張曉毅，李玨瑄，何建，王虎

(國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100045)

混合補(bǔ)償調(diào)節(jié)器在低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載中的應(yīng)用

張曉毅，李玨瑄，何建，王虎

(國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100045)

低壓配電網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡會(huì)導(dǎo)致變壓器出力降低、線路網(wǎng)損增加，中性點(diǎn)電位偏移、功率因數(shù)降低等問題。為降低供電成本，減少線損以及提高電能質(zhì)量，以新一代研制出的額定電壓0.4 kV的混合補(bǔ)償調(diào)節(jié)器(SPC50)為應(yīng)用背景，選擇典型試點(diǎn)臺(tái)區(qū)，現(xiàn)場安裝試運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果及計(jì)算分析表明混合補(bǔ)償裝置不僅可以平衡三相負(fù)荷，而且可將功率因數(shù)提高到0.98以上，從而驗(yàn)證了裝置在解決低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載的有效性。

低壓配電網(wǎng)；三相負(fù)荷不平衡；混合補(bǔ)償調(diào)節(jié)器；三相不平衡度；無源電容器

0 引 言

近年來，隨著人民生活水平的提高，家用電器的增多，用戶的單相用電量大幅提高，單相用戶的不可控增容、大功率單相負(fù)載的接入、單相負(fù)載用電的不同時(shí)性和阻抗角不同等因素造成的供電系統(tǒng)三相負(fù)載不平衡問題愈加嚴(yán)重。如果配電網(wǎng)負(fù)荷三相不平衡問題得不到妥善的解決將會(huì)對(duì)配電變壓器、配電線路以及用戶等造成一定的危害[1-5]。

目前現(xiàn)場對(duì)于三相負(fù)荷不平衡問題缺乏有效的治理方法和措施，使得一些地區(qū)用戶低電壓等問題非常突出?，F(xiàn)階段解決配電網(wǎng)負(fù)荷不平衡問題主要有以下兩種途徑：

(1)人工離線調(diào)整[6-7]：工作人員通過觀測臺(tái)區(qū)變壓器出線端三相電流大小來判斷不平衡電流，然而往往忽視了中性線電流，從而造成較大的電能損失和影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

(2)無功補(bǔ)償方式[8-9]：無功補(bǔ)償裝置一般安裝在臺(tái)區(qū)變壓器低壓側(cè)，采用分相無功補(bǔ)償方式以消除不平衡的無功功率，從而達(dá)到平衡功率的目的。但該方式對(duì)于有功不平衡及零序電流問題無法有效解決，存在很大的局限性，尤其隨著用電設(shè)備復(fù)雜程度越來越高，電容分相補(bǔ)償已經(jīng)無法很好的解決三相不平衡問題。隨著無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，又出現(xiàn)了SVC[10](靜止無功補(bǔ)償器)與SVG[11-12](靜止無功發(fā)生器)無功補(bǔ)償方式，可以很好的解決電容補(bǔ)償存在的連續(xù)性問題以及補(bǔ)償方向問題(容性與感性雙向補(bǔ)償)，但仍屬于無功功率補(bǔ)償范疇，無法徹底解決功率三相不平衡問題。

電力電子技術(shù)的發(fā)展為解決三相功率不平衡問題提供了新的解決方案，綜合現(xiàn)有無功補(bǔ)償方式存在的一些問題，基于靜止無功發(fā)生器(SVG)原理和先進(jìn)的電力電子技術(shù)研制了混合補(bǔ)償調(diào)節(jié)器(SPC50),該裝置分散安裝在臺(tái)區(qū)變壓器低壓配電網(wǎng)，采用智能化不平衡控制系統(tǒng)，對(duì)配網(wǎng)側(cè)潮流進(jìn)行分析，終端采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，通過智能化的控制方式，自動(dòng)平衡有功功率及無功功率，從而提高用戶電壓質(zhì)量、減小配電變壓器損耗、降低線路網(wǎng)損、改善功率因數(shù)以及提高線路輸電能力和電網(wǎng)的可靠性。文中介紹了該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，最后通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置在解決低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載的有效性。

1 SPC50智能控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)方案

SPC50智能控制系統(tǒng)如圖1所示，主要包含集中監(jiān)控系統(tǒng)和終端設(shè)備兩部分。

圖1 SPC50智能控制系統(tǒng)示意圖

集中監(jiān)控系統(tǒng)處于配電網(wǎng)負(fù)荷平衡智能控制系統(tǒng)的上層，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制以及統(tǒng)一調(diào)配終端設(shè)備運(yùn)行等功能。

終端設(shè)備處于配電網(wǎng)負(fù)荷平衡智能控制系統(tǒng)的下層，是配電網(wǎng)負(fù)荷平衡智能控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)降低配電網(wǎng)負(fù)荷三相功率不平衡的控制和實(shí)現(xiàn)。

終端設(shè)備和集中監(jiān)控系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)和云服務(wù)器聯(lián)系。設(shè)備終端通過以太網(wǎng)將設(shè)備參數(shù)及采集模塊的數(shù)據(jù)每隔15分鐘傳輸至云服務(wù)器，服務(wù)器完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，集中監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問云服務(wù)器，一方面可以獲取服務(wù)器的數(shù)據(jù)，另一方面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)末端設(shè)備的控制、參數(shù)設(shè)定等功能。

1.2 SPC50的組成

終端設(shè)備(SPC50)是配網(wǎng)負(fù)荷平衡智能控制系統(tǒng)的核心，該裝置并聯(lián)在臺(tái)區(qū)低壓配電網(wǎng)中，主要由控制功能單元、有源功能模塊及電容器組成。該裝置是一種混合式補(bǔ)償裝置，將有源電力電子補(bǔ)償和無源電容器補(bǔ)償有機(jī)結(jié)合，通過有源電力電子模塊可以控制無源電容器的投切進(jìn)行補(bǔ)償。有源電力電子補(bǔ)償方式如圖2所示，主要由電流檢測電路、采樣電流電路、DSP處理器及驅(qū)動(dòng)電路等組成，通過電流互感器(CT)檢測三相負(fù)載電流，經(jīng)過邏輯運(yùn)算電路分離出諧波成分，并通過晶體管(IGBT)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)IGBT動(dòng)作進(jìn)行補(bǔ)償。無源電容器補(bǔ)償方式將在第2節(jié)詳細(xì)介紹。

圖2 有源電力電子補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖

SPC50裝置具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)置變壓器相關(guān)參數(shù)，智能計(jì)算變壓器無功，解決傳統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)備無法補(bǔ)償變壓器自身無功損耗的問題；(2)智能型控制器，可同時(shí)控制功能模塊及智能電容器的投切；(3)同時(shí)解決三相不平衡和無功補(bǔ)償問題，線性連續(xù)輸出補(bǔ)償治理；(4)在戶外功率裝置內(nèi)安裝有高頻信號(hào)處理器，解決了IGBT產(chǎn)生的電磁干擾問題；(5)裝置設(shè)計(jì)有過熱保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、自動(dòng)限流保護(hù)，保障了內(nèi)部運(yùn)算電路的安全；(6)裝置安裝有避雷器，可感應(yīng)雷、電網(wǎng)擾動(dòng)等對(duì)裝置造成的影響，保證裝置安全可靠運(yùn)行；(7)裝置采用無線通信方式，裝置參數(shù)調(diào)整、運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)查看均可以由互聯(lián)網(wǎng)終端完成。

2 SPC50工作原理

2.1 基本工作原理

圖3 SPC50的基本工作原理

在低壓配網(wǎng)中，通過CT檢測三相負(fù)載電流，采用先進(jìn)的算法計(jì)算出三相負(fù)載中的三相不平衡成分、無功功率大小及性質(zhì)、諧波電流等，在不改變負(fù)載總功率的前提下，通過電力電子技術(shù)對(duì)三相負(fù)載功率消耗重新分配，使得單相、兩相功率消耗或者三相功率消耗不平衡向三相功率消耗均勻分配。在解決電流幅值相等、三相功率相等的同時(shí)，三相相位相差120度，從而消除了中線電流。基本工作原理示意圖如圖3所示。

正常工作時(shí)，通過CT實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)電流，并將系統(tǒng)電流信息發(fā)送給內(nèi)部控制器進(jìn)行處理分析，以判斷系統(tǒng)是否處于不平衡狀態(tài)，若出現(xiàn)不平衡則同時(shí)計(jì)算出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)各相所需轉(zhuǎn)換的電流值，然后將信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)作，從電網(wǎng)吸收能量并控制其在A、B、C三相間的相互轉(zhuǎn)化，從而使三相電流全部重新分配以達(dá)到平衡狀態(tài)。SPC50裝置除了平衡三相有功功率外，還具備無功補(bǔ)償和諧波治理等功能：通過提取三相電流中的無功成分以及各次諧波電流，使設(shè)備輸出大小相等、方向相反的電流實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償及濾除諧波的作用。

2.2 無源電容器的補(bǔ)償方式

設(shè)定A相與中性點(diǎn)間接有電阻R，在沒有接入電容和電感前，只有A相有電流，因此這是一個(gè)嚴(yán)重不平衡系統(tǒng)。為使A相電流平均分配到三相上且將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)絚osφ=1，以圖4為例對(duì)有功功率平衡、功率因數(shù)補(bǔ)償進(jìn)行理論分析。

圖4 有功功率平衡、 功率因數(shù)補(bǔ)償示意圖

(1)AB相間跨接電容C1

對(duì)A相而言：由于電容電流Ic1超前電容電壓Uc90度，因此將Ic1分解成垂直于A相電壓的容性無功電流分量+Iqc1和與A相電壓方向相反的負(fù)有功電流分量-Ipc。

對(duì)B相而言：電容電流Ic1超前電容電壓Uc90度，因此Ic1可分解成垂直于B相電壓的容性無功電流分量+Iqc1和與B相電壓方向相同的正有功電流分量+Ipc。

由此可知：在AB相間跨接電容C1后，A相的部分有功電流轉(zhuǎn)移到了B相。如果恰當(dāng)?shù)剡x擇電容C1，使之在A相的有功電流分量-Ipc是A相有功電流的1/3，這時(shí)，電容C1就會(huì)將A相的1/3有功電流轉(zhuǎn)移到B相。

(2)AC相間跨接電感L1

同理可得：在AC相間跨接電感L1后，A相的部分有功電流轉(zhuǎn)移到C相。若恰當(dāng)?shù)剡x擇電感L1，使之在A相的有功電流分量-IpL是A相有功電流的1/3，這時(shí)，電感L1將A相的1/3有功電流轉(zhuǎn)移到C相。

通過(1)、(2)分析可知：電容C1將A相的1/3有功電流轉(zhuǎn)移到B相，電感L1又將A相的1/3有功電流轉(zhuǎn)移到C相，所以三相有功電流完全平衡。

(3) 三相功率因數(shù)分析

A相：電容C1在A相的容性無功電流分量+Iqc1與電感L1在A相的感性無功分量-IqL1相互抵消，使該相無功電流為0，即cosφ=1。

B相：在B相與中性點(diǎn)間恰當(dāng)?shù)亟尤腚姼蠰2，使之在B相的感性無功電流分量-IqL2正好抵消該相容性無功電流分量+Iqc1，使該相無功電流為0，即cosφ=1。

C相：在C相與中性點(diǎn)間恰當(dāng)?shù)亟尤腚娙軨2，使之在C相的容性無功電流分量+Iqc2正好抵消該相感性無功電流分量-IqL1，使該相無功電流為0，即cosφ=1。

以上分析表明：在相或者相間接入適當(dāng)?shù)碾娙莼螂姼?，可以?shí)現(xiàn)有功功率平衡和功率因數(shù)補(bǔ)償。然而系統(tǒng)所需的電感在裝置中難以實(shí)施，但實(shí)際配網(wǎng)中存在大量感性負(fù)荷，可將其看成等效電抗器，從而解決裝置所需電抗器的難題。因此，只要負(fù)荷系統(tǒng)有足夠感性無功，接入一定數(shù)量的電容器，便可達(dá)到有功平衡且無功補(bǔ)償為零的效果。故該裝置能夠平衡有功電流前提是負(fù)荷系統(tǒng)有一定量的感性負(fù)荷，否則可能導(dǎo)致裝置轉(zhuǎn)移有功電流能力不夠。實(shí)際中低壓配電網(wǎng)可能存在無功不足的問題，而本文應(yīng)用的SPC50裝置采用混合式補(bǔ)償方式(無源電容補(bǔ)償+有源電力電子補(bǔ)償)，既滿足了任何低壓配電網(wǎng)的應(yīng)用效果，又解決了單純使用有源電力電子技術(shù)平衡有功功率裝置高成本的問題。

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證SPC50在低壓配電臺(tái)區(qū)負(fù)荷不平衡控制技術(shù)的可行性，實(shí)際選擇承德市雙橋區(qū)鐘鼓樓箱變現(xiàn)場的一臺(tái)315 kVA、10/0.4 kV的配電變壓器低壓側(cè)安裝50 kVar SPC50裝置。如圖5所示，SPC50外部接線端主要有：輸入端A/B/C，接線端分別對(duì)應(yīng)黃色/綠色/紅色電纜頭；PE為系統(tǒng)接地端，為防止發(fā)生危害人身安全事故，開機(jī)前通過此端子與大地相接；對(duì)于N線接入點(diǎn)：三相三線制不接入，三相四線制須接入該模塊；電流互感器CT為重要外置部件之一，在正常工作中對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償精度起到關(guān)鍵性作用，外接電流互感器的精度要求在0.2級(jí)(閉口式)或0.5級(jí)(開口式)以上，否則系統(tǒng)補(bǔ)償精度將受到影響。

圖5 單功率模塊配線及安裝框圖

圖6 補(bǔ)償前后各相及中性線平均負(fù)荷電流

為了驗(yàn)證該裝置的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)該裝置進(jìn)行了三個(gè)月的現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)，以11月25日采集的雙橋區(qū)配變低壓側(cè)電流數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,未投入SPC50裝置時(shí)采集的三相及中性線電流波形如圖6(a)所示，在該區(qū)投入SPC50裝置后的三相及中性線電流波形如圖6(b)所示，補(bǔ)償前后中性線負(fù)荷電流如圖6(c)所示。由圖6對(duì)比可知：在設(shè)備未投入運(yùn)行前，配電網(wǎng)低壓三相正常工作時(shí)負(fù)載波動(dòng)較大且含有較大的諧波電流，三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡，中性線中流過較大的電流；設(shè)備安裝運(yùn)行后，在相同測量點(diǎn)位置，可以看出A、B、C三相電流基本趨于一致，中性線中的電流近似為0。

此外，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)可知SPC50在補(bǔ)償電流不平衡的同時(shí)也補(bǔ)償線上的無功功率和諧波電流。投入運(yùn)行后功率因數(shù)從原來的0.9提高到0.98以上，設(shè)備投運(yùn)后諧波從原來的6%左右補(bǔ)償?shù)?%以內(nèi)，有效的降低了諧波電流量。SPC50裝置能夠24小時(shí)線性快速響應(yīng)，從而保證了公用臺(tái)變的安全運(yùn)行。

3.2 結(jié)果分析

三相不平衡度是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[13]。不平衡狀態(tài)嚴(yán)重危及電器的使用安全，甚至導(dǎo)致用電設(shè)備損壞，因此對(duì)三相不平衡度的監(jiān)測非常重要。三相電流不平衡度[14-15]常用β=ΔImax/Iav×100%表示,而對(duì)應(yīng)相的負(fù)荷電流的不平衡度：βn=(In-Iav)/Iav×100%,(n=A,B,C)。其中ΔImax=max(IA-Iav,IB-Iav,IC-Iav)為最大偏差電流，Iav=(IA+IB+IC)/3為三相平均負(fù)荷電流，IA,IB,IC為配電變壓器二次側(cè)負(fù)荷電流。根據(jù)圖6所示裝置投入前后的各相負(fù)荷電流，通過三相不平衡度公式得到各相電流不平衡度曲線如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償前后各相電流不平衡度

從圖7實(shí)測計(jì)算結(jié)果可知：調(diào)整前負(fù)荷電流不平衡度最高達(dá)到105%，而且大部分在20%～40%之間，調(diào)整后大部分都處在10%范圍內(nèi)，各相電流不平衡度較之前有非常顯著的改善，從而驗(yàn)證了該裝置在解決低壓配電網(wǎng)三相不平衡負(fù)載的有效性。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)低壓配電網(wǎng)負(fù)荷三相不平衡問題，基于新研制的混合補(bǔ)償調(diào)節(jié)裝置SPC50，深入分析了其工作原理，并進(jìn)行了現(xiàn)場安裝運(yùn)行和試驗(yàn)。運(yùn)行結(jié)果及數(shù)據(jù)分析表明SPC50能夠有效降低三相負(fù)荷電流不平衡度，將功率因數(shù)提高到0.98以上，降低三相負(fù)荷不平衡對(duì)用戶的影響，提高供電電壓質(zhì)量和供電可靠性。

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Application of the Hybrid Compensation Regulator in Three-phase Unbalanced Load of the Low-voltage Distribution Network

Zhang Xiaoyi, Li Juexuan, He Jian, Wang Hu

(State Grid Jibei Energy Saving Service Co., Ltd., Beijing 100045, China)

Unbalance of three-phase load in the low-voltage distribution network will lead to such problems as decrease of transformer output power, increase of line power loss, potential shift of the neutral point and decrease of power factor. In order to lower power supply cost, reduce line loss and improve power quality, in the application background of the new generation hybrid compensation regulator (SPC50) of rated voltage 0.4kV, we select a typical pilot area and complete on-site installation and test run. Operational results and calculation analysis show that the hybrid compensation device can not only balance the three-phase load, but also increase the power factor to more than 0.98, thus verifying the effectiveness of the device in solving the problem of three-phase unbalanced load in the low-voltage distribution network.

low-voltage distribution network; unbalanced three-phase load; hybrid compensation regulator;three-phase unbalance factor;passive capacitor

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.027

TM727

A

1000-3886(2017)02-0088-04

張曉毅(1973-)，女，天津人，碩士，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)楣ど坦芾怼?李玨瑄(1986-)，女，北京人，碩士，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?何建(1980-)，男，四川人，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娏こ碳夹g(shù)。

定稿日期: 2016-12-27