一種基于柔直技術(shù)的低電壓治理方法

嚴(yán)方彬，楊志淳，李 杰，駱 實(shí)，謝琉欣，鄒念佐，雷 楊

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司荊州供電公司，湖北 荊州 434000；3.青島鼎信通信股份有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

根據(jù)國家電網(wǎng)有限公司的獎(jiǎng)懲制度，臺(tái)區(qū)出口電壓情況受到各類監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控，電網(wǎng)公司對其的治理力度較大，臺(tái)區(qū)出口處的電壓一直能保持較好水平，但是對用戶側(cè)電壓水平的管控能力一直不足。隨著居民經(jīng)濟(jì)水平提升，用戶使用的需要高質(zhì)量供電的設(shè)備越來越多，臺(tái)區(qū)末端的電壓質(zhì)量過低，會(huì)導(dǎo)致用戶設(shè)備無法運(yùn)作，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致用電設(shè)備受損。故臺(tái)區(qū)末端的電壓質(zhì)量不僅僅影響了用戶的用電體驗(yàn)，更是威脅到用戶使用的部分設(shè)備。同時(shí)，在末端負(fù)荷不變的情況下，電壓過低將會(huì)增大線路電流，增加臺(tái)區(qū)線損，且低電壓情況下，正常運(yùn)行的平衡的三相負(fù)荷狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生不平衡的三相負(fù)荷和三次諧波電流，進(jìn)一步產(chǎn)生零序電流電壓，使電網(wǎng)中的無功負(fù)荷增加，降低功率因數(shù)，增加損耗。故解決臺(tái)區(qū)末端低電壓問題，使得用戶端電壓水平保持正常水平成為越來越需要解決的問題。

根據(jù)作者多年來了解的湖北配電網(wǎng)為例，引起末端低電壓問題原因多樣，常見的主要原因?yàn)椋号_(tái)區(qū)功率因數(shù)低，三相不平衡嚴(yán)重、線路供電半徑過長等［1-4］。臺(tái)區(qū)無功功率問題主要通過在無功用戶端增加就地?zé)o功補(bǔ)償設(shè)備（如SVG、電容）、減小無功電流、解決低電壓問題［5-6］。三相不平衡問題主要是因?yàn)樨?fù)載分布不均，造成某一相電流過高，產(chǎn)生單相低電壓問題；可以通過人工調(diào)相，平均分配三相負(fù)荷，或在末端增加三相不平衡補(bǔ)償裝置（如分布式AUC），使三相負(fù)荷均衡，降低某一相的負(fù)荷，解決末端低電壓問題［7-11］。無功補(bǔ)償和三相不平衡治理可以解決因無功和不平衡造成的低電壓問題。

而線路供電半徑過長是當(dāng)前低電壓問題解決的難點(diǎn)。常見的低電壓解決措施包括：1）切割臺(tái)區(qū)，減小臺(tái)區(qū)供電半徑。該方案可以有效解決線路過長問題，方案成熟可靠。但該方案需要新架設(shè)10 kV 線路，增設(shè)變壓器，臺(tái)區(qū)投資大，施工周期長。2）串聯(lián)調(diào)壓器方案。該方案通過在線路中串聯(lián)調(diào)壓器，抬升后端電壓，緩解低電壓問題［12］。然而，該方案沒有根本解決線路本身壓降與電流和線路阻抗的關(guān)系，調(diào)壓器抬高后端電壓，勢必會(huì)造成前端電壓下降，影響前端用戶用電，且隨著前后端電壓升降平衡，電壓將無法繼續(xù)抬高，抬壓效果有限。3）通過在線路末端增加儲(chǔ)能設(shè)備，在用電高峰時(shí)刻輸出功率，抬升末端電壓。該方案利用儲(chǔ)能技術(shù)，應(yīng)用范圍廣泛，具有技術(shù)前瞻性［13-14］。但儲(chǔ)能電池長時(shí)間運(yùn)行的可靠性問題（如起火問題）值得關(guān)注，長時(shí)間運(yùn)行需要人員維護(hù)，而低電壓臺(tái)區(qū)一般不具備人員長期維護(hù)的條件，出現(xiàn)問題無法及時(shí)作出響應(yīng)。儲(chǔ)能設(shè)備本身充放電時(shí)段的隨機(jī)性，要求需要有單獨(dú)的計(jì)量裝置，防止有營銷線損問題。另外，儲(chǔ)能設(shè)備還存在成本高、重量重、體積大、效率低（91%）等問題，批量應(yīng)用推廣還有諸多問題需要解決。

1 柔直低電壓治理方案

1.1 基本思路

與傳統(tǒng)交流輸電相比，直流輸電不需要考慮感性負(fù)載、容性負(fù)載，直流線路輸送能力高于交流線路輸電能力［15-21］。同時(shí)考慮長距離供電時(shí)的線路阻抗和感抗，相同功率下直流輸電線路電流會(huì)進(jìn)一步降低，線路輸送能力也會(huì)進(jìn)一步提升。在絕緣安全性方面，直流人體效應(yīng)閾值較交流高，根據(jù)《GB/T 13870.1-2008 電流對人和家畜的效應(yīng)第1部分：通用部分》交流電對人和家畜的效應(yīng)室顫電流，安全電流交流為20 mA，直流從下向上為150 mA，從上向下為300 mA?！?75 V 電壓與交流220 V（峰值±311 V），對線路絕緣耐壓要求相同。此外，由于DC/AC 設(shè)備在直流±340 V～±400 V范圍內(nèi)均可以工作，直流線可以接受的電壓降達(dá)到120 V，在超長距離供電條件下仍可以正常工作，具備非常廣泛的應(yīng)用場景。

基于上文條件，本文設(shè)計(jì)了一套適用于低壓臺(tái)區(qū)的基于電力電子柔直技術(shù)的多端直流低電壓治理裝置（Multi-terminal DC integrated voltage regulator，MVR）。在線路前端通過AC/DC 變換，將交流220 V 轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳌?75 V，經(jīng)原有線路走廊傳輸?shù)脚_(tái)區(qū)末端，再經(jīng)過DC/AC 變換，將±375 V 轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?20 V，給用戶用電。重點(diǎn)針對臺(tái)區(qū)供電半徑過長、線徑過細(xì)導(dǎo)致的末端低電壓問題進(jìn)行治理。

本設(shè)備包括AC/DC 整流設(shè)備和DC/AC 逆變設(shè)備。兩個(gè)設(shè)備原理相同，分別安裝于線路前端和末端，中間線路由原線路轉(zhuǎn)為700 V 直流供電。傳輸?shù)骄€路末端，再在末端將直流電變換為交流電，給末端用戶供電。通過三相輸入提高電源供電能力，通過直流配電降低線路損耗，從而整體顯著提高末端用戶用電質(zhì)量。設(shè)備采用智能旁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具備多重防護(hù)系統(tǒng)保證配電安全，具體如圖1所示。同時(shí)，由于直流輸電前端可從三相取能，使得原本單相負(fù)荷變?yōu)槿喙┠?，避免了?fù)荷分配不均導(dǎo)致的三相不平衡，且直流輸電不需要考慮線路電抗，也能減少無功功率在線路傳輸上的損耗，提升功率因數(shù)。

圖1 柔性直流低電壓治理裝置Fig.1 Flexible DC low voltage regulation device

為了實(shí)際運(yùn)行過程的安全，加入旁路保護(hù)功能，設(shè)備停止工作時(shí)，將進(jìn)入交流旁路模式，確保不影響正常供電。從調(diào)壓模式轉(zhuǎn)為旁路，整流設(shè)備會(huì)讀取逆變設(shè)備狀態(tài)，確保逆變設(shè)備的直流已經(jīng)斷開，才會(huì)進(jìn)入旁路模式。同時(shí)一個(gè)AC/DC 裝置可對應(yīng)多個(gè)DC/AC裝置，針對末端大分支較多，一個(gè)DC/AC 無法照顧到所有低電壓用戶的現(xiàn)場情況也能進(jìn)行治理。

1.2 AC/DC變換器的工作原理

多端直流綜合調(diào)壓裝置采用電力電子式調(diào)壓技術(shù)，解決臺(tái)區(qū)低電壓問題，如圖2所示。AC/DC模塊是將三相交流電整流為±375 V直流電，在原有線路上傳輸，DC/AC 模塊將±375 V 直流電逆變穩(wěn)壓為交流220 V，給用戶供電，如圖3所示。

圖2 裝置原理圖Fig.2 Device schematic diagram

圖3 MVR結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱DFig.3 MVR structure topology diagram

直流750 V（±375 V）供電電壓為交流220 V 的3倍，在相同功率情況下，電流降為原來的1/3，線路壓降為原來的1/3。直流線路壓降100 V，仍可以正常輸出220 V電壓，直流線路線損為220 V供電線損的1/9，相較于交流電，直流電沒有趨膚效應(yīng)。

AC/DC與DC/AC功率單元原理基本相同。采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過高速PWM 控制，將交流電整流為直流電，或?qū)⒅绷麟娔孀優(yōu)榻涣麟姟?/p>

1）三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率單元整體設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 功率單元結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Power unit structure diagram

整體拓?fù)洳捎肐型NPC三電平拓?fù)湓O(shè)計(jì)。該拓?fù)涿總€(gè)橋臂有4個(gè)開關(guān)元件、4個(gè)續(xù)流二極管和2個(gè)鉗位二極管，2 個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過鉗位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連接。在該結(jié)構(gòu)中，平均每個(gè)主管承受正向阻斷電壓為直流側(cè)母線電壓的一半，4 個(gè)開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)共有16 種，但由于T1 和T3 是邏輯非的關(guān)系，T2和T4也是邏輯非的關(guān)系，同時(shí)，考慮電壓電流的狀態(tài)，因此，實(shí)際主要分析4 種狀態(tài)（以電流對外輸出為正方向）如圖5所示。

圖5 開關(guān)狀態(tài)Fig.5 Switch status

2）PWM等效原理

當(dāng)采用逆變器（DC/AC模塊）來與大電網(wǎng)交互功率時(shí)，也希望逆變器（DC/AC 模塊）能夠模擬同步發(fā)電機(jī)的特性。最基本的要求是，逆變器的輸出波形是完美的正弦波，但是，逆變器并不能直接像同步發(fā)電機(jī)那樣，在端口上直接輸出三相對稱的正弦電壓。

這就需要用到一個(gè)重要的原理-面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖施加在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。

如圖6（a）所示，圖中展示了3種面積相等、形狀不同的窄脈沖，將它們分別施加在圖6（b）所示的RL 測試電路中，其電流響應(yīng)波形如圖6（c）所示，從圖6（c）中可以看出：在初始暫態(tài)時(shí)，它們的響應(yīng)波形略有差別，但是后續(xù)的波形則完全一致。

圖6 脈沖等效示意圖Fig.6 Pulse equivalent diagram

如圖7 所示，若希望逆變器的接線端口輸出的是正弦波，可以首先將正弦波等分為周期為T的圓弧，然后用三角形或梯形的面積去近似圓弧下的面積，再將幅值相等，寬度不同的矩形脈沖代替三角脈沖和梯形脈沖（即為脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）。

圖7 面積等效原理圖Fig.7 Schematic diagram of area equivalence

當(dāng)T很小時(shí)，根據(jù)面積等效原理，對于大電網(wǎng)或負(fù)載而言，正弦波輸入與矩形波輸入下的響應(yīng)是類似的，這也是PWM技術(shù)能夠廣泛有效應(yīng)用的原因。

1.3 設(shè)備主動(dòng)旁路的邏輯與原理

主動(dòng)旁路邏輯：控制主機(jī)發(fā)出旁路指令，主機(jī)斷開直流繼電器，從機(jī)斷開直流繼電器，從機(jī)給主機(jī)發(fā)送直流斷開狀態(tài)，主機(jī)確認(rèn)從機(jī)斷開直流繼電器后，閉合旁路繼電器，發(fā)送交流電使從機(jī)上電，從機(jī)閉合旁路繼電器，使末端用戶有電，如圖8所示。

圖8 旁路邏輯流程圖Fig.8 Bypass logic flow chart

MVR旁路設(shè)計(jì)：

當(dāng)MVR設(shè)備無法正常工作時(shí)，自動(dòng)切換到旁路模式保證末端用戶供電。

1）不依賴通信旁路

設(shè)計(jì)不依賴通信旁路方案，通過增加整流橋，整流側(cè)能夠隨時(shí)切換到旁路模式，逆變側(cè)檢測到整流側(cè)給出交流電壓后，也進(jìn)入旁路狀態(tài)，保證用戶供電。

2）旁路原則

盡量減少旁路和恢復(fù)的次數(shù)，旁路必須由整流側(cè)發(fā)起，逆變側(cè)不能在輸入為直流的狀態(tài)下進(jìn)入旁路。

3）旁路觸發(fā)條件

整流逆變通信故障（30 min 通信不上，包含載波和4G）。

無法正常工作：設(shè)備IGBT故障、熔斷器熔斷、漏電流超限、交流短路、直流短路、設(shè)備連續(xù)30 min 通信失敗、設(shè)備未檢出上述故障但連續(xù)30 min無法啟機(jī)。

4）旁路的前提

①整流單元旁路前提

確認(rèn)自身直流繼電器處于斷開狀態(tài)（2只串聯(lián)，只要有1 個(gè)斷開就可以）；檢測N 線序接線正常，三相電壓正常，有效值小于300 V；檢測直流輸電線兩兩之間無短路。

②逆變單元旁路前提

確認(rèn)自身直流繼電器處于斷開狀態(tài)（2只串聯(lián)，只要有1 個(gè)斷開就可以）；輸入電網(wǎng)電壓為交流，三相電壓正常，有效值小于300 V。

1.4 治理效果預(yù)測

傳統(tǒng)輸電線路壓降預(yù)測：

表1 交流線路壓降值Table 1 AC line voltage drop values

表2 直流線路壓降值Table 2 DC line voltage drop values

同等條件下，在傳輸方面直流比交流壓降更低。不僅如此，在設(shè)備額定負(fù)載容量內(nèi)，交流輸電產(chǎn)生大幅壓降，而直流方案仍可穩(wěn)定輸出220 V/230 V。但是，為穩(wěn)定輸出220 V/230 V交流電壓，設(shè)備交直流轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，對此，將交直流方案進(jìn)行同等條件下的損耗進(jìn)行對比仿真測算，臺(tái)區(qū)仿真數(shù)據(jù)如表3，仿真模型如圖9，仿真結(jié)果如表4所示。

表3 臺(tái)區(qū)仿真數(shù)據(jù)Table 3 Simulation data of distribution area

表4 MVR安裝前后線損數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of line loss data before and after MVR installation

圖9 MVR仿真模型圖Fig.9 MVR simulation model diagram

設(shè)備安裝完成后在提高末端用戶電壓的同時(shí)，對臺(tái)區(qū)線損有較好的治理效果。

表5 MVR安裝前后線路容量數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of line capacity data before and after MVR installation

設(shè)備安裝完成后會(huì)大大提高原輸電線路的線路容量，解決線路卡口問題。

采用交直流轉(zhuǎn)換的思路治理臺(tái)區(qū)末端低電壓可行性高，并且針對臺(tái)區(qū)末端因供電半徑過長、線徑過細(xì)導(dǎo)致的低電壓問題具有良好的治理成效。

2 典型案例設(shè)計(jì)

2.1 臺(tái)區(qū)選點(diǎn)

湖北麻城龜山供電所龜頭河村夏屋檔臺(tái)區(qū)是用戶時(shí)常反饋末端低電壓的臺(tái)區(qū)，該臺(tái)區(qū)末端低電壓的主要原因是單相遠(yuǎn)距離供電，供電半徑長、線徑細(xì)。臺(tái)區(qū)基本情況為變壓器出三相四線300 m 左右后，變?yōu)閱蜗?5 平鋁線供電，單相線經(jīng)過800 m 左右后到達(dá)低電壓區(qū)域，末端200 m-300 m分布16戶用戶，該區(qū)域居民深受低電壓問題困擾，家中電器有時(shí)不能用或者性能下降，臺(tái)區(qū)日常電壓約210 V，開啟常規(guī)負(fù)荷時(shí)電壓約190 V，開啟大負(fù)荷電機(jī)時(shí)電壓約120 V。

通過對現(xiàn)場了解，現(xiàn)場低電壓的成因?yàn)椋耗┒擞脩敉瑫r(shí)存在較大的有功和無功的需求，供電半徑過長且線徑過細(xì)導(dǎo)致線路卡口，致使末端用戶有功無功同時(shí)缺失，剛好滿足本文設(shè)計(jì)的“柔直”裝置針對的低電壓特性，采用本文相匹配的治理方案，既可滿足末端負(fù)荷無功的需求，又能解決臺(tái)區(qū)線徑卡口問題。

2.2 方案設(shè)計(jì)

裝置在運(yùn)行過程中需要取能，所以應(yīng)將AC/DC 裝置盡可能地安裝在線路前端，且DC/AC 裝置應(yīng)盡量地安裝在靠近低電壓的區(qū)域。

按圖10 所示：1）為保證末端電壓能夠穩(wěn)定輸出，主機(jī)（AC/DC）需接三相電取能，且越靠近電源側(cè)取能效果越明顯，因此在三相線與單相線的轉(zhuǎn)接點(diǎn)處（桿3）安裝多端直流配電穩(wěn)壓系統(tǒng)主機(jī)（整流箱）；2）在桿3 和桿4 之間拉1 根約150 m 的LGJ-35 線，補(bǔ)齊桿4處7 戶用戶的交流用電，并留出兩股線作為直流（±375 V）輸電線路；3）在桿5 處安裝從機(jī)（DC/AC），將直流轉(zhuǎn)換為230 V 交流，為末端兩分支16 戶低電壓區(qū)域用戶供電。

圖10 龜頭河村夏屋檔臺(tái)區(qū)低電壓分支拓?fù)鋱DFig.10 Low-voltage branch topology of Xiawudang power distribution area in Guitouhe Village

經(jīng)仿真測算，在桿3處裝主機(jī)，在桿5處裝從機(jī)，從機(jī)可以穩(wěn)定輸出230 V 交流，最末端用戶20 kW 滿載的極端情況下電壓能保證在200 V以上。

2.3 治理效果小結(jié)

本文為收集治理效果，在2022年春節(jié)大負(fù)荷期間進(jìn)行試點(diǎn)治理，根據(jù)現(xiàn)場檢測表明：

在2022 年01 月28 日13：51 末端出現(xiàn)最大電流105.6 A，此時(shí)末端用戶電壓為229.6 V，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際勘察，推測此時(shí)用戶是電機(jī)啟動(dòng)的瞬時(shí)電流，此時(shí)電壓為229.6 V，電壓正常，如圖11所示。

圖11 末端大電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，末端電流最大105 A時(shí)裝置能夠穩(wěn)定輸出229.6 VFig.11 The device can output 229.6 V steadily at maximum end current 105 A when end large motor is started at.

設(shè)備安裝前，末端養(yǎng)殖用戶的4.5 kW電機(jī)無法正常加工豬飼料，只能通過自購的發(fā)電機(jī)加工，如今能用市電加工，加工用電成本能降低1元/kWh，大大降低生產(chǎn)成本，每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)萬元以上。

同時(shí)，為保證長期治理效果，收集了春節(jié)大負(fù)荷期間的總體運(yùn)行數(shù)據(jù)，由圖12 可知，春節(jié)期間末端負(fù)荷明顯較平時(shí)增加，設(shè)備在春節(jié)期間運(yùn)行良好，電壓穩(wěn)定在230 V 左右，保證末端用戶正常用電。

圖12 春節(jié)運(yùn)行負(fù)荷-電壓圖Fig.12 Load-voltage graph during Chinese New Year

3 結(jié)語

對于線路長、線徑細(xì)造成的臺(tái)區(qū)線路末端低電壓問題，目前解決方法只有網(wǎng)架改造，因該臺(tái)區(qū)改造計(jì)劃受各種因素影響，末端用戶因此長期受低電壓問題困擾，也暫無有效手段解決此類問題，而通過網(wǎng)架改造，治理末端低電壓問題投資收益極低。

綜上所述，對于線路長、線徑細(xì)造成的臺(tái)區(qū)線路末端低電壓問題，通過安裝本文設(shè)計(jì)的多端直流低電壓治理裝置能夠快速、高效、低成本地解決用戶低電壓問題，對電網(wǎng)無任何負(fù)面影響的同時(shí)還能給線路補(bǔ)償無功、治理三相不平衡等問題。

同時(shí)隨著配電網(wǎng)新能源接入，臺(tái)區(qū)之間能量互通柔性互聯(lián)模式已成為未來配電網(wǎng)的重要架構(gòu)，下一步，基于本裝置的單個(gè)臺(tái)區(qū)的交直之間的相互變換進(jìn)一步向多個(gè)臺(tái)區(qū)之間交直流互聯(lián)進(jìn)行擴(kuò)展，也為新能源消納、微電網(wǎng)能量平衡提供研究基礎(chǔ)。