配电网无功补偿治理技术研究及工程应用分析

陈建军，檀 政，张晓毅

(冀北电力有限公司，北京，100000；2.国网冀北电力科学研究院，北京，100000；3. 国网冀北节能服务有限公司，北京，100000）

配电网无功补偿治理技术研究及工程应用分析

陈建军1，檀 政2，张晓毅3

(冀北电力有限公司，北京，100000；2.国网冀北电力科学研究院，北京，100000；3. 国网冀北节能服务有限公司，北京，100000）

本文通过对配电网无功补偿治理现状的介绍，介绍了基于现代电力电子技术的静止无功发生装置（SVG）的工作原理，并重点分析研究了瞬时功率理论及其用于补偿无功、谐波时的检测技术。最后，结合SVG在配电网台区的实际应用，对SVG治理配网普遍存在的无功、不平衡等问题的效果进行了分析。

配电网；无功补偿；SVG

0 引言

近年来，国民经济的快速使得电力需求不断增大。同时，也促使我国电网结构不断优化，发电、输电能力不断提高。但相对于主网的发展，我国配电网建设及发展速度明显滞后，特别是无功分布不合理、补偿设备少、投运率低等现象长期存在，使得系统运行电压质量难以得到保证，网络损耗问题日益突出[1]。

1 配网无功补偿及治理技术现状

我国配电网地域性强，环境差异性大，并且其负荷波动较大，稳定性差[1]。因此在我国大部分的城区和农村配电网络中，大多采用户外柱上的安装方式。配网中补偿设备基本上以电容器补偿为主。

1.1 电容补偿

电容器因其可提供固定的无功功率，且价格低廉，安装维护简单，是目前配网中使用最为广泛的无功补偿设备。在配电网中电容补偿常常与台区的馈电、计量等配合使用，即户外多功能综合配电柜（JP柜）。

并联电容器虽然可以提高功率因数，降低损耗，增加系统容量。但因电容补偿属于有级调节，补偿效果因补偿步长、投切速度等差异性很大，导致配网台区补偿效果较差，无功补偿现状参差不齐，过补、欠补现象十分严重[2]。

随着配电网用电负荷的日益增加，除无功补偿外，三相不平衡问题、谐波问题等也已经越来越突出。而传统的电容器补偿技术在不平衡治理、谐波治理等灵越局限性越来越强、且效果差，实现难度大。

1.2 静止无功发生器

电力电子技术的快速发展，静止无功发生器（SVG，也叫STATCOM）应运而生。基于IGBT的自换相变流技术的SVG装置，其作为完全可替代电容补偿的补偿装置，具有补偿效果好，响应速度快，可综合治理多重电能质量问题等优点，目前在国外已取得普遍应用，在我国工业负荷中也已得到广泛应用。但在城区或农村配电网中应用较少，多以示范工程、科研项目的形式处在推广阶段。

2 基于IGBT技术的SVG装置工作原理分析研究

基于IGBT开关器件的SVG装置代表着电能质量治理领域的最新发展趋势，快速、准确地检测出指令信号是实现SVG补偿的关键之一，所采用检测方法的实时性能将会对装置的补偿效果产生直接影响。本节首先对SVG部分的运行模式进行简单介绍，然后对装置的指令电流检测方法进行了分析研究。

2.1 SVG运行模式

SVG补偿装置通过传感器检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出所需补偿的无功、谐波或不平衡分量等指令信号，该指令信号取反后经驱动电路作用于IGBT开关器件，从而输出期望得到可控的电流补偿信号，注入电网与系统中要补偿的分量抵消，以达到补偿的目的[3]。

SVG在工作时主要由空载模式、容性模式、感性模式

运行模式 波形和向量 说明原理示意图装置通过整流逆变的方式可以输出与系统同频同向但幅值可调的工频电压，经连接电抗器接入系统。空载运行模式UI=Us，IL=0，智装置不吸发无功。容性运行模式UI 〉 Us，IL为超前的电流，其幅值可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节装置发出的无功。感性运行模式UI ＜ Us，IL为滞后的电流。此时装置吸收的无功可以连续控制。

2.2 基于瞬时功率理论的检测原理分析

假设三相电压、电流的瞬时值分别为au、bu、cu和ai、bi、 ic，分别将其经过Clarke变换到α- β两相正交的静止坐标系下，得到α β- 坐标下瞬时电压和瞬时电流分别为uα、uβ和iα、iβ

式中：

图1 α-β坐标系中电压、电流矢量

图1所示为经过Clarke变换后α β- 坐标系中各电压、电流矢量关系。矢量和分别可以合成旋转矢量

式中，u、i分别为电压、电流矢量的模值，uφ、iφ分别为其电压、电流矢量的幅角。

此时，引入三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流的概念，分别定义矢量i→˙投影到矢量e˙及其法线上的投影。即

即：

则根据以上瞬时有功电流和瞬时无功电流的定义可定义瞬时有功功率p（瞬时无功功率q）为电压矢量e→的模和三相瞬时有功电流pi（瞬时无功电流qi）的乘积。即

将式(6)代入式(7)中得

以上提出的瞬时功率理论都是基于瞬时值的基础而来的，它能够适应正弦及其它任何非正弦情况的波形。不难看出，当au、 ub、uc和 ia、ib、ic均为标准正弦波时，p、q的值为标量且与传统功率定义下的p、q相同。

最具代表性的是基于时域的瞬时功率理论基础上建立的各种检测方法，如ip-iq法。图3所示为ip-iq检测原理。

图2 ip-iq检测原理图

图2中，

iA、iB、iC为补偿对象的三相瞬时电流，为变换矩阵，LPF为低通滤波器，PLL为锁相环，Afi、Bfi、Cfi 为从补偿对象中检测出的基波电流，Ahi、Bhi、Chi为从补偿对象的三相电流中分离出的总谐波电流。该方法根据定义计算出pi、qi，经过LPF得到其直流分量ip、iq，进而计算出被检测电流 iA、iB、iC的基波分量Afi 、Bfi 、Cfi ，

将Afi 、Bfi 、Cfi 与Ai、Bi、Ci相减，即可得到谐波分量Ahi 、Bhi 、Chi 。

当用于谐波和无功综合补偿时，可将检测到谐波和无功综合信号叠加在一起进行处理，此时只需断开图3 中计算qi的通道即可。而检测方法仅用于无功补偿时，则只要对qi进行反变化即可得到检测结果[4]。

综上所述，该检测方法是基于瞬时功率理论的基础上建立而来，同时近乎无延迟的分离被检测信号中谐波、无功、负序等信号，可实现SVG装置对谐波、无功、不平衡等电能质量问题的综合治理能力，使一机多能的实现提供了技术依据。

3 混合型补偿装置

混合型动态无功补偿装置是将SVG和电容器补偿有节结合起来的一种补偿方式，其可以消除电容器有级分组补偿的缺点，同时通过合理配置可具备SVG补偿响应速度快，能实时跟踪补偿，补偿精度高等优点。

图3 混合型补偿装置TSVG原理示意图

混合型无功补偿装置主要由控制器、SVG补偿部分、电容器补偿部分等组成，由统一的控制器进行集中控制，实现电容器支路“粗补”，SVG模块“细补”，利用SVG可快速有效输出双向无功的能力，来消除电容补偿的级差，统一协调配合工作。

在大部分配网中，其负荷波动性与工业场合相比较小，混合型补偿装置可以利用电容部分提供主要补偿容量，大大降低了补偿设备的成本。因此混合型补偿装置将是SVG取得普遍应用的主要应用形式，是配电网无功、谐波、不平衡等综合补偿技术的发展方向和趋势。

4 工程应用及分析

4.1 工程概况

国网冀北公司某供电局辖区西漫子台区，该台区为城镇郊区居民生产生活供电，台变容量为100KVA，地处山区，供电半径长，且多为单相负荷。平均功率因数为0.85左右，三相不平衡情况严重。

4.2 SVG投运前后效果对比分析

该台区安装了一套75kvar柱上SVG，用于补偿无功，同时调节负荷三相不平衡。如下是运行效果前后对比相关数据。

图4 SVG投运前后无功变化趋势图

图5 SVG投运前一天三相负荷电流变化趋势图

通过图4、图5对比，可以看出SVG的投运使三相的负荷电流趋于一致，三相负荷电流基本控制在5A以内，有效地解决了台变有功不平衡的问题，效果良好，同时功率因数补偿达到了0.99，无功功率控制在了3kvar以内，抑制了无功波动。

国网冀北公司某供电所辖区2016年安装投运了4套思源电气柱上式的SVG用于补偿无功和三相不平衡，设备投运后补偿效果非常明显，投运前后统计数据对比见下表1。

表1 SVG投运前后效果对比表

5 结论

随着人们生活水平的不断提升，配电网用电负荷不断提高，对用电质量的要求也越来越高，无功、谐波、不平衡、电压合格率等越来越多的问题已引起人们的重视。

据统计，中低压电网损耗中线损占整个系统损耗的60%以上[5]。合理配置无功补偿设备，有效解决三相不平衡、谐波等电能质量问题，可以有效降低损耗，改善用电质量[6]。随着“十三五”关于配网规划的深入进行，基于电力电子技术的作为新一代的补偿设备，无功补偿效果好，可综合治理多重电能质量问题，将越来越多的应用于配电网中。

[1]王凌谊.电力系统无功优化与无功补偿[J].电气应用，2006(10).

[2]盛万兴，孟晓丽. 配电系统综合节能技术[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[3]苏文成，金子康. 无功补偿与电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，1989.

[4]王兆安，杨君. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[5]刘燕.中低压配网无功补偿优化配置研究[D].南京理工大学硕士学位论文，2009.

[6]赵佳婷.农村配电网无功补偿的研究[D].合肥工业大学硕士论文，2006.

Research on and Engineering Application Analysis of Reactive Compensation Management Technology for Power Distribution Network

Chen Jianjun1, Tan Zheng2, Zhang Xiaoyi3
(1. Jibei Electric Power Company,Beijing,100000；2. State Grid Jibei Electric Power Research Institute, Beijing,100000; 3.State Grid Jibei Energy Saving Service Company,Beijing,100000)

By giving an introduction of the current situation of power distribution network reactive power compensation management, this paper introduces the working principle of Static Var Generator (SVG) which is based on modern power electronic technology, and emphatically analyzes the instantaneous power theory and the measurement technique when this theory is applied to harmonic compensation and reactive compensation. Finally, this paper, combining the application of SVG to power distribution network station area, analyzes the effect of SVG when treating such problems as reactive power and unbalanced power which are quite common in power distribution network.

Power distribution network;Reactive compensation;SVG

陈建军，1972年7月19日生，男，陕西铜川人，汉族，高级工程师，研究生，从事电力系统管理工作。檀政，1988年5月9日生，男，河北廊坊人，汉族，中级工程师，博士，从事电力系统自动化工作。张晓毅，1973年1月3日生，女，天津宁河人，汉族，高级经济师，研究生，从事电力节能工作。