一種基于自耦原理的農(nóng)網(wǎng)低電壓補償變壓器

姚宗溥，馬崇偉，吉慶文，陳益 ，賈利利

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750004；2.國網(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線路進入園區(qū)，在園區(qū)各個建筑下將電壓等級變?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變壓器將10 kV電壓變?yōu)?80 V，由于各個用戶較為分散，低壓線路配電距離較長，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]，同時由于各相負荷大小不同，農(nóng)網(wǎng)也存在三相不平衡的問題[6-8]。

目前，國內(nèi)學者針對農(nóng)網(wǎng)低電壓問題已經(jīng)提出了較多的辦法。文獻[9]提出使用無功補償器的方法，有效提升了農(nóng)網(wǎng)進村端口處的電壓，該方法能夠使村口附近的用戶獲得標準電壓，但仍無法解決末端用戶低壓問題。文獻[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，但各個串聯(lián)的變壓器容量必須大于后續(xù)線路的所有負荷，經(jīng)濟性較差。文獻[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償器，成本較高，不適用于380 V農(nóng)網(wǎng)。文獻[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低電壓點進行補償，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)器件以及較為復雜的控制策略，應用于110 kV等中壓配電網(wǎng)具有一定的優(yōu)勢，在380 V的農(nóng)村電網(wǎng)中將喪失其經(jīng)濟性。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，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)低電壓補償變壓器，該變壓器將二次側(cè)串聯(lián)于低壓線路當中，僅僅補充線路缺失的電壓即可使周圍用戶獲得標準電壓，這使其具備容量小、成本低的優(yōu)勢，可以在低壓農(nóng)網(wǎng)中串聯(lián)多個進行電壓補償。變壓器各相二次側(cè)配有由IGBT控制的分接頭，通過相應的控制策略調(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驗驗證[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，實現(xiàn)電壓的提升。圖1a給出了自耦型農(nóng)網(wǎng)三相電壓補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

這種拓撲結(jié)構(gòu)實際是將變壓器串聯(lián)在各相線路當中，其優(yōu)勢在于僅需要提供所連接節(jié)點的缺失電壓，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節(jié)點進行配置，實現(xiàn)多級電壓補償。同時變壓器各相二次側(cè)都獨立配有IGBT開關(guān)控制分接頭，當用戶負荷不平衡時，可以通過改變各相分接頭進行微調(diào)，實現(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[18-19]，各相電壓互感器將電壓信號經(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)測的電壓不低于標準電壓的5%，則向T0開關(guān)組下發(fā)導通信號，T1～T4開關(guān)組保持關(guān)斷狀態(tài)。此時變壓器二次側(cè)處于斷路狀態(tài)，電流通過T0向負載供電。

2）若互感器所監(jiān)測的電壓低于標準電壓的5%，則向T0開關(guān)組下發(fā)關(guān)斷信號，依據(jù)電壓所在范圍確定需要導通的IGBT組號。此時變壓器二次側(cè)串聯(lián)入主電路，對電壓進行抬升。若變壓器所在節(jié)點的電壓有效值與標準電壓的百分比為ΔU%，則詳細觸發(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，必須保證在任何時刻均存在導通狀態(tài)的IGBT開關(guān)組，即T0～T4不可出現(xiàn)同時關(guān)斷的情況。在IGBT開關(guān)組的交替過程中，應確保Tn開關(guān)組導通后，再對Tm開關(guān)組進行關(guān)斷（n，m∈[1，4]）。

在農(nóng)網(wǎng)實際運行條件下，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、所受擾動因素較多、諧波含量較大等嚴重影響變壓器控制系統(tǒng)的問題，上述問題有可能導致變壓器控制系統(tǒng)向IGBT器件發(fā)送誤動指令，并且農(nóng)網(wǎng)受端噪聲影響較大，可能致使ΔU%計算結(jié)果在某一周期超出初始閾值范圍，最終造成IGBT反復動作。針對上述問題，本文所采用的解決方案如下：變壓器控制系統(tǒng)的采樣步長設(shè)置為100 μs，即每個正弦波采樣200次數(shù)據(jù)，若檢測到節(jié)點電壓ΔU%超出了其原始閾值范圍，則進入噪聲判斷邏輯環(huán)節(jié)，直至1 000個數(shù)據(jù)點（5個周波）的有效值計算結(jié)果均超出閾值范圍，命令有關(guān)IGBT器件動作，以此防止噪聲及干擾造成的IGBT高頻反復投切。

整套裝置的控制流程如圖2所示。本方案根據(jù)單相電壓進行單相調(diào)整，在進行農(nóng)網(wǎng)低電壓治理的同時也可以有效降低農(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

首先應對需要改善的農(nóng)網(wǎng)進行調(diào)研，在村內(nèi)負荷高峰期找到電壓值剛好低于標準電壓5%的區(qū)段，并在該區(qū)段配置第一臺變壓器，該變壓器正常運行后，尋找下一處電壓值剛好低于標準電壓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)點電壓滿足下式：

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

對應的單相多級補償變壓器主接線方案如圖3所示。

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

2 仿真與實驗

2.1 數(shù)字仿真驗證

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償變壓器一臺，仿真開始0.5 s后，將該補償變壓器投入運行，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三相所接負荷分別2 000 W，3 000 W及5 000 W，由于在仿真模型中各相負荷配置不同，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。補償變壓器投入后，對三相不平衡現(xiàn)象進行改善，如圖5b所示。

觀察圖4及圖5可知，配置了電壓補償變壓器后，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)上進行負荷不平衡突變仿真校驗，如圖6所示，于穩(wěn)定后0.1 s時突變各相負荷，模型組A，B，C三相所接負荷分別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)檢測到該變化后，通過分析計算0.1 s（5個周波）內(nèi)的數(shù)據(jù)，排除噪聲等擾動因素，確定為該變化原因是負荷的增加，隨即命令相關(guān)IGBT投切，對三相電壓不平衡進行治理。

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

圖6 負荷不平衡突變仿真校驗Fig.6 Simulation verification of load unbalance sudden change

2.2 數(shù)字物理混合實驗驗證

在Matlab/Simulink軟件上搭建了圖7a所示農(nóng)網(wǎng)電路，共14個節(jié)點（①～?），假定每個節(jié)點為1戶，各個戶間線路長度已在圖中標注（單位：km），電壓不足的節(jié)點均配置了本文的補償變壓器。該電路在RT-LAB實時數(shù)字仿真器中運行，在?號節(jié)點處配置功率接口[16-17]，通過四象限功率放大器在物理端輸出該節(jié)點的電壓，物理側(cè)實驗平臺接線如圖7b所示。

圖7 數(shù)字物理混合實驗驗證Fig.7 Validation of digital physics hybrid experiments

各個節(jié)點電壓提升前后的對比數(shù)據(jù)如表1所示，數(shù)字側(cè)分別在③，⑥，⑨，?四個節(jié)點配置了電壓補償變壓器模型，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。但對⑨號節(jié)點進行升壓后，⑩號節(jié)點電壓已經(jīng)降至214 V，必須在11號節(jié)點物理側(cè)配置電壓補償變壓器才能正常向負載供電，?號節(jié)點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 ?號節(jié)點電壓補償前后波形Fig.8 Waveforms of node?voltage compensation

表1 各節(jié)點電壓前后對比Tab.1 Voltage comparison of each node

2.3 不同低電壓治理方法對比

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

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

表3 各型號無功補償器成本Tab.3 Cost of various types of reactive power compensator

表4 各節(jié)點電壓前后對比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農(nóng)網(wǎng)的線路，工程量大，施工過程停電面積大，并且對末端電壓改善效果并不理想。增設(shè)無功補償器有較高的電壓改善效果，但無功補償器造價較高，XBJW1-0.4/75T2需要1.36萬元，并且為達到理想抬壓效果應該在多點配置無功補償器，投入成本高昂。

經(jīng)過相關(guān)調(diào)研，單臺一次側(cè)380 V的自耦降壓變壓器價格約為500元，低功率型IGBT器件價格約為100元，即一臺自耦型串聯(lián)補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)補償變壓器成本不足0.25萬元。由表4可知，本文的串聯(lián)補償變壓器能夠使線路末端電壓得到良好改善，雖然需要多點配置，但單臺變壓器容量小、成本低，具有較強的經(jīng)濟優(yōu)勢和農(nóng)網(wǎng)應用前景。

3 結(jié)論

本文針對農(nóng)網(wǎng)低電壓問題提出了一種自耦型的電壓補償變壓器，使用多個變壓器多級串聯(lián)，逐級抬高電壓，同時治理三相電壓不平衡，保證整個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)及單片機控制分接頭，動作迅速，便于安裝。該變壓器通過了數(shù)字仿真測試以及數(shù)字物理混合實驗，各個節(jié)點電壓均得到有效改善，不低于標準電壓的5%。通過與其他幾種低電壓治理方法進行比較，得出本文方法具有較高的經(jīng)濟型與治理效果。