相接帶的用戶用電設(shè)備燒壞，而電壓低的一相接帶的用戶用電設(shè)備則可能無法使用。所以三相負(fù)載不平衡運(yùn)行時(shí)，將嚴(yán)重危及用電設(shè)備的安全運(yùn)行。 6電動(dòng)機(jī)效率降低。配變?cè)谌嘭?fù)載不平衡工況下運(yùn)行，將引起輸出電壓三相不平衡。由于不平衡電壓存在著正序、負(fù)序、零序三個(gè)電壓分量，當(dāng)這種不平衡的

8、電壓輸入電動(dòng)機(jī)后，負(fù)序電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與正序電壓產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相反，起到制動(dòng)作用。但由于正序磁場(chǎng)比負(fù)序磁場(chǎng)要強(qiáng)得多，電動(dòng)機(jī)仍按正序磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。而由于負(fù)序磁場(chǎng)的制動(dòng)作用，必將引起電動(dòng)機(jī)輸出功率減少，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低。同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的溫升和無功損耗，也將隨三相電壓的不平衡度而增大。所以電動(dòng)機(jī)在三相電壓不平衡狀況下運(yùn)行，是非常不經(jīng)濟(jì)和不安全的。 由不對(duì)稱負(fù)荷引起的電網(wǎng)三相電壓不平衡可以采取的解決辦法： 1、將不對(duì)稱負(fù)荷分散接在不同的供電點(diǎn)，以減少集中連接造成不平衡度嚴(yán)重超標(biāo)的問題。 2、使用交叉換相等辦法使不對(duì)稱負(fù)荷合理分配到各相，盡量使其平衡化。 3、加大負(fù)荷接入點(diǎn)的短路容量，如改變網(wǎng)絡(luò)或提

9、高供電電壓級(jí)別提高系統(tǒng)承受不平衡負(fù)荷的能力。 4、裝設(shè)平衡裝置。 簡(jiǎn)要列出以上幾種解決三相電壓或電流不平衡對(duì)電網(wǎng)及電能質(zhì)量危害的技術(shù)措施。 具體應(yīng)該采取哪一種措施更為合理有效，還要根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較后確定實(shí)施。 在低壓三相四線制的城市居民和農(nóng)網(wǎng)供電系統(tǒng)中：由于用電戶多為單相負(fù)荷或單相和三相負(fù)荷混用，并且負(fù)荷大小不同和用電時(shí)間的不同。所以，電網(wǎng)中三相間的不平衡電流是客觀存在的，并且這種用電不平衡狀況無規(guī)律性，也無法事先預(yù)知。導(dǎo)致了低壓供電系統(tǒng)三相負(fù)載的長(zhǎng)期性不平衡。對(duì)于三相不平衡電流，電力部門除了盡量合理地分配負(fù)荷之外幾乎沒有什么行之有效的解決辦法。 電網(wǎng)中的不平衡電流會(huì)增加線路及變壓器的銅損，還會(huì)增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行，最終會(huì)造成三相電壓的不平衡。 調(diào)整不平衡電流無功補(bǔ)償裝置，有效地解決了這個(gè)難題，該裝置具有在補(bǔ)償系統(tǒng)無功的同時(shí)調(diào)整不平衡有功電流的作用。其理論結(jié)果可使三相功率因數(shù)均補(bǔ)償至1，三相電流調(diào)整至平衡。實(shí)際應(yīng)用表明，可使三相功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上，使不平衡電流調(diào)整到變壓器額定電流的10以內(nèi)。 根據(jù)wangs定理（王氏定理），在相間跨接的電容可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流。調(diào)整不平衡電流無功補(bǔ)償裝置就是利用wangs定理來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在各相與相之間以及各相與零線之間恰當(dāng)?shù)亟尤氩煌瑪?shù)量的電容器，不但可以使各相都得