楊志強，劉 帥，張鵬宇

(1.國網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221200;2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021)

在配電網(wǎng)中用戶消耗的無功功率占50%～60%，其余無功功率由網(wǎng)絡本身消耗［1］。無功功率補償可用于解決由于無功功率不足造成的低壓問題，同時還可改善電能質(zhì)量包括電網(wǎng)電壓的閃變、跌落以及由于線路耗損而造成的大量電能損失等問題。動態(tài)無功功率的控制可以提高線路的輸送能力，如果在負載側(cè)補償，原有線路的輸送能力可以增加50%，使得同樣的功率輸送更遠的距離。傳統(tǒng)的無功功率補償方案，通常是站內(nèi)補償、柱上補償或隨設備就地補償，在變電站內(nèi)、配電線路上或者某個特定設備附近，按規(guī)定容量裝設無功功率補償設備。這些補償方式，與大多終端用戶存在距離，對這些用戶線路上的無功功率，起不到補償作用。合理有效的無功功率補償可以帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。為了減少無功功率在網(wǎng)絡中的輸送，盡可能地實現(xiàn)就地補償，就地平衡，可以由電力部門和用戶側(cè)配合，應用無功功率補償實現(xiàn)無功功率的就地治理［2］。按照無功功率就地補償原則，可以考慮在用戶側(cè)設置無功功率補償設備，減少用戶側(cè)無功功率在線路上的流通，最大限度地降低無功功率不足造成的線路損耗和電壓降低。

1 配電網(wǎng)負荷特點

在配電網(wǎng)中，電力負荷用戶具有分散性和隨意性的特點?，F(xiàn)代配電網(wǎng)由于用電負荷日趨復雜化和多樣化，電力電子裝置、變頻調(diào)速裝置、時變控制的非線性設備、沖擊、非線性及不平衡負荷的廣泛使用，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生更多的諧波電流、負序電流和無功功率電流，導致電能質(zhì)量下降，對電網(wǎng)和用戶都造成很大的影響。

在居民型負荷配電網(wǎng)中，由于城市改造及設備老化等多種因素的作用，使得在一些城市老舊小區(qū)內(nèi)存在配電線路過長、配電終端用戶過多、負荷不平衡及某些地區(qū)無功功率補償裝置無法安裝等問題，該類負荷的末端低電壓問題很難通過配變側(cè)低電壓治理措施解決，影響了居民的用電質(zhì)量，增加了電力損耗，降低了輸配電效益。

DL/T 1053—2017《電能質(zhì)量技術監(jiān)督規(guī)程》中明確規(guī)定，380 V用戶受電端供電電壓允許偏差值為系統(tǒng)標稱電壓的±7%，220 V用戶受電端供電電壓允許偏差值為系統(tǒng)標稱電壓的－10%～+7%［3］。而在實際工作中，老舊小區(qū)的配電終端用戶電壓偏差值往往高于此規(guī)定，因此需要根據(jù)不同供電區(qū)域的特點，綜合考慮電壓合格率指標以及經(jīng)濟社會效益，針對用戶端電能質(zhì)量的改善需求，研究本地區(qū)的用戶電壓質(zhì)量現(xiàn)狀，針對本地區(qū)的用戶負荷特點，研究在配電網(wǎng)低壓用戶端應用的電壓質(zhì)量改善方案。

2 配電網(wǎng)無功功率補償?shù)年P鍵技術

2.1 理論依據(jù)

基于瞬時無功功率理論及脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制理論，研究內(nèi)容為電網(wǎng)無功功率電流的提取以及電網(wǎng)無功功率電流就地補償兩部分。

2.1.1 單相鎖相環(huán)技術

在單相無功功率補償裝置(DPVG)中，為實現(xiàn)其電網(wǎng)側(cè)有功、無功功率控制，需要動態(tài)獲取電網(wǎng)電壓的相位信息，要求采用鎖相環(huán)對電網(wǎng)電壓進行鎖相［4］。為了實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓相位的實時獲取，采用基于虛擬兩相正交變量的單相鎖相環(huán)技術，能夠以最快的速度跟蹤電壓相位的變化，為提取電網(wǎng)電流中的無功功率分量和DPVG的順利并網(wǎng)提供條件。

通過電壓互感器實時采樣電網(wǎng)電壓(以單相A相為例)，利用控制系統(tǒng)中的90°延遲函數(shù)產(chǎn)生與輸入電網(wǎng)電壓信號Uβ相差90°的電壓信號Uα，并構(gòu)成靜止正交坐標系，再通過派克變換(PARK)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的虛擬電壓矢量的d、q分量，當通過PID閉環(huán)控制使Uq=0時，輸入信號得以鎖相。

2.1.2 無功功率電流的快速跟蹤

在軟件控制系統(tǒng)中采用雙中斷機制，每個中斷頻率為7.5 kHz，通過在中斷中調(diào)用同一個控制函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達15 kHz的采樣及計算頻率，從而使絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的開關頻率達到了15 kHz。高開關頻率同時減少了輸出電壓諧波分量以及輸出濾波電感和輸出濾波電容的體積，從而減小了設備的體積。

2.1.3 電網(wǎng)電流中無功功率電流的提取

通過負載電流互感器實時采樣電網(wǎng)負載側(cè)電流(以單相A相為例)，利用控制系統(tǒng)中的90°延遲函數(shù)產(chǎn)生與電網(wǎng)電流信號Iβ相差90°的電流信號Iα，構(gòu)成靜止正交坐標系，利用電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)中得出的相位信息，再通過PARK變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的虛擬電流矢量的d、q分量。當電流矢量的q分量經(jīng)過二階濾波器之后即可得出電網(wǎng)電流中的無功功率電流分量Iq電網(wǎng)電流無功功率電流檢測示意圖見圖1。

3 配電網(wǎng)無功功率補償?shù)难b置設計

圖1 電網(wǎng)電流無功功率電流檢測示意圖

3.1 無功功率補償設備配置方案

分布式補償設備每臺容量為5 kvar，可以并聯(lián)在供電系統(tǒng)中用戶終端處，采用壁掛的方式?，F(xiàn)場電氣連接示意圖見圖2。

圖2 現(xiàn)場電氣連接示意圖

圖中:A為電流采樣接入;B為設備與液晶的線纜;C為單相交流接入;D為顯示器(HMI為人機交互界面);E為低壓電力線路;F為電流互感器;G為空氣斷路器;L為火線;N為零線;PE為地線。

3.2 無功功率補償設備控制方案

采用IGBT組成單相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過直接控制其交流側(cè)電流，使之迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。DPVG主電路原理圖見圖3。圖中虛線框內(nèi)為DPVG裝置;Is為裝置并網(wǎng)點電網(wǎng)側(cè)的電流;Ic為DPVG裝置輸出的補償電流;If為裝置并網(wǎng)點負荷側(cè)電流。V1～V4為DPVG裝置主電路的斷路器IGBT器件;Udc為DPVG裝置主電路儲能電容C兩端的直流電壓。

主電路中電流Is、Ic、If之間的關系見式(1):

圖3 DPVG主電路原理圖

式中:Ifq為負載電流中的無功功率分量;Ifd為負載電流中的有功功率電流分量。DPVG通過負載側(cè)電流互感器實時采集電網(wǎng)負載側(cè)電流(If)信號，通過內(nèi)部檢測電路分離出其中的無功功率電流分量(Ifq)，根據(jù)現(xiàn)場需要，通過IGBT功率變換器產(chǎn)生與電網(wǎng)中無功功率電流大小相等、方向相反的補償電流(Ic)，即:

補償后，電網(wǎng)電流如下式所示:

由上式可見，電網(wǎng)電流中無功功率電流分量得到最大補償，從而實現(xiàn)就地補償無功功率電流、提高功率因數(shù)的功能。

DPVG軟件控制系統(tǒng)原理圖見圖4?？刂葡到y(tǒng)中，給定母線電壓與實測母線電壓udc相比較，經(jīng)過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，輸出交流電流d軸指令信號。根據(jù)不同的調(diào)節(jié)目標(調(diào)節(jié)功率因數(shù)、自動補償無功等)設定交流電流q軸指令信號i*q。交流電流d軸、q軸指令信號與DPVG輸出交流電流d軸、q軸實測值相比較后，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)過前饋解耦控制算法得出期望的單相交流側(cè)電壓d軸、q軸分量ud、uq。最后通過三相二相變換(Clarke)反變換和變頻器的正玄波脈寬調(diào)制(SPWM)算法生成4路占空比驅(qū)動IGBT動作［5］。

3.3 配電網(wǎng)終端低壓用戶就地無功功率補償裝置的研制

分布式高滲透無功功率補償裝置采用先進電力電子技術，以IGBT功率器件為主要核心部件，并聯(lián)于配電網(wǎng)低壓側(cè)，主要用于優(yōu)化城鄉(xiāng)配電網(wǎng)各臺區(qū)的供電質(zhì)量，能有效解決小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低的問題。該產(chǎn)品通過直接控制DPVG的輸出電流，使其迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。具分布式安裝、靈活配置的特點。設備功能見表1。

4 配電網(wǎng)無功功率補償裝置應用

以國網(wǎng)徐州供電公司睢寧縣供電公司某臺區(qū)為例分析兩種無功功率補償方式，一種是集中補償，一種是分布式補償。該臺區(qū)總共有18個負荷節(jié)點，配電變壓器為S11－500型，容量為500 kVA，負荷節(jié)點有功功率和無功功率見表2。

圖4 DPVG軟件控制系統(tǒng)原理圖

表1 裝置功能

表2 負荷節(jié)點有功功率和無功功率

以配電變壓器高壓側(cè)節(jié)點為平衡節(jié)點，集中補償大概為100～200 kvar，只選用100 kvar作為補償?shù)目側(cè)萘?，由潮流計算可?4、5、6、7、8、9 節(jié)點電壓偏低，所以選擇這6個點安裝就地無功功率補償裝置，各個補償點容量近似為 19、23、20、9、13、16 kvar;補償之后經(jīng)過對比，在補償相同容量的情況下，安裝分布式高滲透無功功率補償設備，18個節(jié)點沒有出現(xiàn)低電壓，而集中補償?shù)?、5、6三個節(jié)點出現(xiàn)低電壓。

通過安裝分布式高滲透無功功率補償裝置，有效提升了居民端電壓合格率;降低低壓供電半徑300 m范圍內(nèi)出現(xiàn)低電壓的概率，提高了配電網(wǎng)中電力變壓器的利用率，有效解決了小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低的問題。

5 結(jié)束語

分布式高滲透無功功率補償裝置的使用，有效解決了小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低及用戶末端電壓低的問題，實現(xiàn)了負載側(cè)無功功率就地補償?shù)墓δ?，很好地改善了電能質(zhì)量，在提高供電系統(tǒng)的經(jīng)濟效益同時保障了安全可靠性和穩(wěn)定性，且操作簡單易被大眾接受，具有很大的研究意義及推廣價值。