（广东电网有限责任公司肇庆四会供电局 广东四会 526200）
摘要：电能质量矫正装置（简称“SPC”）用于解决低压配电网三相不平衡电流、谐波严重等电能质量问题，具备智能动态平衡调节、无功补偿、三电平功率变换设计以及电压稳定支撑等功能。本文通过电能质量矫正装置对低压配电网的系统优化，将产生电能质量问题的源头进行隔离和消除，达到三相不平衡消除、功率因数控制、谐波治理等，从而实现电能质量的综合治理目标。因此，智能化综合治理电能质量在低压配网终端用户用电的应用更具意义。装置采用人性化交互界面设计，紧凑、实用、可靠。
关键词：低压配电网；电能质量；滤波；无功补偿；三相不平衡；算法研究
引言
现代电能质量可以理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或错误动作的任何电力问题都是电能质量问题”。理想的电能质量是频率为5 0 H z、三相平衡、电压电流波形为单一频率的正弦波。随着非线性负荷的大量增加，导致电网电压、电流波形发生畸变，造成大量电能损失；同时，冲击性负载及无功补偿不足常引起电网电压波动和闪变，影响企业的正常生产和人民群众的日常生活，并导致线路损耗增加，使电能损失严重。而现有的补偿装置技术不能满足现阶段的需求，从而对新的补偿技术提出了迫切需求。
1、配网电能质量的现状要求
鉴于大量的家用电器（空调、电磁炉、洗衣机、热水器、电暖气等）、配电设备（生产加工设备、电动车充电、超声波设备等）类大功率电气设备的广泛应用，配网的电能质量问题逐渐突显。
不考虑末端无功补偿，而单纯进行变压器侧集中无功补偿的治理效果难以保证；低电压治理、无功补偿、三相不平衡、谐波滤除四个方面综合治理，才能达到理想的电能质量效果；电能做为商品，对其品质要求将逐步提高。优越的电能质量将是配电服务的最高要求。
近年来，开展了大量电能质量改善的研究，但电能质量矫正装置的推广应用一直未有明显突破，相关技术研究的成果未有效落地。因此，依托已开展项目和取得成果，开展电能质量矫正装置（SPC）试点应用科技项目，是积极响应国家电能质量改善和治理的重要举措，也是研究探索解决目前相关问题、确保技术研究成果有效落地的有效途径。
2、总体研究思路
电能质量的补偿形式主要是按不同的电压等级进行分类。在配电网低压系统中主要是对电压波动和谐波进行治理。配电网高电压等级应用的谐波治理和无功补偿装置相对成熟，而低压配电网的电能质量常被忽视，本文描述的电能质量综合治理装置主要以400 V 低压配网为治理对象。
若以理想的电能质量控制为目标，则主要努力方向为以下几个方面：
1）电能质量控制系统在控制效果与功能上应该是对多种电能质量问题均具有较好的控制效果，而不是仅对某一特定的电能质量问题起作用；
2）电能质量控制系统具有较高的性价比，在装置成本较低的情况下实现高性能的电能质量控制；
3）电能质量控制体现在对现有电能质量控制器的合理利用上，在已投运装置的基础上，通过增加少量其它装备或改变控制算法、运行策略等提升整个电能质量控制系统的性能；
4）电能质量控制是一个全局的概念，对于特定的配电网而言，电能质量控制装置配置的容量、位置等应从全局的角度考虑，以较低的投资获得最优的控制效果。
电能质量矫正装置具备滤波、无功补偿、三相不平衡电流调节等功能，兼具监测等特点：
1）采用瞬时无功算法，提高不平衡电流提取的快速实时性，增强不平衡电流的动态补偿能力，当负载环境发生变化时能自动调整并跟踪不平衡电流的变化进行实时补偿。
2）可根据负载的实际情况实时调整发出的感性或容性无功电流，动态连续无级补偿无功功率，改善功率因数。
3）实时监测并改善电压质量，稳定系统电压，提高配电质量，改善用电环境。
4）合理的治理方案必须依赖于对电能质量的监测与分析，亦在装置中有所表现。SPC采用工业级高亮度5.7英寸触摸液晶屏，界面图形化设计，简单、直观的人性化设计，可以使用户操作自如，实时监测运行状态、补偿效果及异常情况，以便更好的进行补偿。
3、主要功能的算法研究
3.1三相不平衡补偿
SPC在运行时，会通过外接电流互感器（CT）实时检测系统电流，然后将CT采集到的电流信息发给内部控制器进行处理，经过控制器分析之后，SPC就会发现系统的电流不平衡状态，同时计算出三相电流达到平衡状态所需转换的电流值。比如系统电流出现了不平衡状态，平衡状态为每相10A电流，A相电流想达到平衡状态则需要增加5A的电流，B相电流正好为10A无需调整，C相电流想达到平衡状态则需要减少5A的电流。计算完成之后，控制器就会通过IGBT驱动电路来驱动IGBT动作，从而使得电流从系统C相流入SPC 5A，从SPC内部流出5A到系统A相。从而使得A、B、C三相电流全部重新分配为10A，而系统的三相总电流保持不变。当然，这一系列的计算及控制动作都是在很短的时间内完成的，并且，在这一过程中 SPC只是起到一个重新分流的作用，只需消耗很小一部分的能量（如风扇运转、控制器件的能量消耗、开关器件的能量消耗）。
SPC的动作是瞬时的，而在某一段时间内其收发电流的有效值却是平衡的，因此可以将其动作的结果理解为分流作用，使得系统三相电流的有效值达到一个平衡状态。
当系统三相电流都偏离平衡点时，其补偿原理与两相偏离平衡点的状况类似。其根本原则是将某相多出来的电流存储到SPC母线电容中，然后从母线电容取出电流补偿需要补偿的某相。
SPC补偿三相不平衡原理
3.2无功补偿
SPC开启后，通过外部电流互感器实时检测负载电流，并通过内部DSP计算分析负载电流的无功含量，然后根据设置值来控制PWM信号发生器发出控制信号给内部IGBT使逆变器产生满足要求的补偿电流，最终实现动态无功补偿的目的。
无功电流检测方法原理图
3.3谐波补偿
补为了实现SPC的多功能化，让其具备一定的谐波治理能力，以适应更为负载的负载环境，利用瞬时无功理论的原理实现无功补偿的同时，另外加入了指定次谐波消除环节，如图所示。一方面保证了SPC的三相不平衡补偿和无功补偿效果，另一方面对电能质量污染较大的特定次谐波进行了消除。
指定次谐波电流检测原理图
4、示范工程应用
4.1现场安装情况介绍
2016年12月10日上午8：30，在肇庆市四会富豪小区1#台变低压侧，对PCD进线挂网试运行的施工安装工作，中午12点基本完成PCD的安装和外部一二次接线工作，具备投运条件，下午2：00对PCD正式进行带载投运，PCD整机初次上电后，设备自检正常，开机运行后检查治理效果非常好，原三相电网电流相差30A～60A左右（不平衡电流实时波动），治理后三相电网电流相差3A～6A左右，并通过两个多月的长期数据观察分析，设备能够长期有效的稳定运行，保证变压器低压侧三相负载电流基本平衡，三相电流不平衡度降到5%以下，达到并超过相关的国家和行业标准要求。
4.2测试数据记录及效果分析
4.2.1测试数据记录
PCD开机运行后，三相电流数据对比照：
下面是PCD主模块单元的人机界面显示，主画面实时显示治理前负载电流和治理后电网电流的数值对比；（治理前A相117.7A，C相173.3A，两相电流相差55.6A；治理后A相144.0A，C相148.2A，两相电流相差4.2A）
下面是PCD主模块单元的人机界面显示，波形显示画面实时显示末端负载以及治理后电网侧电流电流大小和波形数据：
PCD开机运行后，三相电流数据对比照：
下面是进口法国CA8335电能质量分析仪检测变压器低压进线侧，PCD开机前后的电流数据对比图：
PCD开机前/后的电网三相电流数值对比
PCD开机前/后的电网三相功率数值对比
PCD开机前/后的电网三相电流2个小时的趋势变化对比图；（检测数据时间段为11日上午11：08到下午13：08，其中在12：00将PCD开机投运，13：00关机退出，数据对比分析如下图，说明PCD投运期间电网三相电流基波平衡。
4.2.2、运行效益分析
在配网负载电流三相不平衡的用电环境下，使用PCD（配网电能质量治理装置）后，能够有效的解决三相电流不平衡的问题，带来的效益也非常可观：
1、直接效益：
彻底解决配网三相不平衡问题，降低低压配电变压器及以上电网的线损，提高供电公司的售电收益；
使无功达到就地平衡的效果，提高配电变压器的出力和设备使用率；
实时改善电压的质量，稳定系统电压，提高配电质量，改善用电环境；
完美解决由于三相不平衡带来的变压器过载运行等问题，延长变压器寿命。
2、间接效益：
提高地区低压配电网的电能质量，大大降低配电变压器出线电流不平衡度；
降低配电网因三相负荷不平衡产生的负序和零序电流而造成的故障与事故，提高了配电系统的安全可靠性；
降低配电网因三相负荷不平衡产生的负序和零序电流，延长了配电变压器、继电保护装置和电力设备的使用寿命。
5、结论
通过电能质量矫正装置的主要功能的算法研究与实际应用，得出智能化综合治理电能质量在配网终端用户上的应用意义重大：
1）经济效益：提高功率因数，传输同等有功功率，线损减小，降低电网损耗；变压器铜损减小，变压器带载能力提高，提升有效使用容量；首端电压无需调高；模块化设计，重复投资减少；用户用电量的稳定增加。
2）社会效益：客户用电满意度提升；电能质量的精确控制；客户用电意愿提升；解决低压配电网三相不平衡问题；稳定变压器首端电压，避免电网电压出现波动和闪变。
参考文献：
[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备.北京：中国电力出版社，2006年.
[2]邹进.基于DSP的低压三相不平衡无功补偿装置研制[D].华北电力大学硕士学位论文，2008.
[3]齐义禄.节能降耗技术手册[M].北京：中国电力出版社，1998.
论文作者:邓志炜
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/13
标签：电能论文; 电流论文; 质量论文; 不平衡论文; 电网论文; 谐波论文; 装置论文; 《电力设备》2018年第28期论文;