基于PSCAD农网三相不平衡仿真建模研究

基于PSCAD农网三相不平衡仿真建模研究

朱振一

（天津市宝坻区第一中学天津301800）

摘要：随着农村经济快速增长，农村配电网建设长期滞后以及用户空间分布不均导致低电压现象严重。本文通过介绍分析三相不平衡的方法以及危害，利用PSCAD仿真软件分别对无功补偿、三相不平衡补偿和综合补偿进行仿真建模分析，验证了三相不平衡的治理措施正确性。通过某地区现场实际测量数据，验证了补偿装置可有效改善三相不平衡度，降低变压器损耗。

关键词：三相不平衡；低电压；PSCAD

近年来，农村已成为国家拉动内需、刺激经济快速增长的重点投资对象。农村用电负荷快速上升，用户空间分布不平衡，部分线路供电半径较大，三相负载不对称，农村居民用电负荷结构变化较大等诸多因素，已经导致增加变压器损耗、降低变压器出力、减少电动机有功出力、末端电压不平衡和偏低等问题日益严重[1]。因此，由农网三相不平衡带来的低电压问题值得关注，应开展专项研究。

1三相不平衡分析方法

1.1基于对称分量的三相不平衡分析方法

对称分量法是分析电力系统三相不平衡的有效方法，其基本思想是将三相不平衡的电流、电压分解成三组对称的正序分量、负序分量和零序分量[2]。

计算三相不平衡情况时引用对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为三个平衡的相量成分，即正序（UA1、UB1、UC1）、负序（UA2、UB2、UC2）和零序（UA0、UB0、UC0），即有UA=UA1+UA2+UA0，UB=UB1+UB2+UB0，UC=UC1+UC2+UC0，如图1所示。重复！！

图1三相不平衡分量分解

1.2三相负荷的不平衡度

不平衡度，是指三相电力系统中三相不平衡的程度，用电压或电流负序分量与正序分量的方均根值的百分比表示。

所谓三相电流的不平衡度，是指最大负荷电流与平均负荷电流之差同平均负荷电流的比值，简单来说，就是最大负荷电流超出平均电流的百分比。如此，三相电流不平衡度的计算式为：

（1.1）

其中，表示最大负荷电流；

表示平均负荷电流，。则A、B、C三相负荷电流的不平衡度分别为：

（1.2）

（1.3）

（1.4）

其中，、、分别表示三相最大负荷电流。

2三相不平衡的危害

2.1增加线路损耗

在三相四线制供电系统中，电流通过导线时，因存在导线阻抗，必将产生电能损耗，其损耗与通过电流的平方成正比。当低压电网以三相四线制供电时，由于有单相负载存在，造成三相负载不平衡在所难免。当三相负载不平衡运行时，中性线中即有电流通过。如此，不但相线有损耗，而且中性线也产生损耗，从而增加了电网线路的损耗。

2.2增加配电变压器损耗

在生产用电中，若三相负载不平衡，会使变压器处于不对称的运行状态，造成变压器损耗增大。根据变压器运行规程规定，在运行中的变压器，其中性线的电流不得超过变压器低压侧额定电流的25%。此外，三相负载不平衡运行，还会造成变压器零序电流过大，局部金属件升温增高，甚至会导致变压器烧毁。

2.3配变出力减少

配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其各绕组性能基本一致，各相额定容量相等。配变的最大允许出力，要受到每相额定容量的限制。假如配变处于三相负载不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。

显然，配变出力的减少程度与三相负载的不平衡度有关。三相负载不平衡越大，配变出力减少越多。如此，配变在三相负载不平衡下运行，其输出容量就无法达到额定值，其备用容量亦相应减少，过载能力也降低。假如配变在过载工况下运行，即极易引发配变发热，严重时甚至会造成配变烧损。

2.4配变产生零序电流

配变在三相负载不平衡工况下运行，将产生零序电流，该电流将随三相负载不平衡的程度而变化，不平衡度越大，零序电流也越大。运行中的配变若存在零序电流，则其铁芯中将产生零序磁通。这迫使零序磁通只能以油箱壁及钢构件作为通道通过。但钢构件的磁导率较低，零序电流通过钢构件时，要产生磁滞和涡流损耗，从而致使配变的钢构件局部温度升高发热。配变的绕组绝缘因过热会加快老化，导致配变寿命降低；同时，零序电流的存在，也增加配变本身的损耗。

2.5影响用电设备的安全运行

配变在三相负载不平衡时运行，其各相输出的电流不相等，配变内部的三相压降也就不相等，而这必将导致配变三相输出电压不平衡。同时，配变在三相负载不平衡时运行，三相输出电流不一样，而中性线就会有电流通过，因而使中性线产生阻抗压降，导致中性点漂移，从而使各相电压发生变化。负载重的一相的电压降低，而负载轻的一相的电压则会升高。在电压不平衡状况下供电，即容易造成电压高的一相的用电户设备烧坏，而电压高的一相的用电户的用电设备则可能无法使用。所以，三相负载不平衡运行时，将严重危及用电设备的安全运行。

3仿真研究

3.1PSCAD仿真软件介绍

PSCAD是国际上流行的暂态分析软件包，该软件主要用来研究电力系统的暂态过程，同时也适用于一般电气电子线路以及可等价地用电路来描述的系统运行特性的仿真分析。该软件以其直观易用的界面和精确高效的模拟，得到了国内外广大电力行业用户的青睐，同时，在高等学校电气工程类专业教学中，PSCAD也已成为一种行之有效的仿真教学工具。

3.2不平衡治理措施可行性仿真

（1）无功补偿仿真研究

1）仿真系统结构

以某地农村一实际供电网络为例，试搭建了一个380V，50Hz的SVG补偿，负载为对称感性负载；1s时，SVG投入，提供无功补偿，以验证无功补偿控制策略的可行性，主电路如图2所示。该网络的感性负载为电阻1.37Ω，电感为1.36mH；运行3秒后，负载发生突变，增加的电感为1.36mH。

图2无功补偿仿真电路模型

2）仿真结果分析

补偿前电网电压与电网电流有明显的相位差，功率因数不为1，说明SVG投入使用前负载无功功率由电网提供，如图3所示；补偿后电网电压与电网电流同相位，功率因数为1，此时电网提供的全部是有功功率，SVG补偿无功功率，如图4所示。

图3补偿前电网电压与电网电流仿真

图4补偿后电网电压与电网电流仿真

补偿前，电网电流与负载电流完全重合，负载中无功电流也由电网提供，如图5所示；补偿后，电网电流与负载电流明显分离，此时负载中无功电流由SVG无功补偿装置提供，如图6所示。

图5补偿前电网电流与负载电流仿真

图6补偿后电网电流与负载电流仿真

运行3秒、负载突变后，负载电流因新增感性负载且由SVG无功补偿该部分无功电流，导致负载电流自3秒后有明显增加，如图7所示。

图73秒时负载无功突变导致负载电流变化

以上仿真结果表明，搭建的无功补偿仿真电路，可提供无功补偿，证明了无功补偿控制策略的正确性。

（2）三相不平衡补偿仿真研究

1）仿真系统结构

搭建一个380V，50Hz的SVG补偿，负载为不对称阻性负载，1s时SVG投入补偿不平衡电流，来验证三相不平衡补偿控制策略，主电路如图8所示。

图8三相不平衡仿真主电路

2）仿真结果分析

补偿前，因三相负载不对称，导致电网三相电流不平衡，如图9所示；补偿后，电网三相电流平衡，如图10所示。

图9补偿前电网三相电流仿真

图10补偿后电网三相电流仿真

以上仿真结果表明，搭建的无功补偿仿真电路可提供不平衡电流补偿，证明了三相不平衡补偿控制策略的正确性。

（3）无功与不平衡综合补偿仿真研究

1）仿真系统结构

搭建一个380V，50Hz的SVG补偿，负载为不对称负载，1s时SVG投入补偿不平衡电流和无功，来验证无功和不平衡补偿控制策略，主电路如图11所示。

图11无功与不平衡综合补偿仿真主电路

2）仿真结果分析

补偿前，因三相负载不对称导致电网三相电流不平衡，如图12所示；补偿后电网三相电流平衡，如图13所示。

图12补偿前电网三相电流

图13补偿后电网三相电流

补偿前，A相电网电压与电网电流有明显的相位差，功率因数不为1，说明SVG投入使用前，负载无功功率由电网提供，如图14所示；补偿后，电网电压与电网电流同相位，功率因数为1，此时电网提供的全部是有功功率，SVG提供补偿无功功率，如图15所示。

图14补偿前A相电网电压与电网电流仿真

图15补偿后A相电网电压与电网电流仿真

以上仿真结果表明，搭建的无功补偿仿真电路可提供不平衡电流无功补偿，证明了无功和不平衡补偿控制策略的正确性。

4典型应用

以某区域低电压电网改造项目为例，该项目地处农村地区，因供电半径过长造成低电压。变压器空载时，末端电压超过250V；而用电高峰时，末端电压低至150V。负荷主要以单相照明、空调、取暖设备为主，三相负荷不平衡现象比较严重，对变压器长期稳定运行造成较大隐患。为此，在1#公变处安装三相不平衡补偿装置，安装位置如图16所示。

图16补偿装置安装示意

图17为装置运行前变压器出线侧参数，图18为装置运行后变压器出线侧参数，运行前与运行后变压器出线侧实测数据如表1所示。

图17装置运行前变压器出线侧参数

图18装置运行后变压器出线侧参数

表1运行前后变压器出线侧实测数据

运行前三相电流不平衡度为：

=（70.5-55.2）/55.2=27.7%

运行后三相电流不平衡度为：

=（54.3-53.6）/53.6=1.3%

从以上现场实际测得数据可知，不平衡度从27.7%降为1.3%，补尝装置投运后，对于负载并不大的情况，三相不平衡有明显质的改善；随着负载加大，效果更为明显。并且实施无功补偿后，功率因数提升，变压器损耗降低，系统运行稳定，功耗低，效果明显。

5结论

本文分析了三相不平衡所引起电能质量对用户产生的影响、危害，利用PSCAD仿真软件搭建了供电系统三相不平衡度测量系统模型，分别对无功补偿、三相不平衡补偿和无功与不平衡综合补偿进行仿真研究，验证了无功和不平衡补偿控制策略的正确性。通过对现场实际补偿装置运行前后不平衡度对比，验证了补偿装置可有效改善三相不平衡度，降低变压器损耗。

参考文献：

[1]赵俊光，王主丁，乐欢．中压配电网规划中馈线电气计算的估算方法[J]．电力系统自动化，2008，32（16）：98—102.

[2]林志雄，陈岩，蔡金锭，等．低压配电网三相不平衡运行的影响及治理措施[J]．电力科学与技术学报，2009，24（3）：63-67．