基于SVG的配电网三相不平衡治理研究

高俊青+屠永伟+闫立伟+王丽芳+孙亮

摘 要：针对各种不平衡负荷大量接入电力系统，导致系统三相电流不平衡问题，对现有的解决措施进行分析，提出了采用静止无功发生器SVG平衡三相电流的方法，介绍了SVG的控制结构以及工作原理，并搭建试验平台进行仿真试验，结果表明，该装置具有良好的动态平衡性能，且同时补偿无功，提高功率因数，极大提高了电能质量。

关键词：三相不平衡；静止无功发生器；电能质量；无功补偿

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.163

1 引言

三相不平衡和无功功率补偿问题越来越得到国内外的重视，有效解决三相不平衡问题，将对电力系统电能质量综合治理问题具有重要的意义。自20世纪80年代以来，我国对以晶闸管控制的SVC投入了大量研发力量。SVC虽然能对系统无功进行有效的补偿，但是由于换流元件关断不可控，因而容易产生较大的谐波电流，对公用电网会产生二次污染，而且其对电网电压波动的调节能力不够理想，调节范围受限。所以目前仍需要更加完善的无功补偿设备应用于电力系统。针对这个问题，本文提出通过SVG治理三相不平衡电流问题，旨在解决配电网三相不平衡问题，降低低压配电网中配电变压器及电网的线损和由于三相不平衡带来的变压器过载运行等问题，延长变压器寿命。

2 问题分析

理想状态的的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电，在三相交流系统中，各项电压和电流的幅值应大小相等、相位对称依次相差120°，但由于系统中的负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障，以及非线性、冲击性和不对称负荷大量接入电力系统等原因，这种理想的状态并不存在。如图1所示，这种单相负载的大量存在，使得各相拥有各自不同的导纳，导致三相电流的不平衡度急剧升高，目前为解决该类问题，常进行人为干预，调整用户分布，但电能的使用具有时序性，使得这种解决方式不能达到理想的效果，而目前我们使用最多的SVC装置，以晶闸管为控制器件，通过时刻改变触发角度来实现补偿的功能，补偿容量有限，并且响应时间较长，不能有效解决由于三相不平衡带来的闪变问题。

本文提出使用以全控器件IGBT为开关器件的静止无功发生器（Static Var Generator -SVG）治理三相不平衡，同时可以实现对无功的补偿，通过补偿无功，使电能最大限度的转换为有功，提高电能的利用率。

3 SVG的控制机制

3.1 SVG的控制结构

对于三相交流电路，单相有功，单相无功。其中为相電压有效值，为相电流有效值，电源侧常采用Y形接线，线电流等于相电流；现将电流分解成有功电流和和无功电流，其中有功电流，无功电流，电流。故：单相线路损耗，其中R是单相线路电阻。由此可见，通过补偿无功电流对减小线路损耗，提高电能利用率具有十分重要的意义。

本文阐述的静止无功发生器，实质上是一个可控的三相桥式变流电路，根据储能元件的不同分为电压控制型和电流控制型，通过电抗器并入电网，以电流检测模块数据为依据，通过时刻改变触发角来控制电抗器以及电容器的量值，间接控制产生的无功电流，将 SVG 所发生的与配电系统适配的无功电流注入配电系统，可使配电系统电源只向干扰性负荷提供有功电流，使三相电流达到基本平衡，同时使无功得到补偿，理想的 SVG补偿无功示意图，包括检测、计算、控制欲补偿的瞬时无功电流的电路和连接至电网的变流器输出电路。从电力系统宏观角度来看，SVG装置处于一个反馈机制中，经过SVG初次平衡的电流成为电流检测模块的第二轮理论数据，进行第二次平衡，彻底解决三相电流的不平衡问题。

3.2 SVG平衡三相电流的控制原理

对于任意不平衡三相负荷，只要通过合理的计算，对电路增加指定量级的电容器或者电抗器，便能够使三相电流得到平衡，SVG通过调整开断角度的方式可以实现对每一相补偿设备的控制，现模拟不同情况探析SVG设备补偿原理。

（1）SVG补偿单相不平衡负荷引起的不对称电流。设一个三相平衡系统，a相上突然增加一个单相负荷Ra，为了方便研究，假设该负荷属于纯阻性负荷，如图2所示；若在b相上添加单相电感，c相上添加单相电容Cc，如图3所示；根据电容、电感的电压电流相位关系可以画出三相电流的相量图如图4所示。

可见对于存在线间负荷的三相不平衡系统，只要通过调控装置，在其余两相之间分别增加适当的感抗、容抗，便可使三相电流达到平衡。假设存在线间负荷，则需在a相与c相之间连接（其中是三相系统的基波频率），b相与 c相之间连接。endprint