便携式模块化电能质量治理装置的设计研究

2021-10-09苏一峰邹宇郭子培李文森

广东科技 2021年9期

文/苏一峰邹宇郭子培李文森

0 引言

我国农村地区配电网（以下简称“农网”）具有用电负荷容量小、分布广、供电半径大、电缆线径小等特点，造成远距离供电线路功率损耗较大，引发线路末端出现低电压的问题；另一方面，配电网的三相不平衡、无功负荷的增长，以及其他电能质量问题日益凸显，也会导致线路末端低电压的产生。根据电网相关标准，单相电压低于198V时即为不合格电压，可能会导致某些用电设备不能启动或者无法正常工作，这将影响线路末端用户的用电质量和用电体验。

1 农网电能质量治理现状

经过2010年以来持续开展的配网低电压专项治理工作，配网结构、装备水平及配网综合管理水平得到显著提升，用户端供电质量得到明显改善，但仍然存在着一些问题。

目前对于线路末端用户提出因低电压影响用电体验的问题，供电部门大多是采取工程施工的解决方案，例如通过新增变压器电源点的方式以减小供电半径、通过更换线径大的导线以减少线路功率损耗、通过调整负荷接入点以解决三相负荷不平衡问题等等，但这些解决方案施工的准备、组织、实施以及验收都需要较长周期，而用户的用电问题无法得到快速解决，将会对农村加工行业和养殖行业等用户造成一定的经济损失。

为此，部分用户在线路末端加装电压调节装置进行升压，但由于这些装置响应速度慢，只能实现分档调压，无法应对快速波动的负荷，更无法根据用户需求进行实时精确的调压；其次，这些调压装置多采用变压器加投切机构，装置体积大、重量重，安装和维护不便；另外，这些装置都仅仅具备电压调节的单一功能，对于线路中三相负荷不平衡、无功负荷增长以及谐波这类可间接导致低电压的因素无法进行综合治理。

综上，农网线路用户迫切需要一种体积小、重量轻，安装维护方便，投资成本低，可应对线路中波动较大的负荷进行实时精确调压，且具备三相负荷不平衡治理、无功补偿以及谐波治理等多重功能的模块化便携式电能质量综合治理装置。

2 装置设计方案

基于上述现状，笔者研制了模块化便携式的电能质量治理装置（以下简称“治理装置”）。治理装置由本体模块搭配不同的功能模块组成，本体串联接入配网线路中，与调压模块组合，可以实现调压功能；与补偿模块组合，可以实现三相不平衡调节、动态无功补偿、电能质量治理。用户可根据实际需求选择本体模块和不同的功能模块进行组合叠加，方案系统结构示意如图1所示。

图1 治理装置设计方案系统结构

治理装置本体模块由主回路部分、主回路旁路切换部分、电网侧参数实时检测处理部分、装置侧参数实时检测处理部分、实时监测保护部分、驱动电路部分以及控制系统部分组成，系统框架如图2所示。

图2 治理装置本体模块系统框架

其中，主回路部分与电网侧直接相连，由大功率电力电子开关器件组成，为该模块实现调节功能的执行机构，主回路的电路结构为三相电压型桥式逆变电路。电网侧参数实时检测处理部分实时地检测电网侧各相电压、电流和频率，并进行处理后送入到控制系统中，该部分主要由电压、电流传感器、信号调理电路和锁相环电路等构成。装置侧参数实时检测处理部分用于检测装置侧各相输出电压、电流以及直流侧电压实时值，并通过处理后送入到控制系统中。实时监测保护部分用于监测系统的运行状态，并反馈给控制系统，以便在系统出现不正常运行情况时保护装置。驱动电路部分用于将控制系统输出的脉冲信号转换为驱动能力更强的开关信号，实现主电路中开关器件的控制。控制系统部分为系统的控制核心，用于实现系统的各类控制算法，最终生成系统的脉冲信号和保护信号，从而使装置能安全有效运行。

各功能模块中，调压功能模块与其他（三相不平衡治理、无功补偿、谐波治理等）功能模块的框架结构稍有区别，具体如图3所示。

图3 治理装置各功能模块系统框架

3 装置的研制和应用

治理装置是一种方便携带的，用于末端用户低电压治理的应急电能质量治理装置，全绝缘、可触摸、重量轻，采用模块化设计、积木式拔插应用，可根据用户负荷情况灵活配置，提高经济性。其中，调压模块采用新型电力电子无级调压方式，可根据负荷的实时波动进行电压跟踪和调节，电压调节精度高、响应速度快，全程无噪音，模块拆装方便、运行过程免维护，外形设计适应壁挂、抱杆、落地等多种安装方式。该产品采用新型高速开关材料，配合动态优化控制算法，使控制过程更高效、设备对环境的适应性更强，电压调节、无功补偿、三相不平衡治理、谐波治理各功能集成为不同模块，用户可以根据自身的需求进行选择性地插拔。装置本体模块和功能模块的外观如图4所示。模块组合叠加之后的整体装置安装如图5所示。