面向不平衡負荷補償的SVC的研究.pdf

第 3 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四 川 電 力 技 術 S i c h u a n E l e c t ri c P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 3 3， No 3 J u n 2 0 1 0 面 向不平衡 負荷 補償 的 S V C的研究 林峰 。 施進平 。 王偉 甲 ( 麗水 電業(yè)局 ， 浙江 麗水3 2 3 0 0 0 ) 摘要 ： 首先 結合 基于瞬時無功功率理論 的 負序和無功綜合補償 的策略 來實現對 不平衡 負荷及 負荷 的功率 因數進行 補 償 ， 然后通過 改進 負序和無功綜合補償 方法來改善過補償 問題 。 關鍵詞 ： 不平衡 負荷補 償 ； 靜止 無功補償 Ab s t r a c t： Th e ne g a t i v es e q u en c e a nd r e a c t i v e p o we r c omp e ns a t i o n s t r a t e g y ba s e d O i l i n s t a nt a n e o u s r e a c t i v e po we r t h e o r y i s us e d t o r e a l i z e t h e c o mp e n s a t i o n o f u n ba l a nc e d l o a d a n d p o we r f a c t o r o f l o ad S O a s t o i mp r o v e t h e un b a n c e c o n di t i o n o f t h e s y s t e m Ad d i t i o n a l l y，a me t h o d i s p u t f o r w a r d t o s o l v e t h e 0 v e r c o mp e n s a t i 0 n p r o b l e m Ke y wo r ds： un b a l a n c e d l o a d c o mp e n s a t i o n；s t a t i c v a r c o mp e n s a t o r 中圖分 類號 ： T M7 1 4 3文獻標志碼 ： A文章 編號 ： 1 0 0 36 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 1 1 0 4 0 概述 三相電網不平衡是電網運 行過程 中經常存在 的 現象 ， 三相負荷 不平衡 會嚴重威脅 著 電網的安全運 行。T C R型 S V C不僅可 以補償 系統(tǒng) 的無功 ， 同時也 可以實現對三相不平衡負荷的分相補償 。而對于不 平衡系統(tǒng)無功功率補償 比較重要 的方法主要有 以下 兩種 ： 第一種就是基于平衡 化補償理論的負序和無功 綜合補償理論的基本原理 J 。這種方法分析簡單 ， 但不易實現 。第二種就是 基于相量法 的負序和無功 功率補償 ， 此方法大多設定前提條件為不平衡負 載由三相平衡電壓供 電， 其適用 范圍 比較 窄。為此 ， 結合基于瞬時無功功率理論 的負序 和無功綜合補償 的策略來實現對不平衡 負荷及 負荷 的功率 因數進行 補償 ， 不但可以完全補償 系統(tǒng) 的無功功率 ， 而且可 以 完全補償三相不平衡負荷 ， 可 以實現無功功率與三相 不平衡的綜合補償。 1 無功功率與三相不平衡 的綜合補償 1 1 對稱分量法在不平衡補償中的應用 將不平衡三相系統(tǒng)變換成平衡的三相系統(tǒng)時， 在 變換設備中應該設有能夠暫時儲存 電磁能量 的電感 線圈和電容器元件 。只要 把一 個理想補償 網絡與負 荷相關聯就可以把任何不平衡 的三相負荷變換成一 個平衡的三相負荷 ， 且不會改變 電源和負荷間的有功 功率交換 。其補償 電納是用負荷導納來表示的， 而負 荷的導納卻不像線電流和電壓那 么容易測量。下面 用對稱分量法導出用線 電流和電壓表示 的補償 電納 的公式。 如圖 1 所示的簡單不平衡電路 ， 假設供電端為無 窮大系統(tǒng) ， 且電壓三相平衡無畸變。 U 無 窮 大 系 統(tǒng) 不 平 衡 負 荷 I - 一 J I 1 1 _ _ J 圖 1 簡單 的不 平衡 系統(tǒng) 由于負荷不對稱 ， 因此電流三相不平衡 。對此電 壓和電流進行變換后可得到電壓矢量和電流矢量。 u=“ +“ 8= 3 U d “ ( 1 ) i=i + j ia= X ( I a +， 2 e -) o 一 ) ( 2 ) 式中， 系統(tǒng)電壓的有效值 ； 電壓的相角； ， 口 2 正序和負序電流的有效值 ； ， 一 正序和負序電流的相角。 由上式可 以得 出流人無窮 大系統(tǒng) 的瞬時復功率 的表示式為 s=P+ J q =u ( i ) = 3UI a 1 +3UI 。 2 一 = ；+； ( 3 ) 從式 ( 3 ) 可以看 出， 不平衡 系統(tǒng) 的瞬時復功率 由 兩部分組成 ： 正序 電流產生 的功率 ；不隨時間變化 ， 稱為平衡功率 ； 負序電流產生的功率 ； 以 2倍基頻波 1 1 第 3 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四 川 電 力 技 術 S i c h u a n El e c t r i c Po we r Te c h n o l o g y Vo 1 3 3 No 3 J u n ， 2 0 1 0 動 ， 稱為不平衡功率。 若在負荷前面加裝 S V C補償器 ， 使不平衡功率 ； 流入 S V C裝置中， 則原系統(tǒng)可 以認為是平衡系統(tǒng) ， 可 以根據 ； 和 ；的不同流向， 將 電路劃分為正序網絡和 負序網絡兩部分 。 1 2 負序無功綜合補償電納計算 由上面的分析 ， 可得到不平衡系統(tǒng)的負序無功補 償網絡如圖 2所示。其中 B 、 B B 分別為相 間補 償 電納 ， 、 、 分別為負載導納。 C b a l 一 補償網絡 負載 圖 2 負序、 無功綜合補償網絡 作為普遍性的分析 ， 設補償側 電壓相量 和負 載側電壓相量 之 間關系如下 ： U ， =U 。 由于基 波正序電流的無功功率只與電壓和正序 電流之間的 相位差有關 ， 而與電壓 、 電流的初相角沒有關系 ， 所 以 在進行無功電流補償時 ， 補償側和負載側的正序電流 相量必須分別以各 自的 a相 電壓相量為參考坐標進 行求解 ， 進行無功補償時 ， 補償網絡正序電流相量的 虛部與負載側正序電流相量的虛部大小相等、 方 向相 反 即可。但是進行負序電流補償時， 基波負序電流對 應的瞬時功率與電壓 2倍初相角和負序電流與 電壓 的相角差有關 ， 所以負載側和補償側的負序電流分別 以各 自的 a 相電壓相量為參考坐標進行計算 ， 進行負 序補償時， 負載側的負序電流相量乘以 后與補償 側的負序 電流相量大小相等、 方向相反。 假設補償網絡通過變壓器對負載側進行補償 ， 補 償網絡采用三角形接法 ， 如圖2所示。設其補償導納 為 Lo = j B y r 6 = i S 、 y rc = j B ， 其中， 、 分別 為補償網絡 a b 、 b c 、 c a 相間補償 電納。補償變壓器對 應于三相系統(tǒng) a相 電壓的補償側 電壓相量 為 U r ： k U, e J O ，其中 k為補償變壓器的變 比， 為補償變壓器 1 2 1-2 s i n ( 2 0 + ) 1 2 s i n ( 2 0 ) 1_2 s i n ( 2 0 | _ ) 副邊對原邊的相位差 ， 表示負載側 a 相 電壓相量。 補償變壓器補償側三相電壓對 中性點電壓( 以 a 相電 壓為參考相量) 為 口 17 口 U o =U ， U = U r ， =O t ( 4 ) 則線電壓為 ， = 一 =( IO l 。 ) = 一 =( 一 a ) U ， ( 5 ) 【 ， = 一 = ( 一1 ) 各相負載電流為 ， = ：L o ( 1一 ) ， 已= 皚 ：y ，6 ( 一 1 ) ( 6 ) 0 = ， ： ( 一1 ) 則線電流為 ， = 一 = ( 1一口 )一 ( O L 一1 ) 1 2= ， 一 ， = ( a 一 1 ) 一 ( 1 一 a ) ( 7 ) = ， 一 = L o ( 一1 )一 ( a 一1 ) 應用對稱分量法求出線電流的對稱分量為 r， ， ) ：( + o tI b + o t2 ) 3 ， ) = ( + + ) 3 ( 8 ) 【 ， ， = ( + + ) 3 將式( 7 ) 代入式( 8 ) 中， 得 r， r )= ( +B r 6 + ) ，1 =一 _ ( + B + a B ) ( 9 ) t ,i l ： 0 設負載側 電流為 、 、 ， 采用對稱分量法可 以得到負載側電流的對稱分量為 ， ：( +a +a ) 3 ) ： ( + + ) 3 ( 1 o ) ， 1口 ：( + + ) 3 要實現三相電網的負序和無功綜合補償 ， 則需要 使得補償網絡正序 電流相量 的虛部乘 以變 比 k后與 負載側正序 電流相量 的虛部大小相等、 方 向相反， 負 載側的負序 電流相量乘 以 后與補償側的負序 電 流相量乘以 k 后大小相等 、 方向相反， 即 k l m l ， ) 一 I m I , f) 尼 r 】：一 ( z ) ( 1 1 ) 將式( 9 ) 代人式( 1 1 ) 中， 求得補償電納為 。 s ( 2 0 + ) 一 2 c o s ( 2 0) _2 c 。 s ( 2 0 一 ) ( 1 2 ) m m I f I I 一 = 1，J m 8 8 L 第 3 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四 J I I電 力 技 術 S i c h u a n El e c t r i c P o we r T e c h n o l o g y Vo 1 3 3。 No 3 J u n ， 2 01 0 一 (13) 2 負序無功綜合補償方法的改進 快速響應電網的無功需求 ， 實時進行跟蹤補償是 改善電能質量的必要 。但補償決不能造成過補償 ， 否 則將造成無功倒送 、 有功損耗增大。本節(jié)在三相不平 衡負荷補償原理 的基礎之上進行改進 ， 使得補償后 的 功率因數略小 于 1 ， 有效防止 了無功功率 的過補償。 現改進使補償之后功率 因數在 0 9 8 ， 1 之 間， 此時 式( 1 1 ) 中的第一個式子相應變成 I m I ) + ) R e ， ) + ， l口 ) =、 A ( 1 4 ) 設 = A= 7 ，則有 I m ， ) +， r ) n e ， ) + ， lu ) ： ， 展開后得 I m 1 ， ) _ 一 y R e ， = 一 ( I m 1 j 一 R e ， ) ) ( 1 5 ) 結合式( 7 ) 、 ( 8 ) 、 ( 9 ) 、 ( 1 0 ) 得 一 1 -y -2 s i n ( 2 0 0+2zr) -2 cos(20+2f ) T-2sin(20 一 3 控制策略選擇 (16) 利 用 S V C對 不 平衡 負荷 進 行 補 償 時 ， 快 速性 是 一 個重要 的目標。為了滿足快速性的要求 ， 采用開環(huán) 控制是一個可行方案 ， 但 由于模型的精度存在誤差 ， 所 以在功率因數補償 方面的精度難 以達到要求。為 了提高控制系統(tǒng)的整體性能 ， 可采用 閉環(huán) 的方式 ， 閉 環(huán)控制雖然保證了補償 的精度 ， 并且通過合理設計數 字 P I D控制器的參數 、 K 、 并在系統(tǒng)運行過程 中 在線調整 ， 提高系統(tǒng)的 自適應性 ， 整體上提 高了系統(tǒng) 的穩(wěn)定性 、 準確性。但 與開環(huán)相 比降低 了補償 的速 度 。所 以為了保證 它們共 同的優(yōu)點 ， 采用 了局 部開 環(huán) 、 整體閉環(huán)的方法 。其控制原理如圖 3所示。 4 仿真分析 4 1 仿 真建 模 仿真模型主要包括電源 、 負荷 、 補償 電納計算模 型 、 觸發(fā)角計算模型 、 觸發(fā)脈沖發(fā)生模型 、 晶閘管投切 電抗器模型 、 控制器模型 、 R L C濾波器模型。系統(tǒng)仿 真模型如 圖4所示 。 4 2 仿 真 結果分 析 利用上述模型在以下條件下進行仿真 ： 不平衡系 統(tǒng)線 電壓 U =1 0 k V， 三相不對稱負荷 為星型連接 ， 補償裝置 T C R在 0 0 4 S投入運行 。仿 真結 果如 圖 5 、 圖 6 、 圖 7所示。本系統(tǒng)采用 固定濾波器進行諧波 的濾除。 由圖 5 、 圖 6可 以看 出 ， 由于濾波 器 中固定 電容 的存在 ， 在 0 0 4 S T C R投入 時， 電壓 和電流突增 ， 在 一 個周期( 2 0 m s ) 時間內電流三相基本被補償平衡 。 由圖 7可知 ， 在一個周波 以后 電流電壓相位差 已經很 小 ， 在大約 23個周波后相位差基本為 0 。故而達 到了對不平衡負荷及無功的補償效果 。 5 總 結 圖 3局部 開環(huán)、 整體 閉環(huán)控 制原理圖 第 3 3 卷第3期 2 0 1 0年 6月 四 川 電 力 技 術 Si c h u a n El e c t r i c P o we r Te c h n o l o g y Vo 1 3 3。 N o 3 J u n ， 2 01 0 將 以上理論結合現場情況 ， 可以看 出， 因線路空 載時一次 電流很小 ， 將會使計量用 電流互感器相角誤 差朝正方 向發(fā)展 ， 且值較大 ， 這是造成 電表反計的主 要原因。 r V二次回路過長 ， 會使其二次壓降增大 ， 二 次壓降引起的二次電壓相角誤差也會引起計量表端 電壓相位的偏差 ， 以上 2點原因的合成相 角誤差 ， 最 終造成了電表端電流超前電壓超過 9 0 。 ， 導致有功電 能表將電量計于反 向。 綜合 以上分 析 ， 計算 反 向有功 功率。由于 T A、 T V及 T V二次 回路壓 降對 電能表 電流 、 電壓相位 的 影響， 使該線路一次側有功功率與表計所計二次功率 不一致 。結合圖 1及公式 1 對 該線 路在熱備用時三 相四線多功能電能表有功功率表達式進行推導 ： P =l a U a C o s a+， 6 U 6 c o s b+l c U c c o s c ( 2 ) 由于此時電流超前 電壓 9 1 。 = b= c =1 0 0 m A、 U a ：Ub= Uc=1 0 0 V 所以其有功功率 P=一0 0 1 71 0 01 0 0 m A= 一 01 7 k W 4 結論與建議 4 1 結論 輸電線路空載熱備用運行時 ， 由于線路對地及相 間分布電容引起的容性充電電流是客觀存在的， 電容 電流的大小與線路長度成正 比， 又因電流互感器 、 電 壓互感器及電壓互感器二次回路對 電能表 電流 、 電壓 相位的影響 ， 會造成合閘側電能表有功計量 ， 計量的 正向或反 向與相位差相關。 當線路帶負載運行 時， 由于線路兩端均合 閘， 與 負荷 電流相 比， 電容電流 占的 比例很小 ， 并同時向兩 端流人 ， 通過電流互 感器感應 到二 次側 ， 分別記入兩 端的電能表中?？蛰d熱備用狀態(tài)下 ， 線路只有容性充 電電流 ， 流人合閘一側 ， 有功電能表計量 ， 引起了計量 爭議。 針對于不存在的 3 5 k V及以上專線供電用戶 ， 電 能表反向的有功電量會使部分客戶誤解 ， 部分客戶會 以此為依據要 求供 電企業(yè)退還該 部分 電量 電費 ( 若 按舉例的這條專線計算 ， 按現行的平水期 、 平段大工 業(yè)電價計算， 這部分電量電費將達數萬元) 。但產生 該部分損耗 電量的原因是 因為客戶 方需要保證雙電 源供電的要求 所造成的 ， 所 以這部分 “ 反 向” 電量 供 電企業(yè)無義務來承擔。 4 2建議解 決的辦法 要減小有功 電能計量必須減小合成相位差 ， 通過 配置 0 2 S級電流互感器減小小電流情況下相位誤差 值 ， 同時減小 T V二 次回路 負載， 提高二次負載功 率 因數也能減小相位差 。 對于 3 5 k V及 以上 的專 線 用戶 ( 不 含 上 網用 戶) ， 建議采取技 術手段 ， 屏蔽 多功能 電表反 向有功 電量記錄 ， 避免誤抄后帶來的爭議 。 對于 3 5 k V及以上線路 中的關 口表及有并 網電 廠的專線客戶， 建議電力調度部 門及線路兩側供用 電 雙方變電站運行人員 ， 記錄好線路空載熱備用運行時 的起止電量 、 功率因數 、 時間等相關數據 ， 并在電量結 算 時將這部分電量剔除。 參考文獻 1 趙修 民 測量用互感器 M 北京 ： 機械工業(yè)出版社， 1 98 6 2 鐘新華 配電網電容電流估算公式的修正 J 供用電， 2 0 0 4 ， ( 1 ) ： 3 23 4 3 伍葉凱， 鄒車霞 電容 電流對差動保護的影響及補償