田詠桃 王 斌 仉志華

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基于無源補償網(wǎng)絡的低壓配電系統(tǒng)三相不平衡調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化方法

田詠桃1王 斌2仉志華2

（1. 中國石油大學（華東）理學院，山東 青島 255680;2. 中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 255680）

受單相負荷運行隨機性特點的影響，低壓配電系統(tǒng)中普遍存在三相不平衡問題，目前已成為影響電能質(zhì)量的主要因素之一。本文基于電感與電容構(gòu)成的無源補償網(wǎng)絡，對低壓配電系統(tǒng)三相不平衡調(diào)節(jié)參數(shù)的優(yōu)化確定方法進行研究。分析了基于Steinmetz理論的三相四線制補償網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)；綜合考慮低壓配電系統(tǒng)負序與零序電流補償，并以網(wǎng)絡損耗與補償電流最低為目標，得到了無源補償網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)的解析表達式?；赑SCAD建模仿真結(jié)果表明，該方法可有效降低三相不平衡度，改善負荷側(cè)電壓，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡損耗。

無源補償網(wǎng)絡；低壓配電系統(tǒng)；三相不平衡；參數(shù)優(yōu)化

隨著社會與經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益突出，已成為全球普遍關注的焦點[1]。電能作為最為有效的二次能源利用形式，是社會可持續(xù)發(fā)展的有力保障；由于歷史原因，我國的電能質(zhì)量現(xiàn)狀不容樂觀[2-3]。其中，三相不平衡作為衡量電壓質(zhì)量的重要指標，是電力供需雙方共同關注的熱點問題。盡管國內(nèi)外已針對此問題開展了諸多理論研究與現(xiàn)場應用實踐，但總體效果不佳，有待進一步研究。

單相用電負荷的隨機性和不確定性運行特性，是導致低壓配電系統(tǒng)三相不平衡的主要原因[4-5]。目前，主要采用換相開關調(diào)整三相負荷分配、單相無功動態(tài)補償以及無源補償網(wǎng)絡等方式，解決低壓配電系統(tǒng)三相不平衡問題。文獻[6-8]分析了采用智能換相開關實現(xiàn)單相負荷自動換相的方法，基于各相電流與三相平均電流得到三相待轉(zhuǎn)移負荷大小，根據(jù)待轉(zhuǎn)移負荷與單相負荷的差值改變換相開關接入相。但該方法屬于電流分級調(diào)整，難以保證負荷轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)的連續(xù)性。文獻[9-10]基于Steinmetz理想補償網(wǎng)絡，以補償系統(tǒng)的負序分量和零序分量及改善功率因數(shù)為目標函數(shù)，構(gòu)建了三相四線制不平衡補償網(wǎng)絡，但其并未分析電源電壓相位對補償網(wǎng)絡的影響。文獻[11-13]通過補償系統(tǒng)的無功功率，動態(tài)減小系統(tǒng)不平衡度；分析了利用晶閘管控制電抗器（thyristor controlled reactor, TCR）+濾波電容器（filter capacitor, FC）型SVC補償三相不平衡的方法，基于不平衡電流無功補償?shù)幕驹?，?gòu)建分相補償?shù)难a償網(wǎng)絡；但未考慮到網(wǎng)絡損耗等調(diào)節(jié)目標。

本文基于無源補償網(wǎng)絡，對低壓配電系統(tǒng)三相不平衡優(yōu)化補償參數(shù)優(yōu)化方法展開研究?；赟teinmetz理論構(gòu)建了適于低壓配電網(wǎng)三相不平衡無源補償網(wǎng)絡模型，在消除負序與零序電流分量基礎上，以網(wǎng)絡損耗與補償電流最小為目標，提出了補償參數(shù)優(yōu)化確定方法?；赑SCAD建模仿真結(jié)果表明，該方法可有效降低三相不平衡度，改善負荷側(cè)電壓，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡損耗。

1 基于Steinmetz理論的三相四線制不平衡補償方法

Steinmetz理論提出了一種消除負序分量的方法，但其只適用于三相三線制系統(tǒng)。若在兩相間跨接電容或電感，則可在兩相間轉(zhuǎn)移無功與有功電流，在相間與零線之間跨接可以抵消零線電流，為解決三相四線制低壓配電系統(tǒng)三相不平衡問題，奠定了理論基礎[9]。

圖1 三相四線制補償?shù)刃г韴D

若使補償后的零序分量與負序分量為0，則需滿足：

2 三相不平衡調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化確定方法

2.1 以補償負荷負序和零序電流分量為目標[9]

以a相為基準，根據(jù)對稱分量法，Y型等值負荷的電流序分量為

Y型補償器的電流序分量為

△型補償器產(chǎn)生的電流序分量為

將上述各電流序分量代入式（1），得補償網(wǎng)絡表達式為

由式（5）可得，若單純以補償負荷的零序負序與零序分量，此時4個方程對應6個未知數(shù)，方程組為欠定，無法得到惟一解。

2.2 以網(wǎng)絡損耗最小為目標

從減小線路損耗的角度考慮，以補償后全電流損耗最小作為目標函數(shù)，確定無源補償網(wǎng)絡參數(shù)。在線路參數(shù)一致的前提下，采用單相網(wǎng)絡損耗最小為目標優(yōu)化補償網(wǎng)絡參數(shù)。以a相為例，其電流可表示為

令a相電流產(chǎn)生的損耗最小，則電流絕對值的平方最小，用來表示a相電流的平方，則有

2.3 以補償電流最小為目標

利用來表示補償電流的平方和，則有

聯(lián)立式（5）、式（8）與式（11）可得補償參數(shù)表達式為

3 仿真驗證

三相四線制低壓配電系統(tǒng)的不平衡補償網(wǎng)絡仿真模型如圖2所示。設電源電壓對稱，變壓器容量為0.63MVA，線路阻抗為=(0.048+j0.0128)W。三相電壓有效值為380V，三相負載采用恒阻抗模型，其阻抗分別為

圖2 低壓配電系統(tǒng)不平衡補償網(wǎng)絡模型

補償前系統(tǒng)不平衡度為3.20%，功率因數(shù)為0.75。三相電壓有效值分別為173V、184V、190V。三相電流有效值分別為1026A、851A、772A。系統(tǒng)零序電流為319A；a相負序與零序電流分別為103A、106A；a相正序與負序電壓分別為193V、5.83V。三相負荷大小分別為150kW、114kW、91kW。針對上述三相不平衡系統(tǒng)參數(shù)參數(shù)代入式（12），可得補償網(wǎng)絡的參數(shù)見表1。

表1 補償網(wǎng)絡參數(shù)

在3s時將Y型補償器和△型補償器組成的補償網(wǎng)絡投入，得仿真結(jié)果如圖3至圖8所示。

圖3 補償前后的三相電壓變化

補償前后效果對比見表2。通過仿真分析可知，三相不平衡度由補償前后分別為3.20%與0.05%，負序電流由103.10A降至1.76A，零序電流由319.20A將至1.26A，補償后三相電壓與電流基本相等，系統(tǒng)不平衡得到有效改善。補償后功率因數(shù)為1.0，說明此種方法可有效改善功率因數(shù)。仿真模型中采用恒阻抗負荷模型，由于補償前三相電壓不平衡，總負荷有功功率僅為355.9kW；補償控制后改善了功率因數(shù)并提高了末端電壓，補償后電壓補償至194.5V，總負荷升高為409.9kW；而補償前后的網(wǎng)絡損耗由114.0kW減小為71.2kW，證明該方法可有效改善系統(tǒng)電壓并減小網(wǎng)絡損耗。上述仿真結(jié)果證明了本文研究方法的有效性。

圖4 補償前后的三相電流變化

圖5 補償前后的負序電流變化

圖6 補償前后的零序電流變化

圖7 補償前后的系統(tǒng)不平衡度

圖8 補償前后的系統(tǒng)功率因數(shù)變化

表2 補償效果對比表

4 結(jié)論

低壓配電系統(tǒng)三相不平衡現(xiàn)象，已成為供需雙方普遍關注的問題。本文提出的基于無源補償網(wǎng)絡的調(diào)節(jié)參數(shù)優(yōu)化確定策略，考慮了負序與零序電流補償，并以網(wǎng)絡有功損耗與補償電流最小為核心目標，得到了無源補償網(wǎng)絡的優(yōu)化補償參數(shù)解析表達式。仿真結(jié)果表明，在有效解決低壓配電網(wǎng)三相不平衡、提高供電質(zhì)量的基礎上，能夠確保系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性與補償系統(tǒng)實現(xiàn)的經(jīng)濟性。本文研究方法為基于無源補償網(wǎng)絡的三相不平衡治理措施的現(xiàn)場實施，奠定了理論基礎與技術支撐。

[1] 張東霞, 姚良忠, 馬文媛. 中外智能電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略[J]. 中國電機工程學報, 2013, 33(31): 1-14.

[2] 肖湘寧, 徐永海. 電能質(zhì)量問題剖析[J]. 電網(wǎng)技術, 2001, 25(3): 66-69.

[3] 魏秀明. 電能質(zhì)量的三相不平衡問題的研究[D]. 南京: 南京理工大學, 2012.

[4] 趙東元, 高月春. 配電網(wǎng)低壓負荷不平衡機理及治理措施研究[J]. 電力電容器與無功補償, 2016, 37(6): 59-63.

[5] 周海濤, 李鐸. 淺談配電網(wǎng)三相電壓不平衡產(chǎn)生的原因與對策[J]. 中國科技博覽, 2011(24): 80-81.

[6] 張志華, 李今宋, 周捷, 等. 低壓三相負荷不平衡治理控制策略研究[J]. 電氣自動化, 2016, 38(2): 69-71.

[7] 吳崇武, 楊耿杰, 劉用森, 等. 低壓電網(wǎng)三相負荷動態(tài)補償系統(tǒng)的設計[J]. 電氣技術, 2017, 18(2): 54-58.

[8] 方恒福, 盛萬興, 王金麗, 等. 配電臺區(qū)三相負荷不平衡實時在線治理方法研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(9): 2185-2193.

[9] 王江彬, 田銘興, 陳敏, 等. 基于Steinmetz理論的三相四線制不平衡電流補償[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2016, 28(9): 20-26.

[10] 趙遠鑫, 田銘興, 陳敏, 等. 三相四線制系統(tǒng)負載平衡化補償及仿真分析[J]. 電氣應用, 2015, 34(23): 28-31, 44.

[11] 王一, 劉建政. 不對稱電壓下不平衡負載的平衡化補償方法[J]. 電力自動化設備, 2016, 36(10): 85-93.

[12] 丁越, 田恒, 侯亞軍, 等. 配網(wǎng)無功補償及三相負荷不平衡調(diào)平裝置的研究與應用[J]. 電氣技術, 2017, 18(8): 110-113.

[13] 鄧惠華, 李國良, 周曉明, 等. 基于協(xié)調(diào)控制SVG的低壓配網(wǎng)三相負荷不平衡治理技術[J]. 電工技術學報, 2017, 32(S1): 75-83.

Passive compensation network based optimal regulation parameter setting method of three-phase unbalanced voltage in low-voltage distribution system

Tian Yongtao1Wang Bin2Zhang Zhihua2

(1. College of Science, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580;2. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580)

Influenced by the operation randomness characteristics of load, there is generally three-phase unbalance problem in actual low-voltage distribution system. It has been one of main factors that affect the power quality greatly. The setting method for optimal regulation parameters to cope with the three-phase unbalance problems is presented in this article. It is based on the passive compensation network with capacitor and inductor. The compensation network based on Steinmetz theory is analyzed. Considering compensation of negative and zero sequence current in low-voltage distribution network, the optimal regulation parameter method is proposed to minimize the active power loss and compensation current. Simulation cases are carried out by PSCAD software. The simulation result shows that the presented method can effectively lower the three-phase voltage unbalance magnitude, improve the voltage, enhance the power factor and reduce the active power loss.

passive compensation network; low-voltage distribution system; three-phase unbalance; parameter optimization

2018-05-02

田詠桃（1979-），女，湖南漣源人，碩士，講師，研究方向為低壓多源并供系統(tǒng)優(yōu)化運行控制技術。

國家自然科學基金面上項目（51177096）

中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助（18CX05025A）