融合選相功能的低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置的設(shè)計與應(yīng)用

張金鵬，傅振宇，俞杭科，傅偉，劉康

（國網(wǎng)浙江省諸暨市供電公司，浙江 諸暨 311800）

目前電網(wǎng)企業(yè)中低壓配電網(wǎng)需求側(cè)管理要求再上一個臺階，最關(guān)鍵的一個內(nèi)容是低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)化提升和完善。針對中低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量優(yōu)化領(lǐng)域，電網(wǎng)企業(yè)不斷投入大量的人力、物力和財力，已經(jīng)取得較為顯著的成果，電能質(zhì)量得到顯著的提高，其中10kV及以上電壓等級的電能質(zhì)量普遍很高。然而，在廣大農(nóng)網(wǎng)380/220V電壓等級，電能質(zhì)量問題仍然不夠理想。究其因素，主要是由于配電網(wǎng)點多面廣，線路長，線徑小，尤其是用戶數(shù)量大，農(nóng)村電氣化程度日益增長，負荷波動大且分布不均衡。此外，末端無功補償不足也是問題之一。

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

低壓配電網(wǎng)一般都是三相四線，但是隨著國家電網(wǎng)公司“戶戶通電”工作的開展，以及欠發(fā)達地區(qū)農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造進度等因素，在國內(nèi)很多地區(qū)仍然存在220V支線供電模式，如何做好這部分用戶的電能質(zhì)量受到關(guān)注。

針對農(nóng)網(wǎng)220V支線負荷，電能質(zhì)量的指標主要是電壓和功率因數(shù)。解決農(nóng)網(wǎng)220V支線負荷的電能質(zhì)量問題包括電網(wǎng)大規(guī)模改造和小型技改優(yōu)化兩種方式。以往針對農(nóng)網(wǎng)支線220V負荷電能質(zhì)量優(yōu)化的產(chǎn)品主要有調(diào)壓器、無功補償設(shè)備兩種。

目前國內(nèi)市場上出現(xiàn)一種集成無功補償?shù)膯蜗嗾{(diào)壓器，原理簡單，經(jīng)濟性較好，實際運行過程中也取得了較好效果，但此類調(diào)壓器存在明顯的“調(diào)控孤島”問題缺陷，即完全受制于所屬臺區(qū)配電變壓器的單相電壓水平。

農(nóng)網(wǎng)中普遍存在三相不平衡情況時，某一相或兩相電壓水平相比較其它相序嚴重偏低，造成資源分配不合理的現(xiàn)狀，對配電變壓器運行和壽命也帶來嚴重影響。在此情況下，單相調(diào)壓器應(yīng)用效果將欠佳，甚至會常常出現(xiàn)因為現(xiàn)場實際情況無法滿足投運要求而造成的設(shè)備退出運行不作為的情況。此外，傳統(tǒng)的單相調(diào)壓器采用接觸器或電機傳動的機械接觸式調(diào)壓，壽命有限，尤其是動作頻繁時，壽命很短，其次接觸器每一次換擋調(diào)壓大于200ms，都會造成供電瞬間中斷，用電設(shè)備待機，嚴重影響生產(chǎn)生活。最后比較關(guān)鍵的是調(diào)節(jié)不能太快，或者調(diào)節(jié)周期不能太短，否則產(chǎn)品壽命會很短。

2 設(shè)計方案

隨著大功率電力電子器件IGBT技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計和制造更先進的電力電子裝置帶來了可行性。基于電力電子技術(shù)與常規(guī)智能電容，研究和設(shè)計一種適用于單相支線的末端單相調(diào)壓終端，使其具備調(diào)壓、補償功能，同時融合負荷選相功能，安裝在單相支線與三相線路的T節(jié)點（見圖1設(shè)計應(yīng)用原理圖），有效保證單相支線的電能質(zhì)量。

圖1 設(shè)計應(yīng)用原理圖

低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置設(shè)計時，首先需要考慮其實用性和可靠性，其次是先進性和經(jīng)濟性。低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置采用集成化與模塊化兼容的模式，解決低壓配電網(wǎng)低電壓所面臨的問題：經(jīng)濟性和成本回收的不確定性，實現(xiàn)不同環(huán)境和條件下低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量的優(yōu)化和調(diào)節(jié)，提高用戶用電滿意度。

3 主要功能

農(nóng)網(wǎng)末端一般都表現(xiàn)為低電壓和無功不足，所以低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置主要功能包括電壓提升、無功補償和三相不平衡負荷選相。

（1）電壓調(diào)節(jié)。采用串聯(lián)方式實現(xiàn)電壓補償：由輸入電壓和變壓器產(chǎn)生的補償電壓通過同相疊加后，實現(xiàn)電壓的提升△U，如果兩個線圈全部投入，則升壓是2△U；由輸入電壓和變壓器產(chǎn)生的補償電壓通過反相疊加后，則實現(xiàn)電壓降低△U或2△U。關(guān)系如下：

（2）無功補償。智能電容無功補償單元具有測量計算、無功補償、電容器保護、通信聯(lián)網(wǎng)的功能。作為一個智能體元器件集成到低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置中。

（3）負荷選相。負荷選相適用于單相用電的三相四線供電線路。可根據(jù)三相負荷不平衡率，自動優(yōu)化并切換到相應(yīng)的相線上，以達到調(diào)整負荷平衡的目的。

負荷選相的功能融入，必然要考慮選相的可靠性。當一個臺區(qū)下安裝有多臺低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置時，各終端自動換到優(yōu)勢相序，導致優(yōu)勢喪失，產(chǎn)生新的優(yōu)勢相序，進而觸發(fā)再次動作，進入惡性調(diào)節(jié)振蕩。

筆者及團隊成員共同提出一種裝置間相鄰?fù)ㄐ拧⒇摵煞旨墶幼鏖]鎖機制，從工程實用化的角度解決這一關(guān)鍵問題，有效防范裝置間動作振蕩（因涉及正在申請的專利，在此不再贅述）。

4 實踐分析

筆者單位聯(lián)合南京德軟信息科技發(fā)展有限公司共同研制新一代低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置，通過樣機試制、委托測試后在某農(nóng)網(wǎng)低壓臺區(qū)線路掛網(wǎng)運行（見圖2裝置內(nèi)部及現(xiàn)場應(yīng)用示范）。截至目前已穩(wěn)定運行大半年，期間未發(fā)現(xiàn)任何問題或隱患，低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置所帶低壓單相線路電壓合格率100%，功率因數(shù)達到0.95以上，運行效果非常顯著。

圖2 裝置內(nèi)部與現(xiàn)場應(yīng)用示范

新一代低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置能適應(yīng)農(nóng)村低壓配電網(wǎng)和城區(qū)低壓配電網(wǎng)單相支線，為低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量的發(fā)展提供理論和實踐依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。通過解決不同季節(jié)負荷情況下低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量優(yōu)化問題（電壓、無功和三相不平衡），提高低壓配電網(wǎng)電能利用率，節(jié)省成本，滿足廣大電力用戶對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。