基于Steinmetz理论的低压配电网三相不平衡负荷平衡化研究

摘要

当前，中低压配电网系统中存在大量单相、不对称、非线性负荷，这些负荷会使配电系统产生三相不平衡，从而导致供电系统三相电压、电流不平衡。当系统三相不平衡度超过一定范围时，将会影响系统安全运行。

本文首先介绍了三相不平衡的产生原因，给出了三相不平衡度的计算方法。Steinmetz理论是基于不平衡负荷的平衡化理论，用该理论可以对电力系统三相不平衡电压和不平衡电流平衡化。基于此目的，本文主要论述了Steinmetz理论的思想及其在2种主要不平衡负荷（电气化铁路系统和电弧炉）方面的应用。在应用部分还考虑了低压配电网中三相三线制负荷的不平衡情况及其补偿方法。

最后，用MATLAB对Steinmetz理论的应用进行了仿真，仿真结果表明，Steinmetz 理论可以对所研究的不平衡负荷平衡化，继而解决所面临的问题，所以该理论具有实际工程应用价值。

关键词：三相不平衡；Steinmetz理论；不平衡负荷平衡化

Abstract

At present, the system of low voltage distribution network has a large number of single phase, asymmetric, nonlinear load, the load will make the distribution system to generate three-phase unbalance, which lead to the power supply system of three phase voltage, current imbalance. When the three-phase imbalance degree exceeds a certain range, it will affect the safe operation of the system.

This paper first introduces the causes of three-phase unbalance, and gives the calculation method of three-phase unbalance factor. Steinmetz theory is based on the balance theory of unbalanced load, using which can make unbalance of three-phase voltage and current of power system balance. Based on this purpose, this paper mainly discusses the Steinmetz theory and its application of two main unbalanced loads (electrical railway system and electric arc furnace). In the part of the application, the load imbalance of three-phase three-wire system in low voltage distribution network and its compensation method. are also taken into account.

Finally, the application of Steinmetz theory is simulated by MATLAB, the simulation results show that Steinmetz theory can make the unbalanced load balancing, and then solve the problems we are facing, so the theory has a practical value for engineering application.

Key words: Three-phase unbalance，Steinmetz theory，Unbalanced load balancing

1 绪论

1.1 课题背景与意义

随着我国各行各业的迅速发展和崛起，电力系统的规模日益扩大，这造成了配电系统的日益复杂化。配电系统是电力系统的最末端，但也是电力系统中最为复杂而多变的一部分。目前，随着各种用电设备的不断普及，负荷种类越来越多。一方面，这使得用户对电能质量以及供电可靠性的要求越来越高；另一方面，配电网中诸如电力机车、交流电弧炉、轧钢机等这些非线性、冲击性、不平衡性负荷的日益增多，电力系统的三相不平衡问题变得越来越严重。因为高压等级的负荷通常是三相平衡的，所以这种三相不平衡问题主要出现在中低压的配电网系统中。在中低压配电网中，由于三相负荷是随机变化的，因此一般是不平衡的[1][2]。负荷不平衡使配电系统产生三相不平衡，从而导致供电系统三相电压、电流不平衡，而三相电压、电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列危害，主要有：

(1)引起旋转电机的附加发热和振动，危及安全运行和正常出力。

(2)引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时)，对电网安全运行有严重威胁。

(3)使半导体变流设备产生附加的谐波电流(非特征谐波)，而这种设备一般设计上只允许2的电压不平衡度。

(4)变压器的三相负荷不平衡不仅使过负荷的一相线圈过热而缩短寿命，还会由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗。

(5)在低压配电线路中，会影响计算机正常工作，引起照明电灯寿命缩短(电压过高)或照度不足(电压过低)以及电视机的损坏等。

(6)引起电网损耗的增加。

(7)对于通信系统，会增大干扰，影响正常通信质量。

目前国内研究主要针对系统无功不足来进行，对如何改善配电系统三相不平衡的研究资料比较匮乏，所以此问题已成为当前配电系统亟待解决的问题。

本文主要针对Steinmetz理论在三相不平衡的中低压配电系统中的应用研究，目的就是将Steinmetz理论应用于不平衡系统中使系统平衡化，从而为Steinmetz理论的更深入研究以及不平衡负荷平衡化问题的解答提供一条渠道。

1.2 课题研究现状

目前，无功不足及负荷不平衡已成为配电系统的两大难题[3]。针对无功不足问题的无功补偿技术已基本成熟，但三相不平衡问题仍然是当前中低压配电系统中亟待解决的问题。国内对于不平衡负荷的研究主要针对无功补偿的方法来进行。文献[3]研究了一种