電能質量綜合優化裝置在低壓配網系統的應用

陳蘇海，李亞峰，楊現立，江 波，劉世江

（中國石油新疆油田公司 新港公司，克拉瑪依834000）

隨著國家經濟快速發展，用電量持續高位增長，而配網建設相對滯后，負載的復雜化和智能化造成低壓配網系統電能質量問題更加突出。近幾次的配網改造，在解決“用上電”問題的同時，不斷向“用好電”的方向發展。而影響到“用好電”的電能質量問題主要有：無功、諧波以及三相不平衡等。

隨著國家對節能的要求以及民眾對用電可靠性的要求不斷提高，需要對電力配網中存在的電能質量問題進行更加深入的分析并加以治理。

1 低壓配網系統存在的問題

在低壓配網系統中，①無功問題 造成系統功率因數低，影響變壓器出力，系統效率降低，損耗增大；②諧波問題 會使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，造成用電設備過熱、產生振動和噪聲、誤動作，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀；③三相不平衡問題 很早就被提出來，在低壓三相四線制的城市居民和農網供電系統中，由于用電戶多為單相負荷或單相和三相負荷混用，負荷的大小不同，用電時間的不同，導致低壓供電系統三相負載長期性不平衡，不僅增加了線路及變壓器的銅損，還會增加變壓器的鐵損，降低變壓器的出力甚至會影響變壓器的安全運行。

一直以來，針對無功和諧波，主要采用傳統電容電抗無源補償元件，存在可靠性差、級差大，沒有感性無功補償能力和抑制諧波能力等問題，功率因數和諧波問題不能很好解決。而配電網中解決三相不平衡問題主要依靠人為經驗，工作人員通過觀測臺區變壓器出線端三相電流大小來判斷不平衡電流，然而中性線電流往往被忽視，造成了較大的電能損失。因此傳統的補償治理方式已不能完全解決配網系統的電能質量問題。在此，采用電能質量綜合優化裝置，依靠先進的電力電子電能質量治理技術，有效地解決低壓配網系統中的三相功率不平衡、無功以及諧波等問題。

2 理論分析和仿真

由于配電網中功率的不平衡是由于負載電流中的負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。首先利用對稱分量法，將測量的三相負載電流由相分量變換為序分量，得到需要補償的負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算

在所述的設備工作原理中，通過三相有功分量，計算三相電流正序、負序、零序分量的理論方法如下：

設A，B，C 三相的電流向量值為IA，IB，IC；各相正序、負序、零序分量分別為

零序

A0，B0＝A0，C0＝A0

正序

A1，B1＝α2A1，C1＝αA1

負序

A2，B2＝αA2，C2＝α2A2

其中，α 為對稱分量運算子（模為1，幅角為120°的復數）。

依據對稱分量法，可以確定三相電流和各相的正序、負序、零序分量之間存在的關系為（以A 相為例）

分別表示為

求得A 相正序、負序、零序電流值后，利用對稱分量法，可以直接導出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、負序及零序分量。

使用各相電流負序、零序分量，即可還原出治理三相不平衡問題，各相電流需量的理論依據如下（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、負序及零序分量相加得到。因此，為達到三相電流平衡，只要消除各相電流的零序及負序分量即可。

電能質量綜合優化裝置，采用先進的電力電子技術，通過智能化控制方式，自動平衡三相功率（包括平衡有功功率及無功功率），同時消除中性線的基波電流以及零序諧波電流，從而解決電力配網的三相不平衡問題、無功消耗大、功率因數低問題，同時實現降低線路損耗，提高輸電能力，提高電網的可靠性。在實施上主要通過在臺區變壓器低壓配電網配電線路上安裝電能質量綜合優化裝置，優化配電網絡三相功率平衡，補償無功，提高功率因數，消除零線電流，起到降低線路損耗以及提高配電網絡可靠性的目標。

電能質量綜合優化裝置主電路電路拓撲如圖1所示。

圖1 主電路電路拓撲及電流調度Fig.1 Main circuit topology and current scheduling

2.2 補償無功

補償負載無功電流時的等效電路如圖2所示。圖中，下標p和q 分別表示有功分量、無功分量；Zs為系統阻抗；ZL為等效負載；icq為將電能質量綜合優化裝置等效電流源模型；us為電網源。

圖2 補償無功和負序的等效原理Fig.2 Equivalent principle of compensating reactive power and negative sequence

2.3 濾除諧波

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

圖3 補償零序電流時的等效原理Fig.3 Equivalent principle for compensating zero sequence current

2.4 仿真驗證

在此通過仿真來驗證補償無功以及三相電流不平衡補償的效果。

負荷使用單相電阻負荷。0．1 s 時負荷開始運行，0．2 s 時電能質量綜合優化裝置開始工作，0．2～0．3 s 時補償負序電流，0．3 s 時開始負序、零序全補償。其網側各相、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，在投入電能質量綜合優化裝置之前，負載三相電流不平衡，三相電流相位不再呈現互差120°，而且N 線電流大；電能質量綜合優化裝置投入運行以后，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三相不平衡的問題。

3 應用案例

新港公司軟化水站低壓配電室1 號變壓器一直存在三相不平衡、無功、諧波問題，傳統的補償方法難以有效地解決。為此，在低壓負載側安裝了1臺ZTDZB-X-C100/0．4-4L 型和1 臺ZTDZB-X-C50/0．4-4L 型電能質量綜合優化裝置，這2 臺優化裝置并聯運行，取得了很好的補償效果。電參數測點選在低壓配電室總進線端。設備投運前后的數據對比見表1。具體投用前后的配電網波形如圖5所示。

由表1 可知，平均運行電流由309．82 A 下降到301．78 A，降低了2．6%；功率因數由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 優化裝置投運前后數據的對比Tab.1 Comparison of data before and after using optimization device

圖5 優化裝置投用前后配電網的波形Fig.5 Distribution network waveform before and after using optimization device

4 結語

通過仿真分析以及實際應用案例，采用電能質量綜合優化裝置，對于配網電能質量問題的治理效果良好，能夠有效地改善配網系統存在的無功、諧波、三相不平衡等問題，取得良好的社會效益和經濟效益。