配電網三相不平衡負載的無功補償技術分析

劉璐璐，楊 霞，楊 柳

（國網新疆電力有限公司信息通信公司，新疆 烏魯木齊 831002）

電力技術發展促進電網推廣應用，電網相關功能不斷增加、完善的同時，其也出現配電網非線性符負荷持續增加態勢，導致電網三相負載不平衡狀況出現，勢必對電網電能質量造成嚴重影響[1]。而采用電網無功補償技術，則可有效改善此囧態，可改善三相不平衡狀況，優化電網功率因數。因此，下文就對配電網三相不平衡負載下的無功補償技術進行詳細分析，旨在為進一步提高電網經濟效益，促進我國電力行業持續發展提供有力參考。

1 三相負荷平衡化理論概述

當下配電網配電變壓器大多都為三相變壓器，變壓器出口的三相負荷需保證對稱。但是在實際低壓配電網中有大量的單相負荷，且受單相負荷不均勻分布及投入時間不同，將導致三相不平衡影響低壓電網維護運行。平衡三相系統總功率為恒定，且其不受時間影響。不平衡的三相系統其總功率則處于平均值上下脈動。故在將不平衡三相系統換為平衡三相系統時，變換設備應設置好可以暫時儲存電磁能量的電感線圈及電容器元件。對于不對稱的三相系統，可在不同相間并聯適當補償導納，確保不平衡的三相負荷編程平衡三相負荷，且并不會影響電源及負荷有功功率交換。相間負荷不平衡的平衡化理論支持下，可導出一般不平衡三相負荷平衡原理：首先，將無中性線星型接線轉為三角型接線方式，在轉化之后以導納模型處理好負荷及補償器。當下，配電網無功補償技術已經經過長時間革新完善，現有無功補償裝置較多，如調相機、并聯電容器、并聯電抗器、SVG等。其中，調相機向電網輸送無功功率，運行存在過勵磁狀態，短期也可能在欠勵磁狀態下運行。調相機通過改變勵磁電流，控制無功功率輸出大小，其過負荷能力突出。但是調相機也有自身缺點，勵磁電流過大將會對設備運行造成嚴重損耗，且會導致成本投入大大增加。并聯電容器通過將電容器串、并聯到電網內部，可有效改善電網網絡結構，理論上采取并聯電容器也可實現不同電壓等級的無提供補償，屬于現代城市配電網常用無功補償方式。并聯電容器的投資成本低于調相機，且其容量可隨意配置，工程使用價值較高。為應對當下電網系統中各項負荷穩定性，解決低壓配電三相負荷不平衡問題，應結合不同靜止無功補償技術優勢和不足，了解技術發展趨勢。低壓220V電網內，需考慮到不平衡度及功率因素二者的補償，無功補償控制器功能需向多元化方向不斷發展，實現監控、記錄配網運行狀態功能。此外，需提高靜止無功補償裝置動態響應速度，降低裝置投切時候對電網造成的影響，再對無功補償投切控制算法改善，融入遺傳算法、模糊控制理論等，以此增加無功補償裝置適用范圍。無功補償控制裝置為解決配網三相不平衡，也必須考慮晶閘管、二極管過電壓、過電流問題，有效提高轉移功率容量，積極提高動態無功補償設備容量，可通過同步開關技術、電力無源濾波器PPF、電力有源濾波器APF等提高無功補償效果。

2 配電網三相不平衡的影響

2.1 徒增損耗

若電網三相穩定，則各相有功功率及無功功率基本相等，線路運行產生的損耗在正常可接受范圍。若三相不平衡，就導致電力系統各相電流異常，各處電流差異較大，三相負載中線電流不為0，導致線路出現有功損耗，損耗巨大。

2.2 降低配電器出力

出現電網三相不平衡，配電器負載中一相出現滿載、過負荷，而負荷較輕的一相出現盈余，會嚴重降低配電器出力[2]。

2.3 增加變壓器鐵損

會導致低壓側中性線存在零序電流，但是其通過低壓側中性線后，卻無法通過變壓器高壓側，低壓側其電流通過產生的磁通就會通過變壓器油箱壁以實現平衡，導致油箱壁部位存在渦流損耗。此外，零序電流通過變壓器鐵芯激磁阻抗，會造成配變中性點便宜，導致各個位置電壓差異較大，單相對地電壓較高，增加變壓器鐵損。

3 配電網三相不平衡負載的無功補償技術

以對稱分量法對不對稱負荷分析，具體平衡三相正序電壓供電不穩定負荷如圖1所示。

圖1 平衡三相正序電壓供電不平衡負荷示意圖

以三相對稱正序電壓為不對稱“三角形”連接負荷，實現供電，以SVC（靜止無功補償裝置）實現補償，SVC自身反應速度快、補償效果突出，且耗能少，可解決單相負荷導致的供電不平衡、電壓波動、諧波等異常問題，且SVC對各個電壓可單獨調節，滿足大型電網安全運行需求。一些“星形”連接負荷，其中性點一般未接地，需以Y-△變換為三角負荷，便于分析。

UA為以A為中性點的電壓，以此為參考，得到A、B、C三相電壓：

通過上市，得到線電壓，為：

若采用A為基準相，則電流及對稱分量關系為：

實際應用可得出三相電壓、負載電流的，以無功補償裝置，補償電納。無功補償以TCR、TSC并聯的SVC確保補償電納持續可調整（圖2）。

圖2 TCR和TSC并聯示意圖

由圖2得到，電容器、電抗器為三角連接，可有效避免線電流出現零序分量。TCR（相控電抗器）極品等效電納及晶閘管觸發σ，其存在相關函數關系：

式中，XL為相控電抗器電抗值，將TCR及晶閘管投切電容器組TSC并聯使用中，SVC等效電納的表示如下：

由上述式子得到，若相控電抗器觸發角σ及TSC投入電容器組調整，即可實現對SVC等效電納的改變，且A、B、C均可獨立控制，實現對等效電納的調節控制。

4 仿真分析

為深入了解配電網三相不平衡負載無功補償技術，采取仿真分析，以三角形連接的三相不平衡負載，以TCR、TSC并聯的SVC補償。不平衡負載以三角形連接，系統電源為負載提供的復工率分別為：132+j144kVA、191+j129kVA、150+j116kVA。此時得到SVC三相等效電納：j3.0x10-3S、j4.0x10-3S、j5.0x10-3S。

經補償仿真分析后，發現在三相補償之前，三相負載不平衡，其三相電流有效值存在差異，線電流負序分量達到29.7A，且電網運行需輸送較大無功功率，且線路功率因數不高。以SVC對不平衡負載無功補償，而后發現三相電流有效值基本相同，分量只存在正序分量，無負序分量、零序分量。且配電網線路中，其傳輸功率為有功功率，功率因數為1。

三角形連接負載，其AB、CA相均有負載，視在功率分別為132-j114kVA、150-j116kVA，但其BC相不存在負載。采用SVC落實無功補償，其可有效消除電源供給線電流負序分量，使得線電流正序電流僅有有功分量，減小不平衡負荷對系統及設備的影響。