低压台区配电三相不平衡无功补偿方法研究

张喆 ， 邓思阳， 张晓惠， 李毅靖， 谢国荣， 张翔

(1. 国网信息通信产业集团有限公司， 北京 100031；2. 国网信通亿力科技有限责任公司， 福建， 福州 355003)

0 引言

无功功率属于电力交流设计与运行过程中的核心元素，很多配电与用电元件不可缺少无功功率，例如变压器、空调设备等[1]。因电力系统贯穿于社会、人们的日常生活，因此优化电网工作质量、增大电网功率因数、降低网络损失对社会发展、人类生存安全均具有重要意义[2]。根据相关材料记载，在输电线路、高压配电网、低压台区的线损中，低压台区线损程度最为显著[3]。无功功率主要通过上级电网远程传输，由于不能及时掌握无功潮流的变化情况，无功功率的补偿便存在一定困难[4]。为此，本文提出低压台区配电三相不平衡无功补偿方法。

1 方法设计

1.1 基于最大节约网损的补偿节点定位

低压台区配电系统中的有功损耗总值QLsum为每个支路里有功损耗之和，则存在以下关系式：

(1)

Ij=Ibj+Isj

(2)

其中，m表示支路数量，在低压台区配电三相不平衡情况下支路j中电流总值与电阻依次是Ij、Rj，其有功电流与无功电流依次是Ibj、Isj。

将式(2)代入式(1)，则存在：

(3)

在低压台区配电网各个节点设置补偿电容器，能够控制低压台区配电网系统网络里无功功率的流动，能够降低网损，提升供电质量[5]。其中，辐射状低压台区配电网网络如图1所示。

图1 辐射状低压台区配电网网络

该网络中，某个节点中无功负荷的变动仅干扰源节点每个支路中无功电流，其余支路中无功电流的流动不存在变化[6]。

图1中，Hm表示低压台区处于配电三相不平衡状态的支路，1、2、3、…、9表示不同的配电网节点。以节点7为例，它的前序支路是H1、H6、H7，所以在进行补偿前，需要计算低压台区配电系统源节点至节点i因无功电流流动而产生的有功网损[7]表示为

(4)

在节点i中设置补偿电容器后，补偿电流为ID，补偿后源节点至节点i因无功电流流动而产生的有功网损表示为

(5)

节约的有功网损的计算式如下：

(6)

计算当节约的有功网损ΔQ为最大值时的ID：

(7)

(8)

所以，低压台区配电三相不平衡状态下需无功补偿的电容量是：

Pi=UiID

(9)

其中，Ui为低压台区配电系统电压[8]。

1.2 构建三相不平衡无功补偿模型

(10)

其中，I为继电器的电流，β为功率因数。

(11)

(12)

(13)

去除正序线电流的虚部以便进行无功功率补偿，令系统功率因数总值是1，则符合：

(14)

低压台区配电三相不平衡无功补偿模型为

(15)

2 实验分析

为测试低压台区配电三相不平衡无功补偿方法有效性，将该方法应用至某地区的低压台区配电三相不平衡无功补偿作业中。低压台区配电系统三相电压分别是U1=221、U2=221β2、U3=221β，单位是V，频率是55 Hz；不平衡负载的有功功率分别是Q1=25、Q2=35、Q3=45，单位是kW；无功功率分别是P1=27、P2=40、P3=45，单位是kvar。

本文方法补偿前后的低压台区配电系统的功率因数、无功功率、三相电流详情见表1。

表1 补偿前后功率因数、无功功率、三相电流详情

分析表1可知，补偿前低压台区配电系统负载的三相电流非对称，功率因数值不等于1，补偿后三相功率因数大于1，三相电流基本对称，因此验证了本文方法的补偿效果有效。

图2为补偿前后网损与电能损耗费用。

图2 补偿前后网损与费用

分析图2可知，在利用本文方法进行补偿后，网损与电能损耗费用明显下降。

该低压台区配电系统中，随意提取10个节点，测试此组节点在利用本文方法进行补偿前后节点电压的变化情况。测试结果如表2所示。

分析图2与表2可知：在采用本文方法进行补偿后，低压台区配电系统的电能损耗费用降低了40.517 7万元，经济性能优越显著；网络节点电压最小值从0.892 8 V提升至0.928 6 V，电能质量得以优化。

表2 补偿前后节点变压变化情况

3 总结

本文根据低压台区配电系统的详细情况，利用基于最大节约网损的补偿点定位方法进行低压台区配电三相不平衡无功补偿节点准确定位。在此基础上，使用三相不平衡无功补偿模型，对所定位的待补偿节点进行三相不平衡无功补偿。实验结果表明，该方法实现了电能质量的优化，可以在实际中进一步推广与使用，以保障我国配电系统的安全平稳运行。