基于静止无功发生技术的城市低压台区动态电压调节装置应用研究

引言

近年来，随着人民生活水平的提高和电力电子技术的高速发展，各种包含电力电子器件的家用电器也已在人们的日常生活中普及起来，在给人们的生活带来便利的同时，也给电网的经济、可靠、高质量供电带来了巨大的挑战。当前居民低压配电台区负荷的基本特征是在不同季节、不同的时间段负荷变化大，使台区电压在高峰负荷时段呈现低电压状态，在低谷负荷时段，呈现高电压状态。且城市10kV/0.4kV配电网络广泛使用电缆，在低谷时段电缆充电电流使整个台区无功功率呈容性特性，进一步加剧了台区电压的升高。而目前低压台区仅配置电容器作无功补偿设备，无法解决电压偏高的的问题。居民用户的另一个特征是大部分家用电器都是单相接入电网，同时注入大量非线性和不对称负载电流，给供电系统带来了巨大的污染。如何解决上述矛盾已经成为保障人们正常工作、生活，减少经济损失急需解答的问题。

本文在对某城市居民小区电网存在的电能质量问题进行了研究，针对其存在的突出的电压合格率问题，提出了基于静止无功发生器装置的配电系统无功电压优化方案，并根据某一城市配电网实际技术参数值计算了相应的调压效果，最后得出了基于静止无功发生器技术的城市配电网低压配电网动态电压改善策略。

1 居民小区电网的特点

居民小区电网属于低压配电网，一般由10/0.4kV变压器接入大电网，网内负荷大多工作在三相380/220V和单相220V电压等级，电压低、容量小，接线形式一般为三相四线制。居民小区电网还具有以下特点：

（1）居民小区中，一般很少有大容量的冲击性负荷，因此对动态无功补偿的要求不高。

单相设备多，其用电负荷占总容量的70%左右，采用单相供电造成三相配电负荷不平衡，中性点偏移，产生负序电流，且使三相相差不对称（三相相位差不是1200）。

（2）绝大部分用电设备为非线性负荷，基本分为两类：含有开关电源的非线性负荷，如电视机、荧光灯、微型计算机、电池充电器等家用电器；交流整流再逆变的用电设备，如变频空调等。

上述非线性负荷形成谐波源，其谐波含有率高。研究表明，彩色电视机、空调、个人电脑的谐波含有率高达130%、170%、100%。国外对谐波源的研究分析发现，民用建筑是产生谐波的重要来源。日本调查结果显示，来自民用建筑的谐波污染占总谐波量的40.6%。同时，这些非线性负荷功率因数低，大多数在0.8以下，有的甚至不到0.5，需要吸收大量的无功功率。大多数用电设备如个人计算机、通信设备、自动化设备等对供电质量要求高，特别是对谐波敏感。

低压台区还存在：1）间歇性用电、季节性用电，峰、谷用电量差别大；2）用户分散或集中无序，供电线路复杂，配变布点不合理，供电半径长短不一；3）电压监测网络不健全，变压器出线端监测点不足，线路末端电压监测几近空白；4）部分农网设计标准偏低，配变容量不足，表后线径偏小。

2 低压台区存在的电能质量问题分析

低压台区主要存在电压偏低、三相不平衡和功率因数偏低三大类问题，严重影响到电网和电气设备地安全运行，具体如下：

2.1 台区电压合格率偏低

电压合格率的定义是台区电压在上、下限值的时间占总时间的百分比，是表述该地区电压电能质量最主要的数据，但由于台区负荷的变化，在高负荷情况下，易出现电压越下限，导致电压偏低；而在凌晨小负荷情况下，由于台区广泛使用电力电缆，还易出现容性充电无功过大，导致电压越上限电压偏高。

2.1.1 台区电压偏高

（1）影响台区接入电气设备安全，容易烧坏家用电器设备。

（2）危害配电网的安全运行。

2.1.2 台区电压偏低

（1）照明灯具发暗：电压降低5%，普通电灯的照度降低18%；电压降低10%，则照度降低约35%。

（2）烧坏电机：电压降低超过10%时，将使电动机的电流过大，线圈的温度过高，严重时会使电动机拖不动机械（如风机、水泵等）而停止运转或无法启动，甚至烧坏电动机。

（3）增大线损：在输送一定电力时，电压降低，电流增大，线损也相应增大。

（4）变电设备能力降低：例如电压降低到额定值的80%时，变压器和线路输送的有功负荷只有额定容量的64%。

2.2 三相不平衡

（1）增加损耗：线路和配变的损耗与通过电流的平方成正比。在三相四线制系统中，三相负荷平衡时线损最小，不平衡度越大，线损也越大。

（2）配变出力减少：配变设计时，其绕组结构是按负载平衡运行工况设计的，其绕组性能基本一致，各相额定容量相等。当配变处于三相不平衡工况下运行，负载轻的一相就有富余容量，从而使配变的出力减少。

（3）烧毁配变：三相负载不平衡运行会造成变压器零序电流过大， 局部金属件温升增高，甚至会导致变压器烧毁。

（4）影响用电设备的安全运行：配变在三相负载不平衡时运行，负载重的一相电压降低，负载轻的一相电压升高，即容易造成电压高的一相接带的用户用电设备烧坏，而电压低的一相接带的用户用电设备则可能无法使用。

（5）中性线过载：三相负载不平衡运行时会造成中性线中流入过大的不平衡电流，导致中性线过载，甚至烧毁。

2.3 功率因数偏低

（1）网络损耗大：在输送一定量有功功率的前提下，功率因数越低，其视在功率越大，进而导致网络损耗也越大。

（2）网络输送容量低：在网络一定的前提下，功率因数越低，其输送的有功功率也越低。

（3）用户侧电压偏低：功率因数越低，其在线路及配变上造成的无功压降也越大，导致用户侧电压也偏低。

3 低压台区无功平衡对电压影响分析

低压台区供电系统是一个复杂的供电系统。从电网框架来看，低压台区处于电力网络的末梢，由于供电半径大、负荷昼夜变化较大、无功补偿在装置配置不合理等因素影响，同时400V低压台区也是距离无功保障最困难的地方，严重影响400V母线系统电压合格率。目前电网的无功电源（发动机、调相机、电容器）都处于远离配网的位置上，由于低压台区电压等级低，等量的电能输送所产生的能耗和压降要远高于其他电压等级。因此，低压台区合理配置无功补偿设备，对改善网架结构、提高电能质量、降损增效等方面都将起到有效的促进作用。现行经济发展致使电力系统供需矛盾逐步加深，接入配电系统的客户对电能质量的要求也在提高，尤其是环境保护、节能减排等问题的逐步提上日程，配电网中无功补偿的合理优化、 配置越来越体现出重要性。 而无功补偿对于配电网优质、经济高效的运行有着深远的影响，特别是对电压合格率起到了一定的主导作用。

电力系统中的电压水平与系统中无功功率的状况密切相关。无功功率从电源端经线路和变压器向负荷端输送，要产生电压损耗。高压线路和变压器的电压损耗主要决定于通过的无功功率，输送的距离越远、经过的环节越多，则引起的电压降就越大。因此要求合理地配置无功功率电源，做到就近供应无功功率，这样不仅能提高电压水平，而且能减小电网中的有功功率损耗，同时还能减小电网中无功功率的变化幅度，减小各节点电压的波动，同时提高发电机的有功出力。同样，提高负荷的功率因数，也能起到这样的作用。因此电压的调整与无功电源配置、负荷无功功率的补偿、电网中无功潮流的调整以及运行的经济性都是密切相关的，必须加以综合分析和研究。

无功功率在电力系统中的合理分布是充分利用无功电源、改善电压质量和减少网损的重要措施。在电力系统负荷不断增长的同时，必须相应增加无功功率补偿容量。所谓电力系统无功功率的最优补偿是在满足一定条件下的最经济的无功功率补偿。电力系统的无功补偿与无功平衡，是保证电压质量的基本条件，有效的电压控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且提高了电力系统运行的稳定性和安全性，充分发挥了经济效益。

4 低压台区调压方式及效果分析

4.1 采用静止无功发生器稳压原理

SVG――静止无功发生器是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔流输电系统（FACTS）的重要组成部分。SVG并联于电网中，相当于一个可控的无功电流源，其无功电流可以快速地跟随负荷无功电流的变化而变化，自动补偿电网系统所需无功功率，对电网无功功率实现动态无功补偿，同时对电网电压进行动态稳定调节。

表1 SVG静止无功发生器工作原理

运行模式 波形和向量 说明

原理示意图

SVG通过整流逆变的方式可以输出与系统同频同向但幅值可调的工频电压，经连接电抗器接入系统。

空载运行模式 UI = Us，IL = 0，SVG不吸发无功。

容性运行模式 UI > Us，IL为超前的电流，其幅值可以通过调节UI来连续控制，从而连续调节SVG发出的无功。

感性运行模式 UI < Us，IL为滞后的电流。此时SVG吸收的无功可以连续控制。

SVG是利用可关断器件，将直流电压逆变成交流电压，通过连接变压器耦合到交流系统中。目前成熟应用的可关断器件是IGBT（绝缘栅型双极晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor）。由IGBT组成的H桥电路输出的交流逆变电压相位和幅值可灵活控制，从而实现动态提供容性或者感性无功的功能。SVG可以连续双向输出无功功率，动态稳定系统电压，精细化的调节系统电压幅值。

4.2 电压改善效果计算

假设系统源端供电电压与负荷侧电压分别为 和 ，系统阻抗为 ， 为系统电流， 为负荷电流，系统等效电路图如下所示：

SVG运行后，系统电压的变化量 如下式所示：

Δ?= ?s C ?l

= Zs.?s

= Zs（?l+?c）

由上式可知，调整补偿电流 可以利用其在系统阻抗上产生的压降来抵消电网电压的变化量。

当配变用户电压Ul偏低时，SVG调整到容性运行模式，补偿负荷的感性无功分量，减小系统电流 的的感性无功份量，使电压的变化量 的值减小，从而提高用户电压Ul；

当配变用户电压Ul偏高时，SVG调整到感性运行模式，增加系统电流 的的感性无功份量，使电压的变化量 的值增大，从而降低用户电压Ul。。

5 结论

本文提出的基于静止无功发生技术的城市低压台区动态电压调节装置应用研究，分析了方案的有效性，可以很好的解决低压台区电压波动问题。