配电网三相不平衡负载的无功补偿技术分析

刘璐璐，杨 霞，杨 柳

（国网新疆电力有限公司信息通信公司，新疆 乌鲁木齐 831002）

电力技术发展促进电网推广应用，电网相关功能不断增加、完善的同时，其也出现配电网非线性符负荷持续增加态势，导致电网三相负载不平衡状况出现，势必对电网电能质量造成严重影响[1]。而采用电网无功补偿技术，则可有效改善此囧态，可改善三相不平衡状况，优化电网功率因数。因此，下文就对配电网三相不平衡负载下的无功补偿技术进行详细分析，旨在为进一步提高电网经济效益，促进我国电力行业持续发展提供有力参考。

1 三相负荷平衡化理论概述

当下配电网配电变压器大多都为三相变压器，变压器出口的三相负荷需保证对称。但是在实际低压配电网中有大量的单相负荷，且受单相负荷不均匀分布及投入时间不同，将导致三相不平衡影响低压电网维护运行。平衡三相系统总功率为恒定，且其不受时间影响。不平衡的三相系统其总功率则处于平均值上下脉动。故在将不平衡三相系统换为平衡三相系统时，变换设备应设置好可以暂时储存电磁能量的电感线圈及电容器元件。对于不对称的三相系统，可在不同相间并联适当补偿导纳，确保不平衡的三相负荷编程平衡三相负荷，且并不会影响电源及负荷有功功率交换。相间负荷不平衡的平衡化理论支持下，可导出一般不平衡三相负荷平衡原理：首先，将无中性线星型接线转为三角型接线方式，在转化之后以导纳模型处理好负荷及补偿器。当下，配电网无功补偿技术已经经过长时间革新完善，现有无功补偿装置较多，如调相机、并联电容器、并联电抗器、SVG等。其中，调相机向电网输送无功功率，运行存在过励磁状态，短期也可能在欠励磁状态下运行。调相机通过改变励磁电流，控制无功功率输出大小，其过负荷能力突出。但是调相机也有自身缺点，励磁电流过大将会对设备运行造成严重损耗，且会导致成本投入大大增加。并联电容器通过将电容器串、并联到电网内部，可有效改善电网网络结构，理论上采取并联电容器也可实现不同电压等级的无提供补偿，属于现代城市配电网常用无功补偿方式。并联电容器的投资成本低于调相机，且其容量可随意配置，工程使用价值较高。为应对当下电网系统中各项负荷稳定性，解决低压配电三相负荷不平衡问题，应结合不同静止无功补偿技术优势和不足，了解技术发展趋势。低压220V电网内，需考虑到不平衡度及功率因素二者的补偿，无功补偿控制器功能需向多元化方向不断发展，实现监控、记录配网运行状态功能。此外，需提高静止无功补偿装置动态响应速度，降低装置投切时候对电网造成的影响，再对无功补偿投切控制算法改善，融入遗传算法、模糊控制理论等，以此增加无功补偿装置适用范围。无功补偿控制装置为解决配网三相不平衡，也必须考虑晶闸管、二极管过电压、过电流问题，有效提高转移功率容量，积极提高动态无功补偿设备容量，可通过同步开关技术、电力无源滤波器PPF、电力有源滤波器APF等提高无功补偿效果。

2 配电网三相不平衡的影响

2.1 徒增损耗

若电网三相稳定，则各相有功功率及无功功率基本相等，线路运行产生的损耗在正常可接受范围。若三相不平衡，就导致电力系统各相电流异常，各处电流差异较大，三相负载中线电流不为0，导致线路出现有功损耗，损耗巨大。

2.2 降低配电器出力

出现电网三相不平衡，配电器负载中一相出现满载、过负荷，而负荷较轻的一相出现盈余，会严重降低配电器出力[2]。

2.3 增加变压器铁损

会导致低压侧中性线存在零序电流，但是其通过低压侧中性线后，却无法通过变压器高压侧，低压侧其电流通过产生的磁通就会通过变压器油箱壁以实现平衡，导致油箱壁部位存在涡流损耗。此外，零序电流通过变压器铁芯激磁阻抗，会造成配变中性点便宜，导致各个位置电压差异较大，单相对地电压较高，增加变压器铁损。

3 配电网三相不平衡负载的无功补偿技术

以对称分量法对不对称负荷分析，具体平衡三相正序电压供电不稳定负荷如图1所示。

图1 平衡三相正序电压供电不平衡负荷示意图

以三相对称正序电压为不对称“三角形”连接负荷，实现供电，以SVC（静止无功补偿装置）实现补偿，SVC自身反应速度快、补偿效果突出，且耗能少，可解决单相负荷导致的供电不平衡、电压波动、谐波等异常问题，且SVC对各个电压可单独调节，满足大型电网安全运行需求。一些“星形”连接负荷，其中性点一般未接地，需以Y-△变换为三角负荷，便于分析。

UA为以A为中性点的电压，以此为参考，得到A、B、C三相电压：

通过上市，得到线电压，为：

若采用A为基准相，则电流及对称分量关系为：

实际应用可得出三相电压、负载电流的，以无功补偿装置，补偿电纳。无功补偿以TCR、TSC并联的SVC确保补偿电纳持续可调整（图2）。

图2 TCR和TSC并联示意图

由图2得到，电容器、电抗器为三角连接，可有效避免线电流出现零序分量。TCR（相控电抗器）极品等效电纳及晶闸管触发σ，其存在相关函数关系：

式中，XL为相控电抗器电抗值，将TCR及晶闸管投切电容器组TSC并联使用中，SVC等效电纳的表示如下：

由上述式子得到，若相控电抗器触发角σ及TSC投入电容器组调整，即可实现对SVC等效电纳的改变，且A、B、C均可独立控制，实现对等效电纳的调节控制。

4 仿真分析

为深入了解配电网三相不平衡负载无功补偿技术，采取仿真分析，以三角形连接的三相不平衡负载，以TCR、TSC并联的SVC补偿。不平衡负载以三角形连接，系统电源为负载提供的复工率分别为：132+j144kVA、191+j129kVA、150+j116kVA。此时得到SVC三相等效电纳：j3.0x10-3S、j4.0x10-3S、j5.0x10-3S。

经补偿仿真分析后，发现在三相补偿之前，三相负载不平衡，其三相电流有效值存在差异，线电流负序分量达到29.7A，且电网运行需输送较大无功功率，且线路功率因数不高。以SVC对不平衡负载无功补偿，而后发现三相电流有效值基本相同，分量只存在正序分量，无负序分量、零序分量。且配电网线路中，其传输功率为有功功率，功率因数为1。

三角形连接负载，其AB、CA相均有负载，视在功率分别为132-j114kVA、150-j116kVA，但其BC相不存在负载。采用SVC落实无功补偿，其可有效消除电源供给线电流负序分量，使得线电流正序电流仅有有功分量，减小不平衡负荷对系统及设备的影响。