基于可控串補(bǔ)技術(shù)的低壓線路調(diào)壓器

呂永喜

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電力用戶對(duì)用電量、供電質(zhì)量要求逐年提高，因此提升配電網(wǎng)運(yùn)行水平、建設(shè)智能型配電網(wǎng)將成為未來電力系統(tǒng)重要的工作之一。本文為不斷提升配電自動(dòng)化建設(shè)，提高供電可靠性、減少停電時(shí)間，提出了一種基于可控串補(bǔ)技術(shù)的低壓線路調(diào)壓器，通過實(shí)現(xiàn)10kV及0.4kV配電網(wǎng)的信息流與業(yè)務(wù)流的貫通、配電設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理、無功及三相不平衡治理等功能達(dá)到提高用電服務(wù)能力以實(shí)現(xiàn)一流配電網(wǎng)目標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：可控串補(bǔ)技術(shù)；低壓線路；配電設(shè)備；三相不平衡

引言

隨著社會(huì)發(fā)展，用戶對(duì)供電質(zhì)量要求的逐步提高，國(guó)網(wǎng)公司進(jìn)一步注重提升配電網(wǎng)運(yùn)行水平[1，2]。配電網(wǎng)水平提升（供電可靠性和電能質(zhì)量）已經(jīng)列入國(guó)網(wǎng)公司的考核要求。近兩年，國(guó)網(wǎng)公司110千伏及以下電網(wǎng)投資比例已超過電網(wǎng)基建投資的50%，然而，要滿足全社會(huì)用電的需求，還需要不斷加大建設(shè)投入[3-5]。

基于上述情況本文研制出一種基于可控串補(bǔ)技術(shù)的低壓線路調(diào)壓器，研制的臺(tái)區(qū)智能監(jiān)測(cè)終端安裝于配電站室、箱變或柱上臺(tái)變處，具備對(duì)配電變壓器、0.4kV低壓設(shè)備、無功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能；可擴(kuò)展對(duì)站房環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)；可擴(kuò)展對(duì)電動(dòng)汽車充電樁、電采暖設(shè)備、分布式電源等負(fù)荷信息運(yùn)行監(jiān)測(cè)功能，通過信息匯聚并上傳至配電自動(dòng)化主站，實(shí)現(xiàn)以臺(tái)區(qū)精益化管理和低壓智能化運(yùn)維[6]。

該裝置通過實(shí)現(xiàn)10kV及0.4kV配電網(wǎng)的信息流與業(yè)務(wù)流的貫通；實(shí)現(xiàn)配電設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理；無功及三相不平衡治理；電動(dòng)汽車充規(guī)?；瘧?yīng)用以及分布式電源帶來了管理需求；實(shí)現(xiàn)線損細(xì)分管理來達(dá)到提升配電自動(dòng)化建設(shè)，提高供電可靠性、減少停電時(shí)間，提高用電服務(wù)能力以實(shí)現(xiàn)一流配電網(wǎng)目標(biāo)要求。

1 主電路結(jié)構(gòu)及功能

1.1 電路結(jié)構(gòu)組成

可控串補(bǔ)型低壓線路調(diào)壓器，不僅可以實(shí)現(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，還可以實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。它的電路結(jié)構(gòu)如圖1：主要由電壓型逆變器（VSC）、耦合濾波器、供能單元、串聯(lián)變壓器組成。

1.2基本工作原理

可控串補(bǔ)型低壓線路調(diào)壓器主要用來實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償，裝置的工作原理可以這樣描述：正常情況下投切開關(guān)K1處于關(guān)閉狀態(tài)，裝置不工作，當(dāng)負(fù)載需要電壓補(bǔ)償時(shí)，投切開關(guān)K1斷開，裝置開始運(yùn)行；即根據(jù)產(chǎn)生的補(bǔ)償指令信號(hào)，對(duì)逆變器進(jìn)行適當(dāng)控制，向線路中注入一個(gè)幅值、相位可控的串聯(lián)補(bǔ)償電壓 ，經(jīng)濾波后，再通過變壓器將補(bǔ)償電壓耦合到負(fù)載線路中，使負(fù)載電壓達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量要求。對(duì)于不同的補(bǔ)償要求開關(guān)的閉合程度不同：

1）當(dāng)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償時(shí)，因?yàn)檠a(bǔ)償時(shí)間較短，所以開關(guān)K4閉合，K2和K3斷開，此時(shí)供能單元采用直流電供電。

2）當(dāng)裝置進(jìn)行穩(wěn)態(tài)電壓補(bǔ)償時(shí)，因?yàn)樾枰L(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供電，所以采用不可控整流裝置供電，開關(guān)K4斷開，K3閉合，若是穩(wěn)態(tài)調(diào)壓補(bǔ)償則開關(guān)K2連接到端點(diǎn)1，即整流裝置從電網(wǎng)側(cè)取能；若是穩(wěn)態(tài)穩(wěn)壓補(bǔ)償則開關(guān)K2連接到端點(diǎn)2，即整流裝置從負(fù)載側(cè)取能。

圖2為裝置工作原理圖，PCC 表示公共連接點(diǎn)。

（1）

1.3.電壓檢測(cè)技術(shù)及補(bǔ)償方法

壓暫降通常有以下幾種檢測(cè)方法：有效值檢測(cè)法；基波分量法；小波變換法；、dq變化法等眾多檢測(cè)方法。

目前，dq 變換法因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤，因而具有上述檢測(cè)法中不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此是電壓暫降中最常用的檢測(cè)算法。

2 變環(huán)寬定頻切換控制

裝置主電路拓?fù)浜蛥?shù)確定后，其性能主要取決于逆變器的控制，控制器用來提高裝置系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能，抗干擾性，魯棒性等技術(shù)特性，因此電壓跟蹤控制算法的選取是技術(shù)研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

開關(guān)逆變器大都采用傳統(tǒng)的建模方法，如狀態(tài)空間平均法，坐標(biāo)變換或小信號(hào)線性化等方法，即忽略開關(guān)通斷的非線性特性，把連續(xù)變量和離散變量分開單獨(dú)考慮，得到的是近似線性化模型，并對(duì)該模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析與控制。此類方法雖然經(jīng)典，也有很強(qiáng)的理論支持，但由于采用了近似線性化技術(shù)，一旦工作點(diǎn)變化較大，往往會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性不足等缺陷，只能對(duì)開關(guān)變換器的性能進(jìn)行宏觀的了解，無法得到狀態(tài)變量精確的運(yùn)行規(guī)律，對(duì)系統(tǒng)整體性能的分析有很大的局限性。

針對(duì)這種問題，人們將解決的辦法寄希望于近年來迅速發(fā)展的混雜系統(tǒng)中的切換系統(tǒng)理論。它不僅可以很好地解決線性化處理為系統(tǒng)分析帶來的局限性，更精確地反映系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)混雜特性，進(jìn)而有利于設(shè)計(jì)更加可靠靈活的控制器，有很好的應(yīng)用發(fā)展前景。目前已經(jīng)有研究將切換控制應(yīng)用到了電力電子開關(guān)器件的控制中，其中胡宗波和Willem 等已經(jīng)從切換線性系統(tǒng)理論的角度，分析了DC/DC變換器的能控性和能達(dá)性，對(duì)開關(guān)模式的建模與控制提供了一定的參考價(jià)值。首先對(duì)切換系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及研究意義做基本介紹。

切換系統(tǒng)（Switched System）通常是指由離散事件系統(tǒng)（DES）和連續(xù)變量系統(tǒng)（CVS）混合組成的統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。它實(shí)際上是由若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的線性子系統(tǒng)組成的復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。在切換瞬間，憑借適當(dāng)?shù)那袚Q控制律決定該瞬間系統(tǒng)運(yùn)行的子系統(tǒng)，每次切換系統(tǒng)的狀態(tài)只符合一個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。即系統(tǒng)每一時(shí)刻只能激活一個(gè)子系統(tǒng)。

其中 為連續(xù)狀態(tài)變量； 為連續(xù)輸入變量或動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的外部擾動(dòng)信號(hào)； 為時(shí)間的分段常數(shù)函數(shù)，是離散變量，稱為切換信號(hào)。

當(dāng) 為連續(xù)的線性函數(shù)時(shí)，切換系統(tǒng)可化為如下形式：

當(dāng)輸入變量 時(shí)，則線性切換系統(tǒng)為自治系統(tǒng)。

系統(tǒng)狀態(tài)變量的軌跡沿著切換系列 進(jìn)行切換運(yùn)行，當(dāng) 時(shí)系統(tǒng)處于第i個(gè)子系統(tǒng) 。切換過程中，每一時(shí)刻系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡跟隨激活的子系統(tǒng)變化，哪一個(gè)子系統(tǒng)被激活由切換規(guī)則決定。通過不停的切換，最終可以精確的得到狀態(tài)變量在整個(gè)切換系統(tǒng)中的運(yùn)行軌跡。

3 仿真波形分析

由于開關(guān)器件的存在，所以是典型的切換系統(tǒng)。裝置的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償一般是針對(duì)電壓暫降而言的，系統(tǒng)的故障為電網(wǎng)電壓跌落，補(bǔ)償時(shí)間較短。穩(wěn)態(tài)電壓補(bǔ)償是根據(jù)配電網(wǎng)中敏感負(fù)載對(duì)電壓的不同要求，使裝置持續(xù)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓，本方案研究了兩種情況下的穩(wěn)態(tài)電壓補(bǔ)償——調(diào)壓和穩(wěn)壓。

用MATLAB建立裝置的系統(tǒng)仿真模型，其中電網(wǎng)側(cè)線電壓為380V，逆變器為三相四線H橋電路，負(fù)載側(cè)由三相平衡的R-L組成，容量為30KW。

假設(shè)負(fù)載要穩(wěn)定的電壓值為440V（幅值）仿真圖形如圖4；

在圖26（a）中0-0.1s是電網(wǎng)電壓正常幅值為440V，在0.1s時(shí)電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降，幅值降為354V，在0.2s時(shí)電網(wǎng)電壓又開始上升，幅值升為566V，從圖中可以看出，無論電網(wǎng)電壓發(fā)生下降還是上升，負(fù)載側(cè)的電壓始終保持恒定值，從而可證實(shí)該變環(huán)寬定頻切換控制的有效性。

從圖中可以看出穩(wěn)壓時(shí)負(fù)載電壓的諧波畸變率為1.70%，完全符合控制系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)語

通過介紹了可控串補(bǔ)型低壓線路調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)防止平衡點(diǎn)附近的頻繁切換和切換頻率不穩(wěn)定的弱點(diǎn)，在變環(huán)寬滯環(huán)控制和切換控制的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的提出了一種新的控制方案——變環(huán)寬定頻切換控制，克服了傳統(tǒng)建模方式的缺點(diǎn)，使裝置在達(dá)到基本電壓控制要求的同時(shí)又可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

通過電壓仿真波形，可知該控制策略的合理性，從而證實(shí)了裝置的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)能力。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)山東省電力公司德州市陵城區(qū)供電公司）