农村电网不对称负荷补偿方法研究

房俊龙，于洪涛，马文川，蔡银哿，杨庆忠，杨国良

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

农村电网不对称负荷补偿方法研究

房俊龙，于洪涛，马文川，蔡银哿，杨庆忠，杨国良

（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030）

文章提出在农村电网中采用基于Steinmetz电路理论的TCR型静止无功补偿器，平衡三相不对称负荷，提高系统功率因数。仿真验证结果表明，该方法能使三相负荷平衡，提高功率因数，具有一定理论意义及应用价值。

农村电网；负荷不平衡；无功补偿；TCR；Steinmetz

我国农村电网供电半径长、负荷分散，农村负荷不对称度较大。三相负荷不对称会使变压器处于不对称运行状态，造成变压器空载损耗和负载损耗增大，供电线路三相电压不对称，电压偏移值增大，电流不对称度增大，线损增量变大，向系统注入负序电流，造成以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作，对电网正常运行产生影响[1-2]，所以对农网不对称负荷进行平衡化补偿尤为重要。

农网无功电源普遍不足，系统功率因数较低，变压器带载能力下降，系统线损增大，系统末端电压在重负荷时过低[3-5]，应采取相应措施对农网负荷进行就地无功补偿。针对以上问题本文提出一种在农村电网中采用TCR型静止无功补偿器，基于Steinmetz理论平衡化补偿三相不对称负荷，将负荷功率因数补偿为1方法，有效提高农网负荷对称度及功率因数。

1 基于Steinmetz电路理论补偿三相不平衡负荷的补偿方法

Steinmetz提出不平衡三相负荷的平衡化原理[6]，给出将单相有功负荷均衡转移至三相电路的方法，构成无功功率补偿装置实现三相平衡补偿理论基础。在三相电压对称时，可利用静止无功补偿器的分相调节功能，依据Steinmetz电路理论，构造三相补偿网络，在对负荷进行无功补偿同时，消除三相负序电流，保证系统三相电流动态平衡，近似为纯有功电流[7]。首先采用对称分量法分析利用静止无功补偿器进行平衡化补偿的原理。不平衡负荷供电示意图如图1所示。不对称三角形负荷由三相对称的电压供电，对于中性点不接地的星形连接负荷，可通过Y-Δ变换表示成三角形连接负荷再进行分析。补偿网络亦为三角形连接。

图1 三相电压对不平衡负荷供电Fig.1 Unbalancel load powered by three-phase voltage

通过序分解变换可得负荷三相线电流的对称分量为：

同理可求得三角形接法静止无功补偿器三相线电流的对称分量为：

若要达到同时补偿三相无功功率及平衡三相负荷的目的，则应同时满足以下两个条件：

①补偿后的三相负荷平衡，即补偿后系统电流负序分量为零，则有

②补偿后三相功率因数均为1，即补偿后系统电流正序分量的虚部为零，则有

由以上两个条件可求得补偿网络的电纳为：

式中Im()为取相应电流的虚部，Re()为取相应电流的实部。

分析可见，只要检测出三相负荷线电流的基波正序电流无功分量、基波负序电流无功分量、有功分量，就可计算出补偿网络所需电纳。

2 TCR型静止无功补偿器的基本结构与补偿方法

TCR的工作特性分析，是设计TCR装置参数和制定相应补偿策略的基础[8]。在电力系统中，通常由TCR与滤波装置共同组成补偿支路，对负荷进行补偿，其拓扑结构如图2所示。

由图2可知，补偿系统由TCR和无源滤波器组成，无源滤波器在滤除特征谐波同时提供固定容性无功功率，TCR提供可控，随负荷变化的感性无功功率，二者配合使用达到实时无功补偿的目的。当晶闸管触发角α=90°时，晶闸管完全导通，导通角δ=180°，与晶闸管串联的电抗器等效于直接连接到电网上。当触发延迟角α在90～180°时，晶闸管为部分导通，导通角δ＜180°。当α=180°时，晶闸管完全不导通，等效于把电抗器从线路中断开。

图2TCR补偿系统的拓扑Fig.2 Topology of TCR compensation system

TCR基波电流的有效值为：

TCR的基波等效电纳为：

增大触发延迟角会减少电流中的基波分量，等效于增大补偿器的等效感抗。减小触发延迟角会减少电流中的基波分量，等效于减小补偿器等效感抗。

3 仿真分析

以农网某无功补偿项目数据为基础，对TCR平衡三相不平衡负荷补偿方法使用Matlab仿真软件进行仿真验证[9]。

仿真参数如下：系统额定电压U=10 kV，三相不平衡负荷zab=7.1964+j9.5952、zbc=1.4393+j1.919、zca=35.982+j47.976，计算可得负荷电流不对称度δ= 0.718。补偿前系统电压、电流如图3所示。

可见补偿前系统存在较大的负序电流及无功功率。补偿后系统电压、电流如图4所示。

补偿前后系统电流平衡度如图5所示。

可见，根据Steinmetz电路理论构建补偿网络对系统进行补偿后，可在完全消除负序电流同时，将三相功率因数补偿为单位功率因数，具有良好补偿效果。

图3 补偿前三相电压电流波形Fig.3 Waveform of three-phasevoltage and current before compensation

图4 补偿后三相电压电流波形Fig.4 Waveform of three-phasevoltage and current after compensation

图5 补偿前后电流不对称度Fig.5 Unbalance factor of current before and after compensation

4 结论

a.采用基于Steinmetz电路理论的TCR型静止无功补偿器可将农村电网不对称负荷补偿为三相完全对称的平衡负荷，有效提高系统电流不对称度。

b.采用基于Steinmetz电路理论的TCR型静止无功补偿器可对农村电网三相不对称负荷进行平衡化补偿，并可将系统功率因数补偿为单位功率因数。

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Study on compensation method of unbalanced load in rural power grid/

The paper proposed TCR type static var compensator based on Steinmetz theory which it could be used in the rural power grid,it could compensate unbalanced load and improve power factor in the meantime.The results showed that method could effectively make three-phase load balance,while increasing the power factor,had a certain theoretical and application value.

rural power grid;unbalanced load;var compensation;TCR;Steinmetz

TM727.1

A

1005-9369（2014）07-0108-04

时间2014-7-7 8:08:57 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140707.0843.018.html

房俊龙,于洪涛,马文川,等.农村电网不对称负荷补偿方法研究[J].东北农业大学学报,2014,45(7):108-111.

Fang Junlong,Yu Hongtao,Ma Wenchuan,et al.Study on compensation method of unbalanced load in rural power grid[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(7):108-111.(in Chinese with English abstract)

2013-03-11

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521041）

房俊龙（1971-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为电力系统自动化。E-mail:junlongfang@126.com

FANG Junlong,YU Hongtao,MA Wenchuan,CAI Yinge,YANG Qingzhong,YANG Guoliang(School of Electrical and Information,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)