一種基于自耦原理的農(nóng)網(wǎng)低電壓補(bǔ)償變壓器

姚宗溥，馬崇偉，吉慶文，陳益 ，賈利利

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司平羅供電公司，寧夏 石嘴山 753400；3.上海九洲信息技術(shù)有限公司，上海 201203）

配電網(wǎng)的電壓質(zhì)量是保證優(yōu)質(zhì)配電的重要環(huán)節(jié)[1]，農(nóng)村配電不同于城市園區(qū)配電，由于城市居民用電較為集中，所以通常采用10 kV線路進(jìn)入園區(qū)，在園區(qū)各個(gè)建筑下將電壓等級(jí)變?yōu)?80 V入戶，低壓線路配電距離很短，電壓幾乎無跌落[2-3]。而農(nóng)網(wǎng)配電通常在村口由一臺(tái)變壓器將10 kV電壓變?yōu)?80 V，由于各個(gè)用戶較為分散，低壓線路配電距離較長(zhǎng)，有些甚至需要傳輸幾km，電壓跌落較大，線路中部用戶無法使用與電壓平方成正比關(guān)系的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，線路末端用戶無法正常照明[4-5]，同時(shí)由于各相負(fù)荷大小不同，農(nóng)網(wǎng)也存在三相不平衡的問題[6-8]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}已經(jīng)提出了較多的辦法。文獻(xiàn)[9]提出使用無功補(bǔ)償器的方法，有效提升了農(nóng)網(wǎng)進(jìn)村端口處的電壓，該方法能夠使村口附近的用戶獲得標(biāo)準(zhǔn)電壓，但仍無法解決末端用戶低壓?jiǎn)栴}。文獻(xiàn)[10]提出了在低壓農(nóng)網(wǎng)中串聯(lián)變壓器的方法，該策略雖然能夠提升電壓，但各個(gè)串聯(lián)的變壓器容量必須大于后續(xù)線路的所有負(fù)荷，經(jīng)濟(jì)性較差。文獻(xiàn)[11]提出了使用分布式電源治理低電壓的策略，其本質(zhì)是在線路各處配置無功補(bǔ)償器，成本較高，不適用于380 V農(nóng)網(wǎng)。文獻(xiàn)[12]提出一種串聯(lián)調(diào)壓器的方法，能夠提升功率因數(shù)，降低線損，但各個(gè)調(diào)壓器容量較大，不利于大量配置。

此外，在配電網(wǎng)中配置電力電子變壓器，使用直流線路直接對(duì)低電壓點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，是解決低電壓及三相不平衡的有效手段[13-14]，但這種方法涉及到大量的開關(guān)器件以及較為復(fù)雜的控制策略，應(yīng)用于110 kV等中壓配電網(wǎng)具有一定的優(yōu)勢(shì)，在380 V的農(nóng)村電網(wǎng)中將喪失其經(jīng)濟(jì)性。為在農(nóng)村配電網(wǎng)中繼續(xù)發(fā)揮電力電子開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，如何將傳統(tǒng)交流變壓器與絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）低成本地相結(jié)合，成為目前農(nóng)網(wǎng)低電壓治理的研究方向[15]。

本文提出了一種自耦型農(nóng)網(wǎng)低電壓補(bǔ)償變壓器，該變壓器將二次側(cè)串聯(lián)于低壓線路當(dāng)中，僅僅補(bǔ)充線路缺失的電壓即可使周圍用戶獲得標(biāo)準(zhǔn)電壓，這使其具備容量小、成本低的優(yōu)勢(shì)，可以在低壓農(nóng)網(wǎng)中串聯(lián)多個(gè)進(jìn)行電壓補(bǔ)償。變壓器各相二次側(cè)配有由IGBT控制的分接頭，通過相應(yīng)的控制策略調(diào)節(jié)單相變比，可以用于治理農(nóng)網(wǎng)三相不平衡，提升各個(gè)用戶的用電質(zhì)量。該方案通過了數(shù)字物理混合仿真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[16-17]，具有一定的工程適用性。

1 變壓器接線及控制

1.1 變壓器接線

本文所提方法的思路是將變壓器二次側(cè)電壓與主線路電壓相疊加，實(shí)現(xiàn)電壓的提升。圖1a給出了自耦型農(nóng)網(wǎng)三相電壓補(bǔ)償變壓器的接線方法，變壓器一次側(cè)采用Y型接線，二次側(cè)直接串聯(lián)在三相線路中。各相詳細(xì)接線如圖1b所示，各相二次側(cè)帶有分接頭，可以調(diào)節(jié)變壓器變比，分接頭由T0～T45個(gè)IGBT組控制，各組IGBT反向并聯(lián)。

圖1 農(nóng)網(wǎng)低電壓治理變壓器接線圖Fig.1 Transformer connection diagram for low voltage control in rural power network

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)際是將變壓器串聯(lián)在各相線路當(dāng)中，其優(yōu)勢(shì)在于僅需要提供所連接節(jié)點(diǎn)的缺失電壓，變壓器容量可以僅為傳統(tǒng)連接方式的幾十分之一，體積較小，成本較低，可以在同一條線路上多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)多級(jí)電壓補(bǔ)償。同時(shí)變壓器各相二次側(cè)都獨(dú)立配有IGBT開關(guān)控制分接頭，當(dāng)用戶負(fù)荷不平衡時(shí)，可以通過改變各相分接頭進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)三相不平衡治理。

1.2 變壓器控制方式

本文采用的控制芯片為低功耗的MSP430單片機(jī)[18-19]，各相電壓互感器將電壓信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，發(fā)送給控制芯片MSP430，控制芯片判斷變壓器的工作方式：

1）若互感器所監(jiān)測(cè)的電壓不低于標(biāo)準(zhǔn)電壓的5%，則向T0開關(guān)組下發(fā)導(dǎo)通信號(hào)，T1～T4開關(guān)組保持關(guān)斷狀態(tài)。此時(shí)變壓器二次側(cè)處于斷路狀態(tài)，電流通過T0向負(fù)載供電。

2）若互感器所監(jiān)測(cè)的電壓低于標(biāo)準(zhǔn)電壓的5%，則向T0開關(guān)組下發(fā)關(guān)斷信號(hào)，依據(jù)電壓所在范圍確定需要導(dǎo)通的IGBT組號(hào)。此時(shí)變壓器二次側(cè)串聯(lián)入主電路，對(duì)電壓進(jìn)行抬升。若變壓器所在節(jié)點(diǎn)的電壓有效值與標(biāo)準(zhǔn)電壓的百分比為ΔU%，則詳細(xì)觸發(fā)規(guī)則為：若90%≤ΔU%＜95%，觸發(fā)T4；若85%≤ΔU%＜90%，觸發(fā)T3；若80%≤ΔU%＜85%，觸發(fā)T2；若75%≤ΔU%＜80%，觸發(fā)T1。

為了保證電能的持續(xù)供應(yīng)，必須保證在任何時(shí)刻均存在導(dǎo)通狀態(tài)的IGBT開關(guān)組，即T0～T4不可出現(xiàn)同時(shí)關(guān)斷的情況。在IGBT開關(guān)組的交替過程中，應(yīng)確保Tn開關(guān)組導(dǎo)通后，再對(duì)Tm開關(guān)組進(jìn)行關(guān)斷（n，m∈[1，4]）。

在農(nóng)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行條件下，若要解決因各相線路的用戶用電量不盡相同所導(dǎo)致的三相交流電壓不平衡的難題，必須首先面臨農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量較差、所受擾動(dòng)因素較多、諧波含量較大等嚴(yán)重影響變壓器控制系統(tǒng)的問題，上述問題有可能導(dǎo)致變壓器控制系統(tǒng)向IGBT器件發(fā)送誤動(dòng)指令，并且農(nóng)網(wǎng)受端噪聲影響較大，可能致使ΔU%計(jì)算結(jié)果在某一周期超出初始閾值范圍，最終造成IGBT反復(fù)動(dòng)作。針對(duì)上述問題，本文所采用的解決方案如下：變壓器控制系統(tǒng)的采樣步長(zhǎng)設(shè)置為100 μs，即每個(gè)正弦波采樣200次數(shù)據(jù)，若檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)電壓ΔU%超出了其原始閾值范圍，則進(jìn)入噪聲判斷邏輯環(huán)節(jié)，直至1 000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（5個(gè)周波）的有效值計(jì)算結(jié)果均超出閾值范圍，命令有關(guān)IGBT器件動(dòng)作，以此防止噪聲及干擾造成的IGBT高頻反復(fù)投切。

整套裝置的控制流程如圖2所示。本方案根據(jù)單相電壓進(jìn)行單相調(diào)整，在進(jìn)行農(nóng)網(wǎng)低電壓治理的同時(shí)也可以有效降低農(nóng)網(wǎng)三相不平衡程度，提升農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量。

圖2 變壓器控制流程Fig.2 Transformer control flow

1.3 變壓器安裝位置

首先應(yīng)對(duì)需要改善的農(nóng)網(wǎng)進(jìn)行調(diào)研，在村內(nèi)負(fù)荷高峰期找到電壓值剛好低于標(biāo)準(zhǔn)電壓5%的區(qū)段，并在該區(qū)段配置第一臺(tái)變壓器，該變壓器正常運(yùn)行后，尋找下一處電壓值剛好低于標(biāo)準(zhǔn)電壓5%的區(qū)段，繼續(xù)配置變壓器，以此類推，直至線路中所有節(jié)點(diǎn)電壓滿足下式：

式中：ui為i節(jié)點(diǎn)的相電壓；UN為農(nóng)網(wǎng)各相額定電壓；umin，umax分別為各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓最小值和最大值。

對(duì)應(yīng)的單相多級(jí)補(bǔ)償變壓器主接線方案如圖3所示。

圖3 農(nóng)網(wǎng)低電壓補(bǔ)償圖Fig.3 Low voltage compensation chart of rural power network

2 仿真與實(shí)驗(yàn)

2.1 數(shù)字仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink上搭建低壓線路仿真模型，10 kV配電線路經(jīng)過降壓變壓器輸出380 V接入村內(nèi)線路，整條線路長(zhǎng)2 km，阻抗參數(shù)為0.73 Ω/km。各相線路首端電壓約為220 V，中端約為210 V，末端約為205 V。在中端及末端新增本文所提出的自耦型電壓補(bǔ)償變壓器一臺(tái)，仿真開始0.5 s后，將該補(bǔ)償變壓器投入運(yùn)行，末端相電壓改善效果如圖4所示。

圖4 線路末端電壓有效值Fig.4 RMS of line terminal voltage

模型組A，B，C三相所接負(fù)荷分別2 000 W，3 000 W及5 000 W，由于在仿真模型中各相負(fù)荷配置不同，末端三相電壓如圖5a所示，三相電壓呈現(xiàn)出明顯的不平衡狀態(tài)，圖中 ua，ub，uc分別為三相電壓。補(bǔ)償變壓器投入后，對(duì)三相不平衡現(xiàn)象進(jìn)行改善，如圖5b所示。

觀察圖4及圖5可知，配置了電壓補(bǔ)償變壓器后，末端電壓得到了顯著提升，各相電壓峰值約為305 V，三相電壓不平衡得到了有效改善。仿真證明了本文所提出的自耦型補(bǔ)償變壓器的農(nóng)網(wǎng)低電壓治理策略能夠改善線路末端用戶的用電質(zhì)量。

在圖5b的基礎(chǔ)上進(jìn)行負(fù)荷不平衡突變仿真校驗(yàn)，如圖6所示，于穩(wěn)定后0.1 s時(shí)突變各相負(fù)荷，模型組A，B，C三相所接負(fù)荷分別4 000 W，5 000 W及6 000 W，可以看出各相電壓有所降低，出現(xiàn)三相電壓不平衡現(xiàn)象。變壓器控制系統(tǒng)檢測(cè)到該變化后，通過分析計(jì)算0.1 s（5個(gè)周波）內(nèi)的數(shù)據(jù)，排除噪聲等擾動(dòng)因素，確定為該變化原因是負(fù)荷的增加，隨即命令相關(guān)IGBT投切，對(duì)三相電壓不平衡進(jìn)行治理。

圖5 末端三相電壓Fig.5 Terminal load three-phase voltage

圖6 負(fù)荷不平衡突變仿真校驗(yàn)Fig.6 Simulation verification of load unbalance sudden change

2.2 數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在Matlab/Simulink軟件上搭建了圖7a所示農(nóng)網(wǎng)電路，共14個(gè)節(jié)點(diǎn)（①～?），假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)為1戶，各個(gè)戶間線路長(zhǎng)度已在圖中標(biāo)注（單位：km），電壓不足的節(jié)點(diǎn)均配置了本文的補(bǔ)償變壓器。該電路在RT-LAB實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器中運(yùn)行，在?號(hào)節(jié)點(diǎn)處配置功率接口[16-17]，通過四象限功率放大器在物理端輸出該節(jié)點(diǎn)的電壓，物理側(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線如圖7b所示。

圖7 數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.7 Validation of digital physics hybrid experiments

各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓提升前后的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)字側(cè)分別在③，⑥，⑨，?四個(gè)節(jié)點(diǎn)配置了電壓補(bǔ)償變壓器模型，電壓提升效果明顯，農(nóng)網(wǎng)數(shù)字側(cè)不存在電壓低于額定值5%的節(jié)點(diǎn)。但對(duì)⑨號(hào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升壓后，⑩號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓已經(jīng)降至214 V，必須在11號(hào)節(jié)點(diǎn)物理側(cè)配置電壓補(bǔ)償變壓器才能正常向負(fù)載供電，?號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓提升前后波形如圖8所示，電壓提升前后有效值分別為203 V和227 V。

圖8 ?號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓補(bǔ)償前后波形Fig.8 Waveforms of node?voltage compensation

表1 各節(jié)點(diǎn)電壓前后對(duì)比Tab.1 Voltage comparison of each node

2.3 不同低電壓治理方法對(duì)比

針對(duì)串聯(lián)補(bǔ)償變壓器（本文方法）、增大線路截面積、增加主變壓器容量、增設(shè)無功補(bǔ)償器這4種農(nóng)網(wǎng)低電壓治理方式進(jìn)行對(duì)比，各型號(hào)線路成本及各型號(hào)變壓器成本如表2所示，各型號(hào)無功補(bǔ)償器成本如表3所示，采用不同治理方法的線路首端和末端對(duì)比情況如表4所示。

表2 各型號(hào)線路及變壓器成本Tab.2 Costs of various types of transformers and lines

表3 各型號(hào)無功補(bǔ)償器成本Tab.3 Cost of various types of reactive power compensator

表4 各節(jié)點(diǎn)電壓前后對(duì)比Tab.4 Voltage comparison of each node

綜合分析表2～表4可以得出，增加主變壓器的方法最為傳統(tǒng)，投入成本最高，即使選用S11-250型號(hào)也需要2.74萬元，并且該方法末端電壓改善效果最差，所以正在逐步被淘汰。增大線路面積需要更換整個(gè)農(nóng)網(wǎng)的線路，工程量大，施工過程停電面積大，并且對(duì)末端電壓改善效果并不理想。增設(shè)無功補(bǔ)償器有較高的電壓改善效果，但無功補(bǔ)償器造價(jià)較高，XBJW1-0.4/75T2需要1.36萬元，并且為達(dá)到理想抬壓效果應(yīng)該在多點(diǎn)配置無功補(bǔ)償器，投入成本高昂。

經(jīng)過相關(guān)調(diào)研，單臺(tái)一次側(cè)380 V的自耦降壓變壓器價(jià)格約為500元，低功率型IGBT器件價(jià)格約為100元，即一臺(tái)自耦型串聯(lián)補(bǔ)償變壓器主電路成本約為1 500元，綜合考慮控制器等必要的二次設(shè)備成本，整套自耦型串聯(lián)補(bǔ)償變壓器成本不足0.25萬元。由表4可知，本文的串聯(lián)補(bǔ)償變壓器能夠使線路末端電壓得到良好改善，雖然需要多點(diǎn)配置，但單臺(tái)變壓器容量小、成本低，具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和農(nóng)網(wǎng)應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

本文針對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}提出了一種自耦型的電壓補(bǔ)償變壓器，使用多個(gè)變壓器多級(jí)串聯(lián)，逐級(jí)抬高電壓，同時(shí)治理三相電壓不平衡，保證整個(gè)線路的中端及后端的電能質(zhì)量。該變壓器容量小，成本低，使用IGBT電力電子開關(guān)及單片機(jī)控制分接頭，動(dòng)作迅速，便于安裝。該變壓器通過了數(shù)字仿真測(cè)試以及數(shù)字物理混合實(shí)驗(yàn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓均得到有效改善，不低于標(biāo)準(zhǔn)電壓的5%。通過與其他幾種低電壓治理方法進(jìn)行比較，得出本文方法具有較高的經(jīng)濟(jì)型與治理效果。