基于SVG的配電網(wǎng)三相不平衡治理研究

高俊青+屠永偉+閆立偉+王麗芳+孫亮

摘 要：針對各種不平衡負(fù)荷大量接入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)三相電流不平衡問題，對現(xiàn)有的解決措施進(jìn)行分析，提出了采用靜止無功發(fā)生器SVG平衡三相電流的方法，介紹了SVG的控制結(jié)構(gòu)以及工作原理，并搭建試驗平臺進(jìn)行仿真試驗，結(jié)果表明，該裝置具有良好的動態(tài)平衡性能，且同時補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù)，極大提高了電能質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：三相不平衡；靜止無功發(fā)生器；電能質(zhì)量；無功補(bǔ)償

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.163

1 引言

三相不平衡和無功功率補(bǔ)償問題越來越得到國內(nèi)外的重視，有效解決三相不平衡問題，將對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合治理問題具有重要的意義。自20世紀(jì)80年代以來，我國對以晶閘管控制的SVC投入了大量研發(fā)力量。SVC雖然能對系統(tǒng)無功進(jìn)行有效的補(bǔ)償，但是由于換流元件關(guān)斷不可控，因而容易產(chǎn)生較大的諧波電流，對公用電網(wǎng)會產(chǎn)生二次污染，而且其對電網(wǎng)電壓波動的調(diào)節(jié)能力不夠理想，調(diào)節(jié)范圍受限。所以目前仍需要更加完善的無功補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)用于電力系統(tǒng)。針對這個問題，本文提出通過SVG治理三相不平衡電流問題，旨在解決配電網(wǎng)三相不平衡問題，降低低壓配電網(wǎng)中配電變壓器及電網(wǎng)的線損和由于三相不平衡帶來的變壓器過載運(yùn)行等問題，延長變壓器壽命。

2 問題分析

理想狀態(tài)的的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率、正弦波形和標(biāo)準(zhǔn)電壓對用戶供電，在三相交流系統(tǒng)中，各項電壓和電流的幅值應(yīng)大小相等、相位對稱依次相差120°，但由于系統(tǒng)中的負(fù)荷性質(zhì)多變，加之調(diào)控手段不完善及運(yùn)行操作、外來干擾和各種故障，以及非線性、沖擊性和不對稱負(fù)荷大量接入電力系統(tǒng)等原因，這種理想的狀態(tài)并不存在。如圖1所示，這種單相負(fù)載的大量存在，使得各相擁有各自不同的導(dǎo)納，導(dǎo)致三相電流的不平衡度急劇升高，目前為解決該類問題，常進(jìn)行人為干預(yù)，調(diào)整用戶分布，但電能的使用具有時序性，使得這種解決方式不能達(dá)到理想的效果，而目前我們使用最多的SVC裝置，以晶閘管為控制器件，通過時刻改變觸發(fā)角度來實現(xiàn)補(bǔ)償?shù)墓δ?，補(bǔ)償容量有限，并且響應(yīng)時間較長，不能有效解決由于三相不平衡帶來的閃變問題。

本文提出使用以全控器件IGBT為開關(guān)器件的靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator -SVG）治理三相不平衡，同時可以實現(xiàn)對無功的補(bǔ)償，通過補(bǔ)償無功，使電能最大限度的轉(zhuǎn)換為有功，提高電能的利用率。

3 SVG的控制機(jī)制

3.1 SVG的控制結(jié)構(gòu)

對于三相交流電路，單相有功，單相無功。其中為相電壓有效值，為相電流有效值，電源側(cè)常采用Y形接線，線電流等于相電流；現(xiàn)將電流分解成有功電流和和無功電流，其中有功電流，無功電流，電流。故：單相線路損耗，其中R是單相線路電阻。由此可見，通過補(bǔ)償無功電流對減小線路損耗，提高電能利用率具有十分重要的意義。

本文闡述的靜止無功發(fā)生器，實質(zhì)上是一個可控的三相橋式變流電路，根據(jù)儲能元件的不同分為電壓控制型和電流控制型，通過電抗器并入電網(wǎng)，以電流檢測模塊數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過時刻改變觸發(fā)角來控制電抗器以及電容器的量值，間接控制產(chǎn)生的無功電流，將 SVG 所發(fā)生的與配電系統(tǒng)適配的無功電流注入配電系統(tǒng)，可使配電系統(tǒng)電源只向干擾性負(fù)荷提供有功電流，使三相電流達(dá)到基本平衡，同時使無功得到補(bǔ)償，理想的 SVG補(bǔ)償無功示意圖，包括檢測、計算、控制欲補(bǔ)償?shù)乃矔r無功電流的電路和連接至電網(wǎng)的變流器輸出電路。從電力系統(tǒng)宏觀角度來看，SVG裝置處于一個反饋機(jī)制中，經(jīng)過SVG初次平衡的電流成為電流檢測模塊的第二輪理論數(shù)據(jù)，進(jìn)行第二次平衡，徹底解決三相電流的不平衡問題。

3.2 SVG平衡三相電流的控制原理

對于任意不平衡三相負(fù)荷，只要通過合理的計算，對電路增加指定量級的電容器或者電抗器，便能夠使三相電流得到平衡，SVG通過調(diào)整開斷角度的方式可以實現(xiàn)對每一相補(bǔ)償設(shè)備的控制，現(xiàn)模擬不同情況探析SVG設(shè)備補(bǔ)償原理。

（1）SVG補(bǔ)償單相不平衡負(fù)荷引起的不對稱電流。設(shè)一個三相平衡系統(tǒng)，a相上突然增加一個單相負(fù)荷Ra，為了方便研究，假設(shè)該負(fù)荷屬于純阻性負(fù)荷，如圖2所示；若在b相上添加單相電感，c相上添加單相電容Cc，如圖3所示；根據(jù)電容、電感的電壓電流相位關(guān)系可以畫出三相電流的相量圖如圖4所示。

可見對于存在線間負(fù)荷的三相不平衡系統(tǒng)，只要通過調(diào)控裝置，在其余兩相之間分別增加適當(dāng)?shù)母锌?、容抗，便可使三相電流達(dá)到平衡。假設(shè)存在線間負(fù)荷，則需在a相與c相之間連接（其中是三相系統(tǒng)的基波頻率），b相與 c相之間連接。endprint