采用SVG技术治理三相电压不平衡

吴昌汉 端木君 冀 杰 李雨桐

1.西气东输管道公司，上海 200122；2.西南石油大学研究生院，四川 成都 610500

0 前言

相电压不平衡度是衡量电网电能质量的一个重要指标。随着人们对电能质量要求的提高,电压不平衡问题越来越被关注。国家技术监督局颁布的GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》对电压不平衡度的定义、最大允许值等做了明确规定，电力系统公共连接点电压不平衡度正常时不超过2%［1］。

西气东输某压气站建有1座35/6 kV 2×10MVA变电所，主要负荷为5台2 000 kW电机驱动往复式压缩机（4用1备，软启动、工频运行）、2台GE燃机驱动压缩机。该站至投产以来，频繁出现机组故障报警停机，仅2010年就达54次；特别是往复式压缩机电机轴承振动超高，导致电机轴承损坏及轴裂纹，致使电机返厂大修4次。经查询故障历史记录和在线监测，发现造成故障的主要原因是35 kV电源波动、间歇性的三相电压不平衡度超标。为消除安全生产隐患，在该站采用了SVG（Static Vvar Generator）技术对电源进行动态补偿，取得了良好效果。

1 电能质量问题

为准确了解现场故障原因及发生故障时母线的电能质量情况，对该站35 kV、6 kV母线进行2个多月的连续在线监测，测试使用FLUKE1760型谐波分析仪，采样时间不小于8个工作循环。图1～3分别为电机振动报警时三相不平衡度曲线、三相电压曲线和三相电流曲线。

图1 系统故障时三相不平衡度曲线

现场测试情况表明电源三相电压不平衡度最大值为3.45%，超过GB/T 15543-2008《电能质量 三相电压不平衡》国标限值2%的规定。经与当地供电部门沟通，确认主要原因是由于上级电源110 kV侧母线上有铁路牵引变电所负载，造成35 kV间歇性的三相电压不平衡度超标，3次谐波大，引起往复式压缩机出现电机轴承振动高报警。

电气化铁路牵引采用单相工频交流供电，负载为非线性和冲击性，会向电网注入大量负序电流，导致电网三相电压不平衡，威胁电网内设备的安全运行［2］。

图2 系统故障时三相电压曲线

图3 系统故障时三相电流曲线

2 三相电压不平衡的危害

三相电压不平衡对用电设备会产生的危害［3］：保护及安全自动装置动作，中断正常生产；损耗增大、效率下降；电机振动；电气设备和线路发热甚至烧毁；加速设备绝缘老化，缩短使用寿命；噪声增大；干扰通信信号等。

3 电能质量治理方案

3.1 方案比选

最理想的方案是在污染源头——铁路牵引变电站进行治理，但受供电、铁路部门的制约，只能进行用户侧治理。根据目前国内外电能质量设备的具体发展情况，可采用三种电能质量治理设备：动态电压恢复器DVR（Dynamic VoltageRestorer）、静止无功补偿器SVC（StaticVar Compensator）、静止无功发生器SVG（StaticVar Generator）［4］。

3.1.1 动态电压恢复器DVR

DVR是一种采用电力电子技术实现的电压补偿装置，能够对谐波、闪变、不对称等多种电压电能质量问题进行治理。DVR能在输电线路和敏感负荷之间插入一个任意幅值、相位和形状的电压波形，可以根据网侧电压的需要，改变其发出的波形，使敏感负荷的供电电压恢复到理想水平，保障用户端的供电质量。

3.1.2 静止无功补偿器SVC

SVC是一种静止的并联无功发生或者吸收装置，通过控制与电抗器或电容器串联的晶闸管导通角来调节系统无功功率输出，达到控制电力系统特定参数（通常是母线电压）的目的。

3.1.3 静止无功发生器SVG

SVG是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装置，主要由储能装置、逆变器、无源滤波器、电抗器等组成。SVG可等效为一个可控电压源，通过调节电压源电压幅值和相位，调节流过连接电抗的电流大小和相位，从而控制从电网吸收或发送无功功率大小。SVG可以对系统的谐波、不平衡等电能质量问题进行多功能综合补偿，实现有源滤波的功能。

3.1.4 补偿方案比较

本项目主要解决供电侧三相电压不平衡的问题，DVR、SVC、SVG三者都可以实现电能质量治理目的。DVR串联在线路上，对电压的控制最直接，效果也最明显，但由于此产品尚处研究阶段。本文主要针对SVC和SVG两种方案主要特点进行比较［5］，见表1。

由表1可以看出，SVG具有显著优势，考虑到压气站若采用SVC需要重新征地的实际情况，推荐使用SVG。

3.2 SVG方案

SVG主要是通过检测电网电压中的负序分量，并控制SVG输出负序电流来改变电网电压，抵消由于背景电网引起的三相电压不平衡。SVG接线框图见图4。

根据对压气站电能质量测试结果，测试期间最大电压不平衡度为3.45%，见图1。取故障发生时最大三相电压不平衡度εU2=3.45%计算，负序电流为：

式中：Sk=65.69 MVA为6 kV母线的最小短路容量；UL=6 kV为线电压。

6 kV侧的负序容量为：

因为此时最大三相电压不平衡度为故障时的某一次测试值，为了避免有其他时刻的三相电压不平衡度高于此值，按照电气化铁路的最大不平衡度留有余量并考虑原计划煤层气压缩机组全部投运，当地工业企业用户及电气化铁路的高速发展，最终确定SVG容量为6MVar（按目前最小短路容量考虑，可补偿电压最大不平衡度达9.13%）。

表1 两种技术方案主要特点比较

图4 SVG接线框图

图5 SVG运行后6 kV母线功率因数曲线

3.3 电源治理效果

SVG设备投运以来，取得了良好的补偿及治理效果，系统的功率因数基本可以稳定在0.98，见图5；三相电压不平衡度控制在1.3%以内，见图6。彻底解决了压缩机组因电压三相不平衡原因造成的电机振动问题。

图6 SVG运行后6 kV母线电压三相不平衡曲线

4 结论

作为SVC的下一代产品，SVG在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减小占地面积等方面具有显著优势。

随着大功率电力电子技术的推广应用，电网污染越来越严重。在国家节能减排政策贯彻实施之后，用户对电网质量要求越来越高，电网污染治理工作越来越迫切。随着SVG技术的成熟，依靠其占地小，响应速度快，容量范围覆盖广等明显优势，将得到越来越多的应用。该项目的实施，可为今后的外电质量治理工作提供理论依据和经验借鉴。

［1］GB/T 15543-2008，电能质量 三相电压不平衡［S］.GB/T 15543-2008,Power Quality-Three Phase Voltage Unbalance ［S］.

［2］周方圆，王卫安.高速铁路对供电质量的影响及治理措施［J］.大功率变流技术，2010，（6）： 41-45.Zhou Fangyuan,W ang W eian.Influence of High-speed Railway to Power Quality and Its Governance Measures,High Power Converter Technology,2010，（6）： 41-45.

［3］张振安，李文臣，王 洋，等.电气化铁路三相电压不平衡分析算法研究［J］.电网与清洁能源，2012，28（5）：14-18.Zhang Zhenan,Li W enchen,W ang Yang,et al.Study on the Algorithm ofEletrified Railway Three Phase Unbalance,Power System and Clean Energy,2012,28（5）： 14-18.

［4］何丽梅，杨 焜.中压变频器的技术特性及运用［J］.天然气与石油，2008,26（2）:27-32.He Limei,Yang Kun.Technology and Application ofMedium VoltageConverter［J］.NaturalGasandOil,2008,26（2）： 27-32.

［5］李 旷，郭自勇，李 兴，等.一种用SVG平衡电气化铁路单相负荷的方法［J］.电源技术应用，2010,13(5） ：12-16.LiKuang,Guo Ziyong,LiXing，etal.A Method of Balancing Single-phase Load in Electric Railway w ith SVG ［J］.Power Suppy Technologiesand Applications， 2010，13（5）：12-16.