一种自适应配电网综合电压补偿装置∗

2018-08-01齐小伟魏建云罗运成

舰船电子工程 2018年7期

齐小伟魏建云梅震罗运成，3

（1.国网北京海淀供电公司北京 100089）（2.湖北三环发展股份有限公司武汉 430205）（3.武汉数字工程研究所武汉 430074）

1 引言

配电网中大量使用10kV/380V变压器，其供电半径普遍较长，负载过重，往往造成线路损耗过大以及末端用户电压降低和三相电压不平衡［1］，尤其是北方采暖煤改电工程实施后，当采暖季到来和夏季空调使用高峰时，一些线路末端电压降低和三相电压不平衡的状况更严重，导致许多家用电器、仪器设备等不能正常启动。

配电网末端用户电网电压降低是个比较普遍存在且难以妥善解决的问题，常用的解决方法是采用电力电容器、低压SVG、APF等器件或装置对电网实施无功补偿，以减少无功电流在电网中产生的电压降［2～3］，但对于因变压器的供电半径较长、负荷过重引起的配电网末端电网电压降低仍是无能为力。

本装置立足于有效地补偿末端电压偏低现象，研制一种基于检测末端电压的自适应电压补偿装置串接于380V线路中间适当位置，向电网注入三相独立的补偿电压，使末端电压升高，同时可以有效地解决三相电压不平衡问题。若植入储能环节，还可以实现重要负载的低电压穿越。

2 本装置的拓扑结构

本装置的电路结构由以下几部分组成：信号采集和信号调理模块（1），中央处理器和控制模块（2），基于IGBT的AC-AC功率变换及滤波模块（3），自适应电压补偿变压器及旁路保护模块（4），故障快速检测和旁路控制模块（5），人机交互和显示模块（6），储能及充放电控制模块（7，可选）。

本装置的模块结构图如图1所示。

图1 本装置的电路结构框图

3 主电路结构

本装置的主电路结构如图2和图3所示。

图2 整流逆变单元电路图

图3 主电路结构图

相全桥组合中AC/AC功率变换环节采用三相整流滤波共直流母线三单相H桥逆变结构，即采用三个独立的H桥将共享的直流母线电压逆变成SPWM波形电压［4］，经过LC滤波后生成补偿电压，通过三个独立的单相变压器和系统耦合，向配电网注入补偿电压。其单臂峰值电压输出率为［5～6］

式中，Udc为直流母线电压。采用三单相H桥结构即用三个单在一起来产生三相输出，三相之间没有相互耦合，在电路和控制上都相对独立因此控制最为简单，非常有利于三相不平衡的调节与控制。

根据其单臂峰值电压输出率，直流母线电压应为

式中Uimax为逆变单元最大输出电压。

本装置的补偿电压范围设定为0～20%Uh（电网额定电压）。

4 逆变单元与滤波环节的模型和数学描述

从图3可以看出，本装置可以等效为一个可控电压源经过补偿变压器耦合后与电网叠加共同作用在负载上，根据线性电路的叠加原理负载在两个电压源激励下的响应是相互独立的，因此在研究本装置逆变单元时，可以把电网电压置零，单独分析逆变单元对负载的作用［7］，图4（虚线框部分）、图5分别是三相中的一个单相H桥逆变电路及滤波环节的电路图及其模型［8］，为处理方便，把滤波电感回路中开关管的导通电阻、滤波电感的等效串联电阻以及线路阻抗等统一等效为一电阻LR。把滤波电容回路中的阻尼电阻和电容的等效串联电阻统一等效为一电阻RC，Ze为经过折算的负载阻抗。

对一个逆变器来讲，除了直流电源和负载外，主要有开关阵列和低通滤波器两部分。开关阵列在脉宽调制方法的作用下把直流电压变换成按正弦规律变化的脉冲序列，低通滤波器则把脉冲序列中的高频分量滤除后通过补偿变压器耦合串接在电网与负载之间，投入运行后其逆变单元始终流过折算后的负载电流ie，另外，负载可能为阻性，也可能为阻感性，为了使得逆变单元的数学模型不依赖于负载性质，将各种负载统一考虑等效为一电流源，作为系统的一个外部扰动，如图5所示，根据逆变单元的电路模型选取滤波电感电流ilf和滤波电容电压ucf作为状态向量，设usi为逆变器输出之PWM电压，可以得到本装置的逆变单元和滤波环节的状态向量方程为

图4 一个单相H桥逆变及滤波电路图

图5 逆变及滤波电路的数学模型图

由此状态方程可以得到逆变单元和滤波环节的S域的传递函数为

由上述分析可以得到逆变单元和滤波环节的电路模型框图如图6所示。

图6 数学模型框图

5 SPWM电压滤波器设计

5.1 本装置的基本参数

逆变器输出电压基波有效值420V；单相输出额定功率为15000W。

5.2 参数计算

若要求输出电压中所有高次谐波含量都小于2%，则滤波器的的截止频率fc须满足［9～10］：

式中，fc为滤波器的截止频率，fs为开关频率即载波频率，fo为基波频率。本装置之fs为1600Hz。

计算得fc=0.29*（4*1600-3*50）=1812.5hz

6 基于快速故障检测和可靠旁路（＜4ms）的高可靠性技术

本装置工作时串联于配电网之中，装置的可靠性是其生命力的所在，在装置中采用了多项技术来大幅度提高设备的可靠性。

最坏的状况出现在装置发生故障后而旁路合闸完成之前的这一段时间，我们来分析此时的电路状况，电路图和电压电流波形示意图见图7、图8。图中，Ux为系统电压，UB为补偿变压器的输出电压，Ubd为装置故障时补偿变压器网侧电压，Ui为逆变器输出的经过滤波后的电压，ix为配电系统电流。这段时间，补偿变压器变成一个串联在配电网中的饱和电抗器，它将使配电网电压带来一定的谐波电压和附加的电压跌落，这是我们不希望的。对于补偿变压器，根据其重要性和工作状况，在设计时，其工作磁通密度留有较大裕度，并尽量减少因谐波产生的磁滞涡流损耗。

图7 装置故障时的电路状况图

图8 装置故障时的电压电流波形图

本装置采用多项专利技术，其核心是对故障的快速检测和瞬时可靠旁路以及故障设备的隔离和快速更换。可以将设备的可靠性大幅度提高，设备的平均无故障时间MTBF可提高到30000h以上，使本电压补偿设备具备较好的推广价值。本装置从故障检测到旁路完成的时间小于4ms，即小于1/4个周期，且在此1/4周期内，电压会有一定的下降，不会断流，体现在电压波形上，出现半个电压周期的细微畸变或闪变，对线路上的用电设备的影响很小，不会导致用电设备的停机或误动作。