便攜式模塊化電能質(zhì)量治理裝置的設(shè)計(jì)研究

文/蘇一峰 鄒宇 郭子培 李文森

0 引言

我國(guó)農(nóng)村地區(qū)配電網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“農(nóng)網(wǎng)”）具有用電負(fù)荷容量小、分布廣、供電半徑大、電纜線徑小等特點(diǎn)，造成遠(yuǎn)距離供電線路功率損耗較大，引發(fā)線路末端出現(xiàn)低電壓的問(wèn)題；另一方面，配電網(wǎng)的三相不平衡、無(wú)功負(fù)荷的增長(zhǎng)，以及其他電能質(zhì)量問(wèn)題日益凸顯，也會(huì)導(dǎo)致線路末端低電壓的產(chǎn)生。根據(jù)電網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，單相電壓低于198V時(shí)即為不合格電壓，可能會(huì)導(dǎo)致某些用電設(shè)備不能啟動(dòng)或者無(wú)法正常工作，這將影響線路末端用戶(hù)的用電質(zhì)量和用電體驗(yàn)。

1 農(nóng)網(wǎng)電能質(zhì)量治理現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)2010年以來(lái)持續(xù)開(kāi)展的配網(wǎng)低電壓專(zhuān)項(xiàng)治理工作，配網(wǎng)結(jié)構(gòu)、裝備水平及配網(wǎng)綜合管理水平得到顯著提升，用戶(hù)端供電質(zhì)量得到明顯改善，但仍然存在著一些問(wèn)題。

目前對(duì)于線路末端用戶(hù)提出因低電壓影響用電體驗(yàn)的問(wèn)題，供電部門(mén)大多是采取工程施工的解決方案，例如通過(guò)新增變壓器電源點(diǎn)的方式以減小供電半徑、通過(guò)更換線徑大的導(dǎo)線以減少線路功率損耗、通過(guò)調(diào)整負(fù)荷接入點(diǎn)以解決三相負(fù)荷不平衡問(wèn)題等等，但這些解決方案施工的準(zhǔn)備、組織、實(shí)施以及驗(yàn)收都需要較長(zhǎng)周期，而用戶(hù)的用電問(wèn)題無(wú)法得到快速解決，將會(huì)對(duì)農(nóng)村加工行業(yè)和養(yǎng)殖行業(yè)等用戶(hù)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，部分用戶(hù)在線路末端加裝電壓調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行升壓，但由于這些裝置響應(yīng)速度慢，只能實(shí)現(xiàn)分檔調(diào)壓，無(wú)法應(yīng)對(duì)快速波動(dòng)的負(fù)荷，更無(wú)法根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的調(diào)壓；其次，這些調(diào)壓裝置多采用變壓器加投切機(jī)構(gòu)，裝置體積大、重量重，安裝和維護(hù)不便；另外，這些裝置都僅僅具備電壓調(diào)節(jié)的單一功能，對(duì)于線路中三相負(fù)荷不平衡、無(wú)功負(fù)荷增長(zhǎng)以及諧波這類(lèi)可間接導(dǎo)致低電壓的因素?zé)o法進(jìn)行綜合治理。

綜上，農(nóng)網(wǎng)線路用戶(hù)迫切需要一種體積小、重量輕，安裝維護(hù)方便，投資成本低，可應(yīng)對(duì)線路中波動(dòng)較大的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)精確調(diào)壓，且具備三相負(fù)荷不平衡治理、無(wú)功補(bǔ)償以及諧波治理等多重功能的模塊化便攜式電能質(zhì)量綜合治理裝置。

2 裝置設(shè)計(jì)方案

基于上述現(xiàn)狀，筆者研制了模塊化便攜式的電能質(zhì)量治理裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“治理裝置”）。治理裝置由本體模塊搭配不同的功能模塊組成，本體串聯(lián)接入配網(wǎng)線路中，與調(diào)壓模塊組合，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能；與補(bǔ)償模塊組合，可以實(shí)現(xiàn)三相不平衡調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償、電能質(zhì)量治理。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需求選擇本體模塊和不同的功能模塊進(jìn)行組合疊加，方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 治理裝置設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

治理裝置本體模塊由主回路部分、主回路旁路切換部分、電網(wǎng)側(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)處理部分、裝置側(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)處理部分、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)部分、驅(qū)動(dòng)電路部分以及控制系統(tǒng)部分組成，系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 治理裝置本體模塊系統(tǒng)框架

其中，主回路部分與電網(wǎng)側(cè)直接相連，由大功率電力電子開(kāi)關(guān)器件組成，為該模塊實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主回路的電路結(jié)構(gòu)為三相電壓型橋式逆變電路。電網(wǎng)側(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)處理部分實(shí)時(shí)地檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)各相電壓、電流和頻率，并進(jìn)行處理后送入到控制系統(tǒng)中，該部分主要由電壓、電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和鎖相環(huán)電路等構(gòu)成。 裝置側(cè)參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)處理部分用于檢測(cè)裝置側(cè)各相輸出電壓、電流以及直流側(cè)電壓實(shí)時(shí)值，并通過(guò)處理后送入到控制系統(tǒng)中。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)保護(hù)部分用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運(yùn)行情況時(shí)保護(hù)裝置。驅(qū)動(dòng)電路部分用于將控制系統(tǒng)輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主電路中開(kāi)關(guān)器件的控制。 控制系統(tǒng)部分為系統(tǒng)的控制核心，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各類(lèi)控制算法，最終生成系統(tǒng)的脈沖信號(hào)和保護(hù)信號(hào)，從而使裝置能安全有效運(yùn)行。

各功能模塊中，調(diào)壓功能模塊與其他（三相不平衡治理、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理等）功能模塊的框架結(jié)構(gòu)稍有區(qū)別，具體如圖3所示。

圖3 治理裝置各功能模塊系統(tǒng)框架

3 裝置的研制和應(yīng)用

治理裝置是一種方便攜帶的，用于末端用戶(hù)低電壓治理的應(yīng)急電能質(zhì)量治理裝置，全絕緣、可觸摸、重量輕，采用模塊化設(shè)計(jì)、積木式拔插應(yīng)用，可根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷情況靈活配置，提高經(jīng)濟(jì)性。其中，調(diào)壓模塊采用新型電力電子無(wú)級(jí)調(diào)壓方式，可根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時(shí)波動(dòng)進(jìn)行電壓跟蹤和調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，全程無(wú)噪音，模塊拆裝方便、運(yùn)行過(guò)程免維護(hù)，外形設(shè)計(jì)適應(yīng)壁掛、抱桿、落地等多種安裝方式。該產(chǎn)品采用新型高速開(kāi)關(guān)材料，配合動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制算法，使控制過(guò)程更高效、設(shè)備對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng)，電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償、三相不平衡治理、諧波治理各功能集成為不同模塊，用戶(hù)可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行選擇性地插拔。裝置本體模塊和功能模塊的外觀如圖4所示。模塊組合疊加之后的整體裝置安裝如圖5所示。

圖4 治理裝置外觀

圖5 治理裝置整體裝置安裝結(jié)構(gòu)

治理裝置采用模塊化設(shè)計(jì)方案，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，對(duì)裝置本體、功能模塊進(jìn)行不同地配置，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合電能質(zhì)量問(wèn)題的綜合治理。該系列產(chǎn)品根據(jù)功能可分為四類(lèi)：低電壓治理、三相不平衡調(diào)節(jié)、無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理。各模塊功能具體配置如表1所示。

表1 治理裝置模塊配置組合及實(shí)現(xiàn)功能

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究設(shè)計(jì)的模塊化便攜式電能質(zhì)量綜合治理裝置，采用模塊化設(shè)計(jì)、積木式插拔應(yīng)用，可根據(jù)用戶(hù)負(fù)荷的情況進(jìn)行自由配置，安裝、維護(hù)方便，使用靈活，且調(diào)壓模塊采用新型電力電子無(wú)級(jí)調(diào)壓方式，可根據(jù)負(fù)荷的實(shí)時(shí)波動(dòng)進(jìn)行電壓跟蹤和調(diào)節(jié)，電壓調(diào)節(jié)精度高，響應(yīng)速度快。