李 潭， 席自強

(1 湖北省送變電工程公司， 湖北 武漢 430063; 2 湖北工業(yè)大學太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068)

一種新型的農(nóng)網(wǎng)低電壓提升裝置

李 潭1， 席自強2

(1 湖北省送變電工程公司， 湖北 武漢 430063; 2 湖北工業(yè)大學太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068)

針對農(nóng)村電網(wǎng)末端低電壓問題，研制出一種新型的基于LC串聯(lián)電路的物理特性的電壓提升裝置。根據(jù)農(nóng)村電網(wǎng)實際情況建立計算電壓提升率的數(shù)學模型，仿真結(jié)果顯示該裝置能夠較好的解決低電壓問題。實驗結(jié)果驗證了該裝置的可行性。

農(nóng)網(wǎng)； 低電壓提升； LC串聯(lián)電路

針對農(nóng)網(wǎng)低電壓問題[1]，新型農(nóng)網(wǎng)低電壓提升裝置利用電容器電抗器串聯(lián)支路并聯(lián)到電網(wǎng)后，電容器端電壓在串聯(lián)電抗器的抬升作用下高于系統(tǒng)電壓[2]。用戶負載并聯(lián)電容器取電后，負載電壓較提升前的系統(tǒng)電壓升高，因而達到提升用戶電壓的目的。目前農(nóng)村電網(wǎng)普遍采用整體改造農(nóng)網(wǎng)的方式，增大配電線路的線徑，延伸10 kV配電線路、新增變壓器等方式來提升電壓[3]。這種改造方式效果比較明顯，可有效改善用電末端的電壓質(zhì)量[4]，這種改造方式的問題是改造工程量大，周期長，費用高。采用電壓提升裝置，在基建預(yù)算不足的情況下，投資小，見效快，具有較高的性價比，可有效解決農(nóng)網(wǎng)的低電壓問題[5]，提高農(nóng)網(wǎng)電壓的合格率，減少95598和12398熱線電話對農(nóng)網(wǎng)低電壓問題的投訴率。

1 電壓提升裝置原理分析

在帶載情況下，裝置的一次原理圖見圖1。圖中：Xl為裝置電抗器感抗，XC為裝置電容器容抗，Rf及Xf分別為負載的電阻及感抗。

圖 1 裝置帶載示意圖

裝置帶負載運行后，將電容與負載阻抗合并為等效阻抗RD+jXD，等效圖見圖2。

圖 2 裝置帶載等效示意圖

圖2中RD為等效后的阻抗，XD為等效后的感抗。

由于等效的復(fù)合阻抗RD+jXD由電容容抗XC與負載復(fù)合阻抗Rf+jXf并聯(lián)而成，其計算公式如下：

RD+jXD=(Rf+jXf)/(-jXC)

(1)

經(jīng)計算及化簡后：

(2)

其中

(3)

(4)

由式(2)、(4)可以得出，當裝置投入電容容抗XC小于負載感抗Xf，即投入電容容性無功大于負載感性無功時，復(fù)合阻抗的XD始終小于0。

根據(jù)圖2可得出，裝置電壓提升

(5)

通過改變投入電容容量，可以改變電壓提升的幅值，同時提升效果會受到負載的影響。當負載全為感性無功時，電壓提升的效果最小，此時Rf為0，Xf最大，則等效復(fù)合阻抗

(6)

即此時RD為0；

(7)

將式(7)帶入(5)可得最小提升電壓

(8)

通過式(8)可以計算出裝置電感參數(shù)Xl，使得裝置在負荷情況最嚴重時，電壓提升的最小值能夠滿足用戶的要求。當負載較輕時，電壓提升值大于該最小值，更能夠滿足用戶的要求。

2 防止裝置與系統(tǒng)發(fā)生諧振的措施

2.1 并聯(lián)諧振

在發(fā)生并聯(lián)諧振的情況下，負載等效為諧波電流源，則圖1可等效為圖3所示電路。

圖 3 并聯(lián)諧振示意圖

圖中：XC/n為n次諧波容抗；nXS為n次諧

波感抗，由裝置電抗器感抗與系統(tǒng)感抗組成；In為諧波負載電流。

諧波電流為In時，系統(tǒng)的諧波電流Isn和電容器的諧波電流Icn分別為：

(9)

(10)

當nXS等于XC/n時，諧波電流計算值趨于無窮，系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，n為發(fā)生諧振的諧波次數(shù)。

在此種情況下，由于XS是裝置中的電抗器及系統(tǒng)感抗合成的，無法改變，但可以通過控制投入系統(tǒng)的電容器組數(shù)，改變?nèi)菘箙?shù)XC。為了防止系統(tǒng)5次以上(n>5)的諧波造成的諧振問題，可以控制參數(shù)XS/XC大于4%，則式(9)、(10)的分母：

nXS-XC/n>0

(11)

式中：n>5，XS/XC大于4%，此種情況下，nXS恒大于XC/n，即系統(tǒng)永不可能發(fā)生并聯(lián)諧振，正常運行時裝置的XS/XC在10%以上。

2.2 串聯(lián)諧振

根據(jù)圖2，在特定情況下，裝置的串聯(lián)電容電抗會發(fā)生串聯(lián)諧振，諧波電流

(12)

當nXl與XD/n相等時，系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振。若發(fā)生諧振的諧波為5次諧波時(n=5)，Xl/XD=4%，當諧波次數(shù)為5次以上的諧波時，Xl/XD<4%，而裝置運行時Xl/XD在6%以上，且考慮到RD的限流作用，因此裝置串聯(lián)諧振的情況不會發(fā)生。

3 低電壓提升裝置仿真實驗

通過PSIM(PowerSimulation)仿真軟件，建立一個農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)低電壓問題的仿真模型，見圖4。

圖 4 農(nóng)網(wǎng)低電壓問題仿真模型

模型中，10kV線路的阻抗取0.271Ω/km，感抗取0.343Ω/km，線路長度取30km；變壓器為理想變壓器，變比為10/0.4kV；無功補償裝置容量為100kVA；400V線路阻抗取0.616Ω/km，感抗取0.084Ω/km，線路長1km；LC低電壓提升裝置容量取100kVA；負載功率為80kVA，功率因數(shù)為0.6。

該線路10kV側(cè)電壓為標準電壓，但由于400V線路較長，線路壓降很大，末端用戶相電壓從標準的220V下降到了170V。在0.4s時刻無功補償裝置及LC低電壓提升裝置投入系統(tǒng)以后，末端用戶電壓仿真結(jié)果見圖5。

圖 5 負載電壓波形圖

從仿真結(jié)果可以看出，在無功補償裝置及LC低電壓提升裝置投入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)相電壓從170V提升到220V，過程中有20ms左右的過渡階段，電壓會在20V左右波動。如使用晶閘管過零投切技術(shù)，涌流造成的電壓波動能控制在5V以內(nèi)。

4 低電壓提升裝置模擬實驗平臺

為了驗證低電壓提升裝置的實際提升效果，搭建一個400V系統(tǒng)低電壓提升裝置的實驗平臺。實驗負載采用阻感性負載，線路上的壓降采用調(diào)壓器來實現(xiàn)，低電壓提升裝置安裝在調(diào)壓器輸出端。原理接線圖見圖6。

圖 6 實驗裝置一次系統(tǒng)圖

經(jīng)實際帶載測試以后，其電壓提升效果見表1。

表1 裝置帶載實驗記錄 V

從表1實驗結(jié)果可以看出，線路的壓降經(jīng)過LC低電壓提升裝置的補償后，線路末端電壓明顯提升，相電壓從160V經(jīng)提升裝置的補償后達到220V左右，電壓提升率為36%。

5 結(jié)論

分析農(nóng)網(wǎng)實際情況，利用LC串聯(lián)電路特性研發(fā)了一種新型低電壓提升裝置，該裝置比較適合目前農(nóng)網(wǎng)末端電壓過低的現(xiàn)狀，仿真與實驗證明了該裝置可有效改善低電壓問題，與目前的農(nóng)網(wǎng)改造方案相比，工程量小、周期短、費用低。

[1] 李曉宇,邵躍平.淺談農(nóng)村電網(wǎng)低電壓治理[J].電力需求側(cè)管理,2011(2):49-49.

[2] 陳衛(wèi)勇,戴堂云.2007年湖北農(nóng)網(wǎng)電壓無功情況分析[J].湖北電力,2007(1):47-54.

[3] 馬金明,楊成章.10kV配電網(wǎng)降損節(jié)能和改善電壓質(zhì)量的途徑[J].農(nóng)村電氣化,2004(6):13-14.

[4]DasD,NagiHS,KothariDP.Novelmethodforsolvingradialdistributionnetworks[J],IEEEProc-Gen.Trans.Dist,1994,141(1)：291-298.

[5]ConradLE,BollenMHJ.Voltagesagcoordinationforreliableplantoperation[J]．IEEETrans.OnIndustrialApplication，1997，33(6)：1459-1464.

[責任編校： 張巖芳]

A Novel Device for Improving Rural Voltage

LI Tan，XI Ziqiang

(1HubeiElectricPowetTransmission&SubstionEngine.Company,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.oftech.,Wuhan430068,China)

This paper presents the research and development of a novel device for improving rural voltage. Based on physical properties of LC circuit, it establishes a model for calculating voltage increasing rate according to actual situation of rural power network and make simulation. Simulation shows the device can improve the voltage.. Experimental results confirm the feasibility of the device.

rural power network; voltage improvement; LC circuit

2015-09-21

李 潭(1988-)， 男， 湖北京山人，湖北工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為電氣工程

1003-4684(2017)02-0078-03

TM726

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