面向不平衡负荷补偿的SVC的研究.pdf

第 3 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四 川 电 力 技 术 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 负荷 补偿 的 S V C的研究 林峰 。 施进平 。 王伟 甲 ( 丽水 电业局 ， 浙江 丽水3 2 3 0 0 0 ) 摘要 ： 首先 结合 基于瞬时无功功率理论 的 负序和无功综合补偿 的策略 来实现对 不平衡 负荷及 负荷 的功率 因数进行 补 偿 ， 然后通过 改进 负序和无功综合补偿 方法来改善过补偿 问题 。 关键词 ： 不平衡 负荷补 偿 ； 静止 无功补偿 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 中图分 类号 ： T M7 1 4 3文献标志码 ： A文章 编号 ： 1 0 0 36 9 5 4 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 1 1 0 4 0 概述 三相电网不平衡是电网运 行过程 中经常存在 的 现象 ， 三相负荷 不平衡 会严重威胁 着 电网的安全运 行。T C R型 S V C不仅可 以补偿 系统 的无功 ， 同时也 可以实现对三相不平衡负荷的分相补偿 。而对于不 平衡系统无功功率补偿 比较重要 的方法主要有 以下 两种 ： 第一种就是基于平衡 化补偿理论的负序和无功 综合补偿理论的基本原理 J 。这种方法分析简单 ， 但不易实现 。第二种就是 基于相量法 的负序和无功 功率补偿 ， 此方法大多设定前提条件为不平衡负 载由三相平衡电压供 电， 其适用 范围 比较 窄。为此 ， 结合基于瞬时无功功率理论 的负序 和无功综合补偿 的策略来实现对不平衡 负荷及 负荷 的功率 因数进行 补偿 ， 不但可以完全补偿 系统 的无功功率 ， 而且可 以 完全补偿三相不平衡负荷 ， 可 以实现无功功率与三相 不平衡的综合补偿。 1 无功功率与三相不平衡 的综合补偿 1 1 对称分量法在不平衡补偿中的应用 将不平衡三相系统变换成平衡的三相系统时， 在 变换设备中应该设有能够暂时储存 电磁能量 的电感 线圈和电容器元件 。只要 把一 个理想补偿 网络与负 荷相关联就可以把任何不平衡 的三相负荷变换成一 个平衡的三相负荷 ， 且不会改变 电源和负荷间的有功 功率交换 。其补偿 电纳是用负荷导纳来表示的， 而负 荷的导纳却不像线电流和电压那 么容易测量。下面 用对称分量法导出用线 电流和电压表示 的补偿 电纳 的公式。 如图 1 所示的简单不平衡电路 ， 假设供电端为无 穷大系统 ， 且电压三相平衡无畸变。 U 无 穷 大 系 统 不 平 衡 负 荷 I - 一 J I 1 1 _ _ J 图 1 简单 的不 平衡 系统 由于负荷不对称 ， 因此电流三相不平衡 。对此电 压和电流进行变换后可得到电压矢量和电流矢量。 u=“ +“ 8= 3 U d “ ( 1 ) i=i + j ia= X ( I a +， 2 e -) o 一 ) ( 2 ) 式中， 系统电压的有效值 ； 电压的相角； ， 口 2 正序和负序电流的有效值 ； ， 一 正序和负序电流的相角。 由上式可 以得 出流人无穷 大系统 的瞬时复功率 的表示式为 s=P+ J q =u ( i ) = 3UI a 1 +3UI 。 2 一 = ；+； ( 3 ) 从式 ( 3 ) 可以看 出， 不平衡 系统 的瞬时复功率 由 两部分组成 ： 正序 电流产生 的功率 ；不随时间变化 ， 称为平衡功率 ； 负序电流产生的功率 ； 以 2倍基频波 1 1 第 3 3卷第 3期 2 0 1 0年 6月 四 川 电 力 技 术 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 动 ， 称为不平衡功率。 若在负荷前面加装 S V C补偿器 ， 使不平衡功率 ； 流入 S V C装置中， 则原系统可 以认为是平衡系统 ， 可 以根据 ； 和 ；的不同流向， 将 电路划分为正序网络和 负序网络两部分 。 1 2 负序无功综合补偿电纳计算 由上面的分析 ， 可得到不平衡系统的负序无功补 偿网络如图 2所示。其中 B 、 B B 分别为相 间补 偿 电纳 ， 、 、 分别为负载导纳。 C b a l 一 补偿网络 负载 图 2 负序、 无功综合补偿网络 作为普遍性的分析 ， 设补偿侧 电压相量 和负 载侧电压相量 之 间关系如下 ： U ， =U 。 由于基 波正序电流的无功功率只与电压和正序 电流之间的 相位差有关 ， 而与电压 、 电流的初相角没有关系 ， 所 以 在进行无功电流补偿时 ， 补偿侧和负载侧的正序电流 相量必须分别以各 自的 a相 电压相量为参考坐标进 行求解 ， 进行无功补偿时 ， 补偿网络正序电流相量的 虚部与负载侧正序电流相量的虚部大小相等、 方 向相 反 即可。但是进行负序电流补偿时， 基波负序电流对 应的瞬时功率与电压 2倍初相角和负序电流与 电压 的相角差有关 ， 所以负载侧和补偿侧的负序电流分别 以各 自的 a 相电压相量为参考坐标进行计算 ， 进行负 序补偿时， 负载侧的负序电流相量乘以 后与补偿 侧的负序 电流相量大小相等、 方向相反。 假设补偿网络通过变压器对负载侧进行补偿 ， 补 偿网络采用三角形接法 ， 如图2所示。设其补偿导纳 为 Lo = j B y r 6 = i S 、 y rc = j B ， 其中， 、 分别 为补偿网络 a b 、 b c 、 c a 相间补偿 电纳。补偿变压器对 应于三相系统 a相 电压的补偿侧 电压相量 为 U r ： k U, e J O ，其中 k为补偿变压器的变 比， 为补偿变压器 1 2 1-2 s i n ( 2 0 + ) 1 2 s i n ( 2 0 ) 1_2 s i n ( 2 0 | _ ) 副边对原边的相位差 ， 表示负载侧 a 相 电压相量。 补偿变压器补偿侧三相电压对 中性点电压( 以 a 相电 压为参考相量) 为 口 17 口 U o =U ， U = U r ， =O t ( 4 ) 则线电压为 ， = 一 =( IO l 。 ) = 一 =( 一 a ) U ， ( 5 ) 【 ， = 一 = ( 一1 ) 各相负载电流为 ， = ：L o ( 1一 ) ， 已= 皑 ：y ，6 ( 一 1 ) ( 6 ) 0 = ， ： ( 一1 ) 则线电流为 ， = 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 ) 应用对称分量法求出线电流的对称分量为 r， ， ) ：( + o tI b + o t2 ) 3 ， ) = ( + + ) 3 ( 8 ) 【 ， ， = ( + + ) 3 将式( 7 ) 代入式( 8 ) 中， 得 r， r )= ( +B r 6 + ) ，1 =一 _ ( + B + a B ) ( 9 ) t ,i l ： 0 设负载侧 电流为 、 、 ， 采用对称分量法可 以得到负载侧电流的对称分量为 ， ：( +a +a ) 3 ) ： ( + + ) 3 ( 1 o ) ， 1口 ：( + + ) 3 要实现三相电网的负序和无功综合补偿 ， 则需要 使得补偿网络正序 电流相量 的虚部乘 以变 比 k后与 负载侧正序 电流相量 的虚部大小相等、 方 向相反， 负 载侧的负序 电流相量乘 以 后与补偿侧的负序 电 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 ) 将式( 9 ) 代人式( 1 1 ) 中， 求得补偿电纳为 。 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电 力 技 术 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 负序无功综合补偿方法的改进 快速响应电网的无功需求 ， 实时进行跟踪补偿是 改善电能质量的必要 。但补偿决不能造成过补偿 ， 否 则将造成无功倒送 、 有功损耗增大。本节在三相不平 衡负荷补偿原理 的基础之上进行改进 ， 使得补偿后 的 功率因数略小 于 1 ， 有效防止 了无功功率 的过补偿。 现改进使补偿之后功率 因数在 0 9 8 ， 1 之 间， 此时 式( 1 1 ) 中的第一个式子相应变成 I m I ) + ) R e ， ) + ， l口 ) =、 A ( 1 4 ) 设 = A= 7 ，则有 I m ， ) +， r ) n e ， ) + ， lu ) ： ， 展开后得 I m 1 ， ) _ 一 y R e ， = 一 ( I m 1 j 一 R e ， ) ) ( 1 5 ) 结合式( 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 控制策略选择 (16) 利 用 S V C对 不 平衡 负荷 进 行 补 偿 时 ， 快 速性 是 一 个重要 的目标。为了满足快速性的要求 ， 采用开环 控制是一个可行方案 ， 但 由于模型的精度存在误差 ， 所 以在功率因数补偿 方面的精度难 以达到要求。为 了提高控制系统的整体性能 ， 可采用 闭环 的方式 ， 闭 环控制虽然保证了补偿 的精度 ， 并且通过合理设计数 字 P I D控制器的参数 、 K 、 并在系统运行过程 中 在线调整 ， 提高系统的 自适应性 ， 整体上提 高了系统 的稳定性 、 准确性。但 与开环相 比降低 了补偿 的速 度 。所 以为了保证 它们共 同的优点 ， 采用 了局 部开 环 、 整体闭环的方法 。其控制原理如图 3所示。 4 仿真分析 4 1 仿 真建 模 仿真模型主要包括电源 、 负荷 、 补偿 电纳计算模 型 、 触发角计算模型 、 触发脉冲发生模型 、 晶闸管投切 电抗器模型 、 控制器模型 、 R L C滤波器模型。系统仿 真模型如 图4所示 。 4 2 仿 真 结果分 析 利用上述模型在以下条件下进行仿真 ： 不平衡系 统线 电压 U =1 0 k V， 三相不对称负荷 为星型连接 ， 补偿装置 T C R在 0 0 4 S投入运行 。仿 真结 果如 图 5 、 图 6 、 图 7所示。本系统采用 固定滤波器进行谐波 的滤除。 由图 5 、 图 6可 以看 出 ， 由于滤波 器 中固定 电容 的存在 ， 在 0 0 4 S T C R投入 时， 电压 和电流突增 ， 在 一 个周期( 2 0 m s ) 时间内电流三相基本被补偿平衡 。 由图 7可知 ， 在一个周波 以后 电流电压相位差 已经很 小 ， 在大约 23个周波后相位差基本为 0 。故而达 到了对不平衡负荷及无功的补偿效果 。 5 总 结 图 3局部 开环、 整体 闭环控 制原理图 第 3 3 卷第3期 2 0 1 0年 6月 四 川 电 力 技 术 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 将 以上理论结合现场情况 ， 可以看 出， 因线路空 载时一次 电流很小 ， 将会使计量用 电流互感器相角误 差朝正方 向发展 ， 且值较大 ， 这是造成 电表反计的主 要原因。 r V二次回路过长 ， 会使其二次压降增大 ， 二 次压降引起的二次电压相角误差也会引起计量表端 电压相位的偏差 ， 以上 2点原因的合成相 角误差 ， 最 终造成了电表端电流超前电压超过 9 0 。 ， 导致有功电 能表将电量计于反 向。 综合 以上分 析 ， 计算 反 向有功 功率。由于 T A、 T V及 T V二次 回路压 降对 电能表 电流 、 电压相位 的 影响， 使该线路一次侧有功功率与表计所计二次功率 不一致 。结合图 1及公式 1 对 该线 路在热备用时三 相四线多功能电能表有功功率表达式进行推导 ： 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 ) 由于此时电流超前 电压 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 结论与建议 4 1 结论 输电线路空载热备用运行时 ， 由于线路对地及相 间分布电容引起的容性充电电流是客观存在的， 电容 电流的大小与线路长度成正 比， 又因电流互感器 、 电 压互感器及电压互感器二次回路对 电能表 电流 、 电压 相位的影响 ， 会造成合闸侧电能表有功计量 ， 计量的 正向或反 向与相位差相关。 当线路带负载运行 时， 由于线路两端均合 闸， 与 负荷 电流相 比， 电容电流 占的 比例很小 ， 并同时向两 端流人 ， 通过电流互 感器感应 到二 次侧 ， 分别记入两 端的电能表中。空载热备用状态下 ， 线路只有容性充 电电流 ， 流人合闸一侧 ， 有功电能表计量 ， 引起了计量 争议。 针对于不存在的 3 5 k V及以上专线供电用户 ， 电 能表反向的有功电量会使部分客户误解 ， 部分客户会 以此为依据要 求供 电企业退还该 部分 电量 电费 ( 若 按举例的这条专线计算 ， 按现行的平水期 、 平段大工 业电价计算， 这部分电量电费将达数万元) 。但产生 该部分损耗 电量的原因是 因为客户 方需要保证双电 源供电的要求 所造成的 ， 所 以这部分 “ 反 向” 电量 供 电企业无义务来承担。 4 2建议解 决的办法 要减小有功 电能计量必须减小合成相位差 ， 通过 配置 0 2 S级电流互感器减小小电流情况下相位误差 值 ， 同时减小 T V二 次回路 负载， 提高二次负载功 率 因数也能减小相位差 。 对于 3 5 k V及 以上 的专 线 用户 ( 不 含 上 网用 户) ， 建议采取技 术手段 ， 屏蔽 多功能 电表反 向有功 电量记录 ， 避免误抄后带来的争议 。 对于 3 5 k V及以上线路 中的关 口表及有并 网电 厂的专线客户， 建议电力调度部 门及线路两侧供用 电 双方变电站运行人员 ， 记录好线路空载热备用运行时 的起止电量 、 功率因数 、 时间等相关数据 ， 并在电量结 算 时将这部分电量剔除。 参考文献 1 赵修 民 测量用互感器 M 北京 ： 机械工业出版社， 1 98 6 2 钟新华 配电网电容电流估算公式的修正 J 供用电， 2 0 0 4 ， ( 1 ) ： 3 23 4 3 伍叶凯， 邹车霞 电容 电流对差动保护的影响及补偿