李闖，劉永強(qiáng)，馬中靜，邵云峰，范益民

(1. 北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081; 2.國網(wǎng)山西省電力公司呂梁供電公司，山西 呂梁 033000)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性的要求日益增高，同時(shí)，隨著各種敏感負(fù)荷的增加，電能質(zhì)量越來越受到人們的重視。

我國的配電網(wǎng)主要采用的運(yùn)行模式是“閉環(huán)設(shè)計(jì)，開環(huán)運(yùn)行”。在一些情況下沒有辦法滿足部分地區(qū)對(duì)于配電網(wǎng)可靠性的嚴(yán)苛需求，而低壓配電網(wǎng)合環(huán)的安全性直接影響著調(diào)度中心的工作效率與用戶的用電質(zhì)量［1］。在電網(wǎng)合環(huán)過程中，兩條線路處于并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若線路電壓差較大，將產(chǎn)生環(huán)流，容易引發(fā)線路過載和繼電保護(hù)裝置動(dòng)作［2］。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于超導(dǎo)儲(chǔ)能的電磁合環(huán)環(huán)流抑制技術(shù)。并通過仿真驗(yàn)證了在合環(huán)兩側(cè)負(fù)荷不同和變壓器參數(shù)設(shè)置不同情況下超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置對(duì)合環(huán)后饋線中電磁環(huán)流具有抑制效果。

但是由于電網(wǎng)布局設(shè)計(jì)等因素，造成的一類35 kV電站由于進(jìn)線端分別來自110 kV 電站的中壓側(cè)( 三角型連接) 和220 kV 電站的高壓側(cè)( 星型連接) ，二者存在30°的相位差，現(xiàn)有技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)直接合環(huán)，使得調(diào)度員只能進(jìn)行停電倒負(fù)荷操作，停電時(shí)間短則數(shù)分鐘，長則數(shù)天，嚴(yán)重影響了用戶的用電質(zhì)量，大大減少經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)調(diào)研，如表1 所示，應(yīng)用此種接線方式的35 kV電站僅在山西省就有147 座，其中絕大多數(shù)電站在進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，都需要首先對(duì)負(fù)載進(jìn)行停電，之后再將待閉合的線路接入，該過程避免了兩條線路的并聯(lián)，可以消除環(huán)流。但帶來的問題是負(fù)載將受到停電的影響。

表1 山西省存在30°相位差的35 kV 變電站Tab.135 kV substation with 30° phase difference in Shanxi Province

一種解決方案是增加全功率移相變壓器，以消除30°的相位差，目前已在小部分的電站進(jìn)行試運(yùn)行。但是，由于全功率移相變壓器的容量與線路容量相同，成本偏高，且其設(shè)計(jì)只能固定補(bǔ)償30°相位差，仍然需要電力調(diào)度人員憑借計(jì)算及操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合環(huán)操作，因此并沒有得到普遍的應(yīng)用。

背靠背變流器具有控制方便、輸出靈活、可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出所需電壓波形等優(yōu)點(diǎn)，由PWM 整流器和PWM逆變器兩部分組成。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于合成矢量線性化解藕的控制方案，解決了dq坐標(biāo)系下變量之間的藕合問題以及因網(wǎng)側(cè)濾波電感數(shù)值突然改變而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定以及網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了PWM 整流器的雙環(huán)控制方法。文獻(xiàn)［5］分析了PWM整流電路的模型和兩種控制策略的原理，分析了傳統(tǒng)雙閉環(huán)非解藕策略不能消除電流靜差的原因，說明了解藕控制策略具有雙閉環(huán)均能實(shí)現(xiàn)無靜差、穩(wěn)態(tài)電壓好、功率因數(shù)更高等優(yōu)越性。文獻(xiàn)［6］將背靠背變流器接入配電網(wǎng)，結(jié)合瞬時(shí)正負(fù)序分量分解算法，提出了一種可消除由配網(wǎng)不對(duì)稱運(yùn)行引起的微網(wǎng)電壓不平衡方法，達(dá)到了改善低壓微網(wǎng)電壓質(zhì)量的目的。文獻(xiàn)［7］基于電壓型PWM 逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制框架，針對(duì)電流環(huán)的交叉耦合問題，提出了一種內(nèi)模解耦方法以提高PWM 逆變器動(dòng)態(tài)過程中的解耦效果。文獻(xiàn)［8］提出了一種改進(jìn)的SVPWM 逆變算法，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換和三角函數(shù)計(jì)算，基本電壓矢量的作用時(shí)間可以用統(tǒng)一公式進(jìn)行計(jì)算，解決了傳統(tǒng)SVPWM 算法計(jì)算復(fù)雜的問題。文獻(xiàn)［9］論述了背靠背結(jié)構(gòu)的變流器能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓可控，并具有能量雙向流動(dòng)、有功功率和無功功率可獨(dú)立控制、網(wǎng)側(cè)電流正弦度高等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［10］介紹了四象限變流器的擴(kuò)展應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步提升了四象限變流器的耐壓等級(jí)和開關(guān)頻率等指標(biāo)。

文中提出一種結(jié)合串聯(lián)移相變壓器( 靜態(tài)補(bǔ)償) 和四象限變流器( 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償) 的方案。靜態(tài)補(bǔ)償部分使用串聯(lián)移相變壓器，能夠?qū)崿F(xiàn)30°的相位補(bǔ)償，并且相較于傳統(tǒng)全功率移相變壓器，所設(shè)計(jì)的串聯(lián)移相變壓器通過的功率減半，使成本得到有效降低。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)使用四象限變流器，其輸出電壓和相位均可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 問題分析

進(jìn)行合環(huán)操作時(shí)，電力環(huán)網(wǎng)將會(huì)形成環(huán)流。在環(huán)流過大時(shí)，將會(huì)造成限度過載或者繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，這將直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性［11］。在合環(huán)操作進(jìn)行時(shí)，在很短的時(shí)間內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流暫態(tài)過程。在這個(gè)暫態(tài)過程中很有可能會(huì)發(fā)生過電壓和沖擊電流過大等影響，會(huì)使得繼電保護(hù)裝置誤操作。而當(dāng)系統(tǒng)由暫態(tài)最終到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)態(tài)潮流，但是，當(dāng)穩(wěn)態(tài)潮流過大時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致線路過載等一些問題，這同樣也會(huì)降低電網(wǎng)運(yùn)行可靠性［12］。

在常規(guī)電力系統(tǒng)中，兩條相同電壓等級(jí)的線路合環(huán)之后產(chǎn)生的環(huán)流度主要受合環(huán)時(shí)刻的電壓相位以及兩條線路之間的壓差決定［13］。按照現(xiàn)行電力系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)則可知，一條電力線路與額定電壓之間的偏離一般在±5%以內(nèi)，通過一定的調(diào)壓手段，例如調(diào)整變壓器抽頭位置等可以有效的減小兩條待合環(huán)線路的電壓差，從而降低合環(huán)過程產(chǎn)生的環(huán)流，實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷操作［14-15］。

文中是針對(duì)35 kV 配電網(wǎng)中兩條線路存在30°相位差的場(chǎng)合，如圖1 所示，由于變壓器兩側(cè)星形連接和三角形連接的不同，從而使A、B 兩接線端之間產(chǎn)生了30°相位差。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure

1.2 基于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和靜態(tài)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)流抑制方案設(shè)計(jì)

當(dāng)兩條35 kV 的線路存在30°相位差的時(shí)候，可以計(jì)算其穩(wěn)態(tài)環(huán)流表達(dá)式為:

其中，Z∑為環(huán)路的電抗，可以看出此時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)流電流，因此必須對(duì)兩條線路的電壓之差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)合環(huán)前后兩條線路的電壓之差維持在較小的幅值內(nèi)，達(dá)到減小和消除環(huán)流的目的。

為了實(shí)現(xiàn)消除35 kV 配電網(wǎng)中兩條電力線路存在30°相位差的問題，設(shè)計(jì)了如圖2 所示基于串聯(lián)變壓器和四象限變流器的環(huán)流抑制方案。

圖2 方案設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Schematic diagram of scheme design

首先利用串聯(lián)變壓器實(shí)現(xiàn)靜態(tài)補(bǔ)償，在線路中串聯(lián)移相變壓器，對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行補(bǔ)償，該環(huán)節(jié)稱為靜態(tài)補(bǔ)償。其作用是補(bǔ)償35 kV 電站兩進(jìn)線端之間存在的30°相位差。經(jīng)過靜態(tài)補(bǔ)償之后，即將進(jìn)行合環(huán)操作的兩條線路的電壓已基本相同。

然后利用四象限變流器進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，在完成靜態(tài)補(bǔ)償之后，將要進(jìn)行合環(huán)的兩條線路所存在的30°相位差已基本得到了消除。但是由于線路負(fù)載和參數(shù)等因素的影響，兩條線路的電壓仍存在差異，合環(huán)過程中將仍可能帶來較嚴(yán)重的環(huán)流問題。利用四象限變流器［16-19］，進(jìn)一步消除兩條線路的電壓差。即通過靈活控制四象限變流器輸出的電壓的幅值和相位，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)線路電壓。

最后設(shè)計(jì)合環(huán)控制模塊，利用電壓傳感器采集補(bǔ)償后的兩進(jìn)線端之間的電壓差，根據(jù)電壓差值，尋找最佳合環(huán)時(shí)間，控制合環(huán)開關(guān)，使合環(huán)操作對(duì)系統(tǒng)的影響降至最低，實(shí)現(xiàn)在線智能合環(huán)。同時(shí)，設(shè)計(jì)保護(hù)機(jī)制，采集合環(huán)點(diǎn)的電流，若電流大于安全閾值，立即斷開合環(huán)，重新尋找合適的合環(huán)時(shí)間，完成對(duì)合環(huán)環(huán)流的抑制，同時(shí)保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不受影響，實(shí)現(xiàn)不停電倒負(fù)荷。

2 靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 靜態(tài)補(bǔ)償原理

在三相電網(wǎng)中共有三個(gè)電壓相量可以使用，因此可以更改變壓器不同相的繞組變比，利用電壓矢量三角形關(guān)系產(chǎn)生出需要補(bǔ)償?shù)碾妷菏噶?，如圖3 所示。因此，靜態(tài)補(bǔ)償所使用的變壓器兼具了變壓和調(diào)相兩個(gè)功能。

圖3 靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)需補(bǔ)償?shù)碾妷菏噶縁ig.3 Voltage vector to be compensated in static compensation

根據(jù)余弦定理，所述串聯(lián)變壓器的輸出電壓大小與兩進(jìn)線端的電壓之間的關(guān)系如下:

式中Ua為串聯(lián)變壓器的輸出電壓的幅值;U1、U2分別為兩進(jìn)線端的電壓幅值，二者大小相等，相位差為α。

移相變壓器通過二次側(cè)三相繞組電壓的組合實(shí)現(xiàn)，需要在110 kV/35 kV 進(jìn)線端線路上串聯(lián)一個(gè)移相變壓器以實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。對(duì)于A 相而言，其等效結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 串聯(lián)移相變壓器示意圖Fig.4 Schematic diagram of series phase-shifting transformer

2.2 移相變壓器變比計(jì)算

串聯(lián)變壓器的原邊側(cè)與110 kV/35 kV 側(cè)相連，副邊側(cè)則需設(shè)計(jì)6 個(gè)抽頭以實(shí)現(xiàn)所需電壓合成。則副邊側(cè)電壓可以表示為:

式中a、b和c為串聯(lián)變壓器的原邊三相相電壓;a'、b'和c'為串聯(lián)變壓器的副邊三相相電壓;x1為串聯(lián)變壓器副邊A 相繞組與原邊A 相繞組的匝數(shù)比;y1為串聯(lián)變壓器副邊A 相繞組與原邊B 相繞組的匝數(shù)比;x2為串聯(lián)變壓器副邊B 相繞組與原邊B 相繞組的匝數(shù)比;y2為串聯(lián)變壓器副邊B 相繞組與原邊C 相繞組的匝數(shù)比;x3為串聯(lián)變壓器副邊C 相繞組與原邊C 相繞組的匝數(shù)比;y3為串聯(lián)變壓器副邊C 相繞組與原邊A相繞組的匝數(shù)比。

串聯(lián)變壓器的電壓矢量合成圖如圖5 所示，根據(jù)矢量合成的規(guī)則，可求解出式(3) 中的對(duì)應(yīng)參數(shù)x1、x2、x3、y1、y2、y3。由矢量計(jì)算和三角形的邊角關(guān)系，已知一邊為14.8 kV，內(nèi)角為105°和60°，從而可以求得b側(cè)b'為16.5 kV，a側(cè)a'為4.4 kV。通過矢量三角形法則及正弦定理可以得到理想狀態(tài)下的x和y的值，即x1=x2=x3=0.154，y1=y2=y3=0.577。

圖5 串聯(lián)移相變壓器電壓矢量合成圖Fig.5 Voltage vector synthesis diagram of series phase-shifting transformer

傳輸線的A 相線路電壓幅值28.57 kV，而串聯(lián)變壓器所補(bǔ)償?shù)碾妷悍禐?4.8 kV，而兩者流過的電流相同，由此可知串聯(lián)變壓器的容量約為線路設(shè)計(jì)容量的14.8/28.57 =51.8%。由此可知，相比于全功率移相變壓器，文中提出的方案中使用的串聯(lián)變壓器的容量僅為其51.8%，顯著節(jié)約了成本，降低了工程造價(jià)。

3 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于諧波污染、輸電線路損耗等原因造成的電壓相位、幅值偏移等，降低了系統(tǒng)合環(huán)的安全性與可能性。動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)則是基于電能質(zhì)量優(yōu)化裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)思想建立的，同時(shí)依據(jù)文中提出的合環(huán)環(huán)流抑制機(jī)理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略對(duì)可控電力電子器件進(jìn)行實(shí)時(shí)化控制，以實(shí)現(xiàn)電壓的實(shí)時(shí)在線補(bǔ)償。

結(jié)合電力電子變流器動(dòng)態(tài)特性好、運(yùn)行模式靈活的特點(diǎn)，在移相變壓器的基礎(chǔ)上再設(shè)計(jì)一個(gè)背靠背式的可控電壓源環(huán)節(jié)，對(duì)電壓相位和幅值進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以尋找最佳合環(huán)點(diǎn)進(jìn)行合環(huán)操作，提高系統(tǒng)安全性與可靠性。其原理示意圖如圖6 所示。其中變壓器1 為設(shè)計(jì)的串聯(lián)變壓器，變壓器2 的原邊側(cè)與背靠背變流器相接。

圖6 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)系統(tǒng)原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of the system principle of dynamic compensation

通過控制變流器可以為變壓器2 提供適當(dāng)?shù)脑呺妷?，以完成電壓百分之一偏移的?dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程的電壓矢量圖如圖7 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓矢量圖所示。

圖7 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓矢量圖Fig.7 Voltage vector diagram of dynamic compensation

在原有串聯(lián)變壓器進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，加入此動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)裝置后，可對(duì)電壓的幅值和相角進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，其可調(diào)節(jié)范圍為以0.35 kV 為半徑的圓，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能。

3.2 四象限變流器的數(shù)學(xué)模型及控制策略

背靠背四象限變流器包含PWM 整流器以及PWM逆變器兩部分，要先建立數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)與分析才能建立合適的控制方法。

3.2.1 PWM 整流器

PWM 整流器的電路原理如圖8 所示。其中L 為交流側(cè)的濾波電感，R 為交流側(cè)的等效損耗電阻，C 為直流側(cè)的電容，I為直流母線所接的負(fù)載電流，可用來模擬負(fù)載功率的變化。

圖8 PWM 整流器原理圖Fig.8 Schematic diagram of PWM rectifier

其在靜止坐標(biāo)系( abc 坐標(biāo)系) 下的數(shù)學(xué)模型如下:

式中ia為A 相交流側(cè)電流;ua為A 相電網(wǎng)電壓;I為直流負(fù)載電流;R為電感和功率管串聯(lián)電阻;Si(i= a，b，c) 為PWM 整流器的開關(guān)信號(hào)函數(shù)，其表達(dá)式如下:

在式(4) 中，由于開關(guān)函數(shù)的存在，使得方程組為一個(gè)對(duì)時(shí)間不連續(xù)的微分方程?？紤]到開關(guān)頻率相對(duì)于正弦波頻率足夠高，因此可以近似用開關(guān)函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值來代替開關(guān)函數(shù)。開關(guān)函數(shù)的取值為0 或1，則開關(guān)函數(shù)的平均值就是它的占空比。此時(shí)方程(5) 中的各開關(guān)函數(shù)Si(i= a，b，c) 分別表示了三相開關(guān)函數(shù)的平均值。

由于三相電壓信號(hào)均為正弦信號(hào)，不便進(jìn)行功率計(jì)算和分析，因此將abc 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變換，得到與電網(wǎng)頻率同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型:

式中id、iq分別為dq坐標(biāo)系下濾波電感三相電流的d軸和q軸分量;Usd、Usq分別為dq坐標(biāo)系下系統(tǒng)三相電壓的d軸和q軸分量;Sd、Sq分別為dq坐標(biāo)系下三相開關(guān)函數(shù)的d軸和q軸分量;Udc為直流側(cè)電容電壓;ω 為系統(tǒng)角頻率。

圖9 為PWM 整流器的控制框圖，根據(jù)采集到的電網(wǎng)線電壓信號(hào)Uab和Ubc，鎖相環(huán)模塊可以計(jì)算得出電網(wǎng)電壓的幅值和相位，輸出Ud和Uq即為電網(wǎng)電壓在d軸和q軸的分量。由于采用了電網(wǎng)電壓矢量定向，所以當(dāng)鎖相環(huán)穩(wěn)定后，電網(wǎng)電壓在q軸的分量應(yīng)該為0，而電網(wǎng)電壓在d軸的分量則為相電壓的幅值，θ 為鎖相環(huán)模塊得出的電壓相位。

圖9 PWM 整流器控制框圖Fig.9 Control block diagram of PWM rectifier

電壓環(huán)模塊根據(jù)直流側(cè)電容電壓Udc、直流母線負(fù)載電流I和經(jīng)過鎖相環(huán)得出的Ud計(jì)算出三相電感電流在dq坐標(biāo)系下的指令值。同時(shí)使用PID 控制使直流側(cè)電容電壓Udc與給定值相同。負(fù)載電流I和電網(wǎng)電壓d軸分量Ud用來計(jì)算電流指令的前饋項(xiàng)，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。電壓環(huán)模塊輸出的分別為d軸與q軸的電流參考值。

電流環(huán)模塊的作用是使用PID 控制使電感三相電流與指令值相同。該模塊的輸入信號(hào)有電感電流(ia和ib) ，電流參考值(Id* 和Iq* ) ，電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量(Ud和Uq) ，電壓相位信號(hào)θ，以及直流側(cè)側(cè)電容電壓Udc。電流環(huán)模塊的輸出Q1～Q6為整流器六個(gè)IGBT 的開關(guān)控制信號(hào)。

3.2.2 PWM 逆變器

PWM 逆變器的電路原理如圖10 所示，PWM 逆變器主要由三相電壓源變換器和直流側(cè)電容C 構(gòu)成。它通過控制導(dǎo)通或關(guān)斷6 個(gè)IGBT 開關(guān)器件，輸入端為Udc，在輸出端產(chǎn)生的三相電壓Ua、Ub、Uc。

圖10 PWM 逆變器原理圖Fig.10 Schematic diagram of PWM inverter

圖11為PWM 逆變器的控制框圖，PWM 逆變器控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能是輸出六個(gè)脈沖信號(hào)K1～K6，使得整流橋的六個(gè)IGBT 按序進(jìn)行開通和關(guān)斷。

圖11 PWM 逆變器控制框圖Fig.11 PWM inverter control block diagram

模塊的輸入為三相電壓及參考電壓、整流部分的電壓Udc，使用簡化的SVPWM 算法計(jì)算占空比，輸出六個(gè)脈沖信號(hào)，控制六個(gè)IGBT 開通和關(guān)斷。

4 仿真結(jié)果與分析計(jì)

采用PSIM 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖12 為靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)仿真框圖，其中串聯(lián)變壓器用多個(gè)單相變壓器代替，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮將所有變壓器集成到一臺(tái)設(shè)備中，以提高材料的利用率并降低系統(tǒng)體積和成本。

圖12 靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)仿真圖Fig.12 Simulation diagram of static compensation

靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)仿真結(jié)果如圖13 所示，其中Ua為靜態(tài)補(bǔ)償前電網(wǎng)A 相電壓，Va為靜態(tài)補(bǔ)償后電壓，可以看出經(jīng)過靜態(tài)補(bǔ)償后，電壓幅值不變，相位右移30°，其余兩相情況相同。成功驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)具有可行性。

圖13 靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of static compensation

同時(shí)，移相變壓器通過的電壓Vd約為線路電壓的一半，由于流過兩者的電流相同，由此可知串聯(lián)變壓器的容量約為線路設(shè)計(jì)容量一半，而傳統(tǒng)的全功率移相變壓器通過的功率與線路設(shè)計(jì)容量相同，因此所設(shè)計(jì)的串聯(lián)變壓器可使通過的功率減半，可以有效降低成本。

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用背靠背變流器的設(shè)計(jì)，包含PWM 整流器以及PWM 逆變器，仿真框圖如圖14 和圖15 所示，三相輸入電壓為380V，控制系統(tǒng)采集了交流電網(wǎng)線電壓、兩相電感電流和直流母線電壓信號(hào)。交流側(cè)電感的可以將PWM 整流器交流側(cè)的電壓與電網(wǎng)電壓之差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，并有平滑電網(wǎng)電流的作用。直流側(cè)電容在PWM 整流器系統(tǒng)中起著維持直流母線電壓的作用。

圖14 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)整流部分仿真圖Fig.14 Simulation diagram of the rectification part of dynamic compensation

圖15 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)逆變部分仿真圖Fig.15 Simulation diagram of the inverter part of the dynamic compensation

動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)仿真結(jié)果如圖16 所示，上圖Udc為直流側(cè)電壓，下圖為逆變器輸出三相交流電壓波形。

經(jīng)過短暫的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)后，整流部分與逆變部分均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，逆變部分輸出電壓能夠快速實(shí)時(shí)地跟隨給定電壓波形，可以按照設(shè)計(jì)要求的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變電壓幅值和相角，以達(dá)到最佳合環(huán)點(diǎn)進(jìn)行合環(huán)操作。

將靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)按照?qǐng)D2 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行連接，并設(shè)計(jì)合環(huán)策略控制器，首先延時(shí)0.02 s 以保證靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸出達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后利用電壓傳感器采集補(bǔ)償后的兩進(jìn)線端之間的電壓差，計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)的電壓差平均值，當(dāng)平均值與最大值都小于設(shè)計(jì)閾值時(shí)，即滿足合環(huán)條件，輸出命令時(shí)斷路器閉合，實(shí)現(xiàn)在線智能合環(huán)。同時(shí)，設(shè)計(jì)保護(hù)機(jī)制，采集合環(huán)點(diǎn)的電流，若電流大于安全閾值，立即斷開合環(huán)，重新尋找合適的合環(huán)時(shí)間。

合環(huán)環(huán)流抑制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖17 所示，為方便仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)妇€電壓設(shè)為380 V，上圖為合環(huán)開關(guān)狀態(tài)，下圖Ic為系統(tǒng)環(huán)流，可以看出在0.04 s 時(shí)系統(tǒng)完成合環(huán)操作，合環(huán)后環(huán)流接近為零，所設(shè)計(jì)的合環(huán)環(huán)流在線抑制方案有效的抑制了合環(huán)環(huán)流。

圖17 環(huán)流抑制系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.17 Simulation results of circulation suppression system

5 結(jié)束語

針對(duì)配電網(wǎng)存在30°相位差的合環(huán)問題，文章設(shè)計(jì)了靜態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)消除30°相位差。所設(shè)計(jì)的基于相位補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)30°合環(huán)環(huán)流在線抑制技術(shù)能夠有效地抑制30°相位差情況下的合環(huán)環(huán)流，尋找最佳合環(huán)點(diǎn)合環(huán)，并提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與安全性，解決了存在30°相位差的配電站不能直接合環(huán)倒負(fù)荷的問題，避免了現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的停電、派遣人員現(xiàn)場(chǎng)操作、用戶供電無法得到有效保障等一系列經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的問題。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的移相變壓器的容量約為線路設(shè)計(jì)容量一半，相比傳統(tǒng)的全功率移相變壓器可以有效降低成本。

提出的基于相位補(bǔ)償?shù)呐潆娋W(wǎng)30°合環(huán)環(huán)流抑制方法具有成本低、效率高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，有效解決了因倒負(fù)荷而造成的停電問題，減小了合環(huán)操作對(duì)電網(wǎng)的沖擊，進(jìn)一步提高電網(wǎng)供電的可靠性，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的安全性能。同時(shí)也存在一定的不足，目前完成了理論研究與仿真驗(yàn)證，研究成果有待進(jìn)一步推廣應(yīng)用;研究內(nèi)容僅針對(duì)存在30°相位差的合環(huán)情況，具有一定的局限性，未來可以通過設(shè)計(jì)多抽頭的移相變壓器，利用可控晶閘管進(jìn)行切換，從而合成出任意相位的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)任意相位差的補(bǔ)償。