配電網無功補償治理技術研究及工程應用分析

陳建軍，檀 政，張曉毅

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

配電網無功補償治理技術研究及工程應用分析

陳建軍1，檀 政2，張曉毅3

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

本文通過對配電網無功補償治理現(xiàn)狀的介紹，介紹了基于現(xiàn)代電力電子技術的靜止無功發(fā)生裝置（SVG）的工作原理，并重點分析研究了瞬時功率理論及其用于補償無功、諧波時的檢測技術。最后，結合SVG在配電網臺區(qū)的實際應用，對SVG治理配網普遍存在的無功、不平衡等問題的效果進行了分析。

配電網；無功補償；SVG

0 引言

近年來，國民經濟的快速使得電力需求不斷增大。同時，也促使我國電網結構不斷優(yōu)化，發(fā)電、輸電能力不斷提高。但相對于主網的發(fā)展，我國配電網建設及發(fā)展速度明顯滯后，特別是無功分布不合理、補償設備少、投運率低等現(xiàn)象長期存在，使得系統(tǒng)運行電壓質量難以得到保證，網絡損耗問題日益突出[1]。

1 配網無功補償及治理技術現(xiàn)狀

我國配電網地域性強，環(huán)境差異性大，并且其負荷波動較大，穩(wěn)定性差[1]。因此在我國大部分的城區(qū)和農村配電網絡中，大多采用戶外柱上的安裝方式。配網中補償設備基本上以電容器補償為主。

1.1 電容補償

電容器因其可提供固定的無功功率，且價格低廉，安裝維護簡單，是目前配網中使用最為廣泛的無功補償設備。在配電網中電容補償常常與臺區(qū)的饋電、計量等配合使用，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。但因電容補償屬于有級調節(jié)，補償效果因補償步長、投切速度等差異性很大，導致配網臺區(qū)補償效果較差，無功補償現(xiàn)狀參差不齊，過補、欠補現(xiàn)象十分嚴重[2]。

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

1.2 靜止無功發(fā)生器

電力電子技術的快速發(fā)展，靜止無功發(fā)生器（SVG，也叫STATCOM）應運而生?；贗GBT的自換相變流技術的SVG裝置，其作為完全可替代電容補償?shù)难a償裝置，具有補償效果好，響應速度快，可綜合治理多重電能質量問題等優(yōu)點，目前在國外已取得普遍應用，在我國工業(yè)負荷中也已得到廣泛應用。但在城區(qū)或農村配電網中應用較少，多以示范工程、科研項目的形式處在推廣階段。

2 基于IGBT技術的SVG裝置工作原理分析研究

基于IGBT開關器件的SVG裝置代表著電能質量治理領域的最新發(fā)展趨勢，快速、準確地檢測出指令信號是實現(xiàn)SVG補償?shù)年P鍵之一，所采用檢測方法的實時性能將會對裝置的補償效果產生直接影響。本節(jié)首先對SVG部分的運行模式進行簡單介紹，然后對裝置的指令電流檢測方法進行了分析研究。

2.1 SVG運行模式

SVG補償裝置通過傳感器檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得出所需補償?shù)臒o功、諧波或不平衡分量等指令信號，該指令信號取反后經驅動電路作用于IGBT開關器件，從而輸出期望得到可控的電流補償信號，注入電網與系統(tǒng)中要補償?shù)姆至康窒?，以達到補償?shù)哪康腫3]。

SVG在工作時主要由空載模式、容性模式、感性模式

運行模式 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的工頻電壓，經連接電抗器接入系統(tǒng)?？蛰d運行模式UI=Us，IL=0，智裝置不吸發(fā)無功。容性運行模式UI 〉 Us，IL為超前的電流，其幅值可以通過調節(jié)UI來連續(xù)控制，從而連續(xù)調節(jié)裝置發(fā)出的無功。感性運行模式UI ＜ Us，IL為滯后的電流。此時裝置吸收的無功可以連續(xù)控制。

2.2 基于瞬時功率理論的檢測原理分析

假設三相電壓、電流的瞬時值分別為au、bu、cu和ai、bi、 ic，分別將其經過Clarke變換到α- β兩相正交的靜止坐標系下，得到α β- 坐標下瞬時電壓和瞬時電流分別為uα、uβ和iα、iβ

式中：

圖1 α-β坐標系中電壓、電流矢量

圖1所示為經過Clarke變換后α β- 坐標系中各電壓、電流矢量關系。矢量和分別可以合成旋轉矢量

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，引入三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流的概念，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)以上瞬時有功電流和瞬時無功電流的定義可定義瞬時有功功率p（瞬時無功功率q）為電壓矢量e→的模和三相瞬時有功電流pi（瞬時無功電流qi）的乘積。即

將式(6)代入式(7)中得

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

最具代表性的是基于時域的瞬時功率理論基礎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為補償對象的三相瞬時電流，為變換矩陣，LPF為低通濾波器，PLL為鎖相環(huán)，Afi、Bfi、Cfi 為從補償對象中檢測出的基波電流，Ahi、Bhi、Chi為從補償對象的三相電流中分離出的總諧波電流。該方法根據(jù)定義計算出pi、qi，經過LPF得到其直流分量ip、iq，進而計算出被檢測電流 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 。

當用于諧波和無功綜合補償時，可將檢測到諧波和無功綜合信號疊加在一起進行處理，此時只需斷開圖3 中計算qi的通道即可。而檢測方法僅用于無功補償時，則只要對qi進行反變化即可得到檢測結果[4]。

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

3 混合型補償裝置

混合型動態(tài)無功補償裝置是將SVG和電容器補償有節(jié)結合起來的一種補償方式，其可以消除電容器有級分組補償?shù)娜秉c，同時通過合理配置可具備SVG補償響應速度快，能實時跟蹤補償，補償精度高等優(yōu)點。

圖3 混合型補償裝置TSVG原理示意圖

混合型無功補償裝置主要由控制器、SVG補償部分、電容器補償部分等組成，由統(tǒng)一的控制器進行集中控制，實現(xiàn)電容器支路“粗補”，SVG模塊“細補”，利用SVG可快速有效輸出雙向無功的能力，來消除電容補償?shù)募壊?，統(tǒng)一協(xié)調配合工作。

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

4 工程應用及分析

4.1 工程概況

國網冀北公司某供電局轄區(qū)西漫子臺區(qū)，該臺區(qū)為城鎮(zhèn)郊區(qū)居民生產生活供電，臺變容量為100KVA，地處山區(qū)，供電半徑長，且多為單相負荷。平均功率因數(shù)為0.85左右，三相不平衡情況嚴重。

4.2 SVG投運前后效果對比分析

該臺區(qū)安裝了一套75kvar柱上SVG，用于補償無功，同時調節(jié)負荷三相不平衡。如下是運行效果前后對比相關數(shù)據(jù)。

圖4 SVG投運前后無功變化趨勢圖

圖5 SVG投運前一天三相負荷電流變化趨勢圖

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

國網冀北公司某供電所轄區(qū)2016年安裝投運了4套思源電氣柱上式的SVG用于補償無功和三相不平衡，設備投運后補償效果非常明顯，投運前后統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比見下表1。

表1 SVG投運前后效果對比表

5 結論

隨著人們生活水平的不斷提升，配電網用電負荷不斷提高，對用電質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，中低壓電網損耗中線損占整個系統(tǒng)損耗的60%以上[5]。合理配置無功補償設備，有效解決三相不平衡、諧波等電能質量問題，可以有效降低損耗，改善用電質量[6]。隨著“十三五”關于配網規(guī)劃的深入進行，基于電力電子技術的作為新一代的補償設備，無功補償效果好，可綜合治理多重電能質量問題，將越來越多的應用于配電網中。

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

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

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

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

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

[6]趙佳婷.農村配電網無功補償?shù)难芯縖D].合肥工業(yè)大學碩士論文，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)自動化工作。張曉毅，1973年1月3日生，女，天津寧河人，漢族，高級經濟師，研究生，從事電力節(jié)能工作。