配電網電壓無功綜合補償負載不平衡電容調節方法研究

王波安

〔內蒙古電力(集團)有限責任公司烏海電業局，內蒙古 烏海 016000〕

0 引 言

配電系統的性能好壞直接關系到所有用戶的用電安全和供電質量。現代社會不但消耗的電量飛速增長，而且對于電能質量的要求也逐步提高。良好的供電質量不但能夠保證配電網設備的安全穩定運行，對于工業和日常生活也有著重要的意義[1]。在電力系統配電網中總會存在一些無功負荷，它們的存在會導致出現流動的無功功率，降低系統的功率因數，增大線路電壓的損失，因此需要對配電網中電壓進行無功補償。傳統的補償調節方法對節點電壓的調節效果差，因此設計一種配電網電壓無功綜合補償負載不平衡電容調節方法。建立補償裝置模型，設計4支路變流器主電路結構并統一為T型電路結構，利用補償當量確定補償容量，提高配電網的多種運行指標，引入電容的調節算法配合電源共同調壓，改變無功投入的容量就實現對電壓的控制，進而實現電容復雜平衡。

1 配電網電壓無功綜合補償負載不平衡電容調節

1.1 建立無功補償裝置模型

為了實現電容平衡，且減輕對配電網正常供電的影響，可以采用補償裝置[2]。裝置的主電路結構非常重要，決定了裝置的輸出容量，對于補償算法的穩定性也有很大的關系。傳統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)的優勢在于：無需直流側電壓均壓控制，直流側電容流經電流較小，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，但是它的結構為直流側有上下兩組電容，需要均壓控制，難度較大，且由于n相輸出的電流會經過直流側電容，導致流經電流比較大[3]。本文采用三相四橋臂變流器主電路拓撲結構，如圖2所示。

圖2 4支路變流器主電路結構

主電路拓撲結構采用的是4支路LCL并網接口，包括RC濾波支路、網側濾波電感和濾波支路[4]。這種結構的優勢在于能夠將變流器的輸出電壓轉化為可控的電流注入電網中，且功率損耗極小。本文的結構在傳統的3支路接口的基礎上，增加一條機側濾波電感，逆變器的輸出電壓在一個開關周期內可以視為一個連續的量[5]，那么可以將4支路變流器主電路結構簡化成T型電路結構，如圖3所示。

圖3 T型電路結構

為了使上述電路滿足基本的性能要求，需要計算電路參數來滿足濾波的性能要求，計算輸出電流頻帶內的雙側阻抗幅值指數的上限值，根據開關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：輸出電流頻帶內的雙側阻抗幅值指數、開關頻率下的雙側阻抗幅值指數、開關頻率下的輸出阻抗幅值指數、串聯諧振頻率、并聯諧振頻率、基頻下濾波電容阻抗幅值指數以及串聯諧振頻率下的雙側阻抗幅值指數，共7項參數。這7項參數影響著電路的穩定運行，根據以上各約束條件得到上述參數的條件表達式，完成參數的計算。

1.2 確定無功補償容量

為了補償上述裝置在供電調節過程中產生的損耗，需要計算無功負荷點的分散電容調節量[7]。為了使電壓波動最小，需要對輸電網絡中每個負荷點進行電容的調節，且使調節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，左側輸入的有功功率和無功功率分別為P1、Q1，右側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，需要對電網進行無功補償，利用輻射狀網的電力系統分析尋找補償點[8]，如圖5所示。

圖5 輻射狀配電網

由圖5可知，配電網的共同點是用來將電能從高壓輸電網輸送給低壓用電戶，這些電網都由中長距離的架空線延伸至偏遠農村地區的用電戶(稱為輻射狀饋線)。圖5結構的配電網網損由式(2)求出。

(2)

式中:Ri為支路i的電阻;Ibi為流入i節點的支路電流的模；n為支路的個數[9]。電網運行中的功率關系如圖6所示。

圖6 功率關系

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

(3)

式中:P為圖5中輻射狀電網的有功功率；Q1為補償之前電網的無功功率；Qc為經過計算后確定輻射狀電網中補償總容量；ΔP2為補償后電網的有功損耗；S2為補償后電網視在功率；U為電網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為經過計算后確定的輻射狀電網中線路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中補償總容量Qc為：

(5)

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

1.3 引入電容調節調節負載電容

電容調節算法是根據調節變壓器開關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 電容調節算法框圖

由式(6)可知，節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，需要引入電容的調節算法配合電源共同調壓[12-13]。電容調節算法的框圖如圖7所示。

通過對參考電壓所在區域加以判斷，確定相鄰空間矢量作用電容，確定電容切入點。當集中式的大電網不能跟蹤電力的負荷變化時，單獨調節電容補償無功不能使節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為補償后電網無功分量。在無功補償前，已經通過“一鍵式”電源輸入了有功電荷，使無功負荷數量比較多的節點達到功率平衡，也就是使節點的有功功率與無功功率數值相等，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。至此完成配電網電壓無功綜合補償負載不平衡電容調節方法研究。

2 仿真試驗

2.1 試驗準備

圖8 16節點配電網網絡結構

為了驗證本文研究的方法具有一定的有效性，需要設計仿真試驗。本文設定某配電網網絡結構的基準功率為 240 kVA，基準電壓為 20 kV，該結構中設置16個節點。首端節點為 255 kV 變電站高壓側母線，255 kV變電站低壓側節點 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，設計一個具有16個節點的配電網，如圖8所示。

圖8設計的配電網絡結構中，在沒有任何補償措施的時候，很多節點電壓低于電壓合格范圍如表1所示。本文設置電壓合格范圍在0.900 V以上。

表1 補償前的節點電壓

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節，再分別對這16個點的電壓進行測試，并記錄結果。

2.2 試驗結果與分析

經過上述試驗過程，測得經過兩種方法補償調節后的各個節點的電壓值，試驗結果如圖9所示。

圖9 試驗結果對比圖

圖9顯示了未補償調節前和分別使用傳統方法與本文方法補償調節后的電壓結果，虛線為合格電壓的最低標準。從圖9可以看出，傳統的方法也能提高節點的電壓值，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點的電壓值，且所有節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為恒定容性負載網側電壓電流波形。

圖10 恒定容性負載網側電壓電流波形

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

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

圖11 補償前后系統功率因數

圖12 補償前后系統電流不平衡度

由圖11、圖12可以看出，系統在投入電容器補償后三相電流平衡，系統功率因數由 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 結束語

配電網作為直接面向用戶的配電網設備，配電網的無功綜合補償對于電壓的穩定輸出有著重要的作用。本文設計一種配電網電壓無功綜合補償負載不平衡電容調節方法。電壓是電能質量的重要指標之一，為了提高節點電壓，本文對負載不平衡電容的補償調節方法進行研究，建立了補償裝置模型，設計4支路變流器主電路結構并統一為T型電路結構。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，提高配電網的多種運行指標，最后引入電容的調節算法配合電源共同調壓，實現對電壓的控制。仿真試驗結果表明，使用本文設計的方法能夠使所有節點的電壓值都能夠達到合格值以上。因此說明設計的方法具有一定的有效性。但是由于技術有限，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。