1. 概述
三相不平衡是指在电力系统中三相电流或电压幅值不一致，且幅值差超过规定范围[]。配网系统三相不平衡多数由于各相电源所加的负荷不均衡所致，属于基波负荷配置问题。发生三相不平衡既与用户负荷特性有关，同时与电力系统的规划、负荷分配也有关。三相负荷不平衡会导致供电系统三相电压、电流的不平衡，引起电网负序电压和负序电流，影响供电质量，进而增加线路损耗，降低供电可靠性。因此，对配网系统三相不平衡情况进行分析，并找到有效的解决方法对节能减碳具有重要意义。
2. 配网三相不平衡情况
我国低压配网普遍采用三相四线供电方式，具有如下特点：
(1)负荷小而分散；
(2)负荷受季节和气温影响大；
(3)负荷波动范围大；
(4)单相负荷占比高。
图1 三相不平衡系统矢量图
当三相负载不对称时，各相电流不一致，因此各相在变压器内部的电压降低就不相等，造成三相输出电压不对称。当变压器三相负载很不平衡时，中性线电流较大，由于中性线具有较大的阻抗压降，从而使中性点位移，引起各相电压畸变，降低电能质量，影响各相负载的正常运行。
图2 某台区变电流不平衡率曲线
由图2可见，三相电流不平衡率极高，最高时接近90%，而在三相曲线图中可见其不平衡性仅在时间上体现出一定规律，但电流参数在不同日期的同一时间段无法保持一致，存在一定的波动。同时，由于三相电流的不平衡，导致中性线电流极高。因此，已经用口诀的方式总结出三相不平衡所带来的危害：三相负荷不平衡，六个方面危害生；配变损耗显著增，出力减小容下行；各相电压不对称，零序增大温度升；电机效率下降多，线路损耗猛的增。
3. 治理配网三相不平衡的方法
目前解决三相不平衡的方法一般分为三大类：
3.1. 人工均匀分布负荷法
此方法是采用人工调节，前期对三相线路负荷设计合理分布均匀，后期根据负荷曲线对线路开关进行调整，另外是使用负荷转分配转换开关，通过人工干预的方式来调节三相不平衡。
采用此方法我们需面对客观问题，在增加人工工作量的同时，由于各个用户的负荷量不同且使用时间上不一致，即使用负荷分配转换开关也不能人为实时控制分配，因此不能从根本上解决问题。
3.2. 电容器及电抗器组合调节装置
此方法时在不平衡的三相系统中采用在相与相之间跨接电容器与电抗器的方式，转移相间的有功功率，以平衡三相电流。
采用此方法，电抗器体积大、损耗高、成本也高，且接入电容也很讲究稍有不合理便不能达到理想的治理效果，其控制复杂、开关动作频繁、故障率高，且由于电容器和电抗器为阶梯式固定容量，控制能力有限，所以从经济上、简易性角度此方法还需考虑。
3.3. 基于电力电子技术的配网三相不平衡自动调节装置
采用不平衡补偿模式的变流器，此装置的变流器可视为单相可控的受控电压源，通过改变变流器输出电压的幅值及相位角，即可改变连接电抗器所承受的电压，从而输出幅值和相位角可控的电流，补偿三相不平衡。
表1 治理配网三相不平衡的几种方法对比表
4. 技术原理
典型的单相电阻不平衡情况转化为等效电路图，如图3所示， AB相有负荷，而C相无负荷，此时A相与B相电流相等，而C相电流为零。此时通过分别在BC相和AC相跨接阻抗幅值相等，相位相反的电容器和电抗器，由于二者施加电压后不消耗有功功率，仅产生幅值相等的感性无功和容性无功且相互抵消，因此对整个系统而言，在不增加有功功率和无功功率的同时，实现了有功电流在三相之间的平衡化。
图3 三相系统单相负荷平衡化等效示意图
在图3基础上，如图4所示将一个理想补偿网络与负荷相关联就可以把任何不平衡的三相负荷变换成一个平衡的三相有功负荷，且不会改变电源和负荷间的有功功率交换。
图4 三相系统不对称负荷平衡化等效示意图
如图5所示，三相不平衡自动调节装置中变流器可视为单相可控的受控电压源，通过改变变流器输出电压的幅值及相位角，即可改变连接电抗器所承受的电压，从而输出幅值和相位角可控的电流，补偿三相不平衡。
图5 基于电力电子技术的变流器原理图
如图6所示，基于电力电子技术的配网三相不平衡自动调节装置控制系统包括：信号采样模块、信号调理模块、数字信号处理模块、IGBT驱动模块、主变流器模块、通讯模块和人机界面模块。该装置通过信号采样模块采集电压电流信号；经过信号调理模块放大滤波传输到A/D转换芯片进行模数转换；数字信号处理模块中FPGA芯片控制A/D转换芯片进行数据采集，DSP芯片获取采集数据进行不平衡电流检测分析，经算法计算得到需补偿实时补偿不平衡电流；FPGA芯片根据需补偿不平衡电流进行输出控制，控制IGBT驱动模块输出，输出电流经过主变流器模块输出到电网上实现三相不平衡补偿；同时数字信号处理模块与通讯模块和人机界面模块进行外部通信。
图6 控制逻辑框图
5. 工程实例
某台区配变型号为S9-250kVA，该台区地处集镇，共有用电户135户，供电半径约为1.3km，台区三相负载不平衡情况严重，配电变压器三相电流不平衡度为25～60%，台区首端B、C相电压在高负荷时下降严重,直接造成了台区中末端供点电电压偏低的情况。
通过对现场测量、勘察分析，确定变压器输出端三相电流存在较大不平衡现象，特别是季节性用电高峰期，三相不平衡度最严重时达到58.2%，随之带来的低电压问题以及供电电压不稳定等电能质量问题，严重影响居民生产生活。
表2 某台区变不平衡参数表
基于该台区采样数据分析,拟对该台区进行静态无功补偿，配电变压器低压侧两个回路分别安装三相电流不平衡自动调节装置1套，以稳定台区首端电压，平衡用电负荷。
从第三方测量系统“配电台区综合控制系统”获取，其全天运行电流曲线图可在PC机上显示出来，可清楚直观地反应出该台区配变的三相电流的大小情况，安装前变压器每天的A、B、C三相电流不平衡现象突出（电流曲线不重合），不平衡度达到56%；安装后变压器全天的三相电流曲线基本完全重合，补偿效果明显,不平衡度降至7%以下，使变压器的三相功率平衡输出，保障变压器高效安全运行。
图7 三相不平衡治理前后对比图
6. 小结
三相不平衡问题是电能质量问题之一，随着通信和电力电子等高新技术的发展和应用，使得电力网络的三相不平衡原因更加复杂化。随着科学技术和国民经济的发展，人们对电能的需求日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。通过对配电网三相不平衡问题的分析与研究，寻找引起三相不平衡的原因及引起电网三相不平衡的器件及设备，深入分析三相不平衡问题为安全优质供电提供了保障，对于电网和电器设备的安全和经济运行，以及人民生活的正常秩序有重要意义。
配网系统由于用电负荷的不对称性和非同期性，反映到台区变时造成了严重的三相不平衡。实践证明：一般情况下三相负荷不平衡可引起线损率升高2％-10％，三相负荷不平衡度若超过10％，则线损显著增加。原有采用人工干预调节或者电容器及电抗器组合调节的方式均存在先天性的劣势，无法实现动态跟随，精准调节。而采用基于电力电子技术的配网三相不平衡自动调节装置，能有效利用半导体器件的可控性和快速性实现柔性交流输电，通过工程实例表明，其效果非常明显，是解决三相不平衡问题的最优选择。
参考文献
[1] 林海雪.电力系统的三相不平衡[M].中国电力出版社，1998.