基于可控串补技术的低压线路调压器

2018-06-17吕永喜

科学与技术 2018年23期

吕永喜

摘要：随着社会经济发展，电力用户对用电量、供电质量要求逐年提高，因此提升配电网运行水平、建设智能型配电网将成为未来电力系统重要的工作之一。本文为不断提升配电自动化建设，提高供电可靠性、减少停电时间，提出了一种基于可控串补技术的低压线路调压器，通过实现10kV及0.4kV配电网的信息流与业务流的贯通、配电设备运行状况的实时监测与管理、无功及三相不平衡治理等功能达到提高用电服务能力以实现一流配电网目标要求。

关键词：可控串补技术；低压线路；配电设备；三相不平衡

引言

随着社会发展，用户对供电质量要求的逐步提高，国网公司进一步注重提升配电网运行水平[1，2]。配电网水平提升（供电可靠性和电能质量）已经列入国网公司的考核要求。近两年，国网公司110千伏及以下电网投资比例已超过电网基建投资的50%，然而，要满足全社会用电的需求，还需要不断加大建设投入[3-5]。

基于上述情况本文研制出一种基于可控串补技术的低压线路调压器，研制的台区智能监测终端安装于配电站室、箱变或柱上台变处，具备对配电变压器、0.4kV低压设备、无功补偿设备的运行监测功能；可扩展对站房环境及设备状态智能监测；可扩展对电动汽车充电桩、电采暖设备、分布式电源等负荷信息运行监测功能，通过信息汇聚并上传至配电自动化主站，实现以台区精益化管理和低压智能化运维[6]。

该装置通过实现10kV及0.4kV配电网的信息流与业务流的贯通；实现配电设备运行状况的实时监测与管理；无功及三相不平衡治理；电动汽车充规模化应用以及分布式电源带来了管理需求；实现线损细分管理来达到提升配电自动化建设，提高供电可靠性、减少停电时间，提高用电服务能力以实现一流配电网目标要求。

1 主电路结构及功能

1.1 电路结构组成

可控串补型低压线路调压器，不仅可以实现电压的动态补偿，还可以实现电压的稳态补偿。它的电路结构如图1：主要由电压型逆变器（VSC）、耦合滤波器、供能单元、串联变压器组成。

1.2基本工作原理

可控串补型低压线路调压器主要用来实现负载电压的动态补偿和稳态补偿，装置的工作原理可以这样描述：正常情况下投切开关K1处于关闭状态，装置不工作，当负载需要电压补偿时，投切开关K1断开，装置开始运行；即根据产生的补偿指令信号，对逆变器进行适当控制，向线路中注入一个幅值、相位可控的串联补偿电压，经滤波后，再通过变压器将补偿电压耦合到负载线路中，使负载电压达到预期的质量要求。对于不同的补偿要求开关的闭合程度不同：

1）当装置进行动态电压补偿时，因为补偿时间较短，所以开关K4闭合，K2和K3断开，此时供能单元采用直流电供电。

2）当装置进行稳态电压补偿时，因为需要长时间持续供电，所以采用不可控整流装置供电，开关K4断开，K3闭合，若是稳态调压补偿则开关K2连接到端点1，即整流装置从电网侧取能；若是稳态稳压补偿则开关K2连接到端点2，即整流装置从负载侧取能。

图2为装置工作原理图，PCC 表示公共连接点。

（1）

1.3.电压检测技术及补偿方法

压暂降通常有以下几种检测方法：有效值检测法；基波分量法；小波变换法；、dq变化法等众多检测方法。

目前，dq 变换法因为可以实现对数据的实时跟踪，因而具有上述检测法中不可比拟的优势，因此是电压暂降中最常用的检测算法。

2 变环宽定频切换控制

装置主电路拓扑和参数确定后，其性能主要取决于逆变器的控制，控制器用来提高装置系统动静态性能，抗干扰性，鲁棒性等技术特性，因此电压跟踪控制算法的选取是技术研究的关键和难点。

开关逆变器大都采用传统的建模方法，如状态空间平均法，坐标变换或小信号线性化等方法，即忽略开关通断的非线性特性，把连续变量和离散变量分开单独考虑，得到的是近似线性化模型，并对该模型进行稳定性分析与控制。此类方法虽然经典，也有很强的理论支持，但由于采用了近似线性化技术，一旦工作点变化较大，往往会出现响应速度慢，稳定性不足等缺陷，只能对开关变换器的性能进行宏观的了解，无法得到状态变量精确的运行规律，对系统整体性能的分析有很大的局限性。

针对这种问题，人们将解决的办法寄希望于近年来迅速发展的混杂系统中的切换系统理论。它不仅可以很好地解决线性化处理为系统分析带来的局限性，更精确地反映系统的动态混杂特性，进而有利于设计更加可靠灵活的控制器，有很好的应用发展前景。目前已经有研究将切换控制应用到了电力电子开关器件的控制中，其中胡宗波和Willem 等已经从切换线性系统理论的角度，分析了DC/DC变换器的能控性和能达性，对开关模式的建模与控制提供了一定的参考价值。首先对切换系统的发展现状及研究意义做基本介绍。

切换系统（Switched System）通常是指由离散事件系统（DES）和连续变量系统（CVS）混合組成的统一的动态系统。它实际上是由若干个相对简单的线性子系统组成的复杂的非线性系统。在切换瞬间，凭借适当的切换控制律决定该瞬间系统运行的子系统，每次切换系统的状态只符合一个子系统的运行规律。即系统每一时刻只能激活一个子系统。

其中为连续状态变量；为连续输入变量或动态系统的外部扰动信号；为时间的分段常数函数，是离散变量，称为切换信号。

当为连续的线性函数时，切换系统可化为如下形式：

当输入变量时，则线性切换系统为自治系统。

系统状态变量的轨迹沿着切换系列进行切换运行，当时系统处于第i个子系统。切换过程中，每一时刻系统的运行轨迹跟随激活的子系统变化，哪一个子系统被激活由切换规则决定。通过不停的切换，最终可以精确的得到状态变量在整个切换系统中的运行轨迹。

3 仿真波形分析

由于開关器件的存在，所以是典型的切换系统。装置的动态电压补偿一般是针对电压暂降而言的，系统的故障为电网电压跌落，补偿时间较短。稳态电压补偿是根据配电网中敏感负载对电压的不同要求，使装置持续产生补偿电压，本方案研究了两种情况下的稳态电压补偿——调压和稳压。

用MATLAB建立装置的系统仿真模型，其中电网侧线电压为380V，逆变器为三相四线H桥电路，负载侧由三相平衡的R-L组成，容量为30KW。

假设负载要稳定的电压值为440V（幅值）仿真图形如图4；

在图26（a）中0-0.1s是电网电压正常幅值为440V，在0.1s时电网电压发生暂降，幅值降为354V，在0.2s时电网电压又开始上升，幅值升为566V，从图中可以看出，无论电网电压发生下降还是上升，负载侧的电压始终保持恒定值，从而可证实该变环宽定频切换控制的有效性。

从图中可以看出稳压时负载电压的谐波畸变率为1.70%，完全符合控制系统的要求。

4 结语

通过介绍了可控串补型低压线路调压器的结构防止平衡点附近的频繁切换和切换频率不稳定的弱点，在变环宽滞环控制和切换控制的基础上，创新性的提出了一种新的控制方案——变环宽定频切换控制，克服了传统建模方式的缺点，使装置在达到基本电压控制要求的同时又可保证系统的稳定。