电能质量综合优化装置在低压配网系统的应用

陈苏海，李亚峰，杨现立，江 波，刘世江

（中国石油新疆油田公司 新港公司，克拉玛依834000）

随着国家经济快速发展，用电量持续高位增长，而配网建设相对滞后，负载的复杂化和智能化造成低压配网系统电能质量问题更加突出。近几次的配网改造，在解决“用上电”问题的同时，不断向“用好电”的方向发展。而影响到“用好电”的电能质量问题主要有：无功、谐波以及三相不平衡等。

随着国家对节能的要求以及民众对用电可靠性的要求不断提高，需要对电力配网中存在的电能质量问题进行更加深入的分析并加以治理。

1 低压配网系统存在的问题

在低压配网系统中，①无功问题 造成系统功率因数低，影响变压器出力，系统效率降低，损耗增大；②谐波问题 会使电能的生产、传输和利用的效率降低，造成用电设备过热、产生振动和噪声、误动作，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；③三相不平衡问题 很早就被提出来，在低压三相四线制的城市居民和农网供电系统中，由于用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用，负荷的大小不同，用电时间的不同，导致低压供电系统三相负载长期性不平衡，不仅增加了线路及变压器的铜损，还会增加变压器的铁损，降低变压器的出力甚至会影响变压器的安全运行。

一直以来，针对无功和谐波，主要采用传统电容电抗无源补偿元件，存在可靠性差、级差大，没有感性无功补偿能力和抑制谐波能力等问题，功率因数和谐波问题不能很好解决。而配电网中解决三相不平衡问题主要依靠人为经验，工作人员通过观测台区变压器出线端三相电流大小来判断不平衡电流，然而中性线电流往往被忽视，造成了较大的电能损失。因此传统的补偿治理方式已不能完全解决配网系统的电能质量问题。在此，采用电能质量综合优化装置，依靠先进的电力电子电能质量治理技术，有效地解决低压配网系统中的三相功率不平衡、无功以及谐波等问题。

2 理论分析和仿真

由于配电网中功率的不平衡是由于负载电流中的负序分量和零序分量叠加在正序分量上造成的。为了使功率平衡，就要把这些不平衡分量从总电流中提取出来。首先利用对称分量法，将测量的三相负载电流由相分量变换为序分量，得到需要补偿的负序分量电流和零序分量电流的值[1-2]。

2.1 三相不平衡治理控制计算

在所述的设备工作原理中，通过三相有功分量，计算三相电流正序、负序、零序分量的理论方法如下：

设A，B，C 三相的电流向量值为IA，IB，IC；各相正序、负序、零序分量分别为

零序

A0，B0＝A0，C0＝A0

正序

A1，B1＝α2A1，C1＝αA1

负序

A2，B2＝αA2，C2＝α2A2

其中，α 为对称分量运算子（模为1，幅角为120°的复数）。

依据对称分量法，可以确定三相电流和各相的正序、负序、零序分量之间存在的关系为（以A 相为例）

分别表示为

求得A 相正序、负序、零序电流值后，利用对称分量法，可以直接导出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，已知各相电流的幅值及相角，即可用程序求出各相正序、负序及零序分量。

使用各相电流负序、零序分量，即可还原出治理三相不平衡问题，各相电流需量的理论依据如下（以A 相为例）：

引用式（2）—式（4），则

即A 相电流向量可由A 相的正序、负序及零序分量相加得到。因此，为达到三相电流平衡，只要消除各相电流的零序及负序分量即可。

电能质量综合优化装置，采用先进的电力电子技术，通过智能化控制方式，自动平衡三相功率（包括平衡有功功率及无功功率），同时消除中性线的基波电流以及零序谐波电流，从而解决电力配网的三相不平衡问题、无功消耗大、功率因数低问题，同时实现降低线路损耗，提高输电能力，提高电网的可靠性。在实施上主要通过在台区变压器低压配电网配电线路上安装电能质量综合优化装置，优化配电网络三相功率平衡，补偿无功，提高功率因数，消除零线电流，起到降低线路损耗以及提高配电网络可靠性的目标。

电能质量综合优化装置主电路电路拓扑如图1所示。

图1 主电路电路拓扑及电流调度Fig.1 Main circuit topology and current scheduling

2.2 补偿无功

补偿负载无功电流时的等效电路如图2所示。图中，下标p和q 分别表示有功分量、无功分量；Zs为系统阻抗；ZL为等效负载；icq为将电能质量综合优化装置等效电流源模型；us为电网源。

图2 补偿无功和负序的等效原理Fig.2 Equivalent principle of compensating reactive power and negative sequence

2.3 滤除谐波

电能质量综合优化装置补偿负载零序电流成分的等效电路如图3所示[3]。图中，下标f和h 分别表示基波零序成分、谐波零序成分；ich为将电能质量综合优化装置等效补偿谐波零序的电流源模型；iLh为负载谐波零序等效电流源；ush为电网谐波电压源；usf为电网基波电压源。

图3 补偿零序电流时的等效原理Fig.3 Equivalent principle for compensating zero sequence current

2.4 仿真验证

在此通过仿真来验证补偿无功以及三相电流不平衡补偿的效果。

负荷使用单相电阻负荷。0．1 s 时负荷开始运行，0．2 s 时电能质量综合优化装置开始工作，0．2～0．3 s 时补偿负序电流，0．3 s 时开始负序、零序全补偿。其网侧各相、线电流波形如图4所示。

图4 仿真电流波形Fig.4 Simulated current waveform

由图4 仿真可见，在投入电能质量综合优化装置之前，负载三相电流不平衡，三相电流相位不再呈现互差120°，而且N 线电流大；电能质量综合优化装置投入运行以后，三相电流平衡，而且三相电流相位互差120°，消除了N 线电流，有效地解决了电力配网三相不平衡的问题。

3 应用案例

新港公司软化水站低压配电室1 号变压器一直存在三相不平衡、无功、谐波问题，传统的补偿方法难以有效地解决。为此，在低压负载侧安装了1台ZTDZB-X-C100/0．4-4L 型和1 台ZTDZB-X-C50/0．4-4L 型电能质量综合优化装置，这2 台优化装置并联运行，取得了很好的补偿效果。电参数测点选在低压配电室总进线端。设备投运前后的数据对比见表1。具体投用前后的配电网波形如图5所示。

由表1 可知，平均运行电流由309．82 A 下降到301．78 A，降低了2．6%；功率因数由0．9623 上升到0．9956；电流总谐波畸变率由26．25%下降到5．97%；电压总谐波畸变率由5．82%降至2．86%。

表1 优化装置投运前后数据的对比Tab.1 Comparison of data before and after using optimization device

图5 优化装置投用前后配电网的波形Fig.5 Distribution network waveform before and after using optimization device

4 结语

通过仿真分析以及实际应用案例，采用电能质量综合优化装置，对于配网电能质量问题的治理效果良好，能够有效地改善配网系统存在的无功、谐波、三相不平衡等问题，取得良好的社会效益和经济效益。