杨志强，刘 帅，张鹏宇

(1.国网徐州供电公司，江苏 徐州 221200;2.国网吉林省电力有限公司，长春 130021)

在配电网中用户消耗的无功功率占50%～60%，其余无功功率由网络本身消耗［1］。无功功率补偿可用于解决由于无功功率不足造成的低压问题，同时还可改善电能质量包括电网电压的闪变、跌落以及由于线路耗损而造成的大量电能损失等问题。动态无功功率的控制可以提高线路的输送能力，如果在负载侧补偿，原有线路的输送能力可以增加50%，使得同样的功率输送更远的距离。传统的无功功率补偿方案，通常是站内补偿、柱上补偿或随设备就地补偿，在变电站内、配电线路上或者某个特定设备附近，按规定容量装设无功功率补偿设备。这些补偿方式，与大多终端用户存在距离，对这些用户线路上的无功功率，起不到补偿作用。合理有效的无功功率补偿可以带来巨大的经济和社会效益。为了减少无功功率在网络中的输送，尽可能地实现就地补偿，就地平衡，可以由电力部门和用户侧配合，应用无功功率补偿实现无功功率的就地治理［2］。按照无功功率就地补偿原则，可以考虑在用户侧设置无功功率补偿设备，减少用户侧无功功率在线路上的流通，最大限度地降低无功功率不足造成的线路损耗和电压降低。

1 配电网负荷特点

在配电网中，电力负荷用户具有分散性和随意性的特点。现代配电网由于用电负荷日趋复杂化和多样化，电力电子装置、变频调速装置、时变控制的非线性设备、冲击、非线性及不平衡负荷的广泛使用，使得电网中产生更多的谐波电流、负序电流和无功功率电流，导致电能质量下降，对电网和用户都造成很大的影响。

在居民型负荷配电网中，由于城市改造及设备老化等多种因素的作用，使得在一些城市老旧小区内存在配电线路过长、配电终端用户过多、负荷不平衡及某些地区无功功率补偿装置无法安装等问题，该类负荷的末端低电压问题很难通过配变侧低电压治理措施解决，影响了居民的用电质量，增加了电力损耗，降低了输配电效益。

DL/T 1053—2017《电能质量技术监督规程》中明确规定，380 V用户受电端供电电压允许偏差值为系统标称电压的±7%，220 V用户受电端供电电压允许偏差值为系统标称电压的－10%～+7%［3］。而在实际工作中，老旧小区的配电终端用户电压偏差值往往高于此规定，因此需要根据不同供电区域的特点，综合考虑电压合格率指标以及经济社会效益，针对用户端电能质量的改善需求，研究本地区的用户电压质量现状，针对本地区的用户负荷特点，研究在配电网低压用户端应用的电压质量改善方案。

2 配电网无功功率补偿的关键技术

2.1 理论依据

基于瞬时无功功率理论及脉冲宽度调制(PWM)控制理论，研究内容为电网无功功率电流的提取以及电网无功功率电流就地补偿两部分。

2.1.1 单相锁相环技术

在单相无功功率补偿装置(DPVG)中，为实现其电网侧有功、无功功率控制，需要动态获取电网电压的相位信息，要求采用锁相环对电网电压进行锁相［4］。为了实现对电网电压相位的实时获取，采用基于虚拟两相正交变量的单相锁相环技术，能够以最快的速度跟踪电压相位的变化，为提取电网电流中的无功功率分量和DPVG的顺利并网提供条件。

通过电压互感器实时采样电网电压(以单相A相为例)，利用控制系统中的90°延迟函数产生与输入电网电压信号Uβ相差90°的电压信号Uα，并构成静止正交坐标系，再通过派克变换(PARK)变换得到同步旋转坐标系中的虚拟电压矢量的d、q分量，当通过PID闭环控制使Uq=0时，输入信号得以锁相。

2.1.2 无功功率电流的快速跟踪

在软件控制系统中采用双中断机制，每个中断频率为7.5 kHz，通过在中断中调用同一个控制函数，能够实现高达15 kHz的采样及计算频率，从而使绝缘栅双极晶体管(IGBT)的开关频率达到了15 kHz。高开关频率同时减少了输出电压谐波分量以及输出滤波电感和输出滤波电容的体积，从而减小了设备的体积。

2.1.3 电网电流中无功功率电流的提取

通过负载电流互感器实时采样电网负载侧电流(以单相A相为例)，利用控制系统中的90°延迟函数产生与电网电流信号Iβ相差90°的电流信号Iα，构成静止正交坐标系，利用电网电压锁相环中得出的相位信息，再通过PARK变换得到同步旋转坐标系中的虚拟电流矢量的d、q分量。当电流矢量的q分量经过二阶滤波器之后即可得出电网电流中的无功功率电流分量Iq电网电流无功功率电流检测示意图见图1。

3 配电网无功功率补偿的装置设计

图1 电网电流无功功率电流检测示意图

3.1 无功功率补偿设备配置方案

分布式补偿设备每台容量为5 kvar，可以并联在供电系统中用户终端处，采用壁挂的方式。现场电气连接示意图见图2。

图2 现场电气连接示意图

图中:A为电流采样接入;B为设备与液晶的线缆;C为单相交流接入;D为显示器(HMI为人机交互界面);E为低压电力线路;F为电流互感器;G为空气断路器;L为火线;N为零线;PE为地线。

3.2 无功功率补偿设备控制方案

采用IGBT组成单相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，通过直接控制其交流侧电流，使之迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功功率的目的。DPVG主电路原理图见图3。图中虚线框内为DPVG装置;Is为装置并网点电网侧的电流;Ic为DPVG装置输出的补偿电流;If为装置并网点负荷侧电流。V1～V4为DPVG装置主电路的断路器IGBT器件;Udc为DPVG装置主电路储能电容C两端的直流电压。

主电路中电流Is、Ic、If之间的关系见式(1):

图3 DPVG主电路原理图

式中:Ifq为负载电流中的无功功率分量;Ifd为负载电流中的有功功率电流分量。DPVG通过负载侧电流互感器实时采集电网负载侧电流(If)信号，通过内部检测电路分离出其中的无功功率电流分量(Ifq)，根据现场需要，通过IGBT功率变换器产生与电网中无功功率电流大小相等、方向相反的补偿电流(Ic)，即:

补偿后，电网电流如下式所示:

由上式可见，电网电流中无功功率电流分量得到最大补偿，从而实现就地补偿无功功率电流、提高功率因数的功能。

DPVG软件控制系统原理图见图4。控制系统中，给定母线电压与实测母线电压udc相比较，经过电压外环PI调节器，输出交流电流d轴指令信号。根据不同的调节目标(调节功率因数、自动补偿无功等)设定交流电流q轴指令信号i*q。交流电流d轴、q轴指令信号与DPVG输出交流电流d轴、q轴实测值相比较后，经过电流内环PI调节器输出，再经过前馈解耦控制算法得出期望的单相交流侧电压d轴、q轴分量ud、uq。最后通过三相二相变换(Clarke)反变换和变频器的正玄波脉宽调制(SPWM)算法生成4路占空比驱动IGBT动作［5］。

3.3 配电网终端低压用户就地无功功率补偿装置的研制

分布式高渗透无功功率补偿装置采用先进电力电子技术，以IGBT功率器件为主要核心部件，并联于配电网低压侧，主要用于优化城乡配电网各台区的供电质量，能有效解决小区域配电网侧线路损耗大、功率因数偏低的问题。该产品通过直接控制DPVG的输出电流，使其迅速吸收或者发出所需的无功功率，实现快速动态调节无功功率的目的。具分布式安装、灵活配置的特点。设备功能见表1。

4 配电网无功功率补偿装置应用

以国网徐州供电公司睢宁县供电公司某台区为例分析两种无功功率补偿方式，一种是集中补偿，一种是分布式补偿。该台区总共有18个负荷节点，配电变压器为S11－500型，容量为500 kVA，负荷节点有功功率和无功功率见表2。

图4 DPVG软件控制系统原理图

表1 装置功能

表2 负荷节点有功功率和无功功率

以配电变压器高压侧节点为平衡节点，集中补偿大概为100～200 kvar，只选用100 kvar作为补偿的总容量，由潮流计算可知 4、5、6、7、8、9 节点电压偏低，所以选择这6个点安装就地无功功率补偿装置，各个补偿点容量近似为 19、23、20、9、13、16 kvar;补偿之后经过对比，在补偿相同容量的情况下，安装分布式高渗透无功功率补偿设备，18个节点没有出现低电压，而集中补偿的4、5、6三个节点出现低电压。

通过安装分布式高渗透无功功率补偿装置，有效提升了居民端电压合格率;降低低压供电半径300 m范围内出现低电压的概率，提高了配电网中电力变压器的利用率，有效解决了小区域配电网侧线路损耗大、功率因数偏低的问题。

5 结束语

分布式高渗透无功功率补偿装置的使用，有效解决了小区域配电网侧线路损耗大、功率因数偏低及用户末端电压低的问题，实现了负载侧无功功率就地补偿的功能，很好地改善了电能质量，在提高供电系统的经济效益同时保障了安全可靠性和稳定性，且操作简单易被大众接受，具有很大的研究意义及推广价值。