与分布式电源接入有关的电网三相不平衡问题

摘要：本文主要研究与分布式电源接入有关的电网三相电压不平衡问题。介绍了三相不平衡的基本概念及其危害，分析了三相不平衡产生的原因，具体讨论了分布式电源对三相不平衡的影响，并在上述讨论的基础上给出了应对三相不平衡的基本思路和具体措施。

引言

电能质量除了电压偏差、电压波动、频率等指标外，还采用三相不平衡、波形畸变、暂时或瞬态过电压、电压暂降等参数来描述其性能。其中，三相不平衡是电能质量的重要指标之一。由于居民用户的用电负载都是单相的，居民自备的小型风力发电机组、光伏电池板等分布式电源多为单相电源，当这些单相电源接入电网时，会造成三相不平衡，或者使电网的不平衡程度加剧。

本文将对与分布式电源接入有关的电网三相不平衡问题进行研究，介绍三相不平衡的基本概念及其危害，分析引起三相不平衡的原因，在考虑分布式电源特性的基础上研究分布式电源对于三相不平衡的影响，并给出应对三相不平衡的基本思路和具体措施。

1三相不平衡的基本概念

1.1三相不平衡的定义

理想的交流三相系统，应该是三相电量（电压、电流）大小相等、频率相同、相位相差120°的对称三相系统。实际的系统往往存在一定程度的三相不平衡。电量的负序分量方均根值与正序分量方均根值之比，定义为该电量的三相不平衡度，用符号ε表示，即

式中

ε_U、ε_I——三相电压不平衡度、三相电流不平衡度；

U₂、U₁——电压的负序、正序分量均方根，KV；

I₂、I₁——电流的负序、正序分量均方根，KA。

1.2三相不平衡的危害

系统处于三相不平衡状态运行时，负序分量的存在可能给系统中的设备带来多种危害：

（1）引起感应电机附加发热和振动，危及其安全运行，降低电机的出力。

（2）变压器带三相不平衡负荷时，不仅使三相负荷较大的一相绕组过热，导致其寿命缩短，而且会因磁路不平衡产生附加损耗。

（3）三相电压不平衡导致换流器的触发角不对称，换流器将出现较大的非特征谐波。

（4）三相不平衡系统中的负序分量，将会导致以检测负序分量为动作条件的继电保护装置误动作，威胁系统安全。

（5）在三相不平衡系统中，会产生负序电流和零序电流的附加功率损耗，降低了电网运行的经济性。

（6）由于电网的三相不平衡，中性线上必然会有不平衡电流流过，同时还有波形畸变等因素引起的3的倍数次谐波电流，会使中性点发生零电位漂移，产生电噪声干扰，致使临近的通信系统无法正常运行。

2分布式电源接入对于三相不平衡的影响

电力系统三相不平衡可以分为事故性不平衡和正常性不平衡两大类。事故性不平衡由系统中各种非对称性故障引起，比如单相接地短路、两相接地短路或两相相间短路等。正常性不平衡是指，电力系统在正常运行方式下供电环节的不平衡或用电环节的不平衡。正常性不平衡中又以用电环节的不平衡为主。

分布式电源接入对电网三相不平衡的影响，主要体现在如下几个方面：

（1）对于三相分布式电源而言，本身存在发生非对称性故障的可能性。三相分布式电源及其并网接口一旦发生不对称故障，就会造成所接入电力系统的事故性不平衡。

（2）在正常运行情况下，由于分布式电源本身的三相功率不平衡，或者三相并网变流器的结构和参数不对称，分布式电源及其与电网相连的变流器接口也可能出现非理想工作状态，使原本应该三相平衡的功率输出也出现一定程度的不平衡。

（3）由于很多居民用户的用电负载都是单相的，因此用户自备的分布式电源，也会有单相的。而且随着小型风电机组、光伏电池板等小型分布式发电技术的普及，单相分布式电源的数量可能会越来越多。这些单相分布式电源的接入，都会在一定程度上造成电网的三相不平衡。

3考虑分布式电源接入的三相不平衡应对措施

3.1应对三相不平衡的基本思路

关于分布式电源接入引起电网电压不平衡的应对措施，大致可以从三个方面进行考虑：

（1）对于分布式电源及其并网接口内部故障造成的事故性不平衡，需要通过电力系统配置的继电保护装置将故障快速切除。

（2）对于分布式电源及其并网接口的三相结构和参数不对称造成的三相不平衡，需要从分布式电源及其并网接口自身的结构和参数入手进行完善。

（3）对于单相分布式电源的接入，改善三相不平衡度的方法类似于应对单相负荷接入电网时的方法。

3.2应对三相不平衡的具体措施

应对系统三相不平衡的常用方法有：

（1）将单相分布式电源均衡分配到三相系统，使各相电源和负荷尽量平衡

为了维持三相系统的电压平衡，应该尽可能地将所有的单相负荷和单相分布式电源均衡地安排在不同的相上。

设五个容量不等的单相分布式电源分别是P₁=0.5MW，S₂=1.5+j0.7MVA，S₃=1+j0.2MVA，S₄=2+j0.9MVA和S₅=2.5+j0.8MVA。采用图1（a）的接线方式时，三相各自获得的分布式电源注入的有功功率均为2.5MW，A、B两相注入的无功功率同是0.9Mvar，与C相0.8Mvar的无功功率相差不大。在图1（b）中，A相电源注入功率为2+j0.7MVA，B相电源注入功率为3+j1.1MVA，C相电源注入功率为2.5+j0.8MVA。显然，采用（a）图所示的电源分配方式比采用（b）图所示的电源分配方式更有利于系统三相平衡。

图1分布式电源在三相间的分配

（2）基于电网结构优化的平衡化措施

在有条件的情况下，将不对称的分布式电源分散接于不同的供电点，可以减少集中连接造成的不平衡度过大。

如果不对称的分布式电源的容量较大，可将不对称的分布式电源接入较高电压等级的电网。电压等级越高，系统短路容量越大，不对称电源或负荷在系统总容量中所占的比例就越小，电压三相不平衡度也随之减小。

将较大容量的单相分布式电源就近给较大容量的单相负荷直接供电，也可减小对三相电网不平衡度的影响。

（3）采用分相控制的补偿装置进行平衡化补偿

对于确定会有三相电压不平衡问题的场合，也可以采用分相控制的无功补偿装置（例如STATCOM、DVR等）进行不平衡状态的补偿。实现三相平衡的原理如图2所示。

图2三相不平衡的平衡化补偿

三相负荷用三角形连接的等值网络来表示，如图2（a）所示，其中复数导纳Y_ab、Y_bc、Y_ac互不相等，

因此，将一个补偿网络与负荷相并联，就可以将任何不平衡的三相负荷变为一个平衡的三相负荷，且不改变负荷所得到的有功功率。当用功率表示时，如图3所示，每一相的补偿无功可用下式表示

图3用功率表示的三相不平衡的平衡化补偿

对于单相分布式电源接入电网引起的不平衡，图3中的P_ab、P_bc、P_ca相当于一个负电阻所消耗的功率，即发出功率。各相补偿的无功仍由式（5）确定。

4结语

三相不平衡作为衡量电能质量的重要指标之一，对电网的设备和负荷的正常运行具有重要影响。分布式电源的接入使得电网的三相不平衡度更加严重，本文研究了分布式电源接入电网造成的三相不平衡问题，基于分布式电源的自身特性，给出了解决三相不平衡的基本思路和具体措施，对解决分布式电源接入造成的三相不平衡问题具有一定的指导意义。

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