三相负荷不平衡对配变出口电压影响的仿真分析

唐泽洋，王 涛，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鲲鹏

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

三相负荷不平衡对配变出口电压影响的仿真分析

唐泽洋，王 涛，蔡德福，曹 侃，忻俊慧，周鲲鹏

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

为研究三相负荷不平衡对配变出口电压的影响，通过建立ATP-EMTP仿真模型，研究了不同负荷参数下配变出口电压。仿真结果表明：配变出口三相电压同时受负荷有功和无功功率的影响，三相负荷不平衡时，会导致配变出口三相电压不平衡，但配变出口三相电压并不一定表现为负荷重的一相电压低、负荷轻的一相电压高，仿真和实测结果吻合。三相负荷不平衡时，理论上配变高压侧三相电压存在6种大小关系。

三相负荷；不平衡；配变出口电压；无功功率；ATP-EMTP仿真模型

0 引言

配变三相负荷不平衡时，一方面由于低压侧为三相四线制，中性线上会有不平衡电流流过，变压器处于不对称运行状态，变压器损耗增大，线路损耗也会增大[1-2]。已有一些研究者提出了三相负荷不平衡的若干治理措施，包括人工离线调整负荷[3]、安装补偿装置[4]、基于快速选相的三相负荷平衡调节[5]、在线自动换相[6]、三相负荷不平衡实时在线治理[7-8]、安装换相开关[9]等方法。另一面三相负荷不平衡会导致三相电压不平衡，也有一些研究者开展了相关研究，尹继明[10]从结构性、功能性和故障性因素方面研究了配变三相电压不平衡，钱少锋等[11]通过对称分量法分析了不平衡负载对绕组接线形式为yyn0的变压器的影响，周扬等[12]研究了三相负荷不平衡对低压侧电压的影响，但其分析的是负荷侧中性点的偏移，并未研究配变高压侧中性点的偏移，研究结论并未反映三相负荷不平衡对配变出口电压的影响，且只考虑了三相有功功率，并未考虑无功功率对三相电压的影响。因此，很多研究者认为三相负荷不平衡时，负荷重的一相电压一定低，负荷轻的一相电压高，但根据PMS配网运维管控模块的数据显示，某台区三相有功功率中A相最大为28.5 kW，但A相出口电压不是最低。为解释这种现象，本文建立了ATP-EMTP仿真模型，研究了不同负荷参数下的配变出口电压，并对三相负荷不平衡状态下，配变出口三相电压可能存在的大小关系进行了总结。

1 仿真模型介绍

如图1所示，建立ATP-EMTP仿真模型研究三相不平衡负荷对配变出口电压的影响，模型中包含电源、变压器、负荷、低压线路及中性线，忽略了电源至变压器的线路，负荷采用集中负荷形式。

图1 仿真模型Fig.1 Simulation model

1）电源参数

将10 kV线路外部电路等效为1个电源，电源的单相交流幅值为

2）变压器参数

仿真模型中配电变压器采用S11型变压器，其中绕组的接线形式为yyn0接法，原边和副边的变比为10/0.4，10 kV配电线路额定电压UN为10 kV，频率 f为50 Hz，当变压器容量 SN为100 kV·A，变压器的短路阻抗百分数Us为4%时，可以计算出折算到高压侧的电抗为

折算到高压侧的绕组电感值为

变压器励磁电阻Rm取1 000 Ω，零序励磁电阻R0取2 Ω，配变档位设置为9.5 kV档。

3）负荷参数

仿真模型中通过1个电阻RLoad和1个电感LLoad并联来模拟负荷，负荷电压ULoad为220 V，以负荷的有功功率P=10 kW、负荷的无功功率Q=4.8 kVar为例，计算公式如下

4）线路参数

低压线路和中性线导线型号为LGJ-150，长度为0.5 km，单位长度的电阻为0.21 Ω/km，单位长度的电抗为0.39 Ω/km。

2 仿真结果分析

2.1 负荷影响

为研究负荷对配变出口电压的影响，如表1所示采用了5组负荷参数进行仿真。其中参数组1的三相有功和无功功率均相同；参数组2的三相有功功率相同，无功功率不同；参数组3～4的三相有功和无功功率均不同；参数组5的无功功率相同，有功功率不同。

表1 仿真模型中的负荷参数Table 1 Load parameters in simulation model

当变压器绕组接线形式为yyn0时，不同负荷参数下的仿真结果如表2所示。从仿真结果可以看出，参数组1中三相负荷的有功和无功功率均相同，配变出口电压对称，三相电压均为218.2 V，此时配变高压侧中性点不偏移；参数组2中三相负荷有功功率相同，无功功率不同，配变出口电压不对称，其中B相电压最低为218.7 V，C相电压最高为241.7 V，配变高压侧中性点电压为283.9 V，滞后电源A相电压45.7°，对比参数1、2和5的仿真结果可知，配变出口电压不仅受负荷有功功率影响，也受负荷无功功率影响。

对比参数组3和4，可看出两组参数的有功功率相同，B相有功功率最大为28.5 kW，A相有功功率最小为10.4 kW；两组参数无功功率不同。对比两组参数的仿真结果，参数组3配变出口电压B相电压最低为213.4 V，A相电压最高为258.6 V，配变高压侧中性点电压为537.1 V，滞后电源A相电压163.4°；参数组4配变出口电压A相电压最高为244.9 V，C相电压最低为210.8 V，配变高压侧中性点电压为189.6 V，滞后A相电压191.5°。两组参数的视在功率均是B相最大，A相最小，从以上分析可知，三相负荷不平衡时，对配变出口电压而言，不一定是功率最大的一相电压最低，功率最小的一相电压最高。

表2 不同负荷参数下的仿真结果Tab.2 Simulation results under different load parameters

从参数组4的仿真结果可以看出配变出口电压C相电压最低为210.8 V，A相电压最高为244.9 V，配变高压侧中性点电压为189.6 V，滞后A相电压191.5°。如表3所示，对比参数组4仿真结果和和某台区实测结果，仿真结果与实测结果吻合，可以很好地解释有功功率最大但电压不是最低的现象。

表3 仿真结果和实测数据的对比Tab.3 Comparison of simulation results and measured data

2.2 配变高压侧中性点偏移位置分析

根据参数组3～4仿真结果中的中性点电压滞后A相电压的角度，绘制配变高压侧中性点偏移后的位置，如图2所示。

图2 配变高压侧中性点偏移示意图Fig.2 Schematic diagram of neutral point deviation of transformer’s high voltage side

根据上述分析，当三相负荷不平衡时，可以将配变高压侧中性点偏移的位置划分为D1～D6这6个区间，每个区间内配变高压侧三相电压的大小关系均不一样，6个区间配变高压侧三相电压大小关系如表4所示。

表4 不同区间配变出口三相电压大小关系Tab.4 The relationship of transformer’s outlet three phase voltage in different intervals

2.3 绕组接线形式

当变压器绕组接线形式为Dyn11接法时，不同负荷参数下的仿真结果如表5所示。可以看出当配变三相负荷不平衡时，配变出口三相电压仍然不平衡，对比变压器绕组接线形式为yyn0接法的仿真结果。对于参数组3，Dyn11接法时配变出口三相电压差值最大为8.2 V，而yyn0接法时配变出口三相电压差值最大为45.2 V，这表明当三相负荷不平衡时，Dyn11接法的变压器更加有利于配变出口三相电压的平衡。

表5 变压器绕组接线形式为Dyn11和yyn0仿真结果对比Tab.5 Comparison of simulation results when transformer winding is Dyn11 and yyn0

3 结论

通过建立ATP-EMTP仿真模型，研究了负荷对配变出口电压的影响，可以得到如下结论：

1）仿真结果表明，当配变绕组接线形式为yyn0时，三相负荷不平衡会造成配变出口三相电压的不平衡，三相电压的大小情况与三相负荷的有功和无功功率均有关，并不一定表现为负荷重的一相电压低、负荷轻的一相电压高。

2）对比仿真和实测结果，两者结果吻合，可以很好的解释实测中发现的某相有功功率最大，但电压不是最低的现象。

3）三相负荷不平衡时，理论上配变高压侧中性点偏移位置有6种可能性，对应了6种配变高压侧三相电压的大小关系。

4）配变绕组采用Dyn11接法时，有利于配变出口三相电压的平衡。

（References）

[1] 王彪,郑涛,倪斌,等.计及三相负荷不平衡的农村低压配电网理论线损计算[J].电力科学与技术学报,2013,28(1)：81-85.WANG Biao,ZHENG Tao,NI Bin,et al.Theoretical line loss calculation of rural low-voltage distribution networks considering unbalanced three-phase loads[J].Journal of Electric Power Science and Technology,2013,28(1)：81-85.

[2] 蒋浩,王淼.三相负荷不平衡对低压网损影响的分析[J].供用电,2008,25(3)：68-70.JIANG Hao,WANG Miao.Analysis on the influence of unbalanced three-phase loads on LV line loss[J].Distribution and Utilization,2008,25(3)：68-70.

[3] 张明,谢珊珊,罗云峰.低压配电网三相负荷不平衡优化模型的研究[J].武汉科技大学学报,2015,38(1)：59-62.ZHANG Ming,XIE Shanshan,LUO Yunfeng.Optimization model of the three-phase load imbalance in low voltage distribution network[J].Journal of Wuhan University of Science and Technology,2015,38(1)：59-62.

[4] 李海峰,詹涛,吴选广,等.配变三相负荷不平衡治理[J].农村电气化,2012(S1)：187.LI Haifeng,ZHAN Tao,WU Xuanguang,et al.Governance of unbalanced three-phase load of distribution transformer[J].Rural Electrification,2012(S1)：187.

[5] 向驰,柳占杰,于伟.基于快速选相的三相负荷平衡调节[J]. 农村电气化,2015(11)：11-13.XIANG Chi,LIU Zhanjie,YU Wei.Adjustof three-phase load based on rapid phase selection[J].Rural Electrification,2015(11)：11-13.

[6] 辛业春,李国庆,王朝斌.无功和三相负荷不平衡的序分量法补偿控制[J].电力系统保护与控制,2014(14)：72-78.XIN Yechun,LIGuoqing,WANG Chaobin.Compensation control of reactive power and three-phaseunbalance load based on the method of sequence component[J].Power System Protection and Control,2014(14)：72-78.

[7] 方恒福,段祥骏,王威.配变台区三相负荷不平衡治理方法[J].中国电力企业管理,2015(4)：94-95.FANG Hengfu,DUAN Xiangjun,WANG Wei.Governance method of unbalanced three-phase load of distribution transformer[J].ChinaElectric Power Enterprise Management,2015(4)：94-95.

[8] 方恒福,盛万兴,王金丽,等.配电台区三相负荷不平衡实时在线治理方法研究[J].中国电机工程学报,2015,35(9)：2185-2193.FANG Hengfu,SHENG Wanxing,WANG Jinli,et al.Research on the method for real-time online control of three-phase unbalanced load in distribution area[J].Proceedings of the CSEE,2015,35(9)：2185-2193.

[9] 张征凯,章元德,史亮,等.智能配电台区三相负荷不平衡治理方案[J].电力需求侧管理,2016(1)：49-52.ZHANG Zhengkai,ZHANG Yuande,SHI Liang,et al.The governance scheme of three-phase unbalanced load management for intelligent distribution transformer[J].Power DSM,2016(1)：49-52.

[10] 尹继明.10 kV配电变压器电压三相不平衡分析[J].通讯世界,2016(9)：162-163.YIN Jiming.Analysis of unbalance of 10 kV distribution transformer’s three-phase voltage[J].Telecom World,2016(9)：162-163.

[11] 钱少锋,陈国琦,周亮,等.关于Yyn0型接线电力变压器实际应用的探讨[J].电气技术,2014(5)：123-125.QIAN Shaofeng,CHEN Guoqi,ZHOU Liang,et al.Investigation for practical application of YYN0 type power transformers[J].Electrical Technology,2014(5)：123-125.

[12] 周杨,冯俊,李亮.三相负荷不平衡对配变低压侧电压的影响及对策[J].电工技术,2013(2)：7.ZHOU Yang,FENG Jun,LI Liang.The impact and countermeasure of unbalanced three-phase load on distribution transformer’s low voltage side[J].Electrical Engineering,2013(2)：7.

Simulation Analysis of the Impact of Unbalanced Three-phase Load on Distribution Transformer’s Outlet Voltage

TANG Zeyang,WANG Tao,CAI Defu,CAO Kan,XIN Junhui,ZHOU Kunpeng
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

In order to study the influence of unbalanced three-phase load on distribution transformer’s outlet voltage,the ATP-EMTP simulation model is built,and outlet voltage of distribution transformer under different load parameters is researched.The simulation results show that both active and reactive power have influence on distribution transformer’s outlet voltage simultaneously.The unbalanced three-phase load will cause outlet three-phase voltage unbalance of distribution transformer.The simulation results agree well with the measured results.It’s actually not the case that the heavier the load,the lower the phase voltage whlile the lighter the load,the higher the phase voltage.When the three-phase load is unbalanced,there are 6 kinds of relationship between the distribution transformer’s outlet three phase voltage.

three-phase load;unbalanced;distribution transformer’s outlet voltage;reactive power;ATP-EMTP simulation model

TM72

]B

1006-3986(2017)03-0014-05

10.19308/j.hep.2017.03.004

2017-02-01

唐泽洋（1987），男，湖北江陵人，博士，工程师。

国网湖北省电力公司科技项目（52153216001H）