一種自適應配電網綜合電壓補償裝置?

齊小偉 魏建云 梅 震 羅運成，3

（1.國網北京海淀供電公司 北京 100089）（2.湖北三環發展股份有限公司 武漢 430205）（3.武漢數字工程研究所 武漢 430074）

1 引言

配電網中大量使用10kV/380V變壓器，其供電半徑普遍較長，負載過重，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，當采暖季到來和夏季空調使用高峰時，一些線路末端電壓降低和三相電壓不平衡的狀況更嚴重，導致許多家用電器、儀器設備等不能正常啟動。

配電網末端用戶電網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實施無功補償，以減少無功電流在電網中產生的電壓降［2～3］，但對于因變壓器的供電半徑較長、負荷過重引起的配電網末端電網電壓降低仍是無能為力。

本裝置立足于有效地補償末端電壓偏低現象，研制一種基于檢測末端電壓的自適應電壓補償裝置串接于380V線路中間適當位置，向電網注入三相獨立的補償電壓，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。若植入儲能環節，還可以實現重要負載的低電壓穿越。

2 本裝置的拓撲結構

本裝置的電路結構由以下幾部分組成：信號采集和信號調理模塊（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），自適應電壓補償變壓器及旁路保護模塊（4），故障快速檢測和旁路控制模塊（5），人機交互和顯示模塊（6），儲能及充放電控制模塊（7，可選）。

本裝置的模塊結構圖如圖1所示。

圖1 本裝置的電路結構框圖

3 主電路結構

本裝置的主電路結構如圖2和圖3所示。

圖2 整流逆變單元電路圖

圖3 主電路結構圖

相全橋組合中AC/AC功率變換環節采用三相整流濾波共直流母線三單相H橋逆變結構，即采用三個獨立的H橋將共享的直流母線電壓逆變成SPWM波形電壓［4］，經過LC濾波后生成補償電壓，通過三個獨立的單相變壓器和系統耦合，向配電網注入補償電壓。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橋結構即用三個單在一起來產生三相輸出，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節與控制。

根據其單臂峰值電壓輸出率，直流母線電壓應為

式中Uimax為逆變單元最大輸出電壓。

本裝置的補償電壓范圍設定為0～20%Uh（電網額定電壓）。

4 逆變單元與濾波環節的模型和數學描述

從圖3可以看出，本裝置可以等效為一個可控電壓源經過補償變壓器耦合后與電網疊加共同作用在負載上，根據線性電路的疊加原理負載在兩個電壓源激勵下的響應是相互獨立的，因此在研究本裝置逆變單元時，可以把電網電壓置零，單獨分析逆變單元對負載的作用［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節的電路圖及其模型［8］，為處理方便，把濾波電感回路中開關管的導通電阻、濾波電感的等效串聯電阻以及線路阻抗等統一等效為一電阻LR。把濾波電容回路中的阻尼電阻和電容的等效串聯電阻統一等效為一電阻RC，Ze為經過折算的負載阻抗。

對一個逆變器來講，除了直流電源和負載外，主要有開關陣列和低通濾波器兩部分。開關陣列在脈寬調制方法的作用下把直流電壓變換成按正弦規律變化的脈沖序列，低通濾波器則把脈沖序列中的高頻分量濾除后通過補償變壓器耦合串接在電網與負載之間，投入運行后其逆變單元始終流過折算后的負載電流ie，另外，負載可能為阻性，也可能為阻感性，為了使得逆變單元的數學模型不依賴于負載性質，將各種負載統一考慮等效為一電流源，作為系統的一個外部擾動，如圖5所示，根據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作為狀態向量，設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節的狀態向量方程為

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學模型圖

由此狀態方程可以得到逆變單元和濾波環節的S域的傳遞函數為

由上述分析可以得到逆變單元和濾波環節的電路模型框圖如圖6所示。

圖6 數學模型框圖

5 SPWM電壓濾波器設計

5.1 本裝置的基本參數

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

本裝置工作時串聯于配電網之中，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來大幅度提高設備的可靠性。

最壞的狀況出現在裝置發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為系統電壓，UB為補償變壓器的輸出電壓，Ubd為裝置故障時補償變壓器網側電壓，Ui為逆變器輸出的經過濾波后的電壓，ix為配電系統電流。這段時間，補償變壓器變成一個串聯在配電網中的飽和電抗器，它將使配電網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。對于補償變壓器，根據其重要性和工作狀況，在設計時，其工作磁通密度留有較大裕度，并盡量減少因諧波產生的磁滯渦流損耗。

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，其核心是對故障的快速檢測和瞬時可靠旁路以及故障設備的隔離和快速更換。可以將設備的可靠性大幅度提高，設備的平均無故障時間MTBF可提高到30000h以上，使本電壓補償設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，電壓會有一定的下降，不會斷流，體現在電壓波形上，出現半個電壓周期的細微畸變或閃變，對線路上的用電設備的影響很小，不會導致用電設備的停機或誤動作。

7 采用無線通訊遠程檢測多點的末端電壓

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

本系統將末端的當前電壓等參數通過無線通訊傳遞給補償設備，根據末端電壓進行補償最合理，即保證前端用電設備的電壓正常，也滿足末端電壓基本滿足要求［11～12］，補償設備的功率消耗降到最低。

8 結語

實驗結果顯示，本裝置能對故障實施快速檢測和瞬時可靠旁路，并可對故障設備實施隔離和快速更換。可以將設備的可靠性大幅度提高，使本電壓補償設備具備較好的推廣價值。本裝置特別適用于對電網電壓質量要求較高的敏感負載和重要負載的供電需求。