配网无功补偿及三相负荷不平衡调平装置的研究与应用
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
陕西省地方电力有限公司周至县供电分公司、深圳市特力康科技有限公司的研究人员丁越、田恒、侯亚军、程琛、黄少强，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，功率因数低、三相负荷不平衡是配电网络中的常见问题，导致配电网络的供电质量较差，造成系统产生较大的损耗，电能利用率大大降低。
为了改善电网质量，提高电能利用率，在电网中加入无功补偿调平装置是常用的方法。目前使用较多、效果较好的是SVC静止型动态无功补偿装置。本文从硬件和软件两方面对SVC无功补偿装置进行了研究，并通过工程应用对其使用效果进行了检验，设备投入后配网三相负荷不平衡的问题得到解决。
近年来，电力电子技术发展迅速，大功率电力电子设备大量增加，电力系统的无功问题日渐明显。电网中的感性负载导致电网电压和电流产生相位差，造成无功功率的产生，功率因数低下，电能利用率偏低。[1]此外，电网三相电压的不平衡会对电机的运行造成影响，以及保护装置的误动作。[2]
目前应用最为广泛，效果较好的补偿方式是采用静止型动态无功补偿装置SVC，该方式不仅能有效的解决电网功率因数偏低的问题，还可以对电网三相不平衡问题进行很好的解决。[3]本文对SVC补偿设备进行了研究，并通过实际应用对其效果进行了验证。
1 补偿装置的硬件结构
1.1 无功补偿系统的构成
无功补偿装置SVC常用类型有多种，本文以TCR+TSC型SVC为例。TCR+TSC（晶闸管控制电抗器+晶闸管投切电容器）型SVC系统原理如图1所示。[4]
图1 无功补偿系统原理图
1.2 无功补偿控制器的硬件结构
无功补偿设备硬件整体结构如图2所示。
图2 补偿设备硬件整体结构图
补偿控制器是补偿设备的核心部件，主要由控制部分、电源部分、输入输出部分、晶闸管触发控制部分、通讯模块以及晶闸管保护部分组成。[5]下面对控制器的主要功能电路进行介绍。
1) 晶闸管触发电路
晶闸管触发电路是无功补偿装置的关键部分，其直接控制电容器和电抗器反并联晶闸管的导通控制。[6]本文的控制芯片采用MOC3083，其具有相应速度快，触发精度高，可靠性好的特点，晶闸管脉冲触发电路原理图如图3所示。
图3 晶闸管脉冲触发电路原理图
电路中电阻R1的作用是限制发光二极管的电流，二极管D1、D2的作用是抑制反向电流。
2) 模拟量信号采集电路
电网电压和电流测量的有效性和实时性是SVC装置功能实现的前提。[7]本文的DSP芯片只能输入0-3V的直流电压信号，因此，采集的模拟量信号必须经过调理和转换才能进入DSP芯片中。
本文的电压和电流变换器采用天瑞电子高测量精度的TR2146测量型变换器，图4为模拟量信号接入电路原理图，图中的电阻R1用来限制回路电流，防止电流过大，R2的作用是将变换器输出的电流信号转化为电压信号。为提高设备的抗干扰性，系统还应增加滤波电路。
图4 模拟量信号接入电路
2 补偿装置的软件部分
图5 补偿主程序流程图
配网无功补偿装置的软件主要包括主程序、保护子程序、人机交互子程序、补偿控制子程序以及数据采集处理子程序。图5为系统主程序流程图。当补偿控制器通电之后，系统首先进行初始化操作，实现对子程序调用标志位赋值、时钟设定、看门狗设置、定时器设定以及中断程序标志位设定等操作。
系统完成初始化操作之后，系统执行自检程序，系统自检完成以后，执行操作键盘扫描、显示数据更行以及A/D数据采样通道启动等工作。系统通过模拟量采集通道实现实时信号采集之后，执行数据计算功能，从而实现系统电压、系统电流、有功功率、无功功率以及系统功率因数等系统参数。
装置首先根据计算数据进行系统故障分析，若系统存在保护故障，则优先执行保护动作，若系统不存在保护故障则调用补偿子程序，计算电容投入数量和电感触发角度，通过不断的实时监测和调节，最终实现系统无功功率的补偿和三相不平衡的调节，实现系统电能质量的改善。[9]
3 补偿装置的应用
在电网实际运行过程中，三相负荷不平衡的情况是非常常见的，而且三相负荷的不平衡情况也是不断变化的，这给系统负荷的调平造成了一定的困扰。因此，要求补偿装置的调平机制是动态的，即可以跟随电网负荷变化情况，实时、快速的做出反应，维持系统三相负荷的平衡。我们首先通过实验对装置的功能进行验证，在确认装置功能性良好的前提下，在电网中进行实践应用。
3.1 补偿装置的测试
为避免供电电源的影响，我们在实验中采用低阻抗的降压调压器作为系统供电电源，系统能够电压调整为84V，从而试验中变压器的压降可以忽略。系统三相接入星型连接的三组1.1KW的灯泡作为基本负载，另外在A相加入了可调电阻和可调电感负载，在B相加入了可调电感负载。
首先我们将A、B相的可调负载全部投入，对补偿效果进行观察。下表为补偿前后效果的对比数据。
表1 补偿前后效果比较表
从表中可以看出，在可调负载投入以后，系统的不平衡度和功率因数都有了铭心啊的变化，但补偿设备投入运行以后系统功率因数提高到0.9以上，系统的不平衡度也大大降低，达到1.6%满足了电网不平衡度不超过2%的要求。
然后，在上述实验基础上将A相的电感负载突然切除，检验系统的自动补偿功能。
表2 负载突然切除补偿前后效果比较
在A相电感突然切除后，系统过补功率因数成为超前0.93，系统经自动调节以后，A相功率因数恢复成滞后0.91，系统三项功率因数在0.9以上，系统的不平衡度为1.36%，仍然满足电网供电质量要求。[10]可见补偿装置的补偿效果比较令人满意。
3.2 补偿装置的工程应用
近期我们对某配网中心进行了无功补偿装置的改造工作，安装了TCR+TSC型无功补偿设备。该台区存在大量单相和三相混合负载用户，之前的补偿设备对功率因数的补偿具有较好效果，但对三相不平衡问题的解决效果不好。
在补偿设备改造前后，系统功率因数在0.92以上均可满足电网要求，但补偿前系统存在负荷不平衡的现象，补偿前随机抽选某一时刻电网三相电流有效值分别为354.7A、443.6A、356.3A，补偿系统改造以后随机抽选某一时刻电网三相电流有效值分别为369.1A、370.1A、371.6A。可见补偿设备使电网三相不平衡的问题得到有效解决。图6为补偿设备投入前后不平衡度的曲线对比图。
图6 补偿投入前后不平衡度对比图
从补偿设备投入前后的电网运行电流的趋势图中可以看出，在补偿系统投入前，系统三相电流的不平衡度比较大，电网的电能质量不高，远远超过了2%。补偿设备投入以后电网运行的有了明显改善，从最初的最高将近16%，到后来的基本保持在1.4%以内，满足了电网供电的质量要求，设备的使用效果明显，电网运行质量有了明显改善。
4 结论
本文主要对静止型无功补偿装置设计原理进行了研究，并对其调平机制进行了介绍，通过工程应用对其效果进行了检验。静止型动态无功补偿装置SVC通过实时采集电网功率因数和负荷情况，控制电容器的投切和电抗器的投入角度控制，对系统变化做出快速响应，可以对电网无功和三相负载平衡度进行有效的调节。
装置投入运行以后系统的功率因数得到保障的同时，三相电流不平衡对得到明显改善，获得了较为理想的效果。