融合選相功能的低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張金鵬，傅振宇，俞杭科，傅偉，劉康

（國(guó)網(wǎng)浙江省諸暨市供電公司，浙江 諸暨 311800）

目前電網(wǎng)企業(yè)中低壓配電網(wǎng)需求側(cè)管理要求再上一個(gè)臺(tái)階，最關(guān)鍵的一個(gè)內(nèi)容是低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)化提升和完善。針對(duì)中低壓配電網(wǎng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)化領(lǐng)域，電網(wǎng)企業(yè)不斷投入大量的人力、物力和財(cái)力，已經(jīng)取得較為顯著的成果，電能質(zhì)量得到顯著的提高，其中10kV及以上電壓等級(jí)的電能質(zhì)量普遍很高。然而，在廣大農(nóng)網(wǎng)380/220V電壓等級(jí)，電能質(zhì)量問(wèn)題仍然不夠理想。究其因素，主要是由于配電網(wǎng)點(diǎn)多面廣，線路長(zhǎng)，線徑小，尤其是用戶數(shù)量大，農(nóng)村電氣化程度日益增長(zhǎng)，負(fù)荷波動(dòng)大且分布不均衡。此外，末端無(wú)功補(bǔ)償不足也是問(wèn)題之一。

1 技術(shù)現(xiàn)狀分析

低壓配電網(wǎng)一般都是三相四線，但是隨著國(guó)家電網(wǎng)公司“戶戶通電”工作的開(kāi)展，以及欠發(fā)達(dá)地區(qū)農(nóng)網(wǎng)建設(shè)和改造進(jìn)度等因素，在國(guó)內(nèi)很多地區(qū)仍然存在220V支線供電模式，如何做好這部分用戶的電能質(zhì)量受到關(guān)注。

針對(duì)農(nóng)網(wǎng)220V支線負(fù)荷，電能質(zhì)量的指標(biāo)主要是電壓和功率因數(shù)。解決農(nóng)網(wǎng)220V支線負(fù)荷的電能質(zhì)量問(wèn)題包括電網(wǎng)大規(guī)模改造和小型技改優(yōu)化兩種方式。以往針對(duì)農(nóng)網(wǎng)支線220V負(fù)荷電能質(zhì)量?jī)?yōu)化的產(chǎn)品主要有調(diào)壓器、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備兩種。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)一種集成無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯蜗嗾{(diào)壓器，原理簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性較好，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也取得了較好效果，但此類調(diào)壓器存在明顯的“調(diào)控孤島”問(wèn)題缺陷，即完全受制于所屬臺(tái)區(qū)配電變壓器的單相電壓水平。

農(nóng)網(wǎng)中普遍存在三相不平衡情況時(shí)，某一相或兩相電壓水平相比較其它相序嚴(yán)重偏低，造成資源分配不合理的現(xiàn)狀，對(duì)配電變壓器運(yùn)行和壽命也帶來(lái)嚴(yán)重影響。在此情況下，單相調(diào)壓器應(yīng)用效果將欠佳，甚至?xí)３３霈F(xiàn)因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況無(wú)法滿足投運(yùn)要求而造成的設(shè)備退出運(yùn)行不作為的情況。此外，傳統(tǒng)的單相調(diào)壓器采用接觸器或電機(jī)傳動(dòng)的機(jī)械接觸式調(diào)壓，壽命有限，尤其是動(dòng)作頻繁時(shí)，壽命很短，其次接觸器每一次換擋調(diào)壓大于200ms，都會(huì)造成供電瞬間中斷，用電設(shè)備待機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)生活。最后比較關(guān)鍵的是調(diào)節(jié)不能太快，或者調(diào)節(jié)周期不能太短，否則產(chǎn)品壽命會(huì)很短。

2 設(shè)計(jì)方案

隨著大功率電力電子器件IGBT技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)和制造更先進(jìn)的電力電子裝置帶來(lái)了可行性?；陔娏﹄娮蛹夹g(shù)與常規(guī)智能電容，研究和設(shè)計(jì)一種適用于單相支線的末端單相調(diào)壓終端，使其具備調(diào)壓、補(bǔ)償功能，同時(shí)融合負(fù)荷選相功能，安裝在單相支線與三相線路的T節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖1設(shè)計(jì)應(yīng)用原理圖），有效保證單相支線的電能質(zhì)量。

圖1 設(shè)計(jì)應(yīng)用原理圖

低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮其實(shí)用性和可靠性，其次是先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置采用集成化與模塊化兼容的模式，解決低壓配電網(wǎng)低電壓所面臨的問(wèn)題：經(jīng)濟(jì)性和成本回收的不確定性，實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境和條件下低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量的優(yōu)化和調(diào)節(jié)，提高用戶用電滿意度。

3 主要功能

農(nóng)網(wǎng)末端一般都表現(xiàn)為低電壓和無(wú)功不足，所以低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置主要功能包括電壓提升、無(wú)功補(bǔ)償和三相不平衡負(fù)荷選相。

（1）電壓調(diào)節(jié)。采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償：由輸入電壓和變壓器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓通過(guò)同相疊加后，實(shí)現(xiàn)電壓的提升△U，如果兩個(gè)線圈全部投入，則升壓是2△U；由輸入電壓和變壓器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓通過(guò)反相疊加后，則實(shí)現(xiàn)電壓降低△U或2△U。關(guān)系如下：

（2）無(wú)功補(bǔ)償。智能電容無(wú)功補(bǔ)償單元具有測(cè)量計(jì)算、無(wú)功補(bǔ)償、電容器保護(hù)、通信聯(lián)網(wǎng)的功能。作為一個(gè)智能體元器件集成到低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置中。

（3）負(fù)荷選相。負(fù)荷選相適用于單相用電的三相四線供電線路?？筛鶕?jù)三相負(fù)荷不平衡率，自動(dòng)優(yōu)化并切換到相應(yīng)的相線上，以達(dá)到調(diào)整負(fù)荷平衡的目的。

負(fù)荷選相的功能融入，必然要考慮選相的可靠性。當(dāng)一個(gè)臺(tái)區(qū)下安裝有多臺(tái)低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置時(shí)，各終端自動(dòng)換到優(yōu)勢(shì)相序，導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)喪失，產(chǎn)生新的優(yōu)勢(shì)相序，進(jìn)而觸發(fā)再次動(dòng)作，進(jìn)入惡性調(diào)節(jié)振蕩。

筆者及團(tuán)隊(duì)成員共同提出一種裝置間相鄰?fù)ㄐ?、?fù)荷分級(jí)、動(dòng)作閉鎖機(jī)制，從工程實(shí)用化的角度解決這一關(guān)鍵問(wèn)題，有效防范裝置間動(dòng)作振蕩（因涉及正在申請(qǐng)的專利，在此不再贅述）。

4 實(shí)踐分析

筆者單位聯(lián)合南京德軟信息科技發(fā)展有限公司共同研制新一代低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置，通過(guò)樣機(jī)試制、委托測(cè)試后在某農(nóng)網(wǎng)低壓臺(tái)區(qū)線路掛網(wǎng)運(yùn)行（見(jiàn)圖2裝置內(nèi)部及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示范）。截至目前已穩(wěn)定運(yùn)行大半年，期間未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題或隱患，低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置所帶低壓?jiǎn)蜗嗑€路電壓合格率100%，功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，運(yùn)行效果非常顯著。

圖2 裝置內(nèi)部與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示范

新一代低壓配電網(wǎng)單相調(diào)壓終端裝置能適應(yīng)農(nóng)村低壓配電網(wǎng)和城區(qū)低壓配電網(wǎng)單相支線，為低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量的發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。通過(guò)解決不同季節(jié)負(fù)荷情況下低壓配電網(wǎng)末端電能質(zhì)量?jī)?yōu)化問(wèn)題（電壓、無(wú)功和三相不平衡），提高低壓配電網(wǎng)電能利用率，節(jié)省成本，滿足廣大電力用戶對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量的要求，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。