楊志強(qiáng)，劉 帥，張鵬宇

(1.國(guó)網(wǎng)徐州供電公司，江蘇 徐州 221200;2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130021)

在配電網(wǎng)中用戶消耗的無功功率占50%～60%，其余無功功率由網(wǎng)絡(luò)本身消耗［1］。無功功率補(bǔ)償可用于解決由于無功功率不足造成的低壓?jiǎn)栴}，同時(shí)還可改善電能質(zhì)量包括電網(wǎng)電壓的閃變、跌落以及由于線路耗損而造成的大量電能損失等問題。動(dòng)態(tài)無功功率的控制可以提高線路的輸送能力，如果在負(fù)載側(cè)補(bǔ)償，原有線路的輸送能力可以增加50%，使得同樣的功率輸送更遠(yuǎn)的距離。傳統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償方案，通常是站內(nèi)補(bǔ)償、柱上補(bǔ)償或隨設(shè)備就地補(bǔ)償，在變電站內(nèi)、配電線路上或者某個(gè)特定設(shè)備附近，按規(guī)定容量裝設(shè)無功功率補(bǔ)償設(shè)備。這些補(bǔ)償方式，與大多終端用戶存在距離，對(duì)這些用戶線路上的無功功率，起不到補(bǔ)償作用。合理有效的無功功率補(bǔ)償可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了減少無功功率在網(wǎng)絡(luò)中的輸送，盡可能地實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，就地平衡，可以由電力部門和用戶側(cè)配合，應(yīng)用無功功率補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)無功功率的就地治理［2］。按照無功功率就地補(bǔ)償原則，可以考慮在用戶側(cè)設(shè)置無功功率補(bǔ)償設(shè)備，減少用戶側(cè)無功功率在線路上的流通，最大限度地降低無功功率不足造成的線路損耗和電壓降低。

1 配電網(wǎng)負(fù)荷特點(diǎn)

在配電網(wǎng)中，電力負(fù)荷用戶具有分散性和隨意性的特點(diǎn)?，F(xiàn)代配電網(wǎng)由于用電負(fù)荷日趨復(fù)雜化和多樣化，電力電子裝置、變頻調(diào)速裝置、時(shí)變控制的非線性設(shè)備、沖擊、非線性及不平衡負(fù)荷的廣泛使用，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生更多的諧波電流、負(fù)序電流和無功功率電流，導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，對(duì)電網(wǎng)和用戶都造成很大的影響。

在居民型負(fù)荷配電網(wǎng)中，由于城市改造及設(shè)備老化等多種因素的作用，使得在一些城市老舊小區(qū)內(nèi)存在配電線路過長(zhǎng)、配電終端用戶過多、負(fù)荷不平衡及某些地區(qū)無功功率補(bǔ)償裝置無法安裝等問題，該類負(fù)荷的末端低電壓?jiǎn)栴}很難通過配變側(cè)低電壓治理措施解決，影響了居民的用電質(zhì)量，增加了電力損耗，降低了輸配電效益。

DL/T 1053—2017《電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》中明確規(guī)定，380 V用戶受電端供電電壓允許偏差值為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的±7%，220 V用戶受電端供電電壓允許偏差值為系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的－10%～+7%［3］。而在實(shí)際工作中，老舊小區(qū)的配電終端用戶電壓偏差值往往高于此規(guī)定，因此需要根據(jù)不同供電區(qū)域的特點(diǎn)，綜合考慮電壓合格率指標(biāo)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，針對(duì)用戶端電能質(zhì)量的改善需求，研究本地區(qū)的用戶電壓質(zhì)量現(xiàn)狀，針對(duì)本地區(qū)的用戶負(fù)荷特點(diǎn)，研究在配電網(wǎng)低壓用戶端應(yīng)用的電壓質(zhì)量改善方案。

2 配電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

2.1 理論依據(jù)

基于瞬時(shí)無功功率理論及脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制理論，研究?jī)?nèi)容為電網(wǎng)無功功率電流的提取以及電網(wǎng)無功功率電流就地補(bǔ)償兩部分。

2.1.1 單相鎖相環(huán)技術(shù)

在單相無功功率補(bǔ)償裝置(DPVG)中，為實(shí)現(xiàn)其電網(wǎng)側(cè)有功、無功功率控制，需要?jiǎng)討B(tài)獲取電網(wǎng)電壓的相位信息，要求采用鎖相環(huán)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相［4］。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓相位的實(shí)時(shí)獲取，采用基于虛擬兩相正交變量的單相鎖相環(huán)技術(shù)，能夠以最快的速度跟蹤電壓相位的變化，為提取電網(wǎng)電流中的無功功率分量和DPVG的順利并網(wǎng)提供條件。

通過電壓互感器實(shí)時(shí)采樣電網(wǎng)電壓(以單相A相為例)，利用控制系統(tǒng)中的90°延遲函數(shù)產(chǎn)生與輸入電網(wǎng)電壓信號(hào)Uβ相差90°的電壓信號(hào)Uα，并構(gòu)成靜止正交坐標(biāo)系，再通過派克變換(PARK)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的虛擬電壓矢量的d、q分量，當(dāng)通過PID閉環(huán)控制使Uq=0時(shí)，輸入信號(hào)得以鎖相。

2.1.2 無功功率電流的快速跟蹤

在軟件控制系統(tǒng)中采用雙中斷機(jī)制，每個(gè)中斷頻率為7.5 kHz，通過在中斷中調(diào)用同一個(gè)控制函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)15 kHz的采樣及計(jì)算頻率，從而使絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的開關(guān)頻率達(dá)到了15 kHz。高開關(guān)頻率同時(shí)減少了輸出電壓諧波分量以及輸出濾波電感和輸出濾波電容的體積，從而減小了設(shè)備的體積。

2.1.3 電網(wǎng)電流中無功功率電流的提取

通過負(fù)載電流互感器實(shí)時(shí)采樣電網(wǎng)負(fù)載側(cè)電流(以單相A相為例)，利用控制系統(tǒng)中的90°延遲函數(shù)產(chǎn)生與電網(wǎng)電流信號(hào)Iβ相差90°的電流信號(hào)Iα，構(gòu)成靜止正交坐標(biāo)系，利用電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)中得出的相位信息，再通過PARK變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的虛擬電流矢量的d、q分量。當(dāng)電流矢量的q分量經(jīng)過二階濾波器之后即可得出電網(wǎng)電流中的無功功率電流分量Iq電網(wǎng)電流無功功率電流檢測(cè)示意圖見圖1。

3 配電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償?shù)难b置設(shè)計(jì)

圖1 電網(wǎng)電流無功功率電流檢測(cè)示意圖

3.1 無功功率補(bǔ)償設(shè)備配置方案

分布式補(bǔ)償設(shè)備每臺(tái)容量為5 kvar，可以并聯(lián)在供電系統(tǒng)中用戶終端處，采用壁掛的方式?，F(xiàn)場(chǎng)電氣連接示意圖見圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)電氣連接示意圖

圖中:A為電流采樣接入;B為設(shè)備與液晶的線纜;C為單相交流接入;D為顯示器(HMI為人機(jī)交互界面);E為低壓電力線路;F為電流互感器;G為空氣斷路器;L為火線;N為零線;PE為地線。

3.2 無功功率補(bǔ)償設(shè)備控制方案

采用IGBT組成單相橋式電路，經(jīng)過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過直接控制其交流側(cè)電流，使之迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。DPVG主電路原理圖見圖3。圖中虛線框內(nèi)為DPVG裝置;Is為裝置并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)的電流;Ic為DPVG裝置輸出的補(bǔ)償電流;If為裝置并網(wǎng)點(diǎn)負(fù)荷側(cè)電流。V1～V4為DPVG裝置主電路的斷路器IGBT器件;Udc為DPVG裝置主電路儲(chǔ)能電容C兩端的直流電壓。

主電路中電流Is、Ic、If之間的關(guān)系見式(1):

圖3 DPVG主電路原理圖

式中:Ifq為負(fù)載電流中的無功功率分量;Ifd為負(fù)載電流中的有功功率電流分量。DPVG通過負(fù)載側(cè)電流互感器實(shí)時(shí)采集電網(wǎng)負(fù)載側(cè)電流(If)信號(hào)，通過內(nèi)部檢測(cè)電路分離出其中的無功功率電流分量(Ifq)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，通過IGBT功率變換器產(chǎn)生與電網(wǎng)中無功功率電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流(Ic)，即:

補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流如下式所示:

由上式可見，電網(wǎng)電流中無功功率電流分量得到最大補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償無功功率電流、提高功率因數(shù)的功能。

DPVG軟件控制系統(tǒng)原理圖見圖4?？刂葡到y(tǒng)中，給定母線電壓與實(shí)測(cè)母線電壓udc相比較，經(jīng)過電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器，輸出交流電流d軸指令信號(hào)。根據(jù)不同的調(diào)節(jié)目標(biāo)(調(diào)節(jié)功率因數(shù)、自動(dòng)補(bǔ)償無功等)設(shè)定交流電流q軸指令信號(hào)i*q。交流電流d軸、q軸指令信號(hào)與DPVG輸出交流電流d軸、q軸實(shí)測(cè)值相比較后，經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出，再經(jīng)過前饋解耦控制算法得出期望的單相交流側(cè)電壓d軸、q軸分量ud、uq。最后通過三相二相變換(Clarke)反變換和變頻器的正玄波脈寬調(diào)制(SPWM)算法生成4路占空比驅(qū)動(dòng)IGBT動(dòng)作［5］。

3.3 配電網(wǎng)終端低壓用戶就地?zé)o功功率補(bǔ)償裝置的研制

分布式高滲透無功功率補(bǔ)償裝置采用先進(jìn)電力電子技術(shù)，以IGBT功率器件為主要核心部件，并聯(lián)于配電網(wǎng)低壓側(cè)，主要用于優(yōu)化城鄉(xiāng)配電網(wǎng)各臺(tái)區(qū)的供電質(zhì)量，能有效解決小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低的問題。該產(chǎn)品通過直接控制DPVG的輸出電流，使其迅速吸收或者發(fā)出所需的無功功率，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。具分布式安裝、靈活配置的特點(diǎn)。設(shè)備功能見表1。

4 配電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償裝置應(yīng)用

以國(guó)網(wǎng)徐州供電公司睢寧縣供電公司某臺(tái)區(qū)為例分析兩種無功功率補(bǔ)償方式，一種是集中補(bǔ)償，一種是分布式補(bǔ)償。該臺(tái)區(qū)總共有18個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，配電變壓器為S11－500型，容量為500 kVA，負(fù)荷節(jié)點(diǎn)有功功率和無功功率見表2。

圖4 DPVG軟件控制系統(tǒng)原理圖

表1 裝置功能

表2 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)有功功率和無功功率

以配電變壓器高壓側(cè)節(jié)點(diǎn)為平衡節(jié)點(diǎn)，集中補(bǔ)償大概為100～200 kvar，只選用100 kvar作為補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘?，由潮流?jì)算可知 4、5、6、7、8、9 節(jié)點(diǎn)電壓偏低，所以選擇這6個(gè)點(diǎn)安裝就地?zé)o功功率補(bǔ)償裝置，各個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)容量近似為 19、23、20、9、13、16 kvar;補(bǔ)償之后經(jīng)過對(duì)比，在補(bǔ)償相同容量的情況下，安裝分布式高滲透無功功率補(bǔ)償設(shè)備，18個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有出現(xiàn)低電壓，而集中補(bǔ)償?shù)?、5、6三個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)低電壓。

通過安裝分布式高滲透無功功率補(bǔ)償裝置，有效提升了居民端電壓合格率;降低低壓供電半徑300 m范圍內(nèi)出現(xiàn)低電壓的概率，提高了配電網(wǎng)中電力變壓器的利用率，有效解決了小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低的問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

分布式高滲透無功功率補(bǔ)償裝置的使用，有效解決了小區(qū)域配電網(wǎng)側(cè)線路損耗大、功率因數(shù)偏低及用戶末端電壓低的問題，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載側(cè)無功功率就地補(bǔ)償?shù)墓δ埽芎玫馗纳屏穗娔苜|(zhì)量，在提高供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)保障了安全可靠性和穩(wěn)定性，且操作簡(jiǎn)單易被大眾接受，具有很大的研究意義及推廣價(jià)值。