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配网无功补偿及三相负荷不平衡调平装置的研究与应用
摘要 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，对配电网电能质量改善具有一定的借鉴意义[a1] 。
关键词：负荷不平衡;无功补偿;SVC
Research and application of reactive power compensation and unbalanced load balancing device
[a2] Abstract The low power factor, three-phase load imbalance is a common problem in the distribution network, resulting in low quality of power distribution network, causing the system to have a greater loss, the energy utilization rate is greatly reduced.In order to improve the quality of the power grid, improve power utilization in the power grid with reactive power compensation device is a commonly used method of leveling. At present, the SVC static type dynamic reactive power compensation device is used more effectively.In this paper, the SVC reactive power compensation device is studied from two aspects of hardware and software, and the application effect is tested through engineering application.
Key words: load imbalance; reactive power compensation; SVC
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[a3] 。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。在电网中投入电容器组可以对电网无功功率进行补偿，提高电网功率因数，而简单的电容补偿不能解决电网负荷的不平衡问题。[1]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。[2]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。
1.1 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[a5] ）型SVC系统原理如图1所示。系统通过控制器控制晶闸管对电容器的投切并控制晶闸管的触发角控制电抗器的投入[a6] ，从而实现无功补偿和三相负荷不平衡的调节。
图1 无功补偿系统原理图
系统中TSC主要包括反并联晶闸管、电容器以及限流电抗器。反并联晶闸管控制电容器的投切，电容用来补偿电网的感性无功，限流电抗L用来限制系统短路电流和涌流。系统通过控制器控制投切电容器，实现对电网的无功形成过补偿。[3]TCR部分主要包括反并联电抗器和电感，其中电感用来补偿系统中的容性无功，而控制器通过对系统无功的实时检测控制反并联晶闸管的触发角度，连续改变投入电感的等效感抗，从而对系统功率因数和电网平衡度进行调节，该方式可以快速、连续的对电网电能质量进行调节，其响应速度快、调节效果好。[4]
1.2 无功补偿控制器的硬件设计
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]补偿装置在运行过程中，设备通过电压互感器和电流互感器对系统电压和电流进行检测，经滤波和A/D转换等处理之后送入DSP控制芯片，经计算得出系统电压、系统电流、系统有功功率、系统无功功率以及系统功率因数等参数。经过分析计算得出需要投入的电容器数量以及电抗投入的触发角度，通过转化形成脉冲触发信号之后，实现对电容器组和电抗器组的控制。[6]下面对控制器的主要功能电路的设计进行介绍。
1.2.1 晶闸管触发电路的设计
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。[7]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，[a8] 芯片的内部结构图如下所示。
图3 MOC3083内部结构图
MOC3083的1号和2号管角为控制信号的输入端，内部直接连接一个发光二极管，在控制信号的驱动下发光二极管发出红光，4号和6号管脚连接的光敏晶闸管在光线的作用下导通，光敏晶闸管导通后，过零触发电路被触发，当检测到4号和6号管脚上的电压过零时，4号和6号管脚发出脉冲触发信号。晶闸管脉冲触发电路原理图如图4所示。
图4 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。
1.2.2 模拟量信号采集电路的设计
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。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。电压互感器和电流互感器的输出信号通常过大，需要经电压和电流变换后才能输入芯片使用。[8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5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5 模拟量信号接入电路
2 配网无功补偿及三相不平衡调平装置的软件设计
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6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]
图6 补偿主程序流程图
3 补偿装置的应用
3.1 补偿装置的调平机制
架设电网中A、B、C三相的电流分别为10A、20A、30A，此时系统处于不平衡状态。补偿装置利用电流互感器对系统电流进行检测，控制器计算分析得出三相电流达到平衡状态需转换的电流值，即A相需增加10A电流，B相不需要调整，C相需减少10A电流，系统通过调整晶闸管的触发角度，使得电流从C相流入补偿设备10A，而补偿设备流出10A进入A相，从而最终保持电网三相电流平衡，这一过程往往在很短的时间内完成。[10]
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7为补偿设备投入前后不平衡度的曲线对比图。
图7 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，补偿设备投入以后电网运行的不平衡度有了明显改善，从最初的最高将近0.8，到后来的基本保持在0.14以内，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。[a9]
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从软件和硬件方面进行了研究，还是设计，既然是硬件和软件研究，验证应该是装置的可靠性或性能；而文章是对功能的验证，验证结果是什么？表达欠妥。
不符合杂志格式要求
表达欠佳
小标题后面有句号吗？请参考杂志写作模板。
TSC应是晶闸管投切电容器
电抗器的投入角？应该是控制晶闸管的触发角来控制电抗器的投入，表达不妥。
既然是固定电容器怎么会连接反并联晶闸管，应该是TSC。
可靠性、抗干扰能力强吗？性价比高不是装置选择的首要。
这是文章的结论吗？与文章研究不太符合。
所有参考文献格式需要改正，请参照杂志要求。文中的引用要对应，标注要符合杂志格式要求。
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