電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置在低壓配網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用

陳蘇海，李亞峰，楊現(xiàn)立，江 波，劉世江

（中國(guó)石油新疆油田公司 新港公司，克拉瑪依834000）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，用電量持續(xù)高位增長(zhǎng)，而配網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后，負(fù)載的復(fù)雜化和智能化造成低壓配網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題更加突出。近幾次的配網(wǎng)改造，在解決“用上電”問(wèn)題的同時(shí)，不斷向“用好電”的方向發(fā)展。而影響到“用好電”的電能質(zhì)量問(wèn)題主要有：無(wú)功、諧波以及三相不平衡等。

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能的要求以及民眾對(duì)用電可靠性的要求不斷提高，需要對(duì)電力配網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行更加深入的分析并加以治理。

1 低壓配網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

在低壓配網(wǎng)系統(tǒng)中，①無(wú)功問(wèn)題 造成系統(tǒng)功率因數(shù)低，影響變壓器出力，系統(tǒng)效率降低，損耗增大；②諧波問(wèn)題 會(huì)使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，造成用電設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲、誤動(dòng)作，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀；③三相不平衡問(wèn)題 很早就被提出來(lái)，在低壓三相四線制的城市居民和農(nóng)網(wǎng)供電系統(tǒng)中，由于用電戶(hù)多為單相負(fù)荷或單相和三相負(fù)荷混用，負(fù)荷的大小不同，用電時(shí)間的不同，導(dǎo)致低壓供電系統(tǒng)三相負(fù)載長(zhǎng)期性不平衡，不僅增加了線路及變壓器的銅損，還會(huì)增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至?xí)绊懽儔浩鞯陌踩\(yùn)行。

一直以來(lái)，針對(duì)無(wú)功和諧波，主要采用傳統(tǒng)電容電抗無(wú)源補(bǔ)償元件，存在可靠性差、級(jí)差大，沒(méi)有感性無(wú)功補(bǔ)償能力和抑制諧波能力等問(wèn)題，功率因數(shù)和諧波問(wèn)題不能很好解決。而配電網(wǎng)中解決三相不平衡問(wèn)題主要依靠人為經(jīng)驗(yàn)，工作人員通過(guò)觀測(cè)臺(tái)區(qū)變壓器出線端三相電流大小來(lái)判斷不平衡電流，然而中性線電流往往被忽視，造成了較大的電能損失。因此傳統(tǒng)的補(bǔ)償治理方式已不能完全解決配網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。在此，采用電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，依靠先進(jìn)的電力電子電能質(zhì)量治理技術(shù)，有效地解決低壓配網(wǎng)系統(tǒng)中的三相功率不平衡、無(wú)功以及諧波等問(wèn)題。

2 理論分析和仿真

由于配電網(wǎng)中功率的不平衡是由于負(fù)載電流中的負(fù)序分量和零序分量疊加在正序分量上造成的。為了使功率平衡，就要把這些不平衡分量從總電流中提取出來(lái)。首先利用對(duì)稱(chēng)分量法，將測(cè)量的三相負(fù)載電流由相分量變換為序分量，得到需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)序分量電流和零序分量電流的值[1-2]。

2.1 三相不平衡治理控制計(jì)算

在所述的設(shè)備工作原理中，通過(guò)三相有功分量，計(jì)算三相電流正序、負(fù)序、零序分量的理論方法如下：

設(shè)A，B，C 三相的電流向量值為IA，IB，IC；各相正序、負(fù)序、零序分量分別為

零序

A0，B0＝A0，C0＝A0

正序

A1，B1＝α2A1，C1＝αA1

負(fù)序

A2，B2＝αA2，C2＝α2A2

其中，α 為對(duì)稱(chēng)分量運(yùn)算子（模為1，幅角為120°的復(fù)數(shù)）。

依據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，可以確定三相電流和各相的正序、負(fù)序、零序分量之間存在的關(guān)系為（以A 相為例）

分別表示為

求得A 相正序、負(fù)序、零序電流值后，利用對(duì)稱(chēng)分量法，可以直接導(dǎo)出B，C 相的各分量，即

IB1=α2IA1，IB2=αIA2，IB0=IA0

IC1=αIA1，IC2=α2IA2，IC0=IA0

利用以上公式，已知各相電流的幅值及相角，即可用程序求出各相正序、負(fù)序及零序分量。

使用各相電流負(fù)序、零序分量，即可還原出治理三相不平衡問(wèn)題，各相電流需量的理論依據(jù)如下（以A 相為例）：

引用式（2）—式（4），則

即A 相電流向量可由A 相的正序、負(fù)序及零序分量相加得到。因此，為達(dá)到三相電流平衡，只要消除各相電流的零序及負(fù)序分量即可。

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)，通過(guò)智能化控制方式，自動(dòng)平衡三相功率（包括平衡有功功率及無(wú)功功率），同時(shí)消除中性線的基波電流以及零序諧波電流，從而解決電力配網(wǎng)的三相不平衡問(wèn)題、無(wú)功消耗大、功率因數(shù)低問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低線路損耗，提高輸電能力，提高電網(wǎng)的可靠性。在實(shí)施上主要通過(guò)在臺(tái)區(qū)變壓器低壓配電網(wǎng)配電線路上安裝電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)三相功率平衡，補(bǔ)償無(wú)功，提高功率因數(shù)，消除零線電流，起到降低線路損耗以及提高配電網(wǎng)絡(luò)可靠性的目標(biāo)。

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置主電路電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 主電路電路拓?fù)浼半娏髡{(diào)度Fig.1 Main circuit topology and current scheduling

2.2 補(bǔ)償無(wú)功

補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功電流時(shí)的等效電路如圖2所示。圖中，下標(biāo)p和q 分別表示有功分量、無(wú)功分量；Zs為系統(tǒng)阻抗；ZL為等效負(fù)載；icq為將電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置等效電流源模型；us為電網(wǎng)源。

圖2 補(bǔ)償無(wú)功和負(fù)序的等效原理Fig.2 Equivalent principle of compensating reactive power and negative sequence

2.3 濾除諧波

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置補(bǔ)償負(fù)載零序電流成分的等效電路如圖3所示[3]。圖中，下標(biāo)f和h 分別表示基波零序成分、諧波零序成分；ich為將電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置等效補(bǔ)償諧波零序的電流源模型；iLh為負(fù)載諧波零序等效電流源；ush為電網(wǎng)諧波電壓源；usf為電網(wǎng)基波電壓源。

圖3 補(bǔ)償零序電流時(shí)的等效原理Fig.3 Equivalent principle for compensating zero sequence current

2.4 仿真驗(yàn)證

在此通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償無(wú)功以及三相電流不平衡補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

負(fù)荷使用單相電阻負(fù)荷。0．1 s 時(shí)負(fù)荷開(kāi)始運(yùn)行，0．2 s 時(shí)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置開(kāi)始工作，0．2～0．3 s 時(shí)補(bǔ)償負(fù)序電流，0．3 s 時(shí)開(kāi)始負(fù)序、零序全補(bǔ)償。其網(wǎng)側(cè)各相、線電流波形如圖4所示。

圖4 仿真電流波形Fig.4 Simulated current waveform

由圖4 仿真可見(jiàn)，在投入電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置之前，負(fù)載三相電流不平衡，三相電流相位不再呈現(xiàn)互差120°，而且N 線電流大；電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置投入運(yùn)行以后，三相電流平衡，而且三相電流相位互差120°，消除了N 線電流，有效地解決了電力配網(wǎng)三相不平衡的問(wèn)題。

3 應(yīng)用案例

新港公司軟化水站低壓配電室1 號(hào)變壓器一直存在三相不平衡、無(wú)功、諧波問(wèn)題，傳統(tǒng)的補(bǔ)償方法難以有效地解決。為此，在低壓負(fù)載側(cè)安裝了1臺(tái)ZTDZB-X-C100/0．4-4L 型和1 臺(tái)ZTDZB-X-C50/0．4-4L 型電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，這2 臺(tái)優(yōu)化裝置并聯(lián)運(yùn)行，取得了很好的補(bǔ)償效果。電參數(shù)測(cè)點(diǎn)選在低壓配電室總進(jìn)線端。設(shè)備投運(yùn)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。具體投用前后的配電網(wǎng)波形如圖5所示。

由表1 可知，平均運(yùn)行電流由309．82 A 下降到301．78 A，降低了2．6%；功率因數(shù)由0．9623 上升到0．9956；電流總諧波畸變率由26．25%下降到5．97%；電壓總諧波畸變率由5．82%降至2．86%。

表1 優(yōu)化裝置投運(yùn)前后數(shù)據(jù)的對(duì)比Tab.1 Comparison of data before and after using optimization device

圖5 優(yōu)化裝置投用前后配電網(wǎng)的波形Fig.5 Distribution network waveform before and after using optimization device

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真分析以及實(shí)際應(yīng)用案例，采用電能質(zhì)量綜合優(yōu)化裝置，對(duì)于配網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的治理效果良好，能夠有效地改善配網(wǎng)系統(tǒng)存在的無(wú)功、諧波、三相不平衡等問(wèn)題，取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。