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摘要：本文通过分析当前配网中存在的三相电流不平衡问题，提出采用三相不平衡补偿装置的应用解决方案，详细介绍了三相不平衡补偿装置的系统架构、不平衡电流补偿的原理。分析了云南某市部分台区的三相电流不平衡情况，给出了三相不平衡补偿装置的选型结果。
关键词：配网；三相不平衡；无功补偿
引言
近年来，我国电力系统得到了快速繁荣的发展，在低压配电网中，单相用电负荷增长迅猛，由此也带来了配电变压器三相负荷不平衡等现象。国家层面已经有了足够的重视，在国家能源部2015年8月31日发布的“配电网建设改造行动计划（2015-2020年）”中指出“我國配电网建设投入不断加大，配电网发展取得显著成效，但用电水平相对国际先进水平仍有差距，城乡区域发展不平衡，供电质量有待改善”，在行动计划中还明确提出2015年-2020年投资超过2万亿元，在社会各界引起了广泛、高度的关注。[1]
在配电网中，由于区域发展不平衡、台区供电线路长、供电半径大、线路和台区改造困难等，导致电能质量问题异常突出。主要表现在以下几个方面：
（1）台区电压质量低
目前配电网中广泛采用基于电容器的补偿方案，容易导致低压线路长期处于过补或欠补状态，且自动化程度低等[2]。
（2）三相负荷不平衡
由于配电网中存在大量的单相负荷，而且不同用户用电时间也存在着较大的差异，导致很多配变长期不平衡运行，加之城市快速发展，造成配电变压器严重过载以及三相负荷不平衡的情况出现。当配电变压器处在三相不平衡状态运行时，会导致变压器损耗增加、输电线路损耗增加 [3][4]。当配变三相负荷严重不平衡时，零序电流较大，零序电流产生的零序磁通叠加在变压器二次侧主磁通上，感应出零序电动势，造成变压器中性点电压漂移，从而负荷轻的相电压会上升，负荷重的相电压会降低，导致三相电压也不平衡，相电压或高或低会导致用电设备不能正常运行，影响用电设备运行的安全性。当配电变压器三相负荷不平衡，配电变压器出力减小，同时过负荷的能力也降低，抗短路冲击的能力减弱，各种因素叠加在一起后，最终会导致配电变压器烧毁。
1 三相不平衡补偿装置技术方案
三相不平衡补偿装置以功率半导体器件IGBT为核心，是柔性交流输电系统的核心装置之一，能快速连续地调节电网的无功功率，抑制电压波动和闪变，使整个电网负荷的潮流分配更趋合理，改善电网质量，保障电力系统稳定、高效、优质地运行，完美解决电网三相不平衡、谐波、无功等问题。
三相不平衡补偿装置具有性能优异、响应速度快、损耗小、安全性和可靠性高、谐波特性好、维护量小等特点，解决电力系统功率因数低、电力系统电压波动等电能质量问题。
系统结构：三相不平衡补偿装置采用多个SVG模块并联的方式组成，成套电气图如图1所示。
三相不平衡补偿装置中每个SVG模块都并联于电网中，相当于一个可控的电流源，其输出电流可以快速地跟随负荷无功、不平衡电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功及不平衡电流，对电网无功功率及三相不平衡实现动态补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。装置通过进线单元电流互感器检测出负荷侧的无功与三相不平衡，然后分配给各个模块进行补偿。
2 SVG 工作原理
SVG有源模块通过传感器检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与系统中要补偿的量抵消，最终得到期望的电压、电流。
SVG有源模块主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。通过检测负载系统中的电能状况来得出实际补偿需要的指令电流。IGBT驱动电路以及主电路合在一起可以作为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路发出的补偿指令，产生实际的补偿电流。
补偿无功时，及时监测系统中的无功类型和无功大小，然后发出和系统无功类型相反、大小相等的无功电流，来抵消系统无功；
治理谐波时，即是监测系统中谐波的次数和大小，然后发出和系统谐波大小相等、方向相反的电流，来抵消系统谐波；
不平衡治理时，即是监测系统中不平衡状况，然后从实际电流小的相线中吸收有功，释放到实际电流大的相线中，达到三相平衡的目的；
电压稳定治理时，即是监测系统中的电压值，当需要稳定电压时，装置通过调整输出的无功类型，达到支撑电压或拉低电压的目的。
3 三相不平衡治理原理
SVG有源模块设备开启后，通过外接电流互感器（CT）实时检测系统电流，并将系统电流信息发送给内部控制器进行处理分析，以判断系统是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后将信号发送给内部IGBT并驱动其动作，从电网吸收能量并控制其在A/B/C三相之间的相互转化，使三相电流达到平衡状态。
如图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。
SVG有源模块在运行时，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，SVG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。以上图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SVG有源模块 5A，从SVG有源模块内部流出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SVG有源模块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）。 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SVG有源模块分流电流的大小也是在一定时间内的有效值。而实际上SVG有源模块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有源模块内部的母线电容中，而在另一个瞬时，A相的IGBT动作，装SVG有源模块内部的母线电容（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。
SVG有源模塊的动作是瞬时的，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。
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SVG有源模块母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。
由于SVG有源模块治理三相不平衡面向的对象是电流且实时采集，使得无论负载分布如何、用电时间不一致，只要实时检测的三相电流因负载变化导致不平衡，SVG有源模块都能快速动作平衡电流。这就解决了三相不平衡传统解决方法中的客观局限性。
4三相不平衡治理控制计算
以上所述的设备工作原理中，通过三相有功分量，计算三相电流正序、负序、零序分量的理论方法如下：
对称分量运算子α（α是一个模为1，幅角为120°的复数）
依据对称分量法，可以确定三相电流和各相的正序、负序、零序分量之间存在以下关系（以A相为例）：
求得A相正序、负序、零序电流值后，利用对称分量法，可以直接导出B、C相的各分量，如下：
利用上述公式，已知各相电流的幅值及相角，即可用程序求出各相正序、负序及零序分量。
使用各相电流负序、零序分量，即可还原出治理三相不平衡问题，各相电流需量的理论依据如下（以A相为例）：
因为α是一个模为1，幅角为120°的复数，由此可证明，
即A相电流向量可由A相的正序、负序及零序分量相加得到。因此，为了达到三相电流平衡，只要消除各相电流的零序及负序分量即可实现。
5现场三相不平衡分析
针对云南省某市部分台区的三相不平衡情况进行分析，并根据结果对三相不平衡补偿装置进行选型。
5.1 台区1
图4是台区1在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流不平衡较严重，B相电流总体较大，C相电流总体较小。
根据图4计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图5所示。
可见，三相不平衡度基本在80%以上。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为464A、607A、100A，因此需要选择容量至少为300A才能将不平衡度完全补偿。
5.2 台区2
图6是台区2在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流整体波动趋势基本一致，但也能看出A相整体电流较大，C相整体较小。
根据图6计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图7所示。
可见，三相不平衡度接近100%。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为256A、124A、34A，因此需要选择容量至少为120A才能将不平衡度完全补偿。
5.2 台区3
图8是台区3在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流整体波动趋势基本一致，但在部分时间段三相电流不平衡比较明显。
根据图8计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图9所示。
可见，三相不平衡度波动范围较大。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为392A、480A、538A，因此需要选择容量至少为80A才能将不平衡度完全补偿。
6 结论
在全国配网台区均存在不同程度的三相不平衡、谐波与无功等问题，目前常规采用的是接触器或复合开关投切电容器组的办法，可解决无功补偿问题，如果采用角接可解决负序不平衡、采用星接可解决零序不平衡问题，但考虑不平衡问题的时候却不能兼顾无功补偿，反而向系统倒送无功，造成线路损耗增大，而三相不平衡补偿装置却能有效的进行三相不平衡治理，同时又兼顾功率因数补偿，是性价比最高的解决方案。
参考文献：
[1] 国家能源局.配电网建设改造行动计划（2015-2020年）[EB/OL].（2015-08-31）.http：//www.nea.gov.cn/2015/09/08/c_134600984.htm
[2] 陈磊，胡晓菁，史红辉.配变三相不平衡解决方案及控制策略[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（03）：95-99.
[3] 林志雄，陈岩，蔡金锭，李天友.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（03）：63-67.
[4] 沈燕. 农村电网运行水平提升策略分析[J]. 中国电力教育.2012（15）：127-128.
关键词：配网；三相不平衡；无功补偿
引言
近年来，我国电力系统得到了快速繁荣的发展，在低压配电网中，单相用电负荷增长迅猛，由此也带来了配电变压器三相负荷不平衡等现象。国家层面已经有了足够的重视，在国家能源部2015年8月31日发布的“配电网建设改造行动计划（2015-2020年）”中指出“我國配电网建设投入不断加大，配电网发展取得显著成效，但用电水平相对国际先进水平仍有差距，城乡区域发展不平衡，供电质量有待改善”，在行动计划中还明确提出2015年-2020年投资超过2万亿元，在社会各界引起了广泛、高度的关注。[1]
在配电网中，由于区域发展不平衡、台区供电线路长、供电半径大、线路和台区改造困难等，导致电能质量问题异常突出。主要表现在以下几个方面：
（1）台区电压质量低
目前配电网中广泛采用基于电容器的补偿方案，容易导致低压线路长期处于过补或欠补状态，且自动化程度低等[2]。
（2）三相负荷不平衡
由于配电网中存在大量的单相负荷，而且不同用户用电时间也存在着较大的差异，导致很多配变长期不平衡运行，加之城市快速发展，造成配电变压器严重过载以及三相负荷不平衡的情况出现。当配电变压器处在三相不平衡状态运行时，会导致变压器损耗增加、输电线路损耗增加 [3][4]。当配变三相负荷严重不平衡时，零序电流较大，零序电流产生的零序磁通叠加在变压器二次侧主磁通上，感应出零序电动势，造成变压器中性点电压漂移，从而负荷轻的相电压会上升，负荷重的相电压会降低，导致三相电压也不平衡，相电压或高或低会导致用电设备不能正常运行，影响用电设备运行的安全性。当配电变压器三相负荷不平衡，配电变压器出力减小，同时过负荷的能力也降低，抗短路冲击的能力减弱，各种因素叠加在一起后，最终会导致配电变压器烧毁。
1 三相不平衡补偿装置技术方案
三相不平衡补偿装置以功率半导体器件IGBT为核心，是柔性交流输电系统的核心装置之一，能快速连续地调节电网的无功功率，抑制电压波动和闪变，使整个电网负荷的潮流分配更趋合理，改善电网质量，保障电力系统稳定、高效、优质地运行，完美解决电网三相不平衡、谐波、无功等问题。
三相不平衡补偿装置具有性能优异、响应速度快、损耗小、安全性和可靠性高、谐波特性好、维护量小等特点，解决电力系统功率因数低、电力系统电压波动等电能质量问题。
系统结构：三相不平衡补偿装置采用多个SVG模块并联的方式组成，成套电气图如图1所示。
三相不平衡补偿装置中每个SVG模块都并联于电网中，相当于一个可控的电流源，其输出电流可以快速地跟随负荷无功、不平衡电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功及不平衡电流，对电网无功功率及三相不平衡实现动态补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。装置通过进线单元电流互感器检测出负荷侧的无功与三相不平衡，然后分配给各个模块进行补偿。
2 SVG 工作原理
SVG有源模块通过传感器检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与系统中要补偿的量抵消，最终得到期望的电压、电流。
SVG有源模块主要由负载电流分离、指令电流调节、输出电流控制、驱动电路以及主电路组成。通过检测负载系统中的电能状况来得出实际补偿需要的指令电流。IGBT驱动电路以及主电路合在一起可以作为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路发出的补偿指令，产生实际的补偿电流。
补偿无功时，及时监测系统中的无功类型和无功大小，然后发出和系统无功类型相反、大小相等的无功电流，来抵消系统无功；
治理谐波时，即是监测系统中谐波的次数和大小，然后发出和系统谐波大小相等、方向相反的电流，来抵消系统谐波；
不平衡治理时，即是监测系统中不平衡状况，然后从实际电流小的相线中吸收有功，释放到实际电流大的相线中，达到三相平衡的目的；
电压稳定治理时，即是监测系统中的电压值，当需要稳定电压时，装置通过调整输出的无功类型，达到支撑电压或拉低电压的目的。
3 三相不平衡治理原理
SVG有源模块设备开启后，通过外接电流互感器（CT）实时检测系统电流，并将系统电流信息发送给内部控制器进行处理分析，以判断系统是否处于不平衡状态，同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后将信号发送给内部IGBT并驱动其动作，从电网吸收能量并控制其在A/B/C三相之间的相互转化，使三相电流达到平衡状态。
如图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。
SVG有源模块在运行时，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，SVG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。以上图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SVG有源模块 5A，从SVG有源模块内部流出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SVG有源模块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）。 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SVG有源模块分流电流的大小也是在一定时间内的有效值。而实际上SVG有源模块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有源模块内部的母线电容中，而在另一个瞬时，A相的IGBT动作，装SVG有源模块内部的母线电容（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。
SVG有源模塊的动作是瞬时的，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。
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SVG有源模块母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。
由于SVG有源模块治理三相不平衡面向的对象是电流且实时采集，使得无论负载分布如何、用电时间不一致，只要实时检测的三相电流因负载变化导致不平衡，SVG有源模块都能快速动作平衡电流。这就解决了三相不平衡传统解决方法中的客观局限性。
4三相不平衡治理控制计算
以上所述的设备工作原理中，通过三相有功分量，计算三相电流正序、负序、零序分量的理论方法如下：
对称分量运算子α（α是一个模为1，幅角为120°的复数）
依据对称分量法，可以确定三相电流和各相的正序、负序、零序分量之间存在以下关系（以A相为例）：
求得A相正序、负序、零序电流值后，利用对称分量法，可以直接导出B、C相的各分量，如下：
利用上述公式，已知各相电流的幅值及相角，即可用程序求出各相正序、负序及零序分量。
使用各相电流负序、零序分量，即可还原出治理三相不平衡问题，各相电流需量的理论依据如下（以A相为例）：
因为α是一个模为1，幅角为120°的复数，由此可证明，
即A相电流向量可由A相的正序、负序及零序分量相加得到。因此，为了达到三相电流平衡，只要消除各相电流的零序及负序分量即可实现。
5现场三相不平衡分析
针对云南省某市部分台区的三相不平衡情况进行分析，并根据结果对三相不平衡补偿装置进行选型。
5.1 台区1
图4是台区1在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流不平衡较严重，B相电流总体较大，C相电流总体较小。
根据图4计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图5所示。
可见，三相不平衡度基本在80%以上。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为464A、607A、100A，因此需要选择容量至少为300A才能将不平衡度完全补偿。
5.2 台区2
图6是台区2在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流整体波动趋势基本一致，但也能看出A相整体电流较大，C相整体较小。
根据图6计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图7所示。
可见，三相不平衡度接近100%。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为256A、124A、34A，因此需要选择容量至少为120A才能将不平衡度完全补偿。
5.2 台区3
图8是台区3在某天的电流变化曲线，图中可见三相电流整体波动趋势基本一致，但在部分时间段三相电流不平衡比较明显。
根据图8计算出其三相电流不平衡度变化趋势如图9所示。
可见，三相不平衡度波动范围较大。其中，A、B、C三相的电流平均值分别为392A、480A、538A，因此需要选择容量至少为80A才能将不平衡度完全补偿。
6 结论
在全国配网台区均存在不同程度的三相不平衡、谐波与无功等问题，目前常规采用的是接触器或复合开关投切电容器组的办法，可解决无功补偿问题，如果采用角接可解决负序不平衡、采用星接可解决零序不平衡问题，但考虑不平衡问题的时候却不能兼顾无功补偿，反而向系统倒送无功，造成线路损耗增大，而三相不平衡补偿装置却能有效的进行三相不平衡治理，同时又兼顾功率因数补偿，是性价比最高的解决方案。
参考文献：
[1] 国家能源局.配电网建设改造行动计划（2015-2020年）[EB/OL].（2015-08-31）.http：//www.nea.gov.cn/2015/09/08/c_134600984.htm
[2] 陈磊，胡晓菁，史红辉.配变三相不平衡解决方案及控制策略[J].电力电容器与无功补偿，2016，37（03）：95-99.
[3] 林志雄，陈岩，蔡金锭，李天友.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（03）：63-67.
[4] 沈燕. 农村电网运行水平提升策略分析[J]. 中国电力教育.2012（15）：127-128.