采用SVG技術(shù)治理三相電壓不平衡

吳昌漢 端木君 冀 杰 李雨桐

1.西氣東輸管道公司，上海 200122；2.西南石油大學(xué)研究生院，四川 成都 610500

0 前言

相電壓不平衡度是衡量電網(wǎng)電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。隨著人們對電能質(zhì)量要求的提高,電壓不平衡問題越來越被關(guān)注。國家技術(shù)監(jiān)督局頒布的GB/T 15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》對電壓不平衡度的定義、最大允許值等做了明確規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度正常時不超過2%［1］。

西氣東輸某壓氣站建有1座35/6 kV 2×10MVA變電所，主要負(fù)荷為5臺2 000 kW電機(jī)驅(qū)動往復(fù)式壓縮機(jī)（4用1備，軟啟動、工頻運(yùn)行）、2臺GE燃機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)。該站至投產(chǎn)以來，頻繁出現(xiàn)機(jī)組故障報警停機(jī)，僅2010年就達(dá)54次；特別是往復(fù)式壓縮機(jī)電機(jī)軸承振動超高，導(dǎo)致電機(jī)軸承損壞及軸裂紋，致使電機(jī)返廠大修4次。經(jīng)查詢故障歷史記錄和在線監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)造成故障的主要原因是35 kV電源波動、間歇性的三相電壓不平衡度超標(biāo)。為消除安全生產(chǎn)隱患，在該站采用了SVG（Static Vvar Generator）技術(shù)對電源進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償，取得了良好效果。

1 電能質(zhì)量問題

為準(zhǔn)確了解現(xiàn)場故障原因及發(fā)生故障時母線的電能質(zhì)量情況，對該站35 kV、6 kV母線進(jìn)行2個多月的連續(xù)在線監(jiān)測，測試使用FLUKE1760型諧波分析儀，采樣時間不小于8個工作循環(huán)。圖1～3分別為電機(jī)振動報警時三相不平衡度曲線、三相電壓曲線和三相電流曲線。

圖1 系統(tǒng)故障時三相不平衡度曲線

現(xiàn)場測試情況表明電源三相電壓不平衡度最大值為3.45%，超過GB/T 15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》國標(biāo)限值2%的規(guī)定。經(jīng)與當(dāng)?shù)毓╇姴块T溝通，確認(rèn)主要原因是由于上級電源110 kV側(cè)母線上有鐵路牽引變電所負(fù)載，造成35 kV間歇性的三相電壓不平衡度超標(biāo)，3次諧波大，引起往復(fù)式壓縮機(jī)出現(xiàn)電機(jī)軸承振動高報警。

電氣化鐵路牽引采用單相工頻交流供電，負(fù)載為非線性和沖擊性，會向電網(wǎng)注入大量負(fù)序電流，導(dǎo)致電網(wǎng)三相電壓不平衡，威脅電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行［2］。

圖2 系統(tǒng)故障時三相電壓曲線

圖3 系統(tǒng)故障時三相電流曲線

2 三相電壓不平衡的危害

三相電壓不平衡對用電設(shè)備會產(chǎn)生的危害［3］：保護(hù)及安全自動裝置動作，中斷正常生產(chǎn)；損耗增大、效率下降；電機(jī)振動；電氣設(shè)備和線路發(fā)熱甚至燒毀；加速設(shè)備絕緣老化，縮短使用壽命；噪聲增大；干擾通信信號等。

3 電能質(zhì)量治理方案

3.1 方案比選

最理想的方案是在污染源頭——鐵路牽引變電站進(jìn)行治理，但受供電、鐵路部門的制約，只能進(jìn)行用戶側(cè)治理。根據(jù)目前國內(nèi)外電能質(zhì)量設(shè)備的具體發(fā)展情況，可采用三種電能質(zhì)量治理設(shè)備：動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR（Dynamic VoltageRestorer）、靜止無功補(bǔ)償器SVC（StaticVar Compensator）、靜止無功發(fā)生器SVG（StaticVar Generator）［4］。

3.1.1 動態(tài)電壓恢復(fù)器DVR

DVR是一種采用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電壓補(bǔ)償裝置，能夠?qū)χC波、閃變、不對稱等多種電壓電能質(zhì)量問題進(jìn)行治理。DVR能在輸電線路和敏感負(fù)荷之間插入一個任意幅值、相位和形狀的電壓波形，可以根據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓的需要，改變其發(fā)出的波形，使敏感負(fù)荷的供電電壓恢復(fù)到理想水平，保障用戶端的供電質(zhì)量。

3.1.2 靜止無功補(bǔ)償器SVC

SVC是一種靜止的并聯(lián)無功發(fā)生或者吸收裝置，通過控制與電抗器或電容器串聯(lián)的晶閘管導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率輸出，達(dá)到控制電力系統(tǒng)特定參數(shù)（通常是母線電壓）的目的。

3.1.3 靜止無功發(fā)生器SVG

SVG是指由自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，主要由儲能裝置、逆變器、無源濾波器、電抗器等組成。SVG可等效為一個可控電壓源，通過調(diào)節(jié)電壓源電壓幅值和相位，調(diào)節(jié)流過連接電抗的電流大小和相位，從而控制從電網(wǎng)吸收或發(fā)送無功功率大小。SVG可以對系統(tǒng)的諧波、不平衡等電能質(zhì)量問題進(jìn)行多功能綜合補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)有源濾波的功能。

3.1.4 補(bǔ)償方案比較

本項目主要解決供電側(cè)三相電壓不平衡的問題，DVR、SVC、SVG三者都可以實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理目的。DVR串聯(lián)在線路上，對電壓的控制最直接，效果也最明顯，但由于此產(chǎn)品尚處研究階段。本文主要針對SVC和SVG兩種方案主要特點(diǎn)進(jìn)行比較［5］，見表1。

由表1可以看出，SVG具有顯著優(yōu)勢，考慮到壓氣站若采用SVC需要重新征地的實(shí)際情況，推薦使用SVG。

3.2 SVG方案

SVG主要是通過檢測電網(wǎng)電壓中的負(fù)序分量，并控制SVG輸出負(fù)序電流來改變電網(wǎng)電壓，抵消由于背景電網(wǎng)引起的三相電壓不平衡。SVG接線框圖見圖4。

根據(jù)對壓氣站電能質(zhì)量測試結(jié)果，測試期間最大電壓不平衡度為3.45%，見圖1。取故障發(fā)生時最大三相電壓不平衡度εU2=3.45%計算，負(fù)序電流為：

式中：Sk=65.69 MVA為6 kV母線的最小短路容量；UL=6 kV為線電壓。

6 kV側(cè)的負(fù)序容量為：

因為此時最大三相電壓不平衡度為故障時的某一次測試值，為了避免有其他時刻的三相電壓不平衡度高于此值，按照電氣化鐵路的最大不平衡度留有余量并考慮原計劃煤層氣壓縮機(jī)組全部投運(yùn)，當(dāng)?shù)毓I(yè)企業(yè)用戶及電氣化鐵路的高速發(fā)展，最終確定SVG容量為6MVar（按目前最小短路容量考慮，可補(bǔ)償電壓最大不平衡度達(dá)9.13%）。

表1 兩種技術(shù)方案主要特點(diǎn)比較

圖4 SVG接線框圖

圖5 SVG運(yùn)行后6 kV母線功率因數(shù)曲線

3.3 電源治理效果

SVG設(shè)備投運(yùn)以來，取得了良好的補(bǔ)償及治理效果，系統(tǒng)的功率因數(shù)基本可以穩(wěn)定在0.98，見圖5；三相電壓不平衡度控制在1.3%以內(nèi)，見圖6。徹底解決了壓縮機(jī)組因電壓三相不平衡原因造成的電機(jī)振動問題。

圖6 SVG運(yùn)行后6 kV母線電壓三相不平衡曲線

4 結(jié)論

作為SVC的下一代產(chǎn)品，SVG在響應(yīng)速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減小占地面積等方面具有顯著優(yōu)勢。

隨著大功率電力電子技術(shù)的推廣應(yīng)用，電網(wǎng)污染越來越嚴(yán)重。在國家節(jié)能減排政策貫徹實(shí)施之后，用戶對電網(wǎng)質(zhì)量要求越來越高，電網(wǎng)污染治理工作越來越迫切。隨著SVG技術(shù)的成熟，依靠其占地小，響應(yīng)速度快，容量范圍覆蓋廣等明顯優(yōu)勢，將得到越來越多的應(yīng)用。該項目的實(shí)施，可為今后的外電質(zhì)量治理工作提供理論依據(jù)和經(jīng)驗借鑒。

［1］GB/T 15543-2008，電能質(zhì)量 三相電壓不平衡［S］.GB/T 15543-2008,Power Quality-Three Phase Voltage Unbalance ［S］.

［2］周方圓，王衛(wèi)安.高速鐵路對供電質(zhì)量的影響及治理措施［J］.大功率變流技術(shù)，2010，（6）： 41-45.Zhou Fangyuan,W ang W eian.Influence of High-speed Railway to Power Quality and Its Governance Measures,High Power Converter Technology,2010，（6）： 41-45.

［3］張振安，李文臣，王 洋，等.電氣化鐵路三相電壓不平衡分析算法研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（5）：14-18.Zhang Zhenan,Li W enchen,W ang Yang,et al.Study on the Algorithm ofEletrified Railway Three Phase Unbalance,Power System and Clean Energy,2012,28（5）： 14-18.

［4］何麗梅，楊 焜.中壓變頻器的技術(shù)特性及運(yùn)用［J］.天然氣與石油，2008,26（2）:27-32.He Limei,Yang Kun.Technology and Application ofMedium VoltageConverter［J］.NaturalGasandOil,2008,26（2）： 27-32.

［5］李 曠，郭自勇，李 興，等.一種用SVG平衡電氣化鐵路單相負(fù)荷的方法［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2010,13(5） ：12-16.LiKuang,Guo Ziyong,LiXing，etal.A Method of Balancing Single-phase Load in Electric Railway w ith SVG ［J］.Power Suppy Technologiesand Applications， 2010，13（5）：12-16.