陳建軍，檀 政，張曉毅

(冀北電力有限公司，北京，100000；2.國網(wǎng)冀北電力科學(xué)研究院，北京，100000；3. 國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京，100000）

配電網(wǎng)無功補(bǔ)償治理技術(shù)研究及工程應(yīng)用分析

陳建軍1，檀 政2，張曉毅3

(冀北電力有限公司，北京，100000；2.國網(wǎng)冀北電力科學(xué)研究院，北京，100000；3. 國網(wǎng)冀北節(jié)能服務(wù)有限公司，北京，100000）

本文通過對配電網(wǎng)無功補(bǔ)償治理現(xiàn)狀的介紹，介紹了基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的靜止無功發(fā)生裝置（SVG）的工作原理，并重點(diǎn)分析研究了瞬時(shí)功率理論及其用于補(bǔ)償無功、諧波時(shí)的檢測技術(shù)。最后，結(jié)合SVG在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的實(shí)際應(yīng)用，對SVG治理配網(wǎng)普遍存在的無功、不平衡等問題的效果進(jìn)行了分析。

配電網(wǎng)；無功補(bǔ)償；SVG

0 引言

近年來，國民經(jīng)濟(jì)的快速使得電力需求不斷增大。同時(shí)，也促使我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，發(fā)電、輸電能力不斷提高。但相對于主網(wǎng)的發(fā)展，我國配電網(wǎng)建設(shè)及發(fā)展速度明顯滯后，特別是無功分布不合理、補(bǔ)償設(shè)備少、投運(yùn)率低等現(xiàn)象長期存在，使得系統(tǒng)運(yùn)行電壓質(zhì)量難以得到保證，網(wǎng)絡(luò)損耗問題日益突出[1]。

1 配網(wǎng)無功補(bǔ)償及治理技術(shù)現(xiàn)狀

我國配電網(wǎng)地域性強(qiáng)，環(huán)境差異性大，并且其負(fù)荷波動(dòng)較大，穩(wěn)定性差[1]。因此在我國大部分的城區(qū)和農(nóng)村配電網(wǎng)絡(luò)中，大多采用戶外柱上的安裝方式。配網(wǎng)中補(bǔ)償設(shè)備基本上以電容器補(bǔ)償為主。

1.1 電容補(bǔ)償

電容器因其可提供固定的無功功率，且價(jià)格低廉，安裝維護(hù)簡單，是目前配網(wǎng)中使用最為廣泛的無功補(bǔ)償設(shè)備。在配電網(wǎng)中電容補(bǔ)償常常與臺(tái)區(qū)的饋電、計(jì)量等配合使用，即戶外多功能綜合配電柜（JP柜）。

并聯(lián)電容器雖然可以提高功率因數(shù)，降低損耗，增加系統(tǒng)容量。但因電容補(bǔ)償屬于有級調(diào)節(jié)，補(bǔ)償效果因補(bǔ)償步長、投切速度等差異性很大，導(dǎo)致配網(wǎng)臺(tái)區(qū)補(bǔ)償效果較差，無功補(bǔ)償現(xiàn)狀參差不齊，過補(bǔ)、欠補(bǔ)現(xiàn)象十分嚴(yán)重[2]。

隨著配電網(wǎng)用電負(fù)荷的日益增加，除無功補(bǔ)償外，三相不平衡問題、諧波問題等也已經(jīng)越來越突出。而傳統(tǒng)的電容器補(bǔ)償技術(shù)在不平衡治理、諧波治理等靈越局限性越來越強(qiáng)、且效果差，實(shí)現(xiàn)難度大。

1.2 靜止無功發(fā)生器

電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，靜止無功發(fā)生器（SVG，也叫STATCOM）應(yīng)運(yùn)而生。基于IGBT的自換相變流技術(shù)的SVG裝置，其作為完全可替代電容補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償裝置，具有補(bǔ)償效果好，響應(yīng)速度快，可綜合治理多重電能質(zhì)量問題等優(yōu)點(diǎn)，目前在國外已取得普遍應(yīng)用，在我國工業(yè)負(fù)荷中也已得到廣泛應(yīng)用。但在城區(qū)或農(nóng)村配電網(wǎng)中應(yīng)用較少，多以示范工程、科研項(xiàng)目的形式處在推廣階段。

2 基于IGBT技術(shù)的SVG裝置工作原理分析研究

基于IGBT開關(guān)器件的SVG裝置代表著電能質(zhì)量治理領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢，快速、準(zhǔn)確地檢測出指令信號(hào)是實(shí)現(xiàn)SVG補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵之一，所采用檢測方法的實(shí)時(shí)性能將會(huì)對裝置的補(bǔ)償效果產(chǎn)生直接影響。本節(jié)首先對SVG部分的運(yùn)行模式進(jìn)行簡單介紹，然后對裝置的指令電流檢測方法進(jìn)行了分析研究。

2.1 SVG運(yùn)行模式

SVG補(bǔ)償裝置通過傳感器檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出所需補(bǔ)償?shù)臒o功、諧波或不平衡分量等指令信號(hào)，該指令信號(hào)取反后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路作用于IGBT開關(guān)器件，從而輸出期望得到可控的電流補(bǔ)償信號(hào)，注入電網(wǎng)與系統(tǒng)中要補(bǔ)償?shù)姆至康窒?，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康腫3]。

SVG在工作時(shí)主要由空載模式、容性模式、感性模式

運(yùn)行模式 波形和向量 說明原理示意圖裝置通過整流逆變的方式可以輸出與系統(tǒng)同頻同向但幅值可調(diào)的工頻電壓，經(jīng)連接電抗器接入系統(tǒng)。空載運(yùn)行模式UI=Us，IL=0，智裝置不吸發(fā)無功。容性運(yùn)行模式UI 〉 Us，IL為超前的電流，其幅值可以通過調(diào)節(jié)UI來連續(xù)控制，從而連續(xù)調(diào)節(jié)裝置發(fā)出的無功。感性運(yùn)行模式UI ＜ Us，IL為滯后的電流。此時(shí)裝置吸收的無功可以連續(xù)控制。

2.2 基于瞬時(shí)功率理論的檢測原理分析

假設(shè)三相電壓、電流的瞬時(shí)值分別為au、bu、cu和ai、bi、 ic，分別將其經(jīng)過Clarke變換到α- β兩相正交的靜止坐標(biāo)系下，得到α β- 坐標(biāo)下瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流分別為uα、uβ和iα、iβ

式中：

圖1 α-β坐標(biāo)系中電壓、電流矢量

圖1所示為經(jīng)過Clarke變換后α β- 坐標(biāo)系中各電壓、電流矢量關(guān)系。矢量和分別可以合成旋轉(zhuǎn)矢量

式中，u、i分別為電壓、電流矢量的模值，uφ、iφ分別為其電壓、電流矢量的幅角。

此時(shí)，引入三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流的概念，分別定義矢量i→˙投影到矢量e˙及其法線上的投影。即

即：

則根據(jù)以上瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流的定義可定義瞬時(shí)有功功率p（瞬時(shí)無功功率q）為電壓矢量e→的模和三相瞬時(shí)有功電流pi（瞬時(shí)無功電流qi）的乘積。即

將式(6)代入式(7)中得

以上提出的瞬時(shí)功率理論都是基于瞬時(shí)值的基礎(chǔ)而來的，它能夠適應(yīng)正弦及其它任何非正弦情況的波形。不難看出，當(dāng)au、 ub、uc和 ia、ib、ic均為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時(shí)，p、q的值為標(biāo)量且與傳統(tǒng)功率定義下的p、q相同。

最具代表性的是基于時(shí)域的瞬時(shí)功率理論基礎(chǔ)上建立的各種檢測方法，如ip-iq法。圖3所示為ip-iq檢測原理。

圖2 ip-iq檢測原理圖

圖2中，

iA、iB、iC為補(bǔ)償對象的三相瞬時(shí)電流，為變換矩陣，LPF為低通濾波器，PLL為鎖相環(huán)，Afi、Bfi、Cfi 為從補(bǔ)償對象中檢測出的基波電流，Ahi、Bhi、Chi為從補(bǔ)償對象的三相電流中分離出的總諧波電流。該方法根據(jù)定義計(jì)算出pi、qi，經(jīng)過LPF得到其直流分量ip、iq，進(jìn)而計(jì)算出被檢測電流 iA、iB、iC的基波分量Afi 、Bfi 、Cfi ，

將Afi 、Bfi 、Cfi 與Ai、Bi、Ci相減，即可得到諧波分量Ahi 、Bhi 、Chi 。

當(dāng)用于諧波和無功綜合補(bǔ)償時(shí)，可將檢測到諧波和無功綜合信號(hào)疊加在一起進(jìn)行處理，此時(shí)只需斷開圖3 中計(jì)算qi的通道即可。而檢測方法僅用于無功補(bǔ)償時(shí)，則只要對qi進(jìn)行反變化即可得到檢測結(jié)果[4]。

綜上所述，該檢測方法是基于瞬時(shí)功率理論的基礎(chǔ)上建立而來，同時(shí)近乎無延遲的分離被檢測信號(hào)中諧波、無功、負(fù)序等信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)SVG裝置對諧波、無功、不平衡等電能質(zhì)量問題的綜合治理能力，使一機(jī)多能的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)依據(jù)。

3 混合型補(bǔ)償裝置

混合型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置是將SVG和電容器補(bǔ)償有節(jié)結(jié)合起來的一種補(bǔ)償方式，其可以消除電容器有級分組補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，同時(shí)通過合理配置可具備SVG補(bǔ)償響應(yīng)速度快，能實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償精度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 混合型補(bǔ)償裝置TSVG原理示意圖

混合型無功補(bǔ)償裝置主要由控制器、SVG補(bǔ)償部分、電容器補(bǔ)償部分等組成，由統(tǒng)一的控制器進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)電容器支路“粗補(bǔ)”，SVG模塊“細(xì)補(bǔ)”，利用SVG可快速有效輸出雙向無功的能力，來消除電容補(bǔ)償?shù)募壊睿y(tǒng)一協(xié)調(diào)配合工作。

在大部分配網(wǎng)中，其負(fù)荷波動(dòng)性與工業(yè)場合相比較小，混合型補(bǔ)償裝置可以利用電容部分提供主要補(bǔ)償容量，大大降低了補(bǔ)償設(shè)備的成本。因此混合型補(bǔ)償裝置將是SVG取得普遍應(yīng)用的主要應(yīng)用形式，是配電網(wǎng)無功、諧波、不平衡等綜合補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢。

4 工程應(yīng)用及分析

4.1 工程概況

國網(wǎng)冀北公司某供電局轄區(qū)西漫子臺(tái)區(qū)，該臺(tái)區(qū)為城鎮(zhèn)郊區(qū)居民生產(chǎn)生活供電，臺(tái)變?nèi)萘繛?00KVA，地處山區(qū)，供電半徑長，且多為單相負(fù)荷。平均功率因數(shù)為0.85左右，三相不平衡情況嚴(yán)重。

4.2 SVG投運(yùn)前后效果對比分析

該臺(tái)區(qū)安裝了一套75kvar柱上SVG，用于補(bǔ)償無功，同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)荷三相不平衡。如下是運(yùn)行效果前后對比相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖4 SVG投運(yùn)前后無功變化趨勢圖

圖5 SVG投運(yùn)前一天三相負(fù)荷電流變化趨勢圖

通過圖4、圖5對比，可以看出SVG的投運(yùn)使三相的負(fù)荷電流趨于一致，三相負(fù)荷電流基本控制在5A以內(nèi)，有效地解決了臺(tái)變有功不平衡的問題，效果良好，同時(shí)功率因數(shù)補(bǔ)償達(dá)到了0.99，無功功率控制在了3kvar以內(nèi)，抑制了無功波動(dòng)。

國網(wǎng)冀北公司某供電所轄區(qū)2016年安裝投運(yùn)了4套思源電氣柱上式的SVG用于補(bǔ)償無功和三相不平衡，設(shè)備投運(yùn)后補(bǔ)償效果非常明顯，投運(yùn)前后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比見下表1。

表1 SVG投運(yùn)前后效果對比表

5 結(jié)論

隨著人們生活水平的不斷提升，配電網(wǎng)用電負(fù)荷不斷提高，對用電質(zhì)量的要求也越來越高，無功、諧波、不平衡、電壓合格率等越來越多的問題已引起人們的重視。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中低壓電網(wǎng)損耗中線損占整個(gè)系統(tǒng)損耗的60%以上[5]。合理配置無功補(bǔ)償設(shè)備，有效解決三相不平衡、諧波等電能質(zhì)量問題，可以有效降低損耗，改善用電質(zhì)量[6]。隨著“十三五”關(guān)于配網(wǎng)規(guī)劃的深入進(jìn)行，基于電力電子技術(shù)的作為新一代的補(bǔ)償設(shè)備，無功補(bǔ)償效果好，可綜合治理多重電能質(zhì)量問題，將越來越多的應(yīng)用于配電網(wǎng)中。

[1]王凌誼.電力系統(tǒng)無功優(yōu)化與無功補(bǔ)償[J].電氣應(yīng)用，2006(10).

[2]盛萬興，孟曉麗. 配電系統(tǒng)綜合節(jié)能技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[3]蘇文成，金子康. 無功補(bǔ)償與電力電子技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[4]王兆安，楊君. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]劉燕.中低壓配網(wǎng)無功補(bǔ)償優(yōu)化配置研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[6]趙佳婷.農(nóng)村配電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)难芯縖D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006.

Research on and Engineering Application Analysis of Reactive Compensation Management Technology for Power Distribution Network

Chen Jianjun1, Tan Zheng2, Zhang Xiaoyi3
(1. Jibei Electric Power Company,Beijing,100000；2. State Grid Jibei Electric Power Research Institute, Beijing,100000; 3.State Grid Jibei Energy Saving Service Company,Beijing,100000)

By giving an introduction of the current situation of power distribution network reactive power compensation management, this paper introduces the working principle of Static Var Generator (SVG) which is based on modern power electronic technology, and emphatically analyzes the instantaneous power theory and the measurement technique when this theory is applied to harmonic compensation and reactive compensation. Finally, this paper, combining the application of SVG to power distribution network station area, analyzes the effect of SVG when treating such problems as reactive power and unbalanced power which are quite common in power distribution network.

Power distribution network;Reactive compensation;SVG

陳建軍，1972年7月19日生，男，陜西銅川人，漢族，高級工程師，研究生，從事電力系統(tǒng)管理工作。檀政，1988年5月9日生，男，河北廊坊人，漢族，中級工程師，博士，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化工作。張曉毅，1973年1月3日生，女，天津?qū)幒尤耍瑵h族，高級經(jīng)濟(jì)師，研究生，從事電力節(jié)能工作。