文/蘇一峰 鄒宇 郭子培 李文森

0 引言

我國農村地區(qū)配電網（以下簡稱“農網”）具有用電負荷容量小、分布廣、供電半徑大、電纜線徑小等特點，造成遠距離供電線路功率損耗較大，引發(fā)線路末端出現(xiàn)低電壓的問題；另一方面，配電網的三相不平衡、無功負荷的增長，以及其他電能質量問題日益凸顯，也會導致線路末端低電壓的產生。根據電網相關標準，單相電壓低于198V時即為不合格電壓，可能會導致某些用電設備不能啟動或者無法正常工作，這將影響線路末端用戶的用電質量和用電體驗。

1 農網電能質量治理現(xiàn)狀

經過2010年以來持續(xù)開展的配網低電壓專項治理工作，配網結構、裝備水平及配網綜合管理水平得到顯著提升，用戶端供電質量得到明顯改善，但仍然存在著一些問題。

目前對于線路末端用戶提出因低電壓影響用電體驗的問題，供電部門大多是采取工程施工的解決方案，例如通過新增變壓器電源點的方式以減小供電半徑、通過更換線徑大的導線以減少線路功率損耗、通過調整負荷接入點以解決三相負荷不平衡問題等等，但這些解決方案施工的準備、組織、實施以及驗收都需要較長周期，而用戶的用電問題無法得到快速解決，將會對農村加工行業(yè)和養(yǎng)殖行業(yè)等用戶造成一定的經濟損失。

為此，部分用戶在線路末端加裝電壓調節(jié)裝置進行升壓，但由于這些裝置響應速度慢，只能實現(xiàn)分檔調壓，無法應對快速波動的負荷，更無法根據用戶需求進行實時精確的調壓；其次，這些調壓裝置多采用變壓器加投切機構，裝置體積大、重量重，安裝和維護不便；另外，這些裝置都僅僅具備電壓調節(jié)的單一功能，對于線路中三相負荷不平衡、無功負荷增長以及諧波這類可間接導致低電壓的因素無法進行綜合治理。

綜上，農網線路用戶迫切需要一種體積小、重量輕，安裝維護方便，投資成本低，可應對線路中波動較大的負荷進行實時精確調壓，且具備三相負荷不平衡治理、無功補償以及諧波治理等多重功能的模塊化便攜式電能質量綜合治理裝置。

2 裝置設計方案

基于上述現(xiàn)狀，筆者研制了模塊化便攜式的電能質量治理裝置（以下簡稱“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)接入配網線路中，與調壓模塊組合，可以實現(xiàn)調壓功能；與補償模塊組合，可以實現(xiàn)三相不平衡調節(jié)、動態(tài)無功補償、電能質量治理。用戶可根據實際需求選擇本體模塊和不同的功能模塊進行組合疊加，方案系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

圖1 治理裝置設計方案系統(tǒng)結構

治理裝置本體模塊由主回路部分、主回路旁路切換部分、電網側參數(shù)實時檢測處理部分、裝置側參數(shù)實時檢測處理部分、實時監(jiān)測保護部分、驅動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，主回路部分與電網側直接相連，由大功率電力電子開關器件組成，為該模塊實現(xiàn)調節(jié)功能的執(zhí)行機構，主回路的電路結構為三相電壓型橋式逆變電路。電網側參數(shù)實時檢測處理部分實時地檢測電網側各相電壓、電流和頻率，并進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、信號調理電路和鎖相環(huán)電路等構成。 裝置側參數(shù)實時檢測處理部分用于檢測裝置側各相輸出電壓、電流以及直流側電壓實時值，并通過處理后送入到控制系統(tǒng)中。實時監(jiān)測保護部分用于監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并反饋給控制系統(tǒng)，以便在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行情況時保護裝置。驅動電路部分用于將控制系統(tǒng)輸出的脈沖信號轉換為驅動能力更強的開關信號，實現(xiàn)主電路中開關器件的控制。 控制系統(tǒng)部分為系統(tǒng)的控制核心，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的各類控制算法，最終生成系統(tǒng)的脈沖信號和保護信號，從而使裝置能安全有效運行。

各功能模塊中，調壓功能模塊與其他（三相不平衡治理、無功補償、諧波治理等）功能模塊的框架結構稍有區(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 裝置的研制和應用

治理裝置是一種方便攜帶的，用于末端用戶低電壓治理的應急電能質量治理裝置，全絕緣、可觸摸、重量輕，采用模塊化設計、積木式拔插應用，可根據用戶負荷情況靈活配置，提高經濟性。其中，調壓模塊采用新型電力電子無級調壓方式，可根據負荷的實時波動進行電壓跟蹤和調節(jié)，電壓調節(jié)精度高、響應速度快，全程無噪音，模塊拆裝方便、運行過程免維護，外形設計適應壁掛、抱桿、落地等多種安裝方式。該產品采用新型高速開關材料，配合動態(tài)優(yōu)化控制算法，使控制過程更高效、設備對環(huán)境的適應性更強，電壓調節(jié)、無功補償、三相不平衡治理、諧波治理各功能集成為不同模塊，用戶可以根據自身的需求進行選擇性地插拔。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構

治理裝置采用模塊化設計方案，可根據現(xiàn)場需求，對裝置本體、功能模塊進行不同地配置，實現(xiàn)不同場合電能質量問題的綜合治理。該系列產品根據功能可分為四類：低電壓治理、三相不平衡調節(jié)、無功補償、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現(xiàn)功能

4 結語

本文研究設計的模塊化便攜式電能質量綜合治理裝置，采用模塊化設計、積木式插拔應用，可根據用戶負荷的情況進行自由配置，安裝、維護方便，使用靈活，且調壓模塊采用新型電力電子無級調壓方式，可根據負荷的實時波動進行電壓跟蹤和調節(jié)，電壓調節(jié)精度高，響應速度快。