配電網(wǎng)電壓無功綜合補償負載不平衡電容調(diào)節(jié)方法研究

王波安

〔內(nèi)蒙古電力(集團)有限責(zé)任公司烏海電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏海 016000〕

0 引 言

配電系統(tǒng)的性能好壞直接關(guān)系到所有用戶的用電安全和供電質(zhì)量。現(xiàn)代社會不但消耗的電量飛速增長，而且對于電能質(zhì)量的要求也逐步提高。良好的供電質(zhì)量不但能夠保證配電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行，對于工業(yè)和日常生活也有著重要的意義[1]。在電力系統(tǒng)配電網(wǎng)中總會存在一些無功負荷，它們的存在會導(dǎo)致出現(xiàn)流動的無功功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大線路電壓的損失，因此需要對配電網(wǎng)中電壓進行無功補償。傳統(tǒng)的補償調(diào)節(jié)方法對節(jié)點電壓的調(diào)節(jié)效果差，因此設(shè)計一種配電網(wǎng)電壓無功綜合補償負載不平衡電容調(diào)節(jié)方法。建立補償裝置模型，設(shè)計4支路變流器主電路結(jié)構(gòu)并統(tǒng)一為T型電路結(jié)構(gòu)，利用補償當量確定補償容量，提高配電網(wǎng)的多種運行指標，引入電容的調(diào)節(jié)算法配合電源共同調(diào)壓，改變無功投入的容量就實現(xiàn)對電壓的控制，進而實現(xiàn)電容復(fù)雜平衡。

1 配電網(wǎng)電壓無功綜合補償負載不平衡電容調(diào)節(jié)

1.1 建立無功補償裝置模型

為了實現(xiàn)電容平衡，且減輕對配電網(wǎng)正常供電的影響，可以采用補償裝置[2]。裝置的主電路結(jié)構(gòu)非常重要，決定了裝置的輸出容量，對于補償算法的穩(wěn)定性也有很大的關(guān)系。傳統(tǒng)的解決方案使用的一般為單電容型變流器和電容中點型變流器，如圖1所示。

圖1 電路拓撲

圖1中，單電容型變流器(1C-VSC)的優(yōu)勢在于：無需直流側(cè)電壓均壓控制，直流側(cè)電容流經(jīng)電流較小，且具有n相IGBT橋臂，電流輸出能力強，但是它的缺點是，需要額外的n相IGBT橋臂，因此導(dǎo)致n相輸出波紋比較大；電容中點型變流器(2C-VSC)雖然n相無需額外的IGBT橋臂，且輸出波紋比較小，但是它的結(jié)構(gòu)為直流側(cè)有上下兩組電容，需要均壓控制，難度較大，且由于n相輸出的電流會經(jīng)過直流側(cè)電容，導(dǎo)致流經(jīng)電流比較大[3]。本文采用三相四橋臂變流器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 4支路變流器主電路結(jié)構(gòu)

主電路拓撲結(jié)構(gòu)采用的是4支路LCL并網(wǎng)接口，包括RC濾波支路、網(wǎng)側(cè)濾波電感和濾波支路[4]。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于能夠?qū)⒆兞髌鞯妮敵鲭妷恨D(zhuǎn)化為可控的電流注入電網(wǎng)中，且功率損耗極小。本文的結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的3支路接口的基礎(chǔ)上，增加一條機側(cè)濾波電感，逆變器的輸出電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)可以視為一個連續(xù)的量[5]，那么可以將4支路變流器主電路結(jié)構(gòu)簡化成T型電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 T型電路結(jié)構(gòu)

為了使上述電路滿足基本的性能要求，需要計算電路參數(shù)來滿足濾波的性能要求，計算輸出電流頻帶內(nèi)的雙側(cè)阻抗幅值指數(shù)的上限值，根據(jù)開關(guān)頻率下逆變器的輸出電壓的最大波紋量。為了滿足補償裝置的額定輸出電流[6]，需要計算出所有的邊界條件，其中包括：輸出電流頻帶內(nèi)的雙側(cè)阻抗幅值指數(shù)、開關(guān)頻率下的雙側(cè)阻抗幅值指數(shù)、開關(guān)頻率下的輸出阻抗幅值指數(shù)、串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率、基頻下濾波電容阻抗幅值指數(shù)以及串聯(lián)諧振頻率下的雙側(cè)阻抗幅值指數(shù)，共7項參數(shù)。這7項參數(shù)影響著電路的穩(wěn)定運行，根據(jù)以上各約束條件得到上述參數(shù)的條件表達式，完成參數(shù)的計算。

1.2 確定無功補償容量

為了補償上述裝置在供電調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生的損耗，需要計算無功負荷點的分散電容調(diào)節(jié)量[7]。為了使電壓波動最小，需要對輸電網(wǎng)絡(luò)中每個負荷點進行電容的調(diào)節(jié)，且使調(diào)節(jié)后的電容的大小等于負荷點的無功負荷。對于簡單的交流支路，如圖4所示。

圖4 簡單交流電路

在圖4的交流支路線路中，設(shè)置電流為I，電阻阻值為r12，存在的損耗表示為x12，支路兩端的電壓分別為U1、U2，左側(cè)輸入的有功功率和無功功率分別為P1、Q1，右側(cè)輸出的有功功率和無功功率分別為P2、Q2，將支路中的電壓與電流分解為有功分量與無功分量，分別為U2x、U2y、Ix、Iy。那么圖4的電壓方程可以表示為：

U2x=U1-(Ixr12-Iyx12)
U2y=-(Ixx12+Iyr12)

(1)

在一般的輸電電路中，電導(dǎo)g>0，電納b<0，當電流方向有解的時候，能夠解出受端的電壓值，但是這些電壓值有一部分是不合格的，需要對電網(wǎng)進行無功補償，利用輻射狀網(wǎng)的電力系統(tǒng)分析尋找補償點[8]，如圖5所示。

圖5 輻射狀配電網(wǎng)

由圖5可知，配電網(wǎng)的共同點是用來將電能從高壓輸電網(wǎng)輸送給低壓用電戶，這些電網(wǎng)都由中長距離的架空線延伸至偏遠農(nóng)村地區(qū)的用電戶(稱為輻射狀饋線)。圖5結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)網(wǎng)損由式(2)求出。

(2)

式中:Ri為支路i的電阻;Ibi為流入i節(jié)點的支路電流的模；n為支路的個數(shù)[9]。電網(wǎng)運行中的功率關(guān)系如圖6所示。

圖6 功率關(guān)系

功率三角形表示視在功率、有功功率和無功功率三者在數(shù)值上的關(guān)系三角形。S1、S2為補償前后的視在功率，P為有功功率。當電網(wǎng)采取無功補償措施后的功率關(guān)系和有功損耗為：

(3)

式中:P為圖5中輻射狀電網(wǎng)的有功功率；Q1為補償之前電網(wǎng)的無功功率；Qc為經(jīng)過計算后確定輻射狀電網(wǎng)中補償總?cè)萘?；ΔP2為補償后電網(wǎng)的有功損耗；S2為補償后電網(wǎng)視在功率；U為電網(wǎng)采取無功補償措施后電壓。分段計算出有功損耗值。

(4)

式中：Qci為經(jīng)過計算后確定的輻射狀電網(wǎng)中線路i的補償容量；Qi為無功電荷量；Ri為線路i的電阻。那么n段線路中有功損耗的值可以通過對上式進行求和來解出，整理后能夠計算出輻射狀電網(wǎng)中補償總?cè)萘縌c為：

(5)

式中:Cb為無功經(jīng)濟當量[10-11]。有效地確定補償容量能夠提高配電網(wǎng)的多種運行指標，為下一步的電容調(diào)節(jié)容量的計算提供參考。

1.3 引入電容調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)負載電容

電容調(diào)節(jié)算法是根據(jù)調(diào)節(jié)變壓器開關(guān)器件的通斷進行各種組合，將得到的三相電壓矢量變換成α-β坐標軸下的Usα、Usβ，其變換式為：

(6)

圖7 電容調(diào)節(jié)算法框圖

由式(6)可知，節(jié)點電壓主要由有功功率和無功功率共同控制。為了確定確定空間矢量電容的作用時間，需要引入電容的調(diào)節(jié)算法配合電源共同調(diào)壓[12-13]。電容調(diào)節(jié)算法的框圖如圖7所示。

通過對參考電壓所在區(qū)域加以判斷，確定相鄰空間矢量作用電容，確定電容切入點。當集中式的大電網(wǎng)不能跟蹤電力的負荷變化時，單獨調(diào)節(jié)電容補償無功不能使節(jié)點電壓達到要求范圍時，需要借助“一鍵式”直流電源的支撐重新分布電流。當投入“一鍵式”電源后母線電壓值很小時，末端的電壓值就很有可能脫離不合格范圍，因此只有增大“一鍵式”電源的有功出力，才能減小對電壓的降落影響[14-15]，此時的末節(jié)點電壓的公式為：

(7)

式中:U1為電源電壓；R為線路電阻；U2為投入“一鍵式”電源后母線的電壓值；ΔPy2為補償后電網(wǎng)無功分量。在無功補償前，已經(jīng)通過“一鍵式”電源輸入了有功電荷，使無功負荷數(shù)量比較多的節(jié)點達到功率平衡，也就是使節(jié)點的有功功率與無功功率數(shù)值相等，此時改變有功負荷的輸入量就能夠控制電壓，降低電容負載的不平衡度。至此完成配電網(wǎng)電壓無功綜合補償負載不平衡電容調(diào)節(jié)方法研究。

2 仿真試驗

2.1 試驗準備

圖8 16節(jié)點配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為了驗證本文研究的方法具有一定的有效性，需要設(shè)計仿真試驗。本文設(shè)定某配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基準功率為 240 kVA，基準電壓為 20 kV，該結(jié)構(gòu)中設(shè)置16個節(jié)點。首端節(jié)點為 255 kV 變電站高壓側(cè)母線，255 kV變電站低壓側(cè)節(jié)點 7安裝有無功補償電容器，本文的一鍵式電源均為 PV 型控制方式。在本文的試驗中，設(shè)計一個具有16個節(jié)點的配電網(wǎng)，如圖8所示。

圖8設(shè)計的配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在沒有任何補償措施的時候，很多節(jié)點電壓低于電壓合格范圍如表1所示。本文設(shè)置電壓合格范圍在0.900 V以上。

表1 補償前的節(jié)點電壓

在上述的情況下，分別使用原有的方法和本文方法進行補償調(diào)節(jié)，再分別對這16個點的電壓進行測試，并記錄結(jié)果。

2.2 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過上述試驗過程，測得經(jīng)過兩種方法補償調(diào)節(jié)后的各個節(jié)點的電壓值，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 試驗結(jié)果對比圖

圖9顯示了未補償調(diào)節(jié)前和分別使用傳統(tǒng)方法與本文方法補償調(diào)節(jié)后的電壓結(jié)果，虛線為合格電壓的最低標準。從圖9可以看出，傳統(tǒng)的方法也能提高節(jié)點的電壓值，但是不能夠達到合格值，使用本文方法能夠有效地提高各個節(jié)點的電壓值，且所有節(jié)點的電壓值都能夠達到合格值以上，因此說明本文的方法具有一定的有效性。

圖10為恒定容性負載網(wǎng)側(cè)電壓電流波形。

圖10 恒定容性負載網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖10(a)為無功補償投入前電網(wǎng)需提供容性無功，功率因數(shù)僅為 0.745。圖10(b)為投入無功補償后，電壓電流經(jīng)過短暫調(diào)整達到同相位，功率因數(shù)可以很好地維持在 1，無功得到補償。

在MATLAB中搭建配電系統(tǒng)仿真模型，選擇S11-400 變壓器，并將fmincon函數(shù)計算出的電容配置參數(shù)代入仿真模型，驗證計算結(jié)果的準確性。仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 補償前后系統(tǒng)功率因數(shù)

圖12 補償前后系統(tǒng)電流不平衡度

由圖11、圖12可以看出，系統(tǒng)在投入電容器補償后三相電流平衡，系統(tǒng)功率因數(shù)由 0.49 提升到 0.98以上，電容負載不平衡度由 60% 降低到 2.5% 。

3 結(jié)束語

配電網(wǎng)作為直接面向用戶的配電網(wǎng)設(shè)備，配電網(wǎng)的無功綜合補償對于電壓的穩(wěn)定輸出有著重要的作用。本文設(shè)計一種配電網(wǎng)電壓無功綜合補償負載不平衡電容調(diào)節(jié)方法。電壓是電能質(zhì)量的重要指標之一，為了提高節(jié)點電壓，本文對負載不平衡電容的補償調(diào)節(jié)方法進行研究，建立了補償裝置模型，設(shè)計4支路變流器主電路結(jié)構(gòu)并統(tǒng)一為T型電路結(jié)構(gòu)。為減少功率損耗，確定補償點位置，利用補償當量確定補償容量，提高配電網(wǎng)的多種運行指標，最后引入電容的調(diào)節(jié)算法配合電源共同調(diào)壓，實現(xiàn)對電壓的控制。仿真試驗結(jié)果表明，使用本文設(shè)計的方法能夠使所有節(jié)點的電壓值都能夠達到合格值以上。因此說明設(shè)計的方法具有一定的有效性。但是由于技術(shù)有限，本文還有很多不足之處，希望在今后的研究中逐步完善改進。