配电台区负荷不平衡与无功综合补偿方法研究

Power Electronics April2019 2019年4月配电台区负荷不平衡与无功综合补偿方法研究欧珍珍，赵怀军，朱凌建，高峰(西安理工大学，陕西西安710048)摘要：针对配电台区三相负载不平衡导致的配电台区电能质量及运行可靠性降低问题，提出一种基于对称分量变换原理的综合补偿负载不平衡与无功的方法，在现有台区无功补偿装置基础上建立了以晶闸管投切电容器(TSC)支路为基本结构的A-Y混合补偿回路。

依据补偿后系统三相对称电流、无功电流为零的补偿思路，通过对负载电流、补偿电流进行对称分量变换及分析，建立符合配电台区及补偿回路特点的不平衡及无功综合补偿模型，只需测量补偿前各相负荷的有功及无功功率，即可快速准确计算补偿元件参数，实现不平衡负载及无功的综合补偿。

通过仿真和实验，证明了该补偿方法的有效性、实用性和准确性。

关键词：配电台区；晶闸管投切电容器；对称分量法中图分类号:TN34文献标识码：A文章编号:1000-100X(2019)04-0096-04Research on the Method for Three-phase Load Balancing and Reactive PowerCompensation in Distribution AreasOU Zhen-zhen,ZHAO Huai-jun,ZHU Ling-jian,GAO Feng(Xi*an University of Technology,Xi*an710048,China)Abstract:Aiming at the reduction of power quahty and operation reliability caused by unbalanced three-phase load in the distribution area,a composite compensation method for unbalanced load and reactive power based on the principle of symmetric component transformation is proposed,the hybrid compensation structure using single phase thyristor switched capacitor(TSC)as the basic compensation branch and consisting of A-Y shunt circuit is presented.According to the requ­irement that the three-phase current of the system are symmetrical and reactive current of the system are zero after com­pensation,a hybrid improved compensation model of unbalanced load and reactive power which satisfies the characteris­tics of compensation structure is established.Only by measuring the active and reactive power of each phase loads before compensation,can get the parameters of the TSC hybrid compensation circuit by the compensation model,and realize the comprehensive compensation of unbalanced and reactive power.The validity, practicability and accuracy of the compen­sation method are verified through experiment and simulation.Keywords:distribution area；thyristor switched capacitor；symmetrical components theoryFoundation Project:Supported by National Key Scientific Instrument and Equipment Development Project of the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFFO104403)1引言配电台区系统作为服务民生的重要基础设施及未来清洁能源并网的重要节点，其电能质量优劣及协调控制运行水平的高低对电网系统及用户设备的安全运行有重要影响⑴。

三相负荷不平衡不仅会造成线路损耗增加，电能质量降低，变压器局部温度过热，而且会引起中性点位移，严重影响配电台区用户设备乃至整个电力系统安全稳定运行0。

因此，采取有效措施对配电台区三相不平衡基金项目：国家重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项(2017YFF0104403)定稿日期:2018-07-16作者简介：欧珍珍(1991-),女，陕西汉中人，博士研究生，研究方向为电能质量治理及DC/DC变换。

负荷进行平衡化补偿，降低三相负荷不平衡度十分重要。

针对三相不平衡负荷的补偿研究，目前多集中于在无功补偿装置及其控制理论的基础上，改变算法及结构，在补偿无功的同时调补三相不平衡负载。

文献［3-6］解决了因三相负载不平衡引起的不平衡问题，在一定程度上改善配电台区的功率因数及电能质量，但仍存在不足。

因此，根据低压配电台区无功补偿大多采用TSC补偿方式，结合台区采用三相四线制供电，接地、不接地负载并存等特点，建立以TSC为基本补偿支路的A-Y补偿混合的补偿结构，并依据补偿后系统三相电流对称、无功为零，通过对称分量变换的理论分析和计算，建立符合补偿回路特点的改进补偿模型，达到简单有效地补偿不平衡负载与无功的目的。

2配电台区负荷不平衡无功补偿原理配电变压器回路采用三相四线制供电方式，系统电压对称，即a相电压U^Ue^^b相电压玄= U^,c相电压U C=U^，线电压i/^VT〃尹。

当在两相间如ab相间接入容量为0也的电容时，该电容将产生超前电压90。

的电流/逊：/沪Q//九=0/严7(VT〃)(1)将分解为与乩平行的有功电流心和无功电流/心即：/0.,=^+A q=(?^1807(2VT U)+Q^/(2U)(2) 6与a相电压方向相反，电容对a相有功进行转移，转移量为：Pc^=i^U=-Q^U/(2VT¢7)=-(2//(2^/3-)(3)超前a相90。

，产生无功为正，对a相无功进行补偿，补偿量为：Qc^=ie*=Q『UK2U)=Q占2(4)综上，相间补偿电容能够转移有功功率，补偿无功功率，且转移量与补偿量成比例。

与此同理，分析可得单相连接的电容器仅能用于补偿无功功率，因其电流与电压相位差始终为90。

因此，可通过在两相之间跨接电容器(电抗器)实现有功的转移，使三相有功平衡，同时在相线与中性线之间跨接电容器(电抗器)实现系统无功功率的补偿，消除无功功率。

图1为配电台区不平衡补偿回路示意图，其与普通无功补偿的最大区别在于△补偿回路的三相采用独立控制方式。

图1中if分别为△补偿部分三相线电流；",ij,/C Y分别为Y补偿回路三相线电流；,L，人L,人L分别为负荷线电流。

配电变压器回路A补偿回路Y补偿回路负载回路不平衡与无功综合补偿回路图1不平衡补偿回路图Fig.1The diagram of the unbalanced compensation circuit 3配电台区三相负荷不平衡补偿模型为补偿三相负载不平衡和功率因数，建立补偿模型求取补偿元件的参数是关键。

在系统三相电压平衡的条件下，以a相为基准，采用对称分量法对三相不平衡电流进行分析，可得：i0h_1"T_1111_a a2i.i b(5)厶_1a2a je-式中:人，人」2分别为零序、正序和负序电流；U分别为a相、b相、c相电流；a为旋转因子，a=』"。

电流可分解为实部电流(有功电流)与虚部电流(无功电流)之和，即/=Re[/]+Im[/]=Z r+j/io根据对称分量法，三相负荷不平衡与无功补偿原理可表述为：消除不平衡负荷产生的负序电流及零序电流，以补偿三相负荷不平衡；消除或减少正序电流的虚部(无功)部分，以补偿功率因数。

即补偿回路电流及负荷回路电流应满足：Re[/o4]+Re[/o Y]+Re[Z o L]=OIm[/o A]+Im[/o Y]+Im[/o L]=0'Im[Z+A]+Im[Z+Y]+Im[/+L]=0(6)Re[/?]+Re[/_Y]+Re[/_L]=0,Im[Z?]+I m[/_Y]+Im[/_L]=：0式中分别为△补偿回路的零序、正序、负序电流分量;/o Y,A Y,/-Y分别为Y接线补偿回路零序、正序、负序电流分量；/o L,A L,/-L分别为负载零序、正序、负序电流分量。

通过分别计算补偿回路、负荷回路电流的零序、正序及负序分量，可得以三相补偿电流的平方和最小为优化目标的三相接地负载不平衡补偿模型为：QJ=(VT/3)(P「A)+(_3Q+Qb+Q)/4QJ=(VT/3)S-R)+(a-30+Q)/4QJ=(VT/3)S-PJ+(a+Qb-3Q)/4(7)q(2近/3)s-pj-(a+Qb+a)/4Q4QS/3)(P°-Pb)-(@+Qb+Q)/4,QJ=(2VT/3)(P a-P c)-(Q+Q+Q)/4式中：分别为Y接线补偿回路三相补偿容量；Q『,QJ心分别为△接线补偿回路ab,bc,ca相间补偿容量；p”4,p°分别为三相负载有功功率；Q.,Q h,Q分别为三相负载无功功率。

同理可得，三相不接地负载的补偿模型为：Q^=-VTP s+V3P k+Q c•Q^-PjVT-PJy/y+2PJVT+Q C(8),q^=pj VT+PJVT-1PJVT+q结合配电台区接地、不接地负载并存，TSC不平衡补偿回路中仅含容性补偿元件等特点，对补偿模型进行改进，可得最终综合补偿不平衡及无功的模型为：Power Electronics2019年4月April2019 (2a Y,=VT(P c-Pb)/3+(-3(2a+eb+(2c)/4+<2x/4(代-E)/3+Q-3Qb+a)/4+Q/4Q"=VT(人_代)/3+(0+0-30)/4+"4(9)Qf=2VT S-代)/3-(¢+0+2)/4-04Qr‘=2VT(R-Pb)/3-(G+Qb+a)/4-W4aA'=2VT(E-PJ/3-(G+Qb+Q)/4-Q/4式中:max(-4()^04.-4QJ,-4Q/}WQ、W min{-4^,o Y,-4Q W Y,-4<?显}；0』=",00丫=Q』,Q4Q/。