一種自適應(yīng)配電網(wǎng)綜合電壓補(bǔ)償裝置?

齊小偉 魏建云 梅 震 羅運(yùn)成，3

（1.國網(wǎng)北京海淀供電公司 北京 100089）（2.湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司 武漢 430205）（3.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

配電網(wǎng)中大量使用10kV/380V變壓器，其供電半徑普遍較長，負(fù)載過重，往往造成線路損耗過大以及末端用戶電壓降低和三相電壓不平衡［1］，尤其是北方采暖煤改電工程實施后，當(dāng)采暖季到來和夏季空調(diào)使用高峰時，一些線路末端電壓降低和三相電壓不平衡的狀況更嚴(yán)重，導(dǎo)致許多家用電器、儀器設(shè)備等不能正常啟動。

配電網(wǎng)末端用戶電網(wǎng)電壓降低是個比較普遍存在且難以妥善解決的問題，常用的解決方法是采用電力電容器、低壓SVG、APF等器件或裝置對電網(wǎng)實施無功補(bǔ)償，以減少無功電流在電網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓降［2～3］，但對于因變壓器的供電半徑較長、負(fù)荷過重引起的配電網(wǎng)末端電網(wǎng)電壓降低仍是無能為力。

本裝置立足于有效地補(bǔ)償末端電壓偏低現(xiàn)象，研制一種基于檢測末端電壓的自適應(yīng)電壓補(bǔ)償裝置串接于380V線路中間適當(dāng)位置，向電網(wǎng)注入三相獨立的補(bǔ)償電壓，使末端電壓升高，同時可以有效地解決三相電壓不平衡問題。若植入儲能環(huán)節(jié)，還可以實現(xiàn)重要負(fù)載的低電壓穿越。

2 本裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本裝置的電路結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：信號采集和信號調(diào)理模塊（1），中央處理器和控制模塊（2），基于IGBT的AC-AC功率變換及濾波模塊（3），自適應(yīng)電壓補(bǔ)償變壓器及旁路保護(hù)模塊（4），故障快速檢測和旁路控制模塊（5），人機(jī)交互和顯示模塊（6），儲能及充放電控制模塊（7，可選）。

本裝置的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 本裝置的電路結(jié)構(gòu)框圖

3 主電路結(jié)構(gòu)

本裝置的主電路結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2 整流逆變單元電路圖

圖3 主電路結(jié)構(gòu)圖

相全橋組合中AC/AC功率變換環(huán)節(jié)采用三相整流濾波共直流母線三單相H橋逆變結(jié)構(gòu)，即采用三個獨立的H橋?qū)⒐蚕淼闹绷髂妇€電壓逆變成SPWM波形電壓［4］，經(jīng)過LC濾波后生成補(bǔ)償電壓，通過三個獨立的單相變壓器和系統(tǒng)耦合，向配電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓。其單臂峰值電壓輸出率為［5～6］

式中，Udc為直流母線電壓。采用三單相H橋結(jié)構(gòu)即用三個單在一起來產(chǎn)生三相輸出，三相之間沒有相互耦合，在電路和控制上都相對獨立因此控制最為簡單，非常有利于三相不平衡的調(diào)節(jié)與控制。

根據(jù)其單臂峰值電壓輸出率，直流母線電壓應(yīng)為

式中Uimax為逆變單元最大輸出電壓。

本裝置的補(bǔ)償電壓范圍設(shè)定為0～20%Uh（電網(wǎng)額定電壓）。

4 逆變單元與濾波環(huán)節(jié)的模型和數(shù)學(xué)描述

從圖3可以看出，本裝置可以等效為一個可控電壓源經(jīng)過補(bǔ)償變壓器耦合后與電網(wǎng)疊加共同作用在負(fù)載上，根據(jù)線性電路的疊加原理負(fù)載在兩個電壓源激勵下的響應(yīng)是相互獨立的，因此在研究本裝置逆變單元時，可以把電網(wǎng)電壓置零，單獨分析逆變單元對負(fù)載的作用［7］，圖4（虛線框部分）、圖5分別是三相中的一個單相H橋逆變電路及濾波環(huán)節(jié)的電路圖及其模型［8］，為處理方便，把濾波電感回路中開關(guān)管的導(dǎo)通電阻、濾波電感的等效串聯(lián)電阻以及線路阻抗等統(tǒng)一等效為一電阻LR。把濾波電容回路中的阻尼電阻和電容的等效串聯(lián)電阻統(tǒng)一等效為一電阻RC，Ze為經(jīng)過折算的負(fù)載阻抗。

對一個逆變器來講，除了直流電源和負(fù)載外，主要有開關(guān)陣列和低通濾波器兩部分。開關(guān)陣列在脈寬調(diào)制方法的作用下把直流電壓變換成按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，低通濾波器則把脈沖序列中的高頻分量濾除后通過補(bǔ)償變壓器耦合串接在電網(wǎng)與負(fù)載之間，投入運(yùn)行后其逆變單元始終流過折算后的負(fù)載電流ie，另外，負(fù)載可能為阻性，也可能為阻感性，為了使得逆變單元的數(shù)學(xué)模型不依賴于負(fù)載性質(zhì)，將各種負(fù)載統(tǒng)一考慮等效為一電流源，作為系統(tǒng)的一個外部擾動，如圖5所示，根據(jù)逆變單元的電路模型選取濾波電感電流ilf和濾波電容電壓ucf作為狀態(tài)向量，設(shè)usi為逆變器輸出之PWM電壓，可以得到本裝置的逆變單元和濾波環(huán)節(jié)的狀態(tài)向量方程為

圖4 一個單相H橋逆變及濾波電路圖

圖5 逆變及濾波電路的數(shù)學(xué)模型圖

由此狀態(tài)方程可以得到逆變單元和濾波環(huán)節(jié)的S域的傳遞函數(shù)為

由上述分析可以得到逆變單元和濾波環(huán)節(jié)的電路模型框圖如圖6所示。

圖6 數(shù)學(xué)模型框圖

5 SPWM電壓濾波器設(shè)計

5.1 本裝置的基本參數(shù)

逆變器輸出電壓基波有效值420V；單相輸出額定功率為15000W。

5.2 參數(shù)計算

若要求輸出電壓中所有高次諧波含量都小于2%，則濾波器的的截止頻率fc須滿足［9～10］：

式中，fc為濾波器的截止頻率，fs為開關(guān)頻率即載波頻率，fo為基波頻率。本裝置之fs為1600Hz。

計算得fc=0.29*（4*1600-3*50）=1812.5hz

6 基于快速故障檢測和可靠旁路（＜4ms）的高可靠性技術(shù)

本裝置工作時串聯(lián)于配電網(wǎng)之中，裝置的可靠性是其生命力的所在，在裝置中采用了多項技術(shù)來大幅度提高設(shè)備的可靠性。

最壞的狀況出現(xiàn)在裝置發(fā)生故障后而旁路合閘完成之前的這一段時間，我們來分析此時的電路狀況，電路圖和電壓電流波形示意圖見圖7、圖8。圖中，Ux為系統(tǒng)電壓，UB為補(bǔ)償變壓器的輸出電壓，Ubd為裝置故障時補(bǔ)償變壓器網(wǎng)側(cè)電壓，Ui為逆變器輸出的經(jīng)過濾波后的電壓，ix為配電系統(tǒng)電流。這段時間，補(bǔ)償變壓器變成一個串聯(lián)在配電網(wǎng)中的飽和電抗器，它將使配電網(wǎng)電壓帶來一定的諧波電壓和附加的電壓跌落，這是我們不希望的。對于補(bǔ)償變壓器，根據(jù)其重要性和工作狀況，在設(shè)計時，其工作磁通密度留有較大裕度，并盡量減少因諧波產(chǎn)生的磁滯渦流損耗。

圖7 裝置故障時的電路狀況圖

圖8 裝置故障時的電壓電流波形圖

本裝置采用多項專利技術(shù)，其核心是對故障的快速檢測和瞬時可靠旁路以及故障設(shè)備的隔離和快速更換?？梢詫⒃O(shè)備的可靠性大幅度提高，設(shè)備的平均無故障時間MTBF可提高到30000h以上，使本電壓補(bǔ)償設(shè)備具備較好的推廣價值。本裝置從故障檢測到旁路完成的時間小于4ms，即小于1/4個周期，且在此1/4周期內(nèi)，電壓會有一定的下降，不會斷流，體現(xiàn)在電壓波形上，出現(xiàn)半個電壓周期的細(xì)微畸變或閃變，對線路上的用電設(shè)備的影響很小，不會導(dǎo)致用電設(shè)備的停機(jī)或誤動作。

7 采用無線通訊遠(yuǎn)程檢測多點的末端電壓

若僅僅采集補(bǔ)償點附近的電壓電流參數(shù)，補(bǔ)償設(shè)備只能按照補(bǔ)償點附近的設(shè)備能夠承受電壓的上限來補(bǔ)償電壓，以保證末端的電壓偏離不能太低，這樣一來，補(bǔ)償設(shè)備將時時刻刻處于最大出力狀態(tài)。功率設(shè)備本身具有一定的功耗，長期大負(fù)荷工作，產(chǎn)生的電能損耗，加大用戶或供電部門的損失。

本系統(tǒng)將末端的當(dāng)前電壓等參數(shù)通過無線通訊傳遞給補(bǔ)償設(shè)備，根據(jù)末端電壓進(jìn)行補(bǔ)償最合理，即保證前端用電設(shè)備的電壓正常，也滿足末端電壓基本滿足要求［11～12］，補(bǔ)償設(shè)備的功率消耗降到最低。

8 結(jié)語

實驗結(jié)果顯示，本裝置能對故障實施快速檢測和瞬時可靠旁路，并可對故障設(shè)備實施隔離和快速更換?？梢詫⒃O(shè)備的可靠性大幅度提高，使本電壓補(bǔ)償設(shè)備具備較好的推廣價值。本裝置特別適用于對電網(wǎng)電壓質(zhì)量要求較高的敏感負(fù)載和重要負(fù)載的供電需求。