一种基于自耦原理的农网低电压补偿变压器

姚宗溥，马崇伟，吉庆文，陈益 ，贾利利

（1.国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750004；2.国网宁夏电力有限公司平罗供电公司，宁夏 石嘴山 753400；3.上海九洲信息技术有限公司，上海 201203）

配电网的电压质量是保证优质配电的重要环节[1]，农村配电不同于城市园区配电，由于城市居民用电较为集中，所以通常采用10 kV线路进入园区，在园区各个建筑下将电压等级变为380 V入户，低压线路配电距离很短，电压几乎无跌落[2-3]。而农网配电通常在村口由一台变压器将10 kV电压变为380 V，由于各个用户较为分散，低压线路配电距离较长，有些甚至需要传输几km，电压跌落较大，线路中部用户无法使用与电压平方成正比关系的旋转设备，线路末端用户无法正常照明[4-5]，同时由于各相负荷大小不同，农网也存在三相不平衡的问题[6-8]。

目前，国内学者针对农网低电压问题已经提出了较多的办法。文献[9]提出使用无功补偿器的方法，有效提升了农网进村端口处的电压，该方法能够使村口附近的用户获得标准电压，但仍无法解决末端用户低压问题。文献[10]提出了在低压农网中串联变压器的方法，该策略虽然能够提升电压，但各个串联的变压器容量必须大于后续线路的所有负荷，经济性较差。文献[11]提出了使用分布式电源治理低电压的策略，其本质是在线路各处配置无功补偿器，成本较高，不适用于380 V农网。文献[12]提出一种串联调压器的方法，能够提升功率因数，降低线损，但各个调压器容量较大，不利于大量配置。

此外，在配电网中配置电力电子变压器，使用直流线路直接对低电压点进行补偿，是解决低电压及三相不平衡的有效手段[13-14]，但这种方法涉及到大量的开关器件以及较为复杂的控制策略，应用于110 kV等中压配电网具有一定的优势，在380 V的农村电网中将丧失其经济性。为在农村配电网中继续发挥电力电子开关的优势，如何将传统交流变压器与绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）低成本地相结合，成为目前农网低电压治理的研究方向[15]。

本文提出了一种自耦型农网低电压补偿变压器，该变压器将二次侧串联于低压线路当中，仅仅补充线路缺失的电压即可使周围用户获得标准电压，这使其具备容量小、成本低的优势，可以在低压农网中串联多个进行电压补偿。变压器各相二次侧配有由IGBT控制的分接头，通过相应的控制策略调节单相变比，可以用于治理农网三相不平衡，提升各个用户的用电质量。该方案通过了数字物理混合仿真的实验验证[16-17]，具有一定的工程适用性。

1 变压器接线及控制

1.1 变压器接线

本文所提方法的思路是将变压器二次侧电压与主线路电压相叠加，实现电压的提升。图1a给出了自耦型农网三相电压补偿变压器的接线方法，变压器一次侧采用Y型接线，二次侧直接串联在三相线路中。各相详细接线如图1b所示，各相二次侧带有分接头，可以调节变压器变比，分接头由T0～T45个IGBT组控制，各组IGBT反向并联。

图1 农网低电压治理变压器接线图Fig.1 Transformer connection diagram for low voltage control in rural power network

这种拓扑结构实际是将变压器串联在各相线路当中，其优势在于仅需要提供所连接节点的缺失电压，变压器容量可以仅为传统连接方式的几十分之一，体积较小，成本较低，可以在同一条线路上多个节点进行配置，实现多级电压补偿。同时变压器各相二次侧都独立配有IGBT开关控制分接头，当用户负荷不平衡时，可以通过改变各相分接头进行微调，实现三相不平衡治理。

1.2 变压器控制方式

本文采用的控制芯片为低功耗的MSP430单片机[18-19]，各相电压互感器将电压信号经过AD转换芯片将模拟量变为数字量，发送给控制芯片MSP430，控制芯片判断变压器的工作方式：

1）若互感器所监测的电压不低于标准电压的5%，则向T0开关组下发导通信号，T1～T4开关组保持关断状态。此时变压器二次侧处于断路状态，电流通过T0向负载供电。

2）若互感器所监测的电压低于标准电压的5%，则向T0开关组下发关断信号，依据电压所在范围确定需要导通的IGBT组号。此时变压器二次侧串联入主电路，对电压进行抬升。若变压器所在节点的电压有效值与标准电压的百分比为ΔU%，则详细触发规则为：若90%≤ΔU%＜95%，触发T4；若85%≤ΔU%＜90%，触发T3；若80%≤ΔU%＜85%，触发T2；若75%≤ΔU%＜80%，触发T1。

为了保证电能的持续供应，必须保证在任何时刻均存在导通状态的IGBT开关组，即T0～T4不可出现同时关断的情况。在IGBT开关组的交替过程中，应确保Tn开关组导通后，再对Tm开关组进行关断（n，m∈[1，4]）。

在农网实际运行条件下，若要解决因各相线路的用户用电量不尽相同所导致的三相交流电压不平衡的难题，必须首先面临农网电能质量较差、所受扰动因素较多、谐波含量较大等严重影响变压器控制系统的问题，上述问题有可能导致变压器控制系统向IGBT器件发送误动指令，并且农网受端噪声影响较大，可能致使ΔU%计算结果在某一周期超出初始阈值范围，最终造成IGBT反复动作。针对上述问题，本文所采用的解决方案如下：变压器控制系统的采样步长设置为100 μs，即每个正弦波采样200次数据，若检测到节点电压ΔU%超出了其原始阈值范围，则进入噪声判断逻辑环节，直至1 000个数据点（5个周波）的有效值计算结果均超出阈值范围，命令有关IGBT器件动作，以此防止噪声及干扰造成的IGBT高频反复投切。

整套装置的控制流程如图2所示。本方案根据单相电压进行单相调整，在进行农网低电压治理的同时也可以有效降低农网三相不平衡程度，提升农网电能质量。

图2 变压器控制流程Fig.2 Transformer control flow

1.3 变压器安装位置

首先应对需要改善的农网进行调研，在村内负荷高峰期找到电压值刚好低于标准电压5%的区段，并在该区段配置第一台变压器，该变压器正常运行后，寻找下一处电压值刚好低于标准电压5%的区段，继续配置变压器，以此类推，直至线路中所有节点电压满足下式：

式中：ui为i节点的相电压；UN为农网各相额定电压；umin，umax分别为各个节点电压最小值和最大值。

对应的单相多级补偿变压器主接线方案如图3所示。

图3 农网低电压补偿图Fig.3 Low voltage compensation chart of rural power network

2 仿真与实验

2.1 数字仿真验证

在Matlab/Simulink上搭建低压线路仿真模型，10 kV配电线路经过降压变压器输出380 V接入村内线路，整条线路长2 km，阻抗参数为0.73 Ω/km。各相线路首端电压约为220 V，中端约为210 V，末端约为205 V。在中端及末端新增本文所提出的自耦型电压补偿变压器一台，仿真开始0.5 s后，将该补偿变压器投入运行，末端相电压改善效果如图4所示。

图4 线路末端电压有效值Fig.4 RMS of line terminal voltage

模型组A，B，C三相所接负荷分别2 000 W，3 000 W及5 000 W，由于在仿真模型中各相负荷配置不同，末端三相电压如图5a所示，三相电压呈现出明显的不平衡状态，图中 ua，ub，uc分别为三相电压。补偿变压器投入后，对三相不平衡现象进行改善，如图5b所示。

观察图4及图5可知，配置了电压补偿变压器后，末端电压得到了显著提升，各相电压峰值约为305 V，三相电压不平衡得到了有效改善。仿真证明了本文所提出的自耦型补偿变压器的农网低电压治理策略能够改善线路末端用户的用电质量。

在图5b的基础上进行负荷不平衡突变仿真校验，如图6所示，于稳定后0.1 s时突变各相负荷，模型组A，B，C三相所接负荷分别4 000 W，5 000 W及6 000 W，可以看出各相电压有所降低，出现三相电压不平衡现象。变压器控制系统检测到该变化后，通过分析计算0.1 s（5个周波）内的数据，排除噪声等扰动因素，确定为该变化原因是负荷的增加，随即命令相关IGBT投切，对三相电压不平衡进行治理。

图5 末端三相电压Fig.5 Terminal load three-phase voltage

图6 负荷不平衡突变仿真校验Fig.6 Simulation verification of load unbalance sudden change

2.2 数字物理混合实验验证

在Matlab/Simulink软件上搭建了图7a所示农网电路，共14个节点（①～⑭），假定每个节点为1户，各个户间线路长度已在图中标注（单位：km），电压不足的节点均配置了本文的补偿变压器。该电路在RT-LAB实时数字仿真器中运行，在⑪号节点处配置功率接口[16-17]，通过四象限功率放大器在物理端输出该节点的电压，物理侧实验平台接线如图7b所示。

图7 数字物理混合实验验证Fig.7 Validation of digital physics hybrid experiments

各个节点电压提升前后的对比数据如表1所示，数字侧分别在③，⑥，⑨，⑬四个节点配置了电压补偿变压器模型，电压提升效果明显，农网数字侧不存在电压低于额定值5%的节点。但对⑨号节点进行升压后，⑩号节点电压已经降至214 V，必须在11号节点物理侧配置电压补偿变压器才能正常向负载供电，⑪号节点电压提升前后波形如图8所示，电压提升前后有效值分别为203 V和227 V。

图8 ⑪号节点电压补偿前后波形Fig.8 Waveforms of node⑪voltage compensation

表1 各节点电压前后对比Tab.1 Voltage comparison of each node

2.3 不同低电压治理方法对比

针对串联补偿变压器（本文方法）、增大线路截面积、增加主变压器容量、增设无功补偿器这4种农网低电压治理方式进行对比，各型号线路成本及各型号变压器成本如表2所示，各型号无功补偿器成本如表3所示，采用不同治理方法的线路首端和末端对比情况如表4所示。

表2 各型号线路及变压器成本Tab.2 Costs of various types of transformers and lines

表3 各型号无功补偿器成本Tab.3 Cost of various types of reactive power compensator

表4 各节点电压前后对比Tab.4 Voltage comparison of each node

综合分析表2～表4可以得出，增加主变压器的方法最为传统，投入成本最高，即使选用S11-250型号也需要2.74万元，并且该方法末端电压改善效果最差，所以正在逐步被淘汰。增大线路面积需要更换整个农网的线路，工程量大，施工过程停电面积大，并且对末端电压改善效果并不理想。增设无功补偿器有较高的电压改善效果，但无功补偿器造价较高，XBJW1-0.4/75T2需要1.36万元，并且为达到理想抬压效果应该在多点配置无功补偿器，投入成本高昂。

经过相关调研，单台一次侧380 V的自耦降压变压器价格约为500元，低功率型IGBT器件价格约为100元，即一台自耦型串联补偿变压器主电路成本约为1 500元，综合考虑控制器等必要的二次设备成本，整套自耦型串联补偿变压器成本不足0.25万元。由表4可知，本文的串联补偿变压器能够使线路末端电压得到良好改善，虽然需要多点配置，但单台变压器容量小、成本低，具有较强的经济优势和农网应用前景。

3 结论

本文针对农网低电压问题提出了一种自耦型的电压补偿变压器，使用多个变压器多级串联，逐级抬高电压，同时治理三相电压不平衡，保证整个线路的中端及后端的电能质量。该变压器容量小，成本低，使用IGBT电力电子开关及单片机控制分接头，动作迅速，便于安装。该变压器通过了数字仿真测试以及数字物理混合实验，各个节点电压均得到有效改善，不低于标准电压的5%。通过与其他几种低电压治理方法进行比较，得出本文方法具有较高的经济型与治理效果。