配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償及三相負(fù)荷不平衡調(diào)平裝置的研究與應(yīng)用

丁　越　田　恒　侯亞軍　程　琛　黃少?gòu)?qiáng)

?

配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償及三相負(fù)荷不平衡調(diào)平裝置的研究與應(yīng)用

丁越1田恒1侯亞軍1程琛1黃少?gòu)?qiáng)2

（1. 陜西省地方電力有限公司周至縣供電分公司，西安710400； 2. 深圳市特力康科技有限公司，廣東深圳518116）

功率因數(shù)低、三相負(fù)荷不平衡是配電網(wǎng)絡(luò)中的常見問(wèn)題，導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量較差，造成系統(tǒng)產(chǎn)生較大的損耗，使電能利用率降低。為了改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高電能利用率，在電網(wǎng)中加入無(wú)功補(bǔ)償調(diào)平裝置是常用的方法。目前使用較多、效果較好的是SVC靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。本文從硬件和軟件兩方面對(duì)SVC無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行了研究，并通過(guò)工程應(yīng)用對(duì)其使用效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，設(shè)備投入后使配網(wǎng)三相負(fù)荷不平衡的問(wèn)題得到解決。

負(fù)荷不平衡；無(wú)功補(bǔ)償；SVC

近年來(lái)，電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，大功率電力電子設(shè)備大量增加，電力系統(tǒng)的無(wú)功問(wèn)題日漸明顯。電網(wǎng)中的感性負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和電流產(chǎn)生相位差，造成無(wú)功功率的產(chǎn)生，功率因數(shù)低下，電能利用率偏低[1]。此外，電網(wǎng)三相電壓的不平衡會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行造成影響，以及保護(hù)裝置的誤動(dòng)作[2]。目前應(yīng)用最為廣泛，效果較好的補(bǔ)償方式是采用靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC，該方式不僅能有效的解決電網(wǎng)功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，還可以使電網(wǎng)三相不平衡問(wèn)題得到很好解決[3]。本文對(duì)SVC補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行了研究，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 補(bǔ)償裝置的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)的構(gòu)成

無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC常用類型有多種，本文以TCR+TSC型SVC為例。TCR+TSC（晶閘管控制電抗器+晶閘管投切電容器）型SVC系統(tǒng)原理如圖1所示[4]。

1.2 無(wú)功補(bǔ)償控制器的硬件結(jié)構(gòu)

無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備硬件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

補(bǔ)償控制器是補(bǔ)償設(shè)備的核心部件，主要由控制部分、電源部分、輸入輸出部分、晶閘管觸發(fā)控制部分、通信模塊以及晶閘管保護(hù)部分組成[5]。下面對(duì)控制器的主要功能電路進(jìn)行介紹。

1）晶閘管觸發(fā)電路

晶閘管觸發(fā)電路是無(wú)功補(bǔ)償裝置的關(guān)鍵部分，其直接控制電容器和電抗器反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通控制[6]。本文的控制芯片采用MOC3083，其具有相應(yīng)速度快、觸發(fā)精度高、可靠性好的特點(diǎn)，晶閘管脈沖觸發(fā)電路原理圖如圖3所示。

電路中電阻1的作用是限制發(fā)光二極管的電流，二極管D1、D2的作用是抑制反向電流。

2）模擬量信號(hào)采集電路

電網(wǎng)電壓和電流測(cè)量的有效性和實(shí)時(shí)性是SVC裝置功能實(shí)現(xiàn)的前提[7]。本文的DSP芯片只能輸入0～3V的直流電壓信號(hào)，因此，采集的模擬量信號(hào)必須經(jīng)過(guò)調(diào)理和轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入DSP芯片中[8]。本文的電壓和電流變換器采用天瑞電子高測(cè)量精度的TR2146測(cè)量型變換器，圖4為模擬量信號(hào)接入電路原理圖，圖中的電阻1用來(lái)限制回路電流，防止電流過(guò)大，2的作用是將變換器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。為提高設(shè)備的抗干擾性，系統(tǒng)還應(yīng)增加濾波電路。

2 補(bǔ)償裝置的軟件部分

配網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的軟件主要包括主程序、保護(hù)子程序、人機(jī)交互子程序、補(bǔ)償控制子程序以及數(shù)據(jù)采集處理子程序。圖5為系統(tǒng)主程序流程圖。在補(bǔ)償控制器通電之后，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)子程序調(diào)用標(biāo)志位賦值、時(shí)鐘設(shè)定、看門狗設(shè)置、定時(shí)器設(shè)定以及中斷程序標(biāo)志位設(shè)定等操作。系統(tǒng)完成初始化操作之后，系統(tǒng)執(zhí)行自檢程序，系統(tǒng)自檢完成以后，執(zhí)行操作鍵盤掃描、顯示數(shù)據(jù)更行以及A/D數(shù)據(jù)采樣通道啟動(dòng)等工作。系統(tǒng)通過(guò)模擬量采集通道實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)采集之后，執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、有功功率、無(wú)功功率以及系統(tǒng)功率因數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)。裝置首先根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)故障分析，若系統(tǒng)存在保護(hù)故障，則優(yōu)先執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作；若系統(tǒng)不存在保護(hù)故障，則調(diào)用補(bǔ)償子程序，計(jì)算電容投入數(shù)量和電感觸發(fā)角度，通過(guò)不斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)功功率的補(bǔ)償和三相不平衡的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量的改善[9]。

圖5 補(bǔ)償主程序流程圖

3 補(bǔ)償裝置的應(yīng)用

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，三相負(fù)荷不平衡的情況是非常常見的，而且三相負(fù)荷的不平衡情況也是不斷變化的，這給系統(tǒng)負(fù)荷的調(diào)平造成了一定的困擾。因此，要求補(bǔ)償裝置的調(diào)平機(jī)制是動(dòng)態(tài)的，即可以跟隨電網(wǎng)負(fù)荷變化情況，實(shí)時(shí)、快速的做出反應(yīng)，維持系統(tǒng)三相負(fù)荷的平衡。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)裝置的功能進(jìn)行驗(yàn)證，在確認(rèn)裝置功能性良好的前提下，在電網(wǎng)中進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

3.1 補(bǔ)償裝置的測(cè)試

為避免供電電源的影響，在實(shí)驗(yàn)中采用低阻抗的降壓調(diào)壓器作為系統(tǒng)供電電源，系統(tǒng)能夠電壓調(diào)整為84V，從而試驗(yàn)中變壓器的壓降可以忽略。系統(tǒng)三相接入星型連接的三組1.1kW的燈泡作為基本負(fù)載。另外，在A相加入了可調(diào)電阻和可調(diào)電感負(fù)載，在B相加入了可調(diào)電感負(fù)載。

首先，將A、B相的可調(diào)負(fù)載全部投入，對(duì)補(bǔ)償效果進(jìn)行觀察。表1為補(bǔ)償前后效果的對(duì)比數(shù)據(jù)。

表1 補(bǔ)償前后效果比較表

從表1中可以看出，在可調(diào)負(fù)載投入以后，系統(tǒng)的不平衡度和功率因數(shù)都有了銘心啊的變化，但補(bǔ)償設(shè)備投入運(yùn)行以后系統(tǒng)功率因數(shù)提高到0.9以上，系統(tǒng)的不平衡度也大大降低，達(dá)到1.6%滿足了電網(wǎng)不平衡度不超過(guò)2%的要求。

然后，在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上將A相的電感負(fù)載突然切除，檢驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償功能。表2為負(fù)載被突然切除補(bǔ)償前后的效果比較。

表2 負(fù)載被突然切除補(bǔ)償前后的效果比較

在A相電感突然切除后，系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)功率因數(shù)成為超前0.93，系統(tǒng)經(jīng)自動(dòng)調(diào)節(jié)以后，A相功率因數(shù)恢復(fù)成滯后0.91，系統(tǒng)三項(xiàng)功率因數(shù)在0.9以上，系統(tǒng)的不平衡度為1.36%，仍然滿足電網(wǎng)供電質(zhì)量要求[10]?？梢娧a(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果比較令人滿意。

3.2 補(bǔ)償裝置的工程應(yīng)用

近期我們對(duì)某配網(wǎng)中心進(jìn)行了無(wú)功補(bǔ)償裝置的改造工作，安裝了TCR+TSC型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。該臺(tái)區(qū)存在大量單相和三相混合負(fù)載用戶，之前的補(bǔ)償設(shè)備對(duì)功率因數(shù)的補(bǔ)償具有較好效果，但對(duì)三相不平衡問(wèn)題的解決效果不好。在補(bǔ)償設(shè)備改造前后，系統(tǒng)功率因數(shù)在0.92以上均可滿足電網(wǎng)要求，但補(bǔ)償前系統(tǒng)存在負(fù)荷不平衡的現(xiàn)象，補(bǔ)償前隨機(jī)抽選某一時(shí)刻電網(wǎng)三相電流有效值分別為354.7A、443.6A、356.3A，補(bǔ)償系統(tǒng)改造以后隨機(jī)抽選某一時(shí)刻電網(wǎng)三相電流有效值分別為369.1A、370.1A、371.6A?？梢姡a(bǔ)償設(shè)備使電網(wǎng)三相不平衡的問(wèn)題得到有效解決。圖6為補(bǔ)償設(shè)備投入前后不平衡度的曲線對(duì)比圖。

從補(bǔ)償設(shè)備投入前后的電網(wǎng)運(yùn)行電流的趨勢(shì)圖中可以看出，在補(bǔ)償系統(tǒng)投入前，系統(tǒng)三相電流的不平衡度比較大，電網(wǎng)的電能質(zhì)量不高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了2%。補(bǔ)償設(shè)備投入以后電網(wǎng)運(yùn)行的有了明顯改善，從最初的最高將近16%，到后來(lái)的基本保持在1.4%以內(nèi)，滿足了電網(wǎng)供電的質(zhì)量要求，設(shè)備的使用效果明顯，電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量有了明顯改善。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)靜止型無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了研究，并對(duì)其調(diào)平機(jī)制進(jìn)行了介紹，通過(guò)工程應(yīng)用對(duì)其效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC通過(guò)實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)功率因數(shù)和負(fù)荷情況，控制電容器的投切和電抗器的投入角度控制，對(duì)系統(tǒng)變化做出快速響應(yīng)，可以對(duì)電網(wǎng)無(wú)功和三相負(fù)載平衡度進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。裝置投入運(yùn)行以后系統(tǒng)的功率因數(shù)得到保障的同時(shí)，三相電流不平衡對(duì)得到明顯改善，獲得了較為理想的效果。

（a）補(bǔ)償投入前

（b）補(bǔ)償投入后

圖6 補(bǔ)償投入前后不平衡度對(duì)比圖

[1] 曾祥君, 黃明瑋, 王文, 等. 配電網(wǎng)三相不平衡過(guò)電壓有源抑制方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(9): 61-69.

[2] 魯俊生. 電力網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)的現(xiàn)狀[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2009(6): 4-5.

[3] 李宏, 董瑾. 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 34(6): 175-178.

[4] 朱建軍, 盧志剛. 中低壓配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償, 2011, 32(4): 19-23.

[5] 翟季青, 張曉潔, 孫宏志, 等. 低壓SVG在農(nóng)村配電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(7): 161-162, 165.

[6] 許志偉, 羅隆福, 張志文, 等. 一種新型電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 8(30): 265-272.

[7] 黃榕東. 關(guān)于配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究[J]. 華東科技, 2012(11): 234-234.

[8] 張定宇. 配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器控制研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2012.

[9] 趙會(huì)亮. 基于DSP的靜止無(wú)功發(fā)生器控制系統(tǒng)的研究[D]. 保定: 華北電力大學(xué), 2011.

[10] 湯雍, 張啟蒙, 王剛, 等. 低壓線路終端模塊化智能型無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(7): 34-39.

Research and Application of Reactive Power Compensation and Unbalanced Load Balancing Device

Ding Yue1Tian Heng1Hou Yajun1Cheng Chen1Huang Shaoqiang2

(1. Shaanxi Regional Electric Power Group Co., Ltd, Zhouzhi County Power Supply Branch, Xi’an 710400; 2. Shenzhen Telecom Scientific & Technology Co., Ltd, Shenzhen, Guangdong 518116)

The low power factor, three-phase load imbalance is a common problem in the distribution network, resulting in low quality of power distribution network, causing the system to have a greater loss, the energy utilization rate is greatly reduced.In order to improve the quality of the power grid, improve power utilization in the power grid with reactive power compensation device is a commonly used method of leveling. At present, the SVC static type dynamic reactive power compensation device is used more effectively. In this paper, the SVC reactive power compensation device is studied from two aspects of hardware and software, and its effect is tested through the application of engineering.

load imbalance; reactive power compensation; SVC

丁 越（1977-），男，陜西咸陽(yáng)人，大專，助理工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)技術(shù)。