2020年第9期
103中压配电系统的电能质量治理研究
张  明  王松峰
（南京亚派科技股份有限公司，南京  210000）
摘要 中压配电网中的电能质量问题严重影响着电网的稳定运行，无法保证供电的可靠性。常规低压配电网的解决方案无法实现对中压配电网的电能质量治理。本文提出了一种中压配电系统的电能质量治理方案，利用高低压混合采样补偿的方式进行电能质量治理，该方案可以有效地利用低压设备实现中高压补偿，方便了设备的安装与维护。通过理论推导与仿真，验证了方案的可行性。
关键词：中压配电网；供电可靠性；电能质量；高低压混合采样补偿
Study on power quality control of mid-voltage distribution system
Zhang Ming  Wang Songfeng
(Nanjing Apaitek Science & Technology Co., Ltd ，Nanjing  210000)
Abstract  The power quality problem in the mid-voltage distribution system seriously affects the stable operation of the power grid and can not guarantee the reliability of power supply. Conventional low-voltage distribution system solutions can not achieve the power quality management of medium voltage distribution system. In this paper, a power quality control scheme of medium voltage distribution system is proposed, which can effectively use low-voltage equipment to realize medium and high-voltage compensation, facilitate the installation and maintenance of equipment. The feasibility of the scheme is verified by simulation and experiment.
Keywords ：mid-voltage distribution system; power supply reliability; power quality; high and low voltage hybrid sampling compensation
低压配电系统中的电能质量问题对供电可靠性有着很大的影响[1]，传统低压配电网可采取一定的补偿措施如无功电容器、静止无功发生器（static var
generator, SVG ）、静止无功补偿器（static var com-
pensator, SVC ）、有源电力滤波器（active power filter,
APF ）等低压电力电子设备实现对配电网中无功和
谐波的治理，保证电能质量、提升配电系统供电可
靠性[2-4]
。文献[5]基于农村电网，提出了适用农村电
网的电能质量治理方案，采用SVG 有效提高了农网
配电可靠性。文献[6]对低压配电系统的谐波治理提
出了治理方法，通过实验验证了谐波治理的有效性。
综上可知，低压配电系统的电能质量治理相对比较
方便，主要体现在设备安装方便、系统采样灵活、
绝缘耐压等级要求低等方面。
文献[7]针对中压配电系统的电能质量问题，提
出了采用高压SVG 、SVC 设备进行治理，但是高压
SVG 装置的制造难度大、要求水平高、价格也高。文献[8]通过案例分析，详细介绍了10kV 电压等级
中选择有源滤波的容量计算和该电压等级下该设备的特点，采用中压有源滤波器直链式高压有源滤波器进行电能质量治理，该方案为中压侧谐波治理的设计、使用提供参考。文献[9]针对中压配电系统，提出了采用晶闸管控制电抗器（thyristor controlled reactor, TCR ）+无源滤波器（passive filter, PF ）+APF 的方式有效滤除由TCR 及负载产生的谐波，能够较好地抑制无源滤波器和电网阻抗之间的谐振，而且可以实现无功的动态补偿，但该方案拓扑结构复杂，需要的设备较多，经济成本高。文献[10]对10kV 高压电能质量在线监测装置的研究现状和发展方向进行了综述。文献[11]提出了一种直挂式高压配网电能质量一体化治理技术，利用TCR 型SVC 和SVG 组成协同补偿系统能有效治理高压配电网电能质量
1  1.1
1.2压
图2系统设计方案
如上方案，对中压系统的电能质量治理过程进行原理探究与分析，分别以无功治理和单次谐波治理为例进行了理论分析和推导。
1）无功补偿分析
中压系统的无功补偿，采用无功计算与下发补偿的方式进行无功治理，高压侧采样获得电压v abc、电流i abc；进行无功计算得到中压配电系统高压侧的三相无功功率如式（1）所示。
b
a am aym a a
bm bym b b
c cm cym c c
22
cos
22
222π
cos
223
222π
cos
223
Q v i v i
Q v i v i
Q v i v i
θ
θ
θ
svg无损转化为pdf
⎧
==×
⎪
⎪
⎪⎪⎛⎞
==×−
⎨⎜⎟
⎝⎠
⎪
⎪⎛⎞
⎪==×+
⎜⎟
⎪⎝⎠
⎩
（1）
式中：v a、v b、v c为网侧电压；i a、i b、i c为网侧电流；
θ 为锁相角度；Q
a
、Q
b
、Q
c
为三相无功功率。
则可以得到高压侧的总无功功率
a b c
a a
b b
c c
12π2π
cos cos cos
233
Q Q Q Q
v i v i v i
θθθ=++
⎡⎤
⎛⎞⎛⎞
=+−++
⎜⎟⎜⎟⎢⎥
⎝⎠⎝⎠⎣⎦
（2）利用控制器局域网（controller area network, CAN）通信，传输高压侧无功功率信息到低压侧控制系统，进行无功功率补偿的解析、实现无功功率的补偿；根据低压侧电压和高压侧传输无功功率相同为Q（kvar），可得到低压侧待补偿电流如式（3）和式（4）所示。
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105rm refq s rms
10003i Q U i ×==⎧⎪⎨
⎪⎩          （3）
refq rms
10003Q
i U ⇒=
×
（4） 式中：i refq 为补偿指令电流，A ；Q 为高压侧传输无
功功率，kvar ；U rms 为低压侧电压有效值，V ；i rms 表示低压侧无功电流，A 。
根据以上指令电流，可利用低压补偿设备APF 的双环控制系统，实现该电流的补偿功能，从而补偿高压侧无功功率，其中APF 的典型双环控制系统如图3（a ）所示，采用双环控制系统，外环为电压环，检测上下桥臂电压v dc1和v dc2以及总电压v dc ，利用比例积分控制器（proportional integral controller, P
I ）完成外环电压控制，Δv dc 、Δv dc0和无功提取电
流作为内环电流控制的控制量，无功电流的提取利用dq 坐标变换求取q 轴分量，q 轴分量即为无功分量，无功选择控制器，可以完成无功电流的内环控制，最终由i cd 、i cq 、i c0转化为αβ 轴坐标系数据，在αβ 轴坐标系中添加谐波量，完成对谐波的提取，利用对称分量法进行7次谐波提取，与基波电流之和作为总电流，再将αβ 坐标系下的数据转换到abc 三相坐标系，利用电流环PI 完成内环控制，本文修改其指令电流为高压侧折算电流，得到改进型双环控制系统如图3（b ）所示，电流环无功参考电流利用高压侧计算得到i refq ，谐波电流为高压侧经过折算后的电流i Labch 通过对称分量法倍频角度提取谐波分量，总电流经过内环PI 以及坐标变换形成调制波，再利用脉冲宽度调制（pulse width modulation, PWM ）生成器生产脉冲。
（a ）典型双环控制系统
（b ）改进型双环控制系统
图3  双环控制系统框图
空
图4 低压侧谐波补偿控制框图
2  仿真分析
基于以上原理分析，搭建相对应的Matlab/ Simulink仿真模型，通过对不同类型的电能质量治理情况的仿真分析来验证该控制策略的可行性，仿真结果如下。
图5高压侧补偿前后无功功率对比图
2.2单次谐波补偿
图6所示为高压侧补偿前的电流以及各次谐波分布图，由图6（b）可知7次谐波的占比为基波的43.10%，利用上述原理进行谐波补偿（采用相同原理补偿5、7、11次谐波），得到补偿后的波形和谐波分析如图7所示。
（a）电流波形示意图
（b）各次谐波分布图
图6 高压侧补偿前电流及各次谐波分布图
由图7可知补偿后7次谐波的占比为基波的1.64%，和补偿前的对比可知7次谐波占比降低了41.46%，单次谐波的剔除率达到96.2%，可知采用该方案可以有效滤除单次低次谐波。
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（a ）电流波形示意图
（b ）各次谐波分布图
图7  高压侧补偿后电流及各次谐波分布图
3  结论
通过原理推导和仿真验证，采用本文所提方案可以有效实现对无功功率的补偿。针对单次谐波补偿，以7次谐波为例，谐波剔除率达到了96.2%，低次谐波补偿良好，实现了中压配电系统的电能质量治理。
本文只分析了指定次谐波补偿和无功功率补偿的两种模式，未对全补偿模式进行分析，后续可对此继续做相关研究。
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收稿日期：2020-03-12 作者简介
张  明（1984-），男，硕士，工程师，主要从事电能质量控制相关研究及工作。
（上接第102页）
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收稿日期：2020-03-03 作者简介
陶宇航（1990-），男，天津市人，硕士，工程师，主要从事供电企业高低压配电运行及检修管理工作。

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