新型的農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量裝置研究

史文江+趙剛+劉洋+周明哲+李東明+沈全友+婁國嬌

【摘要】 近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)電力電子設(shè)備的飛速發(fā)展，居民用電結(jié)構(gòu)及類型也發(fā)生了較大變化，隨著加工廠的增多及用電負(fù)荷大幅增加，負(fù)荷特性復(fù)雜多變，農(nóng)用配變數(shù)量越來越多，三相不平衡、功率因數(shù)低下及諧波成分增加等因素造成電能質(zhì)量下降已日益凸顯，解決農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變電能質(zhì)量將是農(nóng)城網(wǎng)電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)的主要任務(wù)之一。

【關(guān)鍵詞】 電能質(zhì)量 三相不平衡 配電網(wǎng) 混合型治理

一、目前電能質(zhì)量治理方式及問題

目前農(nóng)城網(wǎng)低壓配網(wǎng)中對(duì)功率因數(shù)、諧波和三相不平衡的治理目前基本都是單一的裝置實(shí)現(xiàn)。農(nóng)城網(wǎng)中采用的無功補(bǔ)償裝置主要以開關(guān)投切電容這類傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置為主，按開關(guān)元器件類型可分為機(jī)械式接觸器投切電容裝置、電子式無觸點(diǎn)可控硅投切電容器裝置、復(fù)合開關(guān)投切電容裝置，它們通過檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的無功需量，然后觸動(dòng)開關(guān)器件投入電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。這類無功補(bǔ)償裝置具有成本低的優(yōu)勢(shì)，但由于自身技術(shù)缺陷，容易出現(xiàn)過補(bǔ)、欠補(bǔ)，易受電網(wǎng)影響，輕載時(shí)容易造成投切震蕩，諧波電流過大時(shí)極易造成電容器過流損壞。這類現(xiàn)象會(huì)加劇農(nóng)村及城鄉(xiāng)結(jié)合處電壓不穩(wěn)定狀況及損壞開關(guān)元件和其他設(shè)備。

當(dāng)前治理農(nóng)網(wǎng)三相不平衡的方法有均勻分布負(fù)荷、增加短路容量、電感與電容組合調(diào)整等方法，這些治理方法能取得一定的效益，但受客觀性、經(jīng)濟(jì)性所限，難以施行，不能從根本上解決問題。從上述可知，當(dāng)前農(nóng)城網(wǎng)低壓配網(wǎng)中對(duì)無功、諧波和三相不平衡問題的解決方式都是依托單一的裝置實(shí)現(xiàn)，且受技術(shù)、客觀性等因數(shù)的影響，并不能取得很好的效益，而新型低壓動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償裝置，從性能、功能雙向性上都優(yōu)越于上述的治理設(shè)備或解決辦法，所以在農(nóng)城網(wǎng)電能質(zhì)量治理能表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。

二、農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量治理裝置研究思路

針對(duì)傳統(tǒng)補(bǔ)償方法的不足，需要一種高效、快速檢測(cè)、快速調(diào)節(jié)三相不平衡，補(bǔ)償無功和治理低次諧波的設(shè)備，可解決了上述問題，采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以DSP+FPGA數(shù)字處理技術(shù)作為控制核心，可實(shí)現(xiàn)智能化三相不平衡治理、低次諧濾補(bǔ)償，無功補(bǔ)償。在運(yùn)行時(shí)，會(huì)通過外接電流互感器（CT）實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電流，然后將CT采集到的電流（諧波電流或無功電流）信息發(fā)給內(nèi)部控制器進(jìn)行處理，經(jīng)過控制器分析之后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的電流不平衡狀況、諧波電流狀況和功率因數(shù)狀況，同時(shí)計(jì)算出三相電流達(dá)到平衡狀態(tài)，補(bǔ)償諧波和所需轉(zhuǎn)換的電流值。

三、具體研究方式方法

3.1三相不平衡補(bǔ)償原理

農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量治理裝置通過外部專用CT 實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)電流信號(hào)，由內(nèi)部專用檢測(cè)電路和控制器快速分析處理，以判斷系統(tǒng)三相不平衡度，同時(shí)計(jì)算出三相平衡轉(zhuǎn)換電流值，并發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)IGBT 模塊工作，將不平衡電流從電流偏移量剩余的相轉(zhuǎn)移到電流偏移量不足的相。

如下圖農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量治理裝置在不平衡負(fù)載導(dǎo)致的電網(wǎng)三相電流不平衡的狀態(tài)下將電網(wǎng)電流調(diào)節(jié)為10A的平衡狀態(tài)，其中A 相負(fù)載用電為5A，如果電網(wǎng)調(diào)節(jié)為10A 那么該相電流偏移量會(huì)剩余5A，同理C 相電流偏移量缺少5A，農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量治理裝置會(huì)將A 相的偏移電流5A 轉(zhuǎn)移到C 相，來達(dá)到保證負(fù)載側(cè)不平衡用電的情況下，電網(wǎng)的三相電流平衡。

3.2無功補(bǔ)償原理

農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合電能質(zhì)量治理裝置通過外部專用CT 實(shí)時(shí)采集負(fù)載側(cè)系統(tǒng)電流信號(hào)，在內(nèi)部控制器的智能決策下，當(dāng)系統(tǒng)功率因數(shù)低于設(shè)定的功率因數(shù)目標(biāo)值時(shí)，裝置瞬時(shí)發(fā)出感性或容性的無功電流注入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償目的，以確保系統(tǒng)達(dá)到最佳補(bǔ)償效果。（圖2）

3.3諧波濾除原理

通過外部互感器CT 實(shí)時(shí)采集負(fù)載電流信號(hào)，通過內(nèi)部檢測(cè)電路分離出其中的無功功率與諧波電流大小，并自適應(yīng)輸出ZVPWM 信號(hào)給IGBT，通過IGBT 逆變出同負(fù)載大小相等相位相反電流，實(shí)現(xiàn)諧波濾除。（圖3）

四、結(jié)論

農(nóng)城網(wǎng)臺(tái)變綜合混合型三相不平衡調(diào)節(jié)裝置是采用電力電子軟硬件技術(shù)、微型傳感技術(shù)、微網(wǎng)技術(shù)和最新電器制造技術(shù)，將其智能化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)低壓三相及單相自動(dòng)無功補(bǔ)償、系統(tǒng)三相有功電流大小動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)及系統(tǒng)電流諧波濾除功能的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)裝置。該裝置對(duì)解決農(nóng)城網(wǎng)低壓配電網(wǎng) 因三相負(fù)荷不平衡及無功而引起的線路、變壓器損耗增加，電能質(zhì)量、安全可靠性降低及配電設(shè)備容量利用率降低等問題具有技術(shù)推動(dòng)作用，也是為貫徹并實(shí)現(xiàn)國家電網(wǎng)公司提出的建設(shè)安全可靠、運(yùn)行靈活、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的配電網(wǎng)要求的具體舉措。通過項(xiàng)目研究提高低壓配網(wǎng)安全可靠供電能力、提高電能質(zhì)量和配電設(shè)備容量利用率，降低配網(wǎng)損耗，以滿足經(jīng)濟(jì)增長和社會(huì)發(fā)展的需要。endprint