第 38 卷 第 6 期 003-007 017 年 1 月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor & Reactive Power Compesatio Vol.38 No.6 003-007 Dec. 017 DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.017.06.005 张亮 1 徐魁 陈刚 3 陈兵 4 水恒华 1 马超 姜风雷 1 1. 南京工程学院 江苏 南京 11167. 江苏南自通华电力自动化股份有限公司 江苏 南京 1110 3. 江苏省电力公司徐州供电公司 江苏 徐州 1000 4. 国网江苏省电力公司电力科学研究院 江苏 南京 11103 摘 要 因大量单相负荷的存在 农网配电台区线路三相不平衡情况严重 同时电流畸变率较大 降低了变压器出力甚至影响安全运行 针对上述问题 提出一种用户侧智慧型电能质量综合治理装 置 user-side smart power quality correct device 简称 USPC 在用户侧集中治理三相不平衡 兼顾无 功补偿与谐波抑制 USPC 由智能协调单元控制智能电容器和有源电力电子装置协同工作 并通过 合理的容量分配 实现较高的性价比 经现场示范和应用检验 论文所提设计正确有效 关键词 不平衡治理 电能质量 智能协同控制 无功补偿 谐波抑制 Desig ad Applicatio of a User-side Smart Power Quality Itegrated Cotrol Device ZHANG Liag1 XU Kui CHEN Gag3 CHEN Bi4 SHUI Heghua1 MA Chao JIANG Feglei1 1. Najig Istitute of Techology Najig 11167 Chia. Jiagsu NICETOWN Electric Power Automatio Co. Ltd. Najig 1110 Chia 3. Xuzhou Power Supply Corporatio State Grid Jiagsu Electic Power Compay Xuzhou 1000 Chia 4. State Grid Jiagsu Electric Power Compay Research Istitute Najig 11103 Chia Abstract: Due to a large amout of sigle- phase load i rural area the three- phase curret ubalace problem is serious i distributio etwork which iflueces the safety ad quality. To solve it a user-side smart power quality correct device USPC is proposed which cotrols the three-phase ubalace ad also compesate the reactive power ad harmoic. By the smart uit smart capacitor ad active power quality device cooperate together. Ad by the optimizatio a cost- effective system is realized. The scheme is validated i the idustry with a ecoomic ad effective result. Keywords: ubalaced compesatio power quality smart cooperative cotrol reactive power compesatio harmoic restraiig 0 投入使用 从而导致配电台区三相不平衡情况严 引言 重 并且还存在功率因数问题与谐波畸变问题 3-4 优质可靠的供电品质是工业生产和经济 发 展的重要问题 也是现代电网的关键特征之一 加剧了供电安全和供电效率压力 然而 由于配电网的复杂性及单一设备的局限 近几年来 配电网接入大量分布式电源 使得配电 性 难以满足对谐波 无功等电能质量问题的统一 系统从传统放射状无源网络变成多向复杂有源网 治理要求 因此 提出一种用户侧智慧型电能质量 络 同时 由于可再生电源随机波动 以及大量电 综合治理装置 通过智能电容器和有源电能质量综 力电子并网设备的使用 导致配电网谐波 间谐波 合治理装置的协同工作 实现不平衡治理 无功补 的频带分布更广 暂态电能质量问题突出 另外 随 偿 谐波抑制的功能三合一 同时 通过容量的合理 着农村城镇化建设的深入 大量单相负荷在农网中 分配 实现系统的高性价比 1 收稿日期 017 09 04 基金项目 国家重点研发计划 017YFB0903504 国家自然科学基金 51607084 江苏重点研发计划 BE017169 江苏 省工业支撑计划 BE014876 江苏六大人才高峰项目 015-ZNDW-008 018 年国网江苏省电力公司科技项目 江苏配电网 协同创新中心基金 XTCX016-8 3
017 年第 6 期电力电容器与无功补偿第 38 卷 1 总体设计思路本文描述的电能质量综合治理装置主要在 380 V 低压配网中应用 为了得到理想的电能质量 [5-9] 控制效果, 重点关注以下几点 : 1) 综合性 现代电能质量控制系统不单单针对电网的某一种电能质量问题, 而应该对多种电能质量问题具有综合治理能力 ) 经济性 在实现高效率 高质量控制效果的同时, 应该考虑降低装置成本, 提高性价比 3) 合理性 电能质量控制系统应该合理利用现有装置, 通过改变现有装置的控制策略或增加少量 其他装置, 达到提升系统整体性能 4) 全局性 电能质量控制装置的安放方式 装机容量等相关信息, 应该从全局出发, 实现系统最优化 综合上述设计要点, 考虑系统性价比, 研发一种用户侧智慧型电能质量综合治理装置 针对不同时间段或不同负荷导致的配网三相不平衡 谐波以及电压波动问题, 通过系统级的协调控制与优化, 以及装置级的先进控制, 包括负序 零序 无功及谐波分量的分离提取, 电力电子装置和无源设备的智能控制, 实现全局综合补偿, 其总体设计思路框图如图 1 所示 Fig. 1 USPC 设有智能协调单元, 根据负载变化情况 自适应地切换和控制, 如负载无功变化时, 利用有 源装置快速响应无功需求, 待电容器投入后再将之 前投入的有源容量切除, 最大限度地利用有源容量 补偿谐波和不平衡电流 控制算法研究 从谐波抑制 三相电流不平衡治理 无功补偿 3 个方面考虑整个装置的控制算法 基于瞬时无功 [10-15] 理论, 对 abc 三相电流建立如下的表达式 : i a = [I 1 si( ωt + φ 1 ) + I si( ωt + φ ) + I 0 si( ωt + φ 0 )]; i b = 4 [I 1 si æ ωt + φ ö 1 - π + I 3 ø si æ ωt + φ ö + π 3 ø 图 1 用户侧智慧型电能质量综合治理装置原理框图 The diagram of user-side smart power quality correct device (1) + I 0 si( ωt + φ 0 )]; () i c = [I 1 si æ ωt + φ ö 1 + π + I 3 ø si æ ωt + φ ö - π 3 ø + I 0 si( ωt + φ 0 )] (3) 在三相四线制配电系统中, 存在零序分量, 在 进行坐标变换计算正序指令电流时, 引入瞬时零序 电流坐标轴 则有 : i α i a é ù é ù iβ = C abc/αβ0 i b ëi 0 û ë û = = 1 i c é 3 I 1 si( ωt + φ 1 ) + 3 I si( ωt + φ 1 ) ù - 3 I 1 si( ωt + φ 1 ) + 3 I si( ωt + φ 1 ) ë 0 û + = 1 é 0 ù 0 (4) ë 6 I 0 si( ωt + φ 0 ) û é 1-1 式中 C abc/αβ0 = 3 3 0 1 1 ë - 1 ù - 3 (5) 1 û
017 年第 6 期 张亮 等 总第 174 期 从上式中可以看出 正序和负序电流对 α 和 β 轴都有作用 而零序电流对 0 轴起作用 利用瞬时 对称分量法 将零序电流分量去除 进行单独补 偿 同时对正序 负序分量等同于三线制系统进行 处理 然后 将各序分量补偿控制环进行叠加 得 到三相电流补偿控制的指令电流 在计算正序电流的过程中 需计算正序有功与 无功补偿电流 利用锁相环来获得正序电压相位 用 ip-iq 法计算电流 系统电流指令控制框图如图 所示 图 系统电流指令控制框图 Fig. The diagram of curret cotrol 正序指令电流计算如图 上半部分所示 其中 Cαβ/abc= C -1 abc/αβ Udc 为装置直流侧电压 Udcref 为直流侧 能质量综合治理装置具有如下特点 1 运行模式齐全 治理方式灵活 三相不平衡 电压给定值 通过 PI 控制器调节直流侧电容电压 谐波 无功综合治理 可灵活设定模式及补偿比例 在系统的三相不对称补偿中 负序和零序分量 有源 无源容量按需配置 治理方式更加灵活 性价 都是需要消除的分量 通过控制环节 使得补偿装 比更高 智能协调单元可实现系统的统一 协调控 置向系统发出与其幅值 极性相反的电流 制 控制集成度更高 基于瞬时对称分量法测得的负序 零序电流 通 过 锁 相 环 PLL 获 得 负 序 电 压 的 相 位 经 过 Clarke 变换和 dq0 坐标变换 将负序 零序指令电流 叠加 分离计算出 abc 三相指令电流 检测控制原理 框图如图 下半部分所示 先进的控制策略和拓扑结构 控制器采用双 DSP+FPGA 完成智能控制算法及负序 零序 谐波 提取算法 使得补偿性能更加卓越 具有谐振监测 功能 可在自行判断系统谐振 报警的同时退出系 统 装置具备全面的保护功能 过 欠电压 过欠频率 iαβ0 0 为线路中的负序和零序电流 iabc 和 iabc 0 输出过流 IGBT 过温 母线过压等 采用三电平电 轴负序 零序电流在 dq0 坐标系下的直流分量 ip 表 1 为用户侧智慧型电能质量综合治理系统 之和 结合负序电压锁相环相位和 ip-iq 法 得出 abc T 路拓扑结构及 LCL 滤波回路 十分易于模块 化 iq i0 将其与理想对称网络中 负序和零序电流的 参数 期望值作差 便可获得负序和零序的补偿电流 最 表 1 用户侧智慧型电能质量综合治理系统参数 Table 1 The parameters of user-side smart power quality correct system 后经过 dq0 和 Clarke 逆变换 将补偿电流信号转换 到 abc 坐标系下 得到指令电流值 i*a(0) i*b(0) i*c(0) T 将 正序电流直接控制策略下电流指令 i*a(1) i*b(1) i*c(1) T 与 零负序指令电流 i*a(0) i*b(0) i*c(0) T 相加得到最终的电 流指令值 i*a i*b i*c T 实现 三合一 补偿 3 现场运行示范及结果分析 根据上述分析与论证 开发型用户侧智慧型电 电网电压 电网频率 进线方式 三相不平衡治理能力 无功补偿范围 滤波范围 电容补偿方式 380 V(-40%~+0%) 50 Hz(±10%) 三相三线 三相四线 容量范围内治理后不平衡度<5% 从-1~+1 连续可调 ~13 次 特定次谐波可指定幅值补偿 共补 抗谐可选 /分补 抗谐可选 /混合补偿 5
017 年第 6 期 电力电容器与无功补偿 第 38 卷 治理前后三相电流波形对比 谐波含量如图 3 图 4 所示 治理前后三相不平衡度测量数据对比如 图 5 所示 Fig. 3 图 5 治理前后三相不平衡度测量数据对比 Fig. 5 The compariso of three-phase curret ubalace before ad after compesatio 图 3 治理前后三相电流波形对比 The compariso of three-phase curret before ad after compesatio 图 3 图 4 图 5 可以看出 本文所提出的装置 及控制策略能够高效地实现对三相电流不平衡的 治理 电流不平衡度从最大 3% 下降到 3% 以内 负序电流不平衡度从 17.8% 下降到 0.5% 零序电流 不平衡度从 17.4 下降到 0.8% 零线电流从 191 A 下降到 13 A 消除了零线电流过大烧断的安全隐 患 同时 改善电网电流波形 总畸变率从最大 55% 下降到 5% 以内 其中占最大比例的 3 次谐波 从 50% 下降到 3% 左右 其余各次谐波均有大幅下 降且都在 3% 以内 符合公共配电网的相关规定 4 结束语 本文讨论了用户侧智慧型电能质量综合治理 装置的设计 并开展了现场实验验证 装置运行效 果良好 治理后可以看到不但低压侧三相电流均 衡 高压侧的三相电流也趋于均衡 零序电流的消 除则避免了其在变压器高压侧绕组间的内部环流 减少了变压器的损耗 用户侧智慧型电能质量补偿装置集不平衡治 图 4 治理前后三相电流谐波含量对比 Fig. 4 The compariso of THD before ad after compesatio 6 理 无功补偿 谐波抑制功能于一体 具有极好的工 程应用价值
017 年第 6 期 张亮 等 参考文献 总第 174 期 1 周林 甘元兴 雷鹏 等. 基于瞬时无功功率理论的谐 1 王兆安 杨君 刘进军. 谐波抑制与无功功率补偿 M. 波检测新方法 J. 高电压技术 005 31 10 67-69 吕志鹏. 含分布式发电的配电网电能质量综合控制研 moics detectig methods based o the istataeous reac 北京 机械工业出版社 1998 究 D. 长沙 湖南大学 010 3 程浩忠. 电能质量概论 M. 北京 中国电力出版社 013. 4 林海雪. 电力系统的三相不平衡 M. 北京 中国电力出 ZHOU Li GAN Yuaxig LEI Peg et al. Novel har tive power theory J. High Voltage Egieerig 005 31 10 : 67-69. 13 罗安 付青 王丽娜 等. 变电站谐波抑制与无功补偿 版社 1998 的大功率混合型电力滤波器 J. 中国电机工程学报 联性分析 J. 电源学报 015 5 118-11 LUO A FU Qig WANG Lia et al. Highcapacity hy 5 袁晓冬 史明明 陈兵. 电网谐波与无功电容器组的关 YUAN Xiaodog SHI Migmig CHEN Big. Relatio ship aalysis betwee power grid harmoics ad reactive power capacitor baks J. Joural of Power Supply 015 5 : 118-11. 6 穆瑜 陈乐柱 杜荣权. 有源电力滤波和电容器组混合 补偿技术的研究 J. 电源学报 015 13 3 94-99 MU Yu CHEN Lezhu DU Rogqua. Research o hybrid compesatio techology of APF ad capacitors J. Jour al of Power Supply 015 13 3 : 94-99. 7 徐永海 肖湘宁 刘昊 等. 混合型有源电力滤波器与 并联电容器组联合补偿技术研究 J. 电工技术学报 005 0 1 11-118 004 4 9 115-13 brid power filter for harmoic suppressio ad reactive power compesatio i the power substatio J. Proceed igs of the CSEE 004 4 9 :115-13. 14 张定华 桂卫华 王卫安 等. 新型电气化铁道电能质 量综合补偿系统的研究及工程应用 J. 电工技术学报 009 4 3 189-194 ZHANG Dighua GUI Weihua WANG Weia et al. Study ad applicatio of a ew power quality combied compesatio system for electrified railway J. Trasac tios of Chia Electrotechical Society 009 4 3 :189194. 15 李葆申. 一种新的不平衡负荷的低压无功功率混合补偿 XU Yoghai XIAO Xiagig LIU Hao et al. Shut 方式 J. 现代建筑电气 011 11 53-54 compesatio J. Trasactios of Chia Electrotechical scheme J. Moder Architecture Electric 011 11 :53-54. hybrid filter for harmoic suppressio ad reactive power LI Baoshe. A ew bled reactive power compesatio Society 005 0 1 :11-118. 作者简介 并网系统研究进展 J. 电力系统保护与控制 01 40 先进储能技术 交直流电网运行与保护技术 ZHOU Li ZENG Yi GUO Ke et al. Developmet of 源管理工作 latory fuctio J. Power System Protectio ad Cotrol 化专业工作 9 罗安. 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 M. 北京 制技术工作 10 王兆安 黄俊. 电力电子技术 M. 北京 机械工业出版 网运行与控制技术工作 8 周林 曾意 郭珂 等. 具有电能质量调节功能的光伏 9 137-145 photovoltaic gridcoected system with power quality regu 01 40 9 :137-145. 中国电力出版社 006 社 007 11 姜齐荣 赵东元 陈建业. 有源电力滤波器一结构 原 张亮 198 男 副教授 研究方向为电能质量控制 徐魁 1968 男 高级工程师 从事电能质量控制 能 陈刚 197 男 高级工程师 从事电力系统及其自动 陈兵 1977 男 高级工程师 从事电能质量分析与控 水恒华 1980 女 实验师 从事电能质量控制 微电 马超 1986 男 硕士 主要从事电力电子技术工作 姜风雷 199 男 硕士生 研究方向为电力电子技术 理 控制 M. 北京 科学出版社 005 上接第 页 of the CSEE 01 3 6 :113-10. 作者简介 张培远 1987 男 工程师 从事谐波抑制与无功补偿 工作 蒋伟 1991 男 助理工程师 从事电力电子技术在电 力系统中的应用工作 吴应华 1986 男 工程师 从事变电运维管理工作 郭其锋 1987 男 工程师 从事电力电子技术在电力 系统中的应用工作 邢正军 1989 男 工程师 从事谐波抑制与无功补偿 技术工作 7