基于SVG的配電網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：針對各種不平衡負荷大量接入電力系統，導致系統三相電流不平衡問題，對現有的解決措施進行分析，提出了采用靜止無功發生器SVG平衡三相電流的方法，介紹了SVG的控制結構以及工作原理，并搭建試驗平臺進行仿真試驗，結果表明，該裝置具有良好的動態平衡性能，且同時補償無功，提高功率因數，極大提高了電能質量。

關鍵詞：三相不平衡；靜止無功發生器；電能質量；無功補償

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償問題越來越得到國內外的重視，有效解決三相不平衡問題，將對電力系統電能質量綜合治理問題具有重要的意義。自20世紀80年代以來，我國對以晶閘管控制的SVC投入了大量研發力量。SVC雖然能對系統無功進行有效的補償，但是由于換流元件關斷不可控，因而容易產生較大的諧波電流，對公用電網會產生二次污染，而且其對電網電壓波動的調節能力不夠理想，調節范圍受限。所以目前仍需要更加完善的無功補償設備應用于電力系統。針對這個問題，本文提出通過SVG治理三相不平衡電流問題，旨在解決配電網三相不平衡問題，降低低壓配電網中配電變壓器及電網的線損和由于三相不平衡帶來的變壓器過載運行等問題，延長變壓器壽命。

2 問題分析

理想狀態的的公用電網應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電，在三相交流系統中，各項電壓和電流的幅值應大小相等、相位對稱依次相差120°，但由于系統中的負荷性質多變，加之調控手段不完善及運行操作、外來干擾和各種故障，以及非線性、沖擊性和不對稱負荷大量接入電力系統等原因，這種理想的狀態并不存在。如圖1所示，這種單相負載的大量存在，使得各相擁有各自不同的導納，導致三相電流的不平衡度急劇升高，目前為解決該類問題，常進行人為干預，調整用戶分布，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，通過時刻改變觸發角度來實現補償的功能，補償容量有限，并且響應時間較長，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為開關器件的靜止無功發生器（Static Var Generator -SVG）治理三相不平衡，同時可以實現對無功的補償，通過補償無功，使電能最大限度的轉換為有功，提高電能的利用率。

3 SVG的控制機制

3.1 SVG的控制結構

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，電源側常采用Y形接線，線電流等于相電流；現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生器，實質上是一個可控的三相橋式變流電路，根據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，以電流檢測模塊數據為依據，通過時刻改變觸發角來控制電抗器以及電容器的量值，間接控制產生的無功電流，將 SVG 所發生的與配電系統適配的無功電流注入配電系統，可使配電系統電源只向干擾性負荷提供有功電流，使三相電流達到基本平衡，同時使無功得到補償，理想的 SVG補償無功示意圖，包括檢測、計算、控制欲補償的瞬時無功電流的電路和連接至電網的變流器輸出電路。從電力系統宏觀角度來看，SVG裝置處于一個反饋機制中，經過SVG初次平衡的電流成為電流檢測模塊的第二輪理論數據，進行第二次平衡，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通過調整開斷角度的方式可以實現對每一相補償設備的控制，現模擬不同情況探析SVG設備補償原理。

（1）SVG補償單相不平衡負荷引起的不對稱電流。設一個三相平衡系統，a相上突然增加一個單相負荷Ra，為了方便研究，假設該負荷屬于純阻性負荷，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；根據電容、電感的電壓電流相位關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荷的三相不平衡系統，只要通過調控裝置，在其余兩相之間分別增加適當的感抗、容抗，便可使三相電流達到平衡。假設存在線間負荷，則需在a相與c相之間連接（其中是三相系統的基波頻率），b相與 c相之間連接。endprint