配电网中三相不平衡负荷补偿
第22卷第1期V ol. 22N o. 1电力自动化设备 2002年1月Jan. 2002E lectric P ower Automation Equipment
配电网中三相不平衡负荷补偿
彭 辉, 黄亦农, 王茂海
(武汉大学电气信息学院, 湖北武汉430072)
摘要:为解决中低压配电网中普遍存在的三相负荷不平衡问题, 详细分析了三相不平衡负荷的特性, 对三相不平衡负荷的补偿原理进行了深入的研究, 给出了三相不平衡负荷补偿的一般原则。并在此基础上, 提出了使用T CR +TSC 型S VC 作为三相不平衡负荷的补偿装置。从数值仿真结果可知, 这种无功补偿装置不仅可平衡三相负荷, 1。关键词:不平衡负荷; S VC ; 补偿中图分类号:T M 71413 文献标识码:A :01-0032-03
0 引言
在中、低压配电网中, 的, 因此一般是不平衡的供电点三相电压耗, 的影响。目前, 在中、低压配电网中, 广泛采用手动或自动投切的电容器组进行补偿。但是, 即使是最先进的晶闸管分相投切电容器组, 也只能解决功率因数的补偿问题, 而不能有效地平衡三相负荷。
供电点三相电压的不平衡是由于三相不平衡电流在输电线路上引起的电压降不同而产生的。三相不平衡电流可分解为正序分量、负序分量和零序分量。零序分量无法流入三角形或无中线星形连接的变压器绕组或电动机绕组。如果能够补偿掉负序电流分量, 同时通过合理的绕组接线使零序电流无法流通, 就可使三相负荷平衡, 对正序电流中的无功分量可实现分相无功补偿[1]。
为实现三相负荷平衡, 必须采用无功功率连续可调的无功补偿装置S VC 。本文采用TSC +T CR 型式S VC , 它通过改变T CR 导通角σ和TSC 投切组别, 使S VC 的电纳连续可调。针对该S VC 提出了1种新的控制策略, 应用它,S VC 可完全补偿三相不平衡负荷, 使输电线路上只有三相平衡的有功电流。同时, 负荷点的电压也得以平衡, 确保了供电点的电压质量。
图1 由平衡的三相正序电压供电的不平衡负荷Fig. 1Unbalanced load supplied by a balanced three 2phase set
of v oltages with positive phase sequence
以A 相对中性点的电压U A 为参考向量, 那么A ,B ,C U A =U
U B =a U
U C =aU
2
(1)
式中 a =e j120°=-1/2+j
线电压为
U AB U BC
=U 2
U A
(1-a 2) U
1 -1 0 0 1 -1-1 0 U B =(a 2-a ) U (2)
(a -
1) U U
三角形接线中每支路的负荷电流是
AB
Y l 00I AB U AB
I BC =I 00
Y BC l
Y l
CA
U BC U
I AB I BC =I (3)
1 三相不平衡负荷的补偿原理
为了说明三相不平衡负荷的补偿原理, 首先使
用对称分量法对不对称负荷进行分析。如图1所示, 不对称的三角形连接负荷由三相对称的正序电压供电, 由1台S VC 对其进行补偿,S VC 的各相电纳可独立调节。对于中性点不接地的星形连接负荷,
Δ变换表示成三角形连接负荷, 再进行可通过Y Ο
分析。
收稿日期:2000-12-05; 修回日期:2001-07-31
而线电流为
I A I B
I =
1 -1 0 0 1 -1-1 0
Y l
AB
1 -
1 0
0 1
-1-1 0 化简后,
得
Y l
BC
00
Y CA l
U AB U BC (4) U 00
第1期
I
A I B I 彭 辉, 等:配电网中三相不平衡负荷补偿
AB 2CA
Y l (1-a ) -Y l (a -1)
33
1
a a
2
B r
U
(5)
=
2AB 2
Y BC l (a -a ) -Y l (1-a
) CA BC 2
Y l (a -1) -Y l (a
-a )
B BC =-r B r
CA
Im a
3U
a
-a -1-a
I A (l ) I B (l ) I C (l )
(13)
2
1
当选择A 相作为基准相时, 三相线电流与其对称分量之间的关系为
I A1I A2=I
11
1a a
2
a a
I A I B I (6)
11
式中含有因子1/, 这是为了使对称分量变换矩阵成为酉矩阵, 保证变换后功率不变。I A1, I A2和I A0分别为A 相线电流的正序、负序和零序分量。B 相和C 相的对称分量有
2
I B1=a I A1, I C1=a I A1
I B2=a I A2, I C2=a I A2I B0=I C0=I A0
2
在实际应用中, 三相电压和三相负载电流均可测出, 利用式(13) 即可计算出无功补偿装置的三相补偿电纳。
为了使三相补偿电纳连续可调, 采用T CR 与T SC 并联型式的S VC 。如图2所示, 电容器和电抗器均采用三角形连接, 避免线电流中产生零序分量。
)
图2 T CR +TSC 示意图
Fig. 2Diagram of three 2phase T CR with three 2phase TSC
由式(6) 和式(7) 称分量。从式(7) , A 相线电流的负序分量为0, 那么B 相线电流的负序分量也等于0。因此, 要讨论负序电流的补偿, 只需要讨论A 相负序电流的补偿。
将式(5) 代入式(6) , 求得A 相对称分量如下
I A1(l ) =(Y l I A0(l ) =0
AB
CA
+Y BC l +Y l ) U
BC CA
I A2(l ) =-(a 2Y AB l +Y l +aY l ) U
在相控电抗器T CR 中, 电抗器的基频等效电纳
与晶闸管触发角σ的函数关系如下
σσ) =(14) B L (σπX L 式中 X L 为相控电抗器的实际电抗值。
将相控电抗器T CR 与晶闸管投切电容器组TSC 并联使用时, S VC 的等效电纳为
) -kB C (15) B r =B L (σ
) 为相控电抗器的等效电纳, k 为TSC 式中 B L (σ
投入电容器的组数, B C 为一组电容器的电纳。实际运行时, 先由控制器采样, 测得三相电流和三相电压值, 再利用式(13) 算出S VC 的三相补偿电纳。通过改变相控电抗器的触发角σ和TSC 的投入电容器组数, 就可以平滑地改变S VC 的等效电纳至整定值。A ,B ,C 三相是独立控制的, 其等效电纳可分别调节。
(8)
用同样的方法, 可求出三角形连接的无功补偿装置的A 相线电流对称分量如下:
BC CA
I A1(r ) =j (B AB r +B r +B r ) U 2AB BC CA
I A2(r ) =-j (a B r +B r +aB r ) U
(9)
I A0(r ) =0
在用无功补偿装置进行补偿后, 若线电流的负序分量为零, 则三相负荷将是平衡的[2], 即
(10) I A2(l ) +I A2(r ) =0无功补偿装置一般还要考虑功率因数校正, 使
补偿后总功率因数等于1, 也就是使正序线电流的虚部等于零, 即
(11) Im [I A1(l ) +I A1(r ) ]=0在式(10) 和式(11) 中, 未知数有3个, 分别为无
BC CA
功补偿装置的三相电纳B AB r , B r 和B r 。而方程(10
) 可分解为实部和虚部2个部分, 加上方程(11) , 就可解出无功补偿装置的三相电纳如下:
B r
BC
B r =-
2 数值仿真
为了说明上述补偿原理, 对1个三相不平衡负荷, 使用T CR +TSC 型的三角形连接S VC 进行补偿, 系统线电压的有效值为10kV 。下面分2种情况进行讨论。
a. 1个三角形连接的三相不平衡负荷, 系统电源给AB , BC 和C A 各相提供的复数功率分别为1325+j1141kV ・A , 1907+j1289kV ・A , 以及1498+j1
162kV ・A ; S VC 的三相等效电纳分别为j3. 0×10-3S ,j 4. 0×10-3S 和j 5. 0×10-3S 。
补偿结果见表1。
由表1可知, 在进行三相补偿前, 三相负载不平衡, 三相线电流的有效值各不相同, 线电流中的负序
B r
CA
3
U
1Im 1
1
-2a 0-2 0-2a 2
I A1(l ) I A2(l ) I A0(l (12
)
利用式(6) 的逆变换将式(12) 中的对称分量变换到相坐标系中, 得:
电34 2002年力自
动化设备
j1162kV ・A , 而BC 上未带任何负荷, 相当于断路,
其视在功率为0。此时,S VC 的三相等效电纳分别为j 6. 7×10-3S ,j3. 0×10-3S , j1. 3×10-3S 。
由表2可知, 在该极端情况下, 三相负载严重
表1 a 补偿结果
T ab 11C om pensating results in case (a ) study
项 目线电流有效值/A 线电流对称分量/A
I A (l ) I B (l ) I C (l ) I A0I A1I A2S A B S BC
补偿前
[***********]325+j11411907+j12891498+j1162
补偿后
157. 6157. 6157. 602730
三相负载功率/kV ・A
S S A S B S C
[1**********]6
不平衡, 在线电流中会有很大的负序分量, 达到正序
分量的52. 4%, 给线路上的用电设备造成严重危害。使用S VC 进行无功补偿后, 不仅使电源供给的线电流中不含负序分量, 而且使线电流中的正序电流只含有有功分量。从电源的角度看, 三相负载为平衡的纯有功负载, 使该不平衡负荷对系统电压和其它用电设备的影响降低到最小程度。
3 只有采用补偿电纳连, 才能将其补偿为三相平衡+TSC 型的S VC 采用晶闸管作为无触点, 它可根据负荷变化, 迅速调整无功功率的输出, 实现快速跟踪补偿, 使供电电源输出的电流基本为三相平衡的有功电流, 改善了供电点的电压质量, 减小了不平衡负荷对电力系统的影响。参考文献:
[1] 米勒T J E. 电力系统无功功率控制[M].胡国根译. 北
京:水利电力出版社,1990.
M iller T J E. Reactive power control in electric systems. T ranslated by H U G uo 2gen. Beijing :Hydraulic and E lectric P ower Press ,1990. [2] 林海雪. 电力系统的三相不平衡[M].北京:中国电力
出版社,1998.
LI N Hai 2xue. Three 2phase unsymmetry in power system. Bei 2jing :ChinaE lectric P ower Press ,1998.
注:表1所示补偿后三相负载功率为输电线路上传输的功率。
表2同。
分量达到29. 7A , , 此线路的功率因数很低负荷进行补偿后, , 只含有正序分量, ; 在线路上, 线路的功率因数为1; 各相线路上传输的功率相同, 均为补偿前三相线路上传输的总有功功率的平均值。
b. 三相不平衡补偿的极端情况(补偿结果如表2) 。三角形连接的负载,AB 相与C A 相带有负荷, 其视在功率分别为1325+j 1141kV ・A 和1498+
表2 b 补偿结果
T ab 12C om pensating results in case (b ) study
项 目线电流有效值/A 线电流对称分量/A
I A (l ) I B (l ) I C (l ) I A0I A1I A2S A B S BC
补偿前
[***********]25+j1141
01498+j1162
补偿后
[1**********]
(责任编辑:苏 理)
作者简介:
彭 辉(1975-) , 男, 湖北武汉人, 博士研究生, 主要从事电能质量管理方面的研究;
黄亦农(1969-) , 男, 湖南衡阳人, 硕士研究生, 研究方向为无功补偿;
王茂海(1976-) , 男, 山东威海人, 硕士研究生, 研究方向为电力电子及灵活电力系统。
第一作者E 2mail :hpeng@wuhee. edu. cn
三相负载功率/kV ・A
S C A S A S B S 941941941
3ΟPhase Asymmetric Load Compensation in Distribution System
PE NG Hui ,H UANG Y i 2nong ,W ANG Mao 2hai
(C ollege of E lectric and In formation , Wuhan University , Wuhan 430072, China )
Abstract :Asymmetric load is quite comm on in distribution netw ork and its com pensation is a serious problem under s ome situations. The power capacitor is incapable of balancing asymmetric load although it im proves pow 2er factor. The characteristics of asymmetric load are analyzed and its com pensation concept is detailed. The gen 2eral principle to com pensate asymmetric load is given and S VC (T CR +TSC ) ,a kind of com pensator ,is pro 2posed based on it to balance the asymmetric load in distribution netw ork. The numerical simulation results show that it can not only balance the three 2phase load ,but als o im prove the power factor to 1. K ey w ords :32phase asymmetric load ; S VC ; com pensation