张晓毅，李珏瑄，何建，王虎

(国网冀北节能服务有限公司，北京 100045)

混合补偿调节器在低压配电网三相不平衡负载中的应用

张晓毅，李珏瑄，何建，王虎

(国网冀北节能服务有限公司，北京 100045)

低压配电网三相负荷不平衡会导致变压器出力降低、线路网损增加，中性点电位偏移、功率因数降低等问题。为降低供电成本，减少线损以及提高电能质量，以新一代研制出的额定电压0.4 kV的混合补偿调节器(SPC50)为应用背景，选择典型试点台区，现场安装试运行。运行结果及计算分析表明混合补偿装置不仅可以平衡三相负荷，而且可将功率因数提高到0.98以上，从而验证了装置在解决低压配电网三相不平衡负载的有效性。

低压配电网；三相负荷不平衡；混合补偿调节器；三相不平衡度；无源电容器

0 引 言

近年来，随着人民生活水平的提高，家用电器的增多，用户的单相用电量大幅提高，单相用户的不可控增容、大功率单相负载的接入、单相负载用电的不同时性和阻抗角不同等因素造成的供电系统三相负载不平衡问题愈加严重。如果配电网负荷三相不平衡问题得不到妥善的解决将会对配电变压器、配电线路以及用户等造成一定的危害[1-5]。

目前现场对于三相负荷不平衡问题缺乏有效的治理方法和措施，使得一些地区用户低电压等问题非常突出。现阶段解决配电网负荷不平衡问题主要有以下两种途径：

(1)人工离线调整[6-7]：工作人员通过观测台区变压器出线端三相电流大小来判断不平衡电流，然而往往忽视了中性线电流，从而造成较大的电能损失和影响电网的安全运行。

(2)无功补偿方式[8-9]：无功补偿装置一般安装在台区变压器低压侧，采用分相无功补偿方式以消除不平衡的无功功率，从而达到平衡功率的目的。但该方式对于有功不平衡及零序电流问题无法有效解决，存在很大的局限性，尤其随着用电设备复杂程度越来越高，电容分相补偿已经无法很好的解决三相不平衡问题。随着无功补偿技术的发展，又出现了SVC[10](静止无功补偿器)与SVG[11-12](静止无功发生器)无功补偿方式，可以很好的解决电容补偿存在的连续性问题以及补偿方向问题(容性与感性双向补偿)，但仍属于无功功率补偿范畴，无法彻底解决功率三相不平衡问题。

电力电子技术的发展为解决三相功率不平衡问题提供了新的解决方案，综合现有无功补偿方式存在的一些问题，基于静止无功发生器(SVG)原理和先进的电力电子技术研制了混合补偿调节器(SPC50),该装置分散安装在台区变压器低压配电网，采用智能化不平衡控制系统，对配网侧潮流进行分析，终端采用先进的电力电子技术，通过智能化的控制方式，自动平衡有功功率及无功功率，从而提高用户电压质量、减小配电变压器损耗、降低线路网损、改善功率因数以及提高线路输电能力和电网的可靠性。文中介绍了该装置的结构和工作原理，最后通过现场实验验证了该装置在解决低压配电网三相不平衡负载的有效性。

1 SPC50智能控制系统

1.1 系统方案

SPC50智能控制系统如图1所示，主要包含集中监控系统和终端设备两部分。

图1 SPC50智能控制系统示意图

集中监控系统处于配电网负荷平衡智能控制系统的上层，可以实现远程监测、控制以及统一调配终端设备运行等功能。

终端设备处于配电网负荷平衡智能控制系统的下层，是配电网负荷平衡智能控制系统的核心，负责降低配电网负荷三相功率不平衡的控制和实现。

终端设备和集中监控系统之间通过以太网和云服务器联系。设备终端通过以太网将设备参数及采集模块的数据每隔15分钟传输至云服务器，服务器完成数据存储，集中监控系统通过以太网访问云服务器，一方面可以获取服务器的数据，另一方面可以实现对末端设备的控制、参数设定等功能。

1.2 SPC50的组成

终端设备(SPC50)是配网负荷平衡智能控制系统的核心，该装置并联在台区低压配电网中，主要由控制功能单元、有源功能模块及电容器组成。该装置是一种混合式补偿装置，将有源电力电子补偿和无源电容器补偿有机结合，通过有源电力电子模块可以控制无源电容器的投切进行补偿。有源电力电子补偿方式如图2所示，主要由电流检测电路、采样电流电路、DSP处理器及驱动电路等组成，通过电流互感器(CT)检测三相负载电流，经过逻辑运算电路分离出谐波成分，并通过晶体管(IGBT)驱动电路驱动IGBT动作进行补偿。无源电容器补偿方式将在第2节详细介绍。

图2 有源电力电子补偿系统原理图

SPC50装置具有以下几个优点：

(1)设置变压器相关参数，智能计算变压器无功，解决传统无功补偿设备无法补偿变压器自身无功损耗的问题；(2)智能型控制器，可同时控制功能模块及智能电容器的投切；(3)同时解决三相不平衡和无功补偿问题，线性连续输出补偿治理；(4)在户外功率装置内安装有高频信号处理器，解决了IGBT产生的电磁干扰问题；(5)装置设计有过热保护、过流保护、欠压保护、自动限流保护，保障了内部运算电路的安全；(6)装置安装有避雷器，可感应雷、电网扰动等对装置造成的影响，保证装置安全可靠运行；(7)装置采用无线通信方式，装置参数调整、运行状况、实时数据以及历史数据查看均可以由互联网终端完成。

2 SPC50工作原理

2.1 基本工作原理

图3 SPC50的基本工作原理

在低压配网中，通过CT检测三相负载电流，采用先进的算法计算出三相负载中的三相不平衡成分、无功功率大小及性质、谐波电流等，在不改变负载总功率的前提下，通过电力电子技术对三相负载功率消耗重新分配，使得单相、两相功率消耗或者三相功率消耗不平衡向三相功率消耗均匀分配。在解决电流幅值相等、三相功率相等的同时，三相相位相差120度，从而消除了中线电流。基本工作原理示意图如图3所示。

正常工作时，通过CT实时检测系统电流，并将系统电流信息发送给内部控制器进行处理分析，以判断系统是否处于不平衡状态，若出现不平衡则同时计算出达到平衡状态时各相所需转换的电流值，然后将信号发送给内部IGBT并驱动其动作，从电网吸收能量并控制其在A、B、C三相间的相互转化，从而使三相电流全部重新分配以达到平衡状态。SPC50装置除了平衡三相有功功率外，还具备无功补偿和谐波治理等功能：通过提取三相电流中的无功成分以及各次谐波电流，使设备输出大小相等、方向相反的电流实现无功补偿及滤除谐波的作用。

2.2 无源电容器的补偿方式

设定A相与中性点间接有电阻R，在没有接入电容和电感前，只有A相有电流，因此这是一个严重不平衡系统。为使A相电流平均分配到三相上且将功率因数补偿到cosφ=1，以图4为例对有功功率平衡、功率因数补偿进行理论分析。

图4 有功功率平衡、 功率因数补偿示意图

(1)AB相间跨接电容C1

对A相而言：由于电容电流Ic1超前电容电压Uc90度，因此将Ic1分解成垂直于A相电压的容性无功电流分量+Iqc1和与A相电压方向相反的负有功电流分量-Ipc。

对B相而言：电容电流Ic1超前电容电压Uc90度，因此Ic1可分解成垂直于B相电压的容性无功电流分量+Iqc1和与B相电压方向相同的正有功电流分量+Ipc。

由此可知：在AB相间跨接电容C1后，A相的部分有功电流转移到了B相。如果恰当地选择电容C1，使之在A相的有功电流分量-Ipc是A相有功电流的1/3，这时，电容C1就会将A相的1/3有功电流转移到B相。

(2)AC相间跨接电感L1

同理可得：在AC相间跨接电感L1后，A相的部分有功电流转移到C相。若恰当地选择电感L1，使之在A相的有功电流分量-IpL是A相有功电流的1/3，这时，电感L1将A相的1/3有功电流转移到C相。

通过(1)、(2)分析可知：电容C1将A相的1/3有功电流转移到B相，电感L1又将A相的1/3有功电流转移到C相，所以三相有功电流完全平衡。

(3) 三相功率因数分析

A相：电容C1在A相的容性无功电流分量+Iqc1与电感L1在A相的感性无功分量-IqL1相互抵消，使该相无功电流为0，即cosφ=1。

B相：在B相与中性点间恰当地接入电感L2，使之在B相的感性无功电流分量-IqL2正好抵消该相容性无功电流分量+Iqc1，使该相无功电流为0，即cosφ=1。

C相：在C相与中性点间恰当地接入电容C2，使之在C相的容性无功电流分量+Iqc2正好抵消该相感性无功电流分量-IqL1，使该相无功电流为0，即cosφ=1。

以上分析表明：在相或者相间接入适当的电容或电感，可以实现有功功率平衡和功率因数补偿。然而系统所需的电感在装置中难以实施，但实际配网中存在大量感性负荷，可将其看成等效电抗器，从而解决装置所需电抗器的难题。因此，只要负荷系统有足够感性无功，接入一定数量的电容器，便可达到有功平衡且无功补偿为零的效果。故该装置能够平衡有功电流前提是负荷系统有一定量的感性负荷，否则可能导致装置转移有功电流能力不够。实际中低压配电网可能存在无功不足的问题，而本文应用的SPC50装置采用混合式补偿方式(无源电容补偿+有源电力电子补偿)，既满足了任何低压配电网的应用效果，又解决了单纯使用有源电力电子技术平衡有功功率装置高成本的问题。

3 现场实验及分析

3.1 现场实验

为验证SPC50在低压配电台区负荷不平衡控制技术的可行性，实际选择承德市双桥区钟鼓楼箱变现场的一台315 kVA、10/0.4 kV的配电变压器低压侧安装50 kVar SPC50装置。如图5所示，SPC50外部接线端主要有：输入端A/B/C，接线端分别对应黄色/绿色/红色电缆头；PE为系统接地端，为防止发生危害人身安全事故，开机前通过此端子与大地相接；对于N线接入点：三相三线制不接入，三相四线制须接入该模块；电流互感器CT为重要外置部件之一，在正常工作中对系统补偿精度起到关键性作用，外接电流互感器的精度要求在0.2级(闭口式)或0.5级(开口式)以上，否则系统补偿精度将受到影响。

图5 单功率模块配线及安装框图

图6 补偿前后各相及中性线平均负荷电流

为了验证该装置的运行可靠性和稳定性，对该装置进行了三个月的现场运行试验，以11月25日采集的双桥区配变低压侧电流数据为例进行分析,未投入SPC50装置时采集的三相及中性线电流波形如图6(a)所示，在该区投入SPC50装置后的三相及中性线电流波形如图6(b)所示，补偿前后中性线负荷电流如图6(c)所示。由图6对比可知：在设备未投入运行前，配电网低压三相正常工作时负载波动较大且含有较大的谐波电流，三相负荷严重不平衡，中性线中流过较大的电流；设备安装运行后，在相同测量点位置，可以看出A、B、C三相电流基本趋于一致，中性线中的电流近似为0。

此外，通过后台数据可知SPC50在补偿电流不平衡的同时也补偿线上的无功功率和谐波电流。投入运行后功率因数从原来的0.9提高到0.98以上，设备投运后谐波从原来的6%左右补偿到2%以内，有效的降低了谐波电流量。SPC50装置能够24小时线性快速响应，从而保证了公用台变的安全运行。

3.2 结果分析

三相不平衡度是衡量电能质量的重要指标之一[13]。不平衡状态严重危及电器的使用安全，甚至导致用电设备损坏，因此对三相不平衡度的监测非常重要。三相电流不平衡度[14-15]常用β=ΔImax/Iav×100%表示,而对应相的负荷电流的不平衡度：βn=(In-Iav)/Iav×100%,(n=A,B,C)。其中ΔImax=max(IA-Iav,IB-Iav,IC-Iav)为最大偏差电流，Iav=(IA+IB+IC)/3为三相平均负荷电流，IA,IB,IC为配电变压器二次侧负荷电流。根据图6所示装置投入前后的各相负荷电流，通过三相不平衡度公式得到各相电流不平衡度曲线如图7所示。

图7 补偿前后各相电流不平衡度

从图7实测计算结果可知：调整前负荷电流不平衡度最高达到105%，而且大部分在20%～40%之间，调整后大部分都处在10%范围内，各相电流不平衡度较之前有非常显著的改善，从而验证了该装置在解决低压配电网三相不平衡负载的有效性。

4 结束语

本文针对低压配电网负荷三相不平衡问题，基于新研制的混合补偿调节装置SPC50，深入分析了其工作原理，并进行了现场安装运行和试验。运行结果及数据分析表明SPC50能够有效降低三相负荷电流不平衡度，将功率因数提高到0.98以上，降低三相负荷不平衡对用户的影响，提高供电电压质量和供电可靠性。

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Application of the Hybrid Compensation Regulator in Three-phase Unbalanced Load of the Low-voltage Distribution Network

Zhang Xiaoyi, Li Juexuan, He Jian, Wang Hu

(State Grid Jibei Energy Saving Service Co., Ltd., Beijing 100045, China)

Unbalance of three-phase load in the low-voltage distribution network will lead to such problems as decrease of transformer output power, increase of line power loss, potential shift of the neutral point and decrease of power factor. In order to lower power supply cost, reduce line loss and improve power quality, in the application background of the new generation hybrid compensation regulator (SPC50) of rated voltage 0.4kV, we select a typical pilot area and complete on-site installation and test run. Operational results and calculation analysis show that the hybrid compensation device can not only balance the three-phase load, but also increase the power factor to more than 0.98, thus verifying the effectiveness of the device in solving the problem of three-phase unbalanced load in the low-voltage distribution network.

low-voltage distribution network; unbalanced three-phase load; hybrid compensation regulator;three-phase unbalance factor;passive capacitor

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.027

TM727

A

1000-3886(2017)02-0088-04

张晓毅(1973-)，女，天津人，硕士，高级经济师，研究方向为工商管理。 李珏瑄(1986-)，女，北京人，硕士，中级工程师，研究方向为电气工程。 何建(1980-)，男，四川人，本科，工程师，研究方向为电力工程技术。

定稿日期: 2016-12-27