農(nóng)村電網(wǎng)不對稱負(fù)荷補(bǔ)償方法研究

房俊龍，于洪濤，馬文川，蔡銀哿，楊慶忠，楊國良

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

農(nóng)村電網(wǎng)不對稱負(fù)荷補(bǔ)償方法研究

房俊龍，于洪濤，馬文川，蔡銀哿，楊慶忠，楊國良

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)電氣與信息學(xué)院，哈爾濱 150030）

文章提出在農(nóng)村電網(wǎng)中采用基于Steinmetz電路理論的TCR型靜止無功補(bǔ)償器，平衡三相不對稱負(fù)荷，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。仿真驗證結(jié)果表明，該方法能使三相負(fù)荷平衡，提高功率因數(shù)，具有一定理論意義及應(yīng)用價值。

農(nóng)村電網(wǎng)；負(fù)荷不平衡；無功補(bǔ)償；TCR；Steinmetz

我國農(nóng)村電網(wǎng)供電半徑長、負(fù)荷分散，農(nóng)村負(fù)荷不對稱度較大。三相負(fù)荷不對稱會使變壓器處于不對稱運(yùn)行狀態(tài)，造成變壓器空載損耗和負(fù)載損耗增大，供電線路三相電壓不對稱，電壓偏移值增大，電流不對稱度增大，線損增量變大，向系統(tǒng)注入負(fù)序電流，造成以負(fù)序分量為起動元件的多種保護(hù)發(fā)生誤動作，對電網(wǎng)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響[1-2]，所以對農(nóng)網(wǎng)不對稱負(fù)荷進(jìn)行平衡化補(bǔ)償尤為重要。

農(nóng)網(wǎng)無功電源普遍不足，系統(tǒng)功率因數(shù)較低，變壓器帶載能力下降，系統(tǒng)線損增大，系統(tǒng)末端電壓在重負(fù)荷時過低[3-5]，應(yīng)采取相應(yīng)措施對農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償。針對以上問題本文提出一種在農(nóng)村電網(wǎng)中采用TCR型靜止無功補(bǔ)償器，基于Steinmetz理論平衡化補(bǔ)償三相不對稱負(fù)荷，將負(fù)荷功率因數(shù)補(bǔ)償為1方法，有效提高農(nóng)網(wǎng)負(fù)荷對稱度及功率因數(shù)。

1 基于Steinmetz電路理論補(bǔ)償三相不平衡負(fù)荷的補(bǔ)償方法

Steinmetz提出不平衡三相負(fù)荷的平衡化原理[6]，給出將單相有功負(fù)荷均衡轉(zhuǎn)移至三相電路的方法，構(gòu)成無功功率補(bǔ)償裝置實現(xiàn)三相平衡補(bǔ)償理論基礎(chǔ)。在三相電壓對稱時，可利用靜止無功補(bǔ)償器的分相調(diào)節(jié)功能，依據(jù)Steinmetz電路理論，構(gòu)造三相補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，在對負(fù)荷進(jìn)行無功補(bǔ)償同時，消除三相負(fù)序電流，保證系統(tǒng)三相電流動態(tài)平衡，近似為純有功電流[7]。首先采用對稱分量法分析利用靜止無功補(bǔ)償器進(jìn)行平衡化補(bǔ)償?shù)脑?。不平衡?fù)荷供電示意圖如圖1所示。不對稱三角形負(fù)荷由三相對稱的電壓供電，對于中性點不接地的星形連接負(fù)荷，可通過Y-Δ變換表示成三角形連接負(fù)荷再進(jìn)行分析。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)亦為三角形連接。

圖1 三相電壓對不平衡負(fù)荷供電Fig.1 Unbalancel load powered by three-phase voltage

通過序分解變換可得負(fù)荷三相線電流的對稱分量為：

同理可求得三角形接法靜止無功補(bǔ)償器三相線電流的對稱分量為：

若要達(dá)到同時補(bǔ)償三相無功功率及平衡三相負(fù)荷的目的，則應(yīng)同時滿足以下兩個條件：

①補(bǔ)償后的三相負(fù)荷平衡，即補(bǔ)償后系統(tǒng)電流負(fù)序分量為零，則有

②補(bǔ)償后三相功率因數(shù)均為1，即補(bǔ)償后系統(tǒng)電流正序分量的虛部為零，則有

由以上兩個條件可求得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電納為：

式中Im()為取相應(yīng)電流的虛部，Re()為取相應(yīng)電流的實部。

分析可見，只要檢測出三相負(fù)荷線電流的基波正序電流無功分量、基波負(fù)序電流無功分量、有功分量，就可計算出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)所需電納。

2 TCR型靜止無功補(bǔ)償器的基本結(jié)構(gòu)與補(bǔ)償方法

TCR的工作特性分析，是設(shè)計TCR裝置參數(shù)和制定相應(yīng)補(bǔ)償策略的基礎(chǔ)[8]。在電力系統(tǒng)中，通常由TCR與濾波裝置共同組成補(bǔ)償支路，對負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，補(bǔ)償系統(tǒng)由TCR和無源濾波器組成，無源濾波器在濾除特征諧波同時提供固定容性無功功率，TCR提供可控，隨負(fù)荷變化的感性無功功率，二者配合使用達(dá)到實時無功補(bǔ)償?shù)哪康?。?dāng)晶閘管觸發(fā)角α=90°時，晶閘管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通角δ=180°，與晶閘管串聯(lián)的電抗器等效于直接連接到電網(wǎng)上。當(dāng)觸發(fā)延遲角α在90～180°時，晶閘管為部分導(dǎo)通，導(dǎo)通角δ＜180°。當(dāng)α=180°時，晶閘管完全不導(dǎo)通，等效于把電抗器從線路中斷開。

圖2TCR補(bǔ)償系統(tǒng)的拓?fù)銯ig.2 Topology of TCR compensation system

TCR基波電流的有效值為：

TCR的基波等效電納為：

增大觸發(fā)延遲角會減少電流中的基波分量，等效于增大補(bǔ)償器的等效感抗。減小觸發(fā)延遲角會減少電流中的基波分量，等效于減小補(bǔ)償器等效感抗。

3 仿真分析

以農(nóng)網(wǎng)某無功補(bǔ)償項目數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對TCR平衡三相不平衡負(fù)荷補(bǔ)償方法使用Matlab仿真軟件進(jìn)行仿真驗證[9]。

仿真參數(shù)如下：系統(tǒng)額定電壓U=10 kV，三相不平衡負(fù)荷zab=7.1964+j9.5952、zbc=1.4393+j1.919、zca=35.982+j47.976，計算可得負(fù)荷電流不對稱度δ= 0.718。補(bǔ)償前系統(tǒng)電壓、電流如圖3所示。

可見補(bǔ)償前系統(tǒng)存在較大的負(fù)序電流及無功功率。補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓、電流如圖4所示。

補(bǔ)償前后系統(tǒng)電流平衡度如圖5所示。

可見，根據(jù)Steinmetz電路理論構(gòu)建補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后，可在完全消除負(fù)序電流同時，將三相功率因數(shù)補(bǔ)償為單位功率因數(shù)，具有良好補(bǔ)償效果。

圖3 補(bǔ)償前三相電壓電流波形Fig.3 Waveform of three-phasevoltage and current before compensation

圖4 補(bǔ)償后三相電壓電流波形Fig.4 Waveform of three-phasevoltage and current after compensation

圖5 補(bǔ)償前后電流不對稱度Fig.5 Unbalance factor of current before and after compensation

4 結(jié)論

a.采用基于Steinmetz電路理論的TCR型靜止無功補(bǔ)償器可將農(nóng)村電網(wǎng)不對稱負(fù)荷補(bǔ)償為三相完全對稱的平衡負(fù)荷，有效提高系統(tǒng)電流不對稱度。

b.采用基于Steinmetz電路理論的TCR型靜止無功補(bǔ)償器可對農(nóng)村電網(wǎng)三相不對稱負(fù)荷進(jìn)行平衡化補(bǔ)償，并可將系統(tǒng)功率因數(shù)補(bǔ)償為單位功率因數(shù)。

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Study on compensation method of unbalanced load in rural power grid/

The paper proposed TCR type static var compensator based on Steinmetz theory which it could be used in the rural power grid,it could compensate unbalanced load and improve power factor in the meantime.The results showed that method could effectively make three-phase load balance,while increasing the power factor,had a certain theoretical and application value.

rural power grid;unbalanced load;var compensation;TCR;Steinmetz

TM727.1

A

1005-9369（2014）07-0108-04

時間2014-7-7 8:08:57 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140707.0843.018.html

房俊龍,于洪濤,馬文川,等.農(nóng)村電網(wǎng)不對稱負(fù)荷補(bǔ)償方法研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(7):108-111.

Fang Junlong,Yu Hongtao,Ma Wenchuan,et al.Study on compensation method of unbalanced load in rural power grid[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(7):108-111.(in Chinese with English abstract)

2013-03-11

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目（12521041）

房俊龍（1971-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。E-mail:junlongfang@126.com

FANG Junlong,YU Hongtao,MA Wenchuan,CAI Yinge,YANG Qingzhong,YANG Guoliang(School of Electrical and Information,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)