电网的无功及三相不平衡综合补偿研究

李心广1,2 赖声礼1  秦华标1  徐向民1 

( 1．华南理工大学电子与信息学院，广东省广州市5101；2．广州大学理学院物理与电子信息系，广东省广州市510405 )

摘要： 电力系统无功功率补偿不足会引起功率因数下降，而三相功率不平衡则会影响到用电设备的安全。此问题在不十分严重的情况下未引起人们足够的重视。基于无功补偿的原理，作者提出了一种新的综合补偿方法，在用它补偿无功功率的同时，三相不平衡也得到了改善。仿真结果和实际运行表明，此方法是有效的。此外，还介绍了一种对补偿电容器的人工神经网络控制方法。

关键词： 功率因数 三相不平衡 综合补偿

1 引言

　　由于感性负载的存在，使电网中电流与电压不同相，在感性负载所需的无功功率不能得到合理补偿时，就会造成功率因数低下。这早已为人们所关注，并且制造了各种补偿装置对其进行补偿。但电网中三相不平衡问题的补偿却未引起人们足够的重视。电网中的三相不平衡会引起旋转电机的附加发热，导致以负序分量为起动分量的多种保护装置发生误动作，同时会缩短许多用电设备的使用寿命，因此应对电网中三相不平衡进行补偿。固然可通过合理的设计使电网中的负荷达到基本平衡，但很多场合难于达到完全一致，有时不平衡现象甚至很严重。虽然人们可通过“拉负荷”来实现平衡，很明显这不是最好的方法 ，本文讨论在变压器功率允许范围内，采用计算机技术，通过检测电网参数，使用电力电容器作为执行器件，在进行无功补偿的同时实行三相不平衡补偿。

2 三相不平衡与无功综合补偿的原理

2.1 三相平衡化的原理

　　图1(a)所示为单相电阻负荷R。这是一个功率因数为1，三相不平衡的系统。而在图1(b)中bc，ca二相分别加接电抗为jwL=jR电感和电抗为的电容，二者产生谐振可构成平衡的三相系统。

等，相互相位差为120°。故经由上述平衡化电路可将不平衡的三相系统变换成平衡的三相系统。

2.2 理想补偿导纳网络

　　假设电源电压是平衡的，负荷用图3(a)的三角形连接网络表示。图中是复数并且不相等。任何不接地的星形连接负荷通过Y—△变换都可以表示成图3(a)的三角形连接形式。

    设

因数校正电纳相结合，则三角形中每一支路都有三个并联补偿电纳，这些电纳相加在一起 ，便得到三相三角形接法的理想补偿网络。

                        (2)

    最后所得到的补偿后的负荷导纳是纯有功而又平衡的。

2.3 用对称分量法分析负荷补偿

　　上式只能作为补偿原理的说明，因为欲求的补偿器电纳是用负荷来表示的。而负荷的导纳却不象线电流和电压那么容易测量，下面用对称分量法导出用线电流和电压表示的补偿电纳的公式。

    不平衡负荷由平衡三相正序电压供电，各相对中性点电压的有效值是

     三角形接法中每支路的负荷电流为

    线电流的对称分量由下式给出

将式(5)代入式(6)中，得

     一个三角形接法的无功补偿器的线电流对称分量表达式和式(7)相似

     补偿后的负荷如果其负序电流为0，则是平衡的，这要求

利用式(6)的逆变换，将(11)式变回到相坐标系中去，若没有零序电流，则得

3 综合补偿系统设计

    从无功及三相不平衡综合补偿原理知，要实施综合补偿必须测试电网的线电流及相角参数，然后算出补偿容量。由于电网中的不平衡一般由感性负载引起，因此可通过电容来实施平衡补偿。

3.1 补偿系统结构图

　　图4为无功及三相不平衡综合补偿系统结构图。参数检测电路主要完成三相电流及相角的检测，由A/D电路构成。计算机可为工控机或单片机，计算机送出开关量经接口电路及继电器控制电力电容器通断。

3.2 电容器的分组

　　在确定电容分组前应对各种情况下的电网参量进行检测，计算出待补偿容量范围,下面是通过检测某配电房参数后确定的电容分组的情况：

　　电容器组1为三相电容器，三相均同时补偿15kvar；电容器组2为三相电容器，三相均同时补偿30kvar；电容器组3为单相电容器，补偿AB两相间15kvar；电容器组4为单相电容器，补偿BC两相间30kvar；电容器组5为单相电容器，补偿AC两相间15kvar；电容器组6为单相电容器，补偿AB两相间15kvar；电容器组7为单相电容器，补偿BC两相间15kvar；电容器组8为单相电容器，补偿AC两相间15kvar。

3.3 电容投切算法

　　在实际运行的系统中，通过检测电网线电流及相位参数，计算出补偿容量，再经过量化处理得到要求的开关量。这个过程既可通过模糊控制的算法实现，也可采用神经网络的方法完成。在神经网络的方法中笔者构造了一个三层前馈型神经网络，输入层为6个神经元 ，分别接收三相线电流及三个相位作为输入。隐含层根据样本数通过实验寻优选择61个神经元。输出层为3个神经元，用于输出补偿电容值。

　　曾试验用神经网络直接逼近开关量，此时需要8个输出神经元，由于从计算得到的电容量到分组电容量存在量化误差，逼近效果不理想。而采用神经网络逼近输出补偿电容值的效果很好。如果每5 min采样1组数据，1天可得到1 440组数据，从中每隔3组数据提取1组作样本，就有360个样本。选择61个隐含层神经元时，采用误差反传学习算法训练网络，误差率取0．1%，在Pentium133机上，训练时间约20 min。

3.4 仿真及运行结果

　　图5是系统实施综合补偿前功率因数及三相不平衡的情况，图5(a)、(b)分别给出了某配电房一天的补偿前的功率因数及三相不平衡度平均值。

                          图5 补偿前的功率因数三相不平衡度

　　图6所示为补偿后的功率因数及三相不平衡的平均值仿真情况。从图知该电网补偿前功率因数平均值为0．852 79，补偿后为0．998 96。补偿前的三相不平衡度为7．103 2%，补偿后为3．166 9%。在实际系统运行中，补偿结果基本与仿真效果一致。

                             图6 补偿后的功率因数三相不平衡度

　　该方法应用于电网补偿系统中时。由于采用分组电容存在的量化误差等因素，补偿后的功率因数在0．95～0．99之间变化，不平衡度在2．5%～4．5%之间。电网的补偿有实时性要求，而神经网络的训练需要一定的时间，因此训练一般采用离线方式。由于训练中可根据补偿效果调整样品数据值，因此补偿效果较不采用神经网络方式直接计算而得的补偿效果好。比较实验中，采用直接计算方法补偿后的功率因数在0.93～0.99之间变化，不平衡度在2.5%～5.5%之间。

4 结论

　　通过适当计算，采用电力电容器，不仅可以补偿电网中的无功，而且可以对电网三相不平衡实施补偿。而我国电网中，现有的补偿装置大多通过检测相角的方法，采用电容补偿无功，这种单纯补偿无功的方法，往往会使三相不平衡情况更加严重。采用计算机技术对传统的补偿装置进行改造，可望对电网中诸多因素实施补偿。

参考文献

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［2］童梅，童杰，蒋静坪．有源滤波器的神经网络控制［J］．电工技术学报，2000，(1)：57－60．

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［4］林海雪．电力系统的三相不平衡［M］．北京：中国电力出版社，1998．