配網無功補償及三相負荷不平衡調平裝置的研究與應用
陝西省地方電力有限公司周至縣供電分公司、深圳市特力康科技有限公司的研究人員丁越、田恒、侯亞軍、程琛、黃少強，在2017年第8期《電氣技術》雜誌上撰文指出，功率因數低、三相負荷不平衡是配電網路中的常見問題，
為了改善電網品質，提高電能利用率，在電網中加入無功補償調平裝置是常用的方法。目前使用較多、效果較好的是SVC靜止型動態無功補償裝置。本文從硬體和軟體兩方面對SVC無功補償裝置進行了研究，並通過工程應用對其使用效果進行了檢驗，設備投入後配網三相負荷不平衡的問題得到解決。
近年來，電力電子技術發展迅速，大功率電力電子設備大量增加，電力系統的無功問題日漸明顯。電網中的感性負載導致電網電壓和電流產生相位差，造成無功功率的產生，功率因數低下，電能利用率偏低。[1]此外，電網三相電壓的不平衡會對電機的運行造成影響，以及保護裝置的誤動作。[2]
目前應用最為廣泛，效果較好的補償方式是採用靜止型動態無功補償裝置SVC，
1 補償裝置的硬體結構
1.1 無功補償系統的構成
無功補償裝置SVC常用類型有多種，本文以TCR+TSC型SVC為例。TCR+TSC（晶閘管控制電抗器+晶閘管投切電容器）型SVC系統原理如圖1所示。[4]
圖1 無功補償系統原理圖
1.2 無功補償控制器的硬體結構
無功補償設備硬體整體結構如圖2所示。
圖2 補償設備硬體整體結構圖
補償控制器是補償設備的核心部件，
1) 晶閘管觸發電路
晶閘管觸發電路是無功補償裝置的關鍵部分，其直接控制電容器和電抗器反並聯晶閘管的導通控制。[6]本文的控制晶片採用MOC3083，其具有相應速度快，觸發精度高，可靠性好的特點，晶閘管脈衝觸發電路原理圖如圖3所示。
圖3 晶閘管脈衝觸發電路原理圖
電路中電阻R1的作用是限制發光二極體的電流，二極體D1、D2的作用是抑制反向電流。
2) 類比量信號採集電路
電網電壓和電流測量的有效性和即時性是SVC裝置功能實現的前提。[7]本文的DSP晶片只能輸入0-3V的直流電壓信號，因此，採集的類比量信號必須經過調理和轉換才能進入DSP晶片中。
本文的電壓和電流變換器採用天瑞電子高測量精度的TR2146測量型變換器，圖4為類比量信號接入電路原理圖，圖中的電阻R1用來限制回路電流，防止電流過大，R2的作用是將變換器輸出的電流信號轉化為電壓信號。為提高設備的抗干擾性，系統還應增加濾波電路。
圖4 類比量信號接入電路
2 補償裝置的軟體部分
圖5 補償主程序流程圖
配網無功補償裝置的軟體主要包括主程序、保護副程式、人機交互副程式、補償控制副程式以及資料獲取處理副程式。圖5為系統主程序流程圖。當補償控制器通電之後，系統首先進行初始化操作，實現對副程式調用標誌位元賦值、時鐘設定、看門狗設置、計時器設定以及中斷程式標誌位元設定等操作。
系統完成初始化操作之後，系統執行自檢程式，系統自檢完成以後，執行操作鍵盤掃描、顯示資料更行以及A/D資料採樣通道啟動等工作。系統通過類比量採集通道實現即時信號採集之後，執行資料計算功能，從而實現系統電壓、系統電流、有功功率、無功功率以及系統功率因數等系統參數。
裝置首先根據計算資料進行系統故障分析，若系統存在保護故障，則優先執行保護動作，若系統不存在保護故障則調用補償副程式，計算電容投入數量和電感觸發角度，通過不斷的即時監測和調節，最終實現系統無功功率的補償和三相不平衡的調節，實現系統電能品質的改善。[9]
3 補償裝置的應用
在電網實際運行過程中，三相負荷不平衡的情況是非常常見的，而且三相負荷的不平衡情況也是不斷變化的，這給系統負荷的調平造成了一定的困擾。因此，要求補償裝置的調平機制是動態的，即可以跟隨電網負荷變化情況，即時、快速的做出反應，維持系統三相負荷的平衡。我們首先通過實驗對裝置的功能進行驗證，在確認裝置功能性良好的前提下，在電網中進行實踐應用。
3.1 補償裝置的測試
為避免供電電源的影響，我們在實驗中採用低阻抗的降壓調壓器作為系統供電電源，系統能夠電壓調整為84V，從而試驗中變壓器的壓降可以忽略。系統三相接入星型連接的三組1.1KW的燈泡作為基本負載，另外在A相加入了可調電阻和可調電感負載，在B相加入了可調電感負載。
首先我們將A、B相的可調負載全部投入，對補償效果進行觀察。下表為補償前後效果的對比資料。
表1 補償前後效果比較表
從表中可以看出，在可調負載投入以後，系統的不平衡度和功率因數都有了銘心啊的變化，但補償設備投入運行以後系統功率因數提高到0.9以上，系統的不平衡度也大大降低，達到1.6%滿足了電網不平衡度不超過2%的要求。
然後，在上述實驗基礎上將A相的電感負載突然切除，檢驗系統的自動補償功能。
表2 負載突然切除補償前後效果比較
在A相電感突然切除後，系統過補功率因數成為超前0.93，系統經自動調節以後，A相功率因數恢復成滯後0.91，系統三項功率因數在0.9以上，系統的不平衡度為1.36%，仍然滿足電網供電品質要求。[10]可見補償裝置的補償效果比較令人滿意。
3.2 補償裝置的工程應用
近期我們對某配網中心進行了無功補償裝置的改造工作，安裝了TCR+TSC型無功補償設備。該台區存在大量單相和三相混合負載使用者，之前的補償設備對功率因數的補償具有較好效果，但對三相不平衡問題的解決效果不好。
在補償設備改造前後，系統功率因數在0.92以上均可滿足電網要求，但補償前系統存在負荷不平衡的現象，補償前隨機抽選某一時刻電網三相電流有效值分別為354.7A、443.6A、356.3A，補償系統改造以後隨機抽選某一時刻電網三相電流有效值分別為369.1A、370.1A、371.6A。可見補償設備使電網三相不平衡的問題得到有效解決。圖6為補償設備投入前後不平衡度的曲線對比圖。
圖6 補償投入前後不平衡度對比圖
從補償設備投入前後的電網運行電流的趨勢圖中可以看出，在補償系統投入前，系統三相電流的不平衡度比較大，電網的電能品質不高，遠遠超過了2%。補償設備投入以後電網運行的有了明顯改善，從最初的最高將近16%，到後來的基本保持在1.4%以內，滿足了電網供電的品質要求，設備的使用效果明顯，電網運行品質有了明顯改善。
4 結論
本文主要對靜止型無功補償裝置設計原理進行了研究，並對其調平機制進行了介紹，通過工程應用對其效果進行了檢驗。靜止型動態無功補償裝置SVC通過即時採集電網功率因數和負荷情況，控制電容器的投切和電抗器的投入角度控制，對系統變化做出快速回應，可以對電網無功和三相負載平衡度進行有效的調節。
裝置投入運行以後系統的功率因數得到保障的同時，三相電流不平衡對得到明顯改善，獲得了較為理想的效果。
因此，採集的類比量信號必須經過調理和轉換才能進入DSP晶片中。本文的電壓和電流變換器採用天瑞電子高測量精度的TR2146測量型變換器，圖4為類比量信號接入電路原理圖，圖中的電阻R1用來限制回路電流，防止電流過大，R2的作用是將變換器輸出的電流信號轉化為電壓信號。為提高設備的抗干擾性，系統還應增加濾波電路。
圖4 類比量信號接入電路
2 補償裝置的軟體部分
圖5 補償主程序流程圖
配網無功補償裝置的軟體主要包括主程序、保護副程式、人機交互副程式、補償控制副程式以及資料獲取處理副程式。圖5為系統主程序流程圖。當補償控制器通電之後，系統首先進行初始化操作，實現對副程式調用標誌位元賦值、時鐘設定、看門狗設置、計時器設定以及中斷程式標誌位元設定等操作。
系統完成初始化操作之後，系統執行自檢程式，系統自檢完成以後，執行操作鍵盤掃描、顯示資料更行以及A/D資料採樣通道啟動等工作。系統通過類比量採集通道實現即時信號採集之後，執行資料計算功能，從而實現系統電壓、系統電流、有功功率、無功功率以及系統功率因數等系統參數。
裝置首先根據計算資料進行系統故障分析，若系統存在保護故障，則優先執行保護動作，若系統不存在保護故障則調用補償副程式，計算電容投入數量和電感觸發角度，通過不斷的即時監測和調節，最終實現系統無功功率的補償和三相不平衡的調節，實現系統電能品質的改善。[9]
3 補償裝置的應用
在電網實際運行過程中，三相負荷不平衡的情況是非常常見的，而且三相負荷的不平衡情況也是不斷變化的，這給系統負荷的調平造成了一定的困擾。因此，要求補償裝置的調平機制是動態的，即可以跟隨電網負荷變化情況，即時、快速的做出反應，維持系統三相負荷的平衡。我們首先通過實驗對裝置的功能進行驗證，在確認裝置功能性良好的前提下，在電網中進行實踐應用。
3.1 補償裝置的測試
為避免供電電源的影響，我們在實驗中採用低阻抗的降壓調壓器作為系統供電電源，系統能夠電壓調整為84V，從而試驗中變壓器的壓降可以忽略。系統三相接入星型連接的三組1.1KW的燈泡作為基本負載，另外在A相加入了可調電阻和可調電感負載，在B相加入了可調電感負載。
首先我們將A、B相的可調負載全部投入，對補償效果進行觀察。下表為補償前後效果的對比資料。
表1 補償前後效果比較表
從表中可以看出，在可調負載投入以後，系統的不平衡度和功率因數都有了銘心啊的變化，但補償設備投入運行以後系統功率因數提高到0.9以上，系統的不平衡度也大大降低，達到1.6%滿足了電網不平衡度不超過2%的要求。
然後，在上述實驗基礎上將A相的電感負載突然切除，檢驗系統的自動補償功能。
表2 負載突然切除補償前後效果比較
在A相電感突然切除後，系統過補功率因數成為超前0.93，系統經自動調節以後，A相功率因數恢復成滯後0.91，系統三項功率因數在0.9以上，系統的不平衡度為1.36%，仍然滿足電網供電品質要求。[10]可見補償裝置的補償效果比較令人滿意。
3.2 補償裝置的工程應用
近期我們對某配網中心進行了無功補償裝置的改造工作，安裝了TCR+TSC型無功補償設備。該台區存在大量單相和三相混合負載使用者，之前的補償設備對功率因數的補償具有較好效果，但對三相不平衡問題的解決效果不好。
在補償設備改造前後，系統功率因數在0.92以上均可滿足電網要求，但補償前系統存在負荷不平衡的現象，補償前隨機抽選某一時刻電網三相電流有效值分別為354.7A、443.6A、356.3A，補償系統改造以後隨機抽選某一時刻電網三相電流有效值分別為369.1A、370.1A、371.6A。可見補償設備使電網三相不平衡的問題得到有效解決。圖6為補償設備投入前後不平衡度的曲線對比圖。
圖6 補償投入前後不平衡度對比圖
從補償設備投入前後的電網運行電流的趨勢圖中可以看出，在補償系統投入前，系統三相電流的不平衡度比較大，電網的電能品質不高，遠遠超過了2%。補償設備投入以後電網運行的有了明顯改善，從最初的最高將近16%，到後來的基本保持在1.4%以內，滿足了電網供電的品質要求，設備的使用效果明顯，電網運行品質有了明顯改善。
4 結論
本文主要對靜止型無功補償裝置設計原理進行了研究，並對其調平機制進行了介紹，通過工程應用對其效果進行了檢驗。靜止型動態無功補償裝置SVC通過即時採集電網功率因數和負荷情況，控制電容器的投切和電抗器的投入角度控制，對系統變化做出快速回應，可以對電網無功和三相負載平衡度進行有效的調節。
裝置投入運行以後系統的功率因數得到保障的同時，三相電流不平衡對得到明顯改善，獲得了較為理想的效果。