基于协制SVG的低压配网三相负荷不平衡治理技术

邓惠华;李国良;周晓明;李汉荣;王浩

【摘 要】针对集中式静止无功发生器(SVG)补偿系统补偿效果单一、不含通信功能的分布式SVG补偿系统补偿容量不能智能分配的问题,提出基于协制SVG的低压配网三相负荷不平衡补偿系统.该补偿系统引入通信总线,采用协制方法,使低压线路下游接入的SVG可利用补偿其下游不平衡电流后的剩余容量,依次对上游SVG不足容量进行补偿,该补偿形成的逆向潮流可进一步减轻各节点的低电压问题.该补偿系统既可以充分利用各SVG的补偿容量,同时也综合地解决了配电变压器电流不平衡、节点低电压等问题.在Matlab/Simulink数字仿真软件下进行了该补偿系统补偿效果的仿真,结果证明了该补偿系统的准确性.在四种不同负荷情况下比较采用四种不同补偿系统的低压配网配电变压器二次侧不平衡电流和各节点电压降,结果表明该补偿系统的效果最佳.%Concentralized static var generator (SVG) compensation system has single compen-sation effect and distributed SVG compensation system without communication function can not distribute SVG's compensation capacities intelligently. Aiming at these problems, a compensation system based on SVGs' coordinated control strategy was proposed for three-phase unbalance load in low voltage distribution network. Communication bus and coordinated control strategy are introduced in the proposed system. After compensating the downstream unbalance current, the residual capacity of the downstream SVG is used to compensate the upstream SVGs in sequence. The low voltage problem of each node is further reduced by the reverse power flows from the downstream SVG to the upstream SVG. And then SVG's capacity in the

proposed compensation system can be fully used. Meanwhile, the problems of the distribution transformer's unbalance current and the node's low voltage are synthetically solved. Simulations for actual effect evaluation of the proposed compensation system were done in Matlab/Simulink. Validity of the proposed system is confirmed by the simulation. In four different load cases, four different compensation systems were applied in low voltage distribution station, respectively. Unbalance currents of distribution transformer secondary and node voltage drops in these cases were compared. Comparison results show that proposed compensation system has the best compensation effect. 【期刊名称】《电工技术学报》 【年(卷),期】2017(032)0z1 【总页数】9页(P75-83)

【关键词】低压配网;三相负荷不平衡;配电变压器运行;协制;静止无功发生器;电能质量

【作 者】邓惠华;李国良;周晓明;李汉荣;王浩

【作者单位】广东电网有限责任公司惠州供电局 惠州 516001;广东电网有限责任公司惠州供电局 惠州 516001;广东电网有限责任公司惠州供电局 惠州 516001;广东电网有限责任公司惠州供电局 惠州 516001;中国科学院广州能源研究所 广州 5100

【正文语种】中 文

【中图分类】TM761

随着配网用户对用电质量要求的不断提高，国家各大电网公司对低压配网的电能质量问题日益重视，近年来低压配网的电能质量治理成为重点工作，其中有关三相负荷不平衡的危害分析及治理已成为关注的重要研究课题之一。

低压配网存在大量的单相负荷，负荷特征复杂、用电同时率低等特点导致的三相负荷不平衡问题呈现长期性特征[1-3]。三相负荷不平衡可造成配电变压器处于不平衡运行状态，导致配电变压器损耗增大、局部温升较大，从而缩短变压器使用寿命[4,5]；可造成低压线路中性点电位偏移、压降和功率损耗增大，导致部分用户电压偏低和电网损耗增大；可造成用电设备不能正常工作等问题[3,4]。

现有的低压配网三相负荷不平衡治理措施主要包括人工调整换相、智能换相和采用无源/有源补偿装置三种方式[1, 6-19]。相比于其他两种措施，采用无源/有源补偿装置[6-19]适用于配网用户负荷分散的场合，具有动态均衡三相负荷电流、无短时断电问题和使用寿命远超换相装置等优点。静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）是有源三相不平衡负荷补偿装置，采用电力电子开关器件，具有远高于无源补偿装置的调节速度和开关寿命，解决低压配网三相负荷不平衡带来的电能质量问题效果最佳。

本文研究的SVG采用分布式接入方法。因SVG只能平衡其并联接入点上游线路的电流、线损和上游节点低电压，故采用集中式接入方法在低压配网线路首端或中段接入SVG不能同时兼顾平衡三相电流、减少线损和消除节点低电压。若采用分布式接入方式，在低压配网多个节点分别接入SVG，则可在平衡各节点三相电流的同时，减少线损和消除节点低电压。

分布式接入SVG补偿系统中，若多个SVG之间无通信，SVG采用补偿的控制策略，则各SVG的容量仅能用于补偿下游不平衡电流。因此，当低压配网负荷变化较大时多个SVG的设计容量难以确定，在补偿系统运行时存在部分SVG容量

不够和部分SVG容量过剩的现象。本文在分布式接入SVG补偿系统的基础上，增加SVG之间的通信总线，并提出SVG协制方法。基于该协制方法，下游SVG可利用其补偿下游不平衡电流后剩余容量，根据通信获取的上游SVG不足容量及距离，依次对上游SVG进行补偿。该补偿系统可充分利用各SVG的容量，同时下游SVG对上游SVG不足容量的补偿形成逆向潮流，可进一步减轻各节点的低电压问题。在SVG控制算法中，直流电压环、负序电流环和零序电流环等控制环的实现及补偿容量的计算均采用dq变换，有效提高了SVG的补偿速度及各SVG的协制速度。

为验证所提补偿系统的优点及正确性，本文基于Matlab/Simulink数字仿真软件对所提补偿系统进行了三相不平衡负荷补偿效果的明；随后，基于理论计算给出了不同补偿系统在不同三相负荷不平衡情况下低压配网配电变压器二次侧不平衡电流和各节点电压降的对比。

本文提出基于协制SVG的补偿系统，可对低压配网中因三相负荷不平衡带来的问题进行综合治理。图1为该补偿系统在低压线路应用的示意图，其中补偿系统的结构如点划线框中所示。

图1中，10kV/400V配电变压器将中压馈线的10kV电压转换为400V，其二次侧与400V低压配网线路首端连接；该低压线路选择4个节点为SVG补偿系统的接入点，分别定义为接入点1～接入点4；接入点之间的负荷集总并定义为负荷1～负荷4；接入点之间的线路阻抗集总并定义为Zline1～Zline4；SVG补偿系统采用分布式接入方式，4个SVG（SVG1～ SVG4）分别并联接入到接入点1～接入点4；各SVG均连接到通信总线，通过该总线与其他SVG交互协制所需信息。

SVG拓扑结构如图2所示，采用电容式变换器拓扑，其直流侧含两个串接的电容和三个桥臂，逆变输出端为三相四线（出线端分别为三相桥臂的中点和直流侧

两个电容的中点），经LCL滤波电路后并联接入低压配网线路，可吸收接入点下游负荷的不平衡电流（负序和零序分量）。图2中Udc1和Udc2分别为直流侧上、下电容的电压。

为实现分布式接入的各SVG的协制，以实现各SVG容量的充分利用，以及补偿系统对不平衡电流、节点低电压等问题的综合补偿，补偿系统中的SVG均采用协制策略，示意图如图3所示。

在图3中，SVG控制策略示意图含6个模块：协制、负序电流环、零序电流环、电网电压前馈控制、直流电压环和正弦脉宽调制（Sine Pulse Width Modulation, SPWM）。协制模块负责计算补偿接入点下游不平衡电流所需容量，与通信总线交互信息，在发送自身信息的同时获取其他SVG的信息，并生成协制信号（新的不平衡电流补偿指令）；负序电流环和零序电流环实现SVG对不平衡电流的控制；电网电压前馈控制实现SVG对电网电压变化的快速响应，同时减轻其他控制环的调节压力；直流电压环实现SVG的直流侧电压平衡；SPWM模块汇总SVG各模块所得控制指令并得到总控制指令，该指令经SPWM调试得到SVG的PWM控制信号。 2.1 协制

协制模块负责SVG与通信总线进行通信和生成协制信号，模块控制框图如图4所示。协制模块包括三部分：下游负荷不平衡电流计算、协制电流计算和协制信号计算。

图4中，iAk、iBk、iCk分别为第k个（k∈{1,2,3,4}）接入点下游三相电流；wt为SVG接入的电压相位；id2k、iq2k分别为d、q坐标下游负荷电流的负序分量；id2kf、iq2kf分别为id2k、iq2k低通滤波后的信号；i0k为下游负荷电流的零序分量；id2refmk、iq2refmk、i0refmk分别为生成负序和零序协制电流指令信号；id2refk、iq2refk、i0refk分别为负序和零序电流协制信号。

（1）在下游负荷不平衡电流计算中，iAk、iBk、iCk基于负序dq变换得到id2k、iq2k，即 其中

低通滤波得到id2kf、iq2kf，iAk、iBk、iCk取平均得i0k。 （2）协制电流计算的算法如图5所示。

第k个SVG提取其接入点下游电流负序及零序分量id2k、iq2k、i0k，计算补偿所需容量值，并判断该值是否超其补偿能力；如超出补偿能力，发送其不足的补偿容量及其序号（按照低压线路从线路首端到末端方向将SVG接入点编号）到通信总线，并按满容量补偿来生成协制电流指令id2refmk、iq2refmk、i0refmk；如未超出补偿能力，提取其他上游SVG信息（包括各SVG的不足的补偿容量及其序号），并计算其剩余容量可补偿上游SVG的不足容量，生成协制电流指令id2refmk、iq2refmk、i0refmk。

（3）在协制信号计算中，id2kf、iq2kf、i0k与协制电流指令id2refmk、iq2refmk、i0refmk分别相加，得到协制信号id2refk、iq2refk、i0refk。 2.2 负序电流环

负序电流环控制框图如图6所示。

图6中，iASVGk、iBSVGk、iCSVGk分别为第k个SVG输出的三相电流；id2SVGk、iq2SVGk分别为d、q坐标下游负荷电流的负序分量；id2SVGkf、iq2SVGkf分别为id2SVGk、iq2SVGk低通滤波器后的信号；vd2regk、vq2regk分别为负序电流环两个PI调节器的输出信号；vA2regk、vB2regk、vC2regk分别为abc坐标系下的负序电流环输出指令信号。 基于负序dq变换可得id2SVGk、iq2SVGk，即

低通滤波后得到id2SVGkf、iq2SVGkf，id2SVGkf、iq2SVGkf分别通过PI调节器调节，可对协制信号id2kf、iq2kf准确跟踪，以实现SVG准确地对负序负

载电流进行协调补偿，并得到PI调节器输出vd2regk、vq2regk。为符合SPWM调制需要，将dq坐标系下的vd2regk、vq2regk变换为abc坐标系下的vA2regk、vB2regk、vC2regk，公式为 其中

2.3 零序电流环

零序电流环控制框图如图7所示。

图7中，i0SVGk为abc坐标系第k个SVG输出电流的零序分量，v0regk为零序电流环比例调节器的输出信号。i0SVGk由三相输出电流iASVGk、iBSVGk、iCSVGk取平均得到，并通过比例调节，对协调信号i0refk准确跟踪，以实现SVG准确地对零序负载电流进行协调补偿。上述比例调节器输出为v0regk。 2.4 电网电压前馈控制

电网电压前馈控制，控制框图如图8所示。

图8中，vSAk、vSBk、vSCk分别为abc坐标系下第k个SVG接入点处的三相电网电压采样信号；vSAkf、vSBkf、vSCkf分别为vSAk、vSBk、vSCk经低通滤波后的信号。

三相电网电压采样信号vSAk、vSBk、vSCk经低通滤波后得到vSAkf、vSBkf、vSCkf作为电网电压前馈控制信号。电网电压前馈控制可实现SVG对电网电压变化的快速响应，同时减轻其他控制环的调节压力。 2.5 直流电压环

直流电压环用于平衡SVG的直流侧电压，控制框图如图9所示。

图9中，UDC1k、UDC2k分别为第k个SVG的两个直流侧电容电压；UDCk、UD*Ck分别为直流侧电压和直流侧电压指令；id1refk为正序有功电流指令信号；id1SVGk、iq1SVGk分别为d、q坐标下游负荷电流的正序分量；id1SVGkf、iq1SVGkf分别为id1SVGk、iq1SVGk经低通滤波后得的信号；vd1regk、

vq1regk分别为dq坐标系直流电压环输出指令信号；vA1regk、vB1regk、vC1regk分别为abc坐标系直流电压环输出指令信号。

SVG的两个直流侧电容电压UDC1k和UDC2k相加得到直流侧电压UDCk，该电压通过PI调节跟踪直流侧电压指令UD*Ck；上述PI调节器输出为id1refk，作为正序有功电流的指令信号。

SVG三相输出电流iASVGk、iBSVGk、iCSVGk通过dq变换可得到dq坐标系下的id1SVGk、iq1SVGk，即

经低通滤波后得id1SVGkf、iq1SVGkf。

id1SVGkf、iq1SVGkf分别通过PI调节器调节对正序电流指令信号id1refk和0准确跟踪，以实现SVG通过有功电流的调节来平衡直流侧电压的功效。上述两个PI调节器输出分别为vd1regk、vq1regk。

为符合SPWM调制需要，将dq坐标系下的vd1regk、vq1regk转换为abc坐标系下的vA1regk、vB1regk、vC1regk，作为直流电压环输出指令信号，即 2.6 SPWM调制

SPWM调制框图如图10所示。

图10中，vAregk、vBregk、vCregk分别为三相的总控制信号。

负序电流环、零序电流环、直流电压环和电网电压前馈控制的三相控制信号分别相加得到三相的总控制信号vAregk、vBregk、vCregk，三相总控制信号进行PWM调制得到SVG三相桥臂各开关器件的PWM控制信号。

为验证本文所提出的补偿系统及控制策略的准确性，设计了如图1所示的低压配网结构：配电变压器二次电压有效值为400V；除负荷2外的其他三个负荷为零，负荷2为电流源，其中所含的负序分量有效值400A，零序分量有效值为200A；4个SVG分别并联接入到接入点1～接入点4，采用本文提出的协制策略，最大补偿电流有效值为150A；各接入点之间的线路阻抗值相等，为0.025Ω。基

于该结构电路，在Matlab/Simulink数字仿真软件下开展暂态电磁仿真。 图11为各SVG的补偿电流波形，因采用了协制策略，故即使SVG3和SVG4处于负荷2的线路接入点下游，也能产生逆向潮流补偿负荷2产生的不平衡电流。由于负荷2的不平衡电流达到SVG补偿系统的总容量，故4个SVG均满容量补偿。由图11可见SVG1～SVG4补偿电流相同，其中A相电流达到其最大补偿电流。

图12包括负荷2的电流以及配电变压器二次电压、二次电流波形。由图12可见，负荷2的电流的不平衡分量较大，基于本文提出的补偿系统，配电变压器二次电流只含非常小的零序分量及谐波分量，由此可知补偿系统对三相不平衡负荷电流起到了很好的补偿作用。

图13为各接入点的电压，由图中可见，本可能产生最大30V相电压跌落（A相600A电流在两个0.025Ω线路阻抗上的压降），由于补偿系统中部分SVG的逆向潮流，对不平衡电流有效地吸收，因此在接入点电压中未发现该明显的相电压跌落。

以图1所示低压配网为例，本文采用四种不同的SVG补偿系统，基于理论计算，比较各补偿系统在不同三相负荷不平衡情况下配网配电变压器二次侧三相不平衡电流和各节点电压降。

4.1 补偿系统结构及接入方式 四种补偿系统分别为：

（1）补偿系统1：本文所提出的基于协制SVG补偿系统，系统接线图如图1所示。

（2）补偿系统2：4个SVG采用分布式接入低压配网线路（无通信线），系统接线图如图14所示。

（3）补偿系统3：1个SVG采用集中补偿方式接入配网配电变压器二次侧首端，

系统接线图如图15所示。

（4）补偿系统4：1个SVG采用集中补偿方式接入配网低压线路中段（接入点3处），系统接线图如图16所示。 4.2 基本假设条件

为便于分析，作以下基本假设：①四种补偿系统所接配网条件相同；②线路阻抗Zline1～ Zline4均相等，值为Z；③负荷1～负荷4为电流源型负荷，且只含负序和零序分量（不平衡分量），配网总负荷最大值为iLmax；④四种补偿系统的SVG总容量相等，且最大可补偿的不平衡电流为iLmax；⑤补偿系统1和补偿系统2所采用的4个SVG容量相等，且每个SVG最大可补偿的不平衡电流为0.25 iLmax。

4.3 不同负荷情况比较

比较四种补偿系统在四种负荷情况下补偿效果，四种负荷情况对应的四种仿真（仿真1～仿真4）设置为：负荷1～负荷4之一依次为最大不平衡负载iLmax，其余负荷为零。

基于基尔霍夫定律，可以得到四种补偿系统在仿真1～仿真4中配电变压器二次侧不平衡电流和不同接入点电压，见表1～表4。其中，IS为配电变压器二次侧不平衡电流；V1、V2、V3、V4分别为接入点1～接入点4相对于配电变压器二次侧的电压降；Vm= ZiLmax。

由表1可见，补偿系统1（即本文提出的补偿系统），采用了分布式接入SVG的方式和协制的控制策略，各SVG的补偿能力得到充分利用，配网配电变压器二次侧的不平衡电流在四种仿真中均为零。同时因该补偿系统可产生逆向潮流，故可降低各接入点之间的线路压降。

由表2可见，补偿系统2采用SVG分布式接入的方式，对各接入点的低电压有一定的补偿。因该系统SVG之间无通信，无法采用协制，故在仿真1～仿真3

中有部分SVG无法补偿上游线路中的不平衡负荷，配网配电变压器首端不平衡电流不为零。

由表3可见，补偿系统3采用集中补偿方式，在配网配电变压器二次侧并联接入SVG，可充分补偿四种仿真的不平衡负荷电流，故配网配电变压器首端不平衡电流为零。因SVG无法补偿其接入点下游的节点电压，故该补偿系统的各接入点电压降问题最严重。

由表4可见，补偿系统4采用集中补偿方式，在低压线路中段并联接入SVG，在仿真1和仿真2中无法补偿上游线路中的不平衡负荷，故配网配电变压器首端不平衡电流不为零。在仿真2中，因SVG无法补偿其接入点前的不平衡负荷，故该补偿系统的各接入点电压降较严重。

综上可见，本文所提出的补偿系统在综合解决低压配网配电变压器二次侧三相电流不平衡和节点的低电压问题效果最佳。

本文针对现有基于SVG三相负荷不平衡补偿系统不能同时兼顾平衡三相负荷电流和消除节点低电压的问题，在分布式接入SVG补偿系统的基础上，引入通信总线，提出协制方法，形成了基于协制SVG的低压配网三相负荷不平衡综合补偿系统。Matlab/Simulink下的仿真结果展示了本文所提补偿系统的使用效果，证明了该补偿系统的可行性。通过仿真对不同补偿系统在不同负荷情况下低压配网配电变压器二次侧不平衡电流和各节点电压降的进行了对比，表明该补偿系统在综合解决低压配网配电变压器二次侧三相电流不平衡和节点的低电压问题效果最佳。本文所提补偿系统为低压配网综合解决因三相负荷不平衡带来的配电变压器电流不平衡和节点低电压问题提供了一种行之有效的方法。

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邓惠华 男，1976年生，本科，工程师，现主要从事电网生产设备技术管理工作。 E-mail:****************

王 浩 男，1976年生，博士，助理研究员，研究方向为配网电能质量分析与控制。 E-mail:**************（通信作者）