三相不平衡调节及无功补偿装置

1、三相不平衡调节及无功补偿装置 杨嘉文1概 述在中 、 低压配电网系统中, 存在着大量的单相, 不对称 、 非线性, 冲击性负荷, 三相负荷系统是随机变化的, 这些负荷会使配电系统产生三相不平衡, 三相负荷不平衡会导致供电系统三相电压 、 电流的不平衡, 引起电网负序电压和负序电流, 影响供电质量, 进而增加线路损耗, 降低供电可靠性 。 因此电力变压器运行规程规定, Y/Y0变压器的中线电流不能超过额定电流的25%。 由以上可知对负荷不平衡 、 无功短缺进行补偿对配电网来说有很大的实用价值, 它可以降低线损, 提高电能质量, 增加配电网的可靠性 。由于负荷分配不均, 负荷性质也不一致, 造成低

2、压供电系统无功不足, 负荷不平衡 。 尤其是经济水平较为发达的地区表现更为明显 。 无功不足 、 负荷不平衡这两个问题已成为配电系统的两大难题 。 针对无功不足的问题, 国内解决的办法是:合理配置低压无功补偿电容器, 其补偿的原则多数是共补与分补相结合, 并采取可控硅投切 、 接触器运行的技术模式并附加电压质量监测系统, 其采取手段多是通过远红外或 GPRS 通讯系统去实现 。 目前这项技术已基本成熟, 但它没有考虑到如何去改善配电低压系统三相不平衡的情况, 投切不当时, 反而增加不平衡的情况 。 因此, 三相不平衡的问题已成为当前配电系统亟待解决的问题, 也是配电系统的技术空白 。2项目的实

3、施的意义低压配电网是电力系统的末端, 低压配电网采用三相四线制方式, 配电变压器低压侧采用 Yn0接线, 电网的不平衡会增加线路及变压器的损耗, 降低变压器的出力, 影响电网的供电质量, 甚至会影响电能表的精度, 造成计量系统计费损失, 由于三相负荷不平衡造成中线电流增大,会降低供电系统的可靠性, 影响配电系统的安全运行 。2.1中线电流带来的变压器损耗Y/Yn0接线的配电变压器采用三铁心柱结构,其一次侧无零序电流, 二次侧有零序电流, 因此二次侧的零序电流完全是励磁电流, 产生的零序磁通不能在铁心中闭合, 需通过油箱壁闭合, 从而在铁箱等附件中发热产生铁损 。Y/Yn0接线变压器的零序电阻比

4、正序电阻大得多,变压器的零序电阻可实测得到, 315kVA 变压器的零序电阻是正序电阻的 10多倍, 因此零序电流产生的附加铁损较大 。在不计零序回路损耗的情况下, 配电变压器三相不平衡运行时三相绕组的总损耗 (单位为 kW 可计算为:P f1 =(I 2a+I 2b+I 2cR 1×10-3式中:I a 、 I b 、 I c 为三相负荷电流; R1为变压器二次侧绕组电阻 。三相平衡时每相绕阻电流为(I ·a+I ·b+I ·c/3, 三相绕组总损耗为:Pf2=3(Ia+Ib+Ic/32R1×10-3。三相不平衡时带来的附加损耗为: Pf=P

5、f1-Pf2=(Ia-Ib2+(Ia-Ic2+(Ib-I c 2/I I3·R 1×10-3设某变压器绕阻的电阻为 R, 三相总电流为 300A如补偿前的电流分别为:I a =50A, I b =100A, I c =150A, 则:总铜损 =50×50×R+100×100×R+150×150×R=35000R 经过补偿后:I a =I b =I c =100A总铜损 =3×100×100×R=30000R不 平 衡 系 统 与 平 衡 系 统 的 降 损 比 例 为 (35000-3

6、0000 /30000=17%。并且不平衡比例越大, 铜损的增加幅度越大, 甚至可到达 几倍 。2.2中线电流造成的电压偏移由于 Y/Yn0接线的变压器一次侧没有零序电流, 二次侧有 零序电流, 因此二次侧的零序电流完全是励磁电流, 产生的零 序磁通重叠在主磁通上, 感应出零序电动势, 造成中性点电压 偏移, 负荷重的相电压降低, 负荷轻的相电压上升 。 严重时会影 响变压器的正常运行, 如熔丝熔断, 零线过热烧断等 。由上述分析可知, Y/Yn0接线方式的配电变压器不平衡运 行带来的损耗与电压偏移是很大的, 如对变压器的三相不平衡 进行补偿, 同时又补偿无功, 则既可以节能, 又可以提高电能

7、质 量 。因此, 国标 GB/T15543-1995 电能质量三相电压允许不 平衡度 对不平衡做出了规定 。 电力变压器运行规程 也规定, Y/Yn0接线的配电变压器,中线电流不能超过额定电流的 25%, 超过这一标准应调整负荷, 但负荷是实时变化的, 人工调 整负荷是不及时的 。 本装置在技术上解决了这一难题 。 目前,在中 、 低压配电网中,广泛采用静止无功补偿器 (SVC 进行补偿 。 供电点三相电压的不平衡是由于三相不平衡 电流在输电线路上引起的电压降不同而产生的 。 在三相四线制 的低压配电网中, 三相不平衡电流可分解为正序分量 、 负序分 量和零序分量 。 当前, 国内对于三相不平

8、衡补偿的研究, 都局限 于三相三线制的中压配电网, 采用三角形的电纳网络, 补偿负 序电流和谐波电流, 而对于三相四线制的低压配电网中的零序 电流分量的补偿, 均未采取有效的补偿措施 。 因此, 本装置采用 一种新的三相四线制的低压配电网中的三相不平衡负荷的补 偿策略和与之配套的补偿网络的结构, 采用多组 和 Y 型补偿 网络元件, 其调整策略是作为三相不平调节元件同时也是无功 补偿元件的一部分, 达到元件利用率最大化的目的, 在调节过 程中, 先采用指标平衡补偿方案, 建立最小化目标, 即功率因摘 要:本文阐述了配电系统三相不平衡调节及无功补偿原理 。 利用该原理可有效地调节低压配电网中的三

9、相不平衡负荷及对功率因数进行补偿, 使变压器的负荷得到合理的分配 。 并介绍了一种新型无功补偿装置, 该装置与传统的无功补偿装置相比较, 可以使零序电流减少很多, 电压不平衡大幅降低,功率因数提高, 是传统的无功补偿装置升级换代产品 。关键词:三相不平衡调节; 无功补偿; 智能复合开关; 功率因数电力建设 专栏 129广东科技 2008.11. 总第 200期 广东科技 2008.11. 总第 200期数 0.9, 不平衡度 <0.25, 给出一套指标平衡组合补偿网络方案, 以满足电力系统运行指标要求, 再根据剩余补偿元件, 通过网损计算, 以网损最小化为目标, 给出一套网损最小化补偿网

10、络方案, 进行精细调整与补偿 。本装置通过上述方案, 使三相不平衡调节和无功优化满足系统运行指标, 同时达到网络损耗最小化的目的 。 有效地调节低压配电网中的三相不平衡负荷及对功率因数进行补偿 。 使变压器的负荷得到合理的分配 。采用三相不平衡调节及无功补偿装置与传统的无功补偿装置相比较, 传统的无功补偿装置只能补偿无功, 未考虑对三相不平等状态的调整, 三相不平衡调节及无功补偿装置可以使得零序电流减少很多, 电压不平衡大幅降低, 功率因数提高, 网络损耗最小化, 是传统的无功补偿装置升级的换代产品 。3原理分析与理论依据三相不平衡系统可以分解成正序 、 负序 、 零序分量, 而平衡系统只有正

11、序分量, 不存在零序 、 负序分量 。 因此只要将负序 、零序分量补偿掉, 只剩下正序分量, 构成一个平衡的系统 。 补偿技术的难点和关键点是构建目标优化计算系统及补偿网络模型 。 目标一是补偿抵消系统的零序分量和负序分量, 只保留正序分量, 建立一个三相平衡系统 。 二是补偿三相系统的无功分量, 使其 COS ->1。3.1三相不平衡 -无功补偿装置的工作原理补偿网络的结构和基本补偿策略:补偿网络的拓扑结构如图 1所示 。 在图 1中, 由一个三相电压平衡的供电母线向一个星形带中线连接的三相不平衡负荷供电 。 为了供电母线提供的三相线电流相等, 也就是从供电母线的角度来看, 三相负荷是

12、平衡的, 需要引入 SVC 补偿网络如图 1所示 。 SVC 补偿网络由一个三角形连接的 SVC 和一个星形带中线连接的 SVC 构成, 二者相互配合, 可以完成三相不平衡负荷的补偿 。在三相系统中, 跨接在相线与相线之间的电容或电感元件具有转移相间有功功率补偿无功的作用, 由于相间电感或电容元件的电流相量与每相电压相量成 60或 120夹角,可通过一个简单的示例来说明这一原理 。有一单相负荷接于 A 相与零线之间,其电流 IA=100A, 功率因数 cos a=0.85, 其中有功电流为 85A, 无功电流为 53A 。在 A 、 B 相间接入产生 61A 电流的电容器时,相量图如图 2所示

13、, 图中, U ·A 为 A 相电压相量, I ·AB 为接于 A 、 B 相间的电容器电流相量, 超前 A 相电压 120° A 相负荷情况为:无功电流为零, 有功电流为 54A, 有功电流相量与无功电流相量合成的总电流为 54A, A 相有功负荷减少了; B 相负荷的情况为:B 相有功电流为 31A, 无功电流为 53A, 有功电流相量和无功电流相量合成的总电流为 61A 。由图 2可见,通过在 A 、 B 相间跨接一电容器, A 相的有功转移到 B 相一部分, 无功得到补偿, 而接电容器前后 A 相与 B相的有功之和并未改变, 这说明可以在变压器三相之间调整

14、有功, 变压器的三相不平衡也是可以调整 、 补偿的, 同时功率因数 可以得到提高 。采用星角混合接法的电容 、 电抗元件可补偿掉或大大减少 零序电流与负序电流, 使系统转变成基本平衡系统 。3.2补偿不平衡负载实例分析(1 三相不平衡 -无功补偿方法的接线如图 3所示 。 图中, I·a、 I·b、 I·c为负荷电流; I ·ao 、 I ·bo 、 I ·co 为星接补偿元件电流; I ·ab 、 I ·bc 、 I·ca为角接补偿元件电流 。(2 以前面的单相负载为例子来分析, 将其补偿为对配电 变压

15、器来讲是三相平衡系统, 只需在 A 相接 100A 电流的电容 器, C 相接 98A 电流的电容器, AB 相间接 28A 的电容器, BC 相间接 28A 的电抗器, CA 相间接 85A 的电抗器:则 A 相电流为:I AX =I ·A +I ·A0+I ·AB -I ·CA =28.3A;则 B 相电流为:I BX =I ·B +I ·B0+I ·BC -I ·AB =28.3A;则 C 相电流为:I CX =I ·C +I ·C0+I ·CA -I ·BC =28.

16、3A 。每相功率因数接近 1, 三相有功电流之和与补偿前 A 相有 功电流相等 。(3 设 一 配 电 变 压 器 A 相 电 流 I a =100A 、 B 相 电 流 I b =200A 、 C 相电流 I c =300A 、 功率因数 cos a=cos b=co-s c=0.7时, 零序电流 I 0=173A 。根据三相不平衡 -无功补偿方法得到如下数据: I -bo=140A, I co =120A, I ca =110A, I bc =0, I ab=0, I ao =0; A 相补偿后 电流 I ·ax =I ·a +I ·ab -I ·c

17、a +I ·ao, I ax =120A,功率因数为 0.982(见图 5 (a ; B 相 补 偿 后 电 流 I ·bx =I ·b +I ·bc -I ·ab +I ·bo, I bc =0, I ab =0, I bx =140A, 功率因数为 0.9998(见图 5(b ; C 相补偿后电流 I ·cx=I ·c +I ·ca -I ·bc+I ·co, I cx =155A, 功率因数为 0.9999(见图 5(c ; 补偿后零序电流 I 0=45A 。电力建设专栏130

18、广东科技 2008.11. 总第 200期(采用共补 -分补的无功补偿装置将无功全部补偿, 补偿 相量图如图 6所示, 补偿后 A 相电流 I ·ax =I ·a +I ·ao, I ax =70A; 补偿 后 B 相电流 I ·bx =I ·b +I ·bo, I bx =140A;补偿后 C 相电流 I ·cx =I ·c +I ·co, I cx =210A; 补偿后零序电流 I 0=120A 。比较图 5和图 6可见, 三相不平衡 -无功补偿方法与分补-共补方法相比, 零序电流下降很多, 使不平衡

19、系统基本恢复 到平衡 。从以上可以看出三相不平衡调节与无功补偿方法是将负 荷较均匀地分配到三相上去, 但三相有功负荷之和等于未补偿 前的有功负荷之和, 而零序电流大为减少, 大大地降低了零序 损耗及中性点电位偏移 。4三相不平衡调节及无功补偿装置技术说明4.1装置结构说明BT-06三相不平衡调节及无功补偿装置组成原理如图, 包 括 3个主要组成部分:智能复合开关组, 补偿电容器组, 微机控 制器 。图中 YB-801为主控制器, 复合开关分为单相组复合开关和三相组复合开关两种, 单相组复合开关又分为相间补偿复合 开关和相地补偿复合开关 。 主控器与各复合开关之间采用 485通信, 各复合开关采用 +12V 供电 。 电容器分为单相电容器和 三相电容器两种, 三相电容器用三相组复合开关控制, 单相电 容器分别由相间型和相地型复合开关控制 。主控器分析用户側 UA, UB, UC 三相相电压和 IA, IB, IC, 各相电流 。 并形成主控器工作判断所必要的参量 。 计算出需补 偿的电容器组容量, 给出补偿方案, 控制复合开关对电容器组 进行投切 。4.2智能复合开关智能复合开关是本装置的主要部件之