CN110391664B - 适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置及方法 - Google Patents

Abstract

适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置及方法，涉及配网电能治理装置的技术领域。本发明包括有源补偿单元、无源补偿单元、控制单元，有源补偿单元和无源补偿单元串联接入10kV配电线路末端，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端并位于配电线路电源侧。针对现有低电压治理装置存在的不足，本发明实现了结构简单，提高了功率密度，降低了补偿装置的容量需求，提高了设备性价比的目的。

Description

适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置及方法

技术领域

本发明涉及配网电能治理装置的技术领域，尤其涉及应用于远距离10kV配电网络末端低电压治理装置及方法的技术领域。

背景技术

近年来，随着电能替代、返乡创业等政策和项目的广泛推进，农网负荷快速增加。农村配电网由于地广人稀、负荷分散，考虑配网建设的经济性，10kV线径偏小、配电距离长的情况尤为普遍，很多配电台区、尤其是远距离10kV农村配电网络的末端，低电压问题尤为严重，严重影响了居民的生产、生活用电。

目前的低电压治理装置有调压器、并联电容器装置、SVG补偿、串联电容器装置、换相开关等。

调压器不能改变无功需求，如果无功功率缺额比较大时，为保持电压水平，有载调压器动作，电压暂时上升，将功率缺额全部转嫁到主网，使主网电压进一步下降，严重时可能引发系统电压崩溃。而若是无载调压器，还需断电操作，不便实际应用。

采用并联电容器装置进行电压调节时，往往需要很大安装容量的多组补偿装置，运行维护量大，开关动作频繁，装置响应速度慢，且往往会引起“重载时电压低、轻载时电压高”的问题。

采用SVG补偿能够避免投切频繁问题，但是又带来噪音大、自身损耗过高等问题，限制了其在低电压治理领域的推广应用。

串联电容器补偿装置用于调压只限于负荷功率因数较低，且线径阻抗以感性分量为主的场合。而农村配电网由于欠缺工业负荷，生活用电功率因数极高，且线路阻抗以电阻分量为主，因此，农村配电网不宜采用串联电容器补偿装置进行调压。在功率因数极高的工况下加入串联电容器补偿，不仅不能治理低电压，甚至会使末端低电压问题更加严重。

换相开关只能用于低压配电网，且只能用于三相负荷不平衡引起的低电压问题。

综述，目前常见的低电压治理装置都有其局限性，尤其是在10kV线路阻抗以电阻分量为主、负荷功率因数极高的情况下，上述设备的低电压治理效果远远无法达到预期。

发明内容

针对现有低电压治理装置存在的不足，本发明提出了一种适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置及方法，结构简单，提高了功率密度，降低了补偿装置的容量需求，提高了设备的性价比。

一种适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置，其特征在于包括有源补偿单元、无源补偿单元、控制单元，有源补偿单元和无源补偿单元串联接入10kV配电线路末端，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端并位于配电线路电源侧；有源补偿单元包括并联组合的电池组、双向DC/DC变换器、并网PWM换流器、快速旁路回路，快速旁路回路包括并联布置的第一旁路开关K₁、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、串联变压器T；无源补偿单元包括串联电容器C₂、用于串联电容器C₂的投切控制和保护旁路的第二旁路开关K₂、接入第二旁路开关K₂回路并联使用的阻尼电阻R和阻尼电抗L₂；10kV配电线路末端设置电压、电流互感器，电压、电流互感器测量得到的电压、电流信号传输至控制单元，控制单元分别与有源补偿单元、无源补偿单元连接。

基于本发明的适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置的治理方法，包括如下步骤：

步骤一：系统上电，并完成初始化；

步骤二：设有源补偿单元的实际电压为U₂，有源补偿单元的预设电压为U_set；判断第一旁路开关K₁是否闭合，

若判断第一旁路开关K₁为闭合，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则第一旁路开关K₁打开，有源补偿单元进入充电状态；若判断第一旁路开关K₁打开，且U₂≤U_set，则有源补偿单元进入放电状态；

若判断第一旁路开关K₁为打开，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则有源补偿单元进入充电状态；若判断第一旁路开关K₁打开，且U₂≤U_set，则有源补偿单元进入放电状态；

步骤三：设无源补偿单元安装点的无功功率为Q，无源补偿单元安装点的电流为I；判断第二旁路开关K₂是否闭合；

若第二旁路开关K₂闭合，则判断是否满足Q≥3I²X_C，若为是，则打开第二旁路开关K₂；若为否，则维持现状；

若第二旁路开关K₂打开，则判断是否满足Q<1.5I²X_C，若为是，则关闭第二旁路开关K₂；若为否，则维持现状。

本发明采用上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明的混合型低电压治理装置有源补偿单元采用电池组作为储能器件，能够对负荷有功功率P在网络产生的电压跌落进行补偿，即设备自身能够产生一定的有功功率，等效增加了电源布点，能够从根本上解决低电压问题，这是当前无功补偿类低电压治理设备所不具备的特有功能。

2、本发明的混合型低电压治理装置有源补偿单元采用串联接入方式，换流器可以采用低压、成熟的拓扑结构，避免了功率器件和功率模块的串联，降低了装置制造难度。另外，用于低电压治理的有源补偿单元只提供目标电压值和实际电压值的差值，该电压值一般为额定电压的10％～15％，相应有源补偿单元的功率也只有线路末端运行负荷的10％～15％，即末端负荷所需有功功率大部分仍由电网提供，混合型低电压治理装置有源补偿单元只提供少量有功功率即可完成低电压治理，该方案显著降低了补偿装置的容量需求。

3、本发明的混合型低电压治理装置无源补偿单元(串联电容器C)对负荷无功功率Q在网络上产生的电压跌落进行补偿，减轻了有源补偿单元的工作负担，简化了控制算法和策略。

4、本发明的混合型低电压治理装置的无源补偿单元(串联电容器C)能够同时提高整体线路的功率因数，有源补偿单元三相独立补偿，在一定程度上能够解决10kV网络的三相不平衡问题，因此，混合型低电压治理装置除了低电压治理功能外，还具有无功补偿和三相不平衡治理等多种功能，实现一机多能，提高了设备的性价比。

附图说明

图1是本发明的治理装置的结构示意图。

图2是本发明治理装置接入位置的示意图。

图3是本发明治理补偿方法的流程示意图。

图4是本发明变换器的拓扑结构示意图。

图5是本发明换流器的控制策略示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1、图2所示，一种适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置，包括有源补偿单元、无源补偿单元、控制单元，有源补偿单元和无源补偿单元串联接入10kV配电线路末端，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端并位于配电线路电源侧；有源补偿单元包括并联组合的电池组、双向DC/DC变换器、并网PWM换流器、快速旁路回路，快速旁路回路包括并联布置的第一旁路开关K₁、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、串联变压器T；无源补偿单元包括串联电容器C₂、用于串联电容器C₂的投切控制和保护旁路的第二旁路开关K₂、接入第二旁路开关K₂回路并联使用的阻尼电阻R和阻尼电抗L₂；10kV配电线路末端设置电压、电流互感器，电压、电流互感器测量得到的电压、电流信号传输至控制单元，控制单元分别与有源补偿单元、无源补偿单元连接。

如图1、图4所示，本发明的双向DC/DC变换器采用半桥型非隔离拓扑结构，包括用作电平叠加的IGBT5、IGBT6，IGBT5、IGBT6分别对应二极管D5、D6，还包括电抗器L₁。

如图1所示，本发明的并网PWM换流器包括作电平叠加的IGBT1～IGBT4，IGBT1～IGBT4分别对应二极管D1～D4，还包括与IGBT1～IGBT4并联的直流电容器C₁。

本发明的串联电容器C₂为用于串联补偿的CAM型高压全膜电容器。

如图3所示，基于本发明的适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置的治理方法，包括如下步骤：

步骤一：系统上电，并完成初始化；

步骤二：设有源补偿单元的实际电压为U₂，有源补偿单元的预设电压为U_set；判断第一旁路开关K₁是否闭合，

若判断第一旁路开关K₁为闭合，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则第一旁路开关K₁打开，有源补偿单元进入充电状态；若判断第一旁路开关K₁打开，且U₂≤U_set，则有源补偿单元进入放电状态；

若判断第一旁路开关K₁为打开，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则有源补偿单元进入充电状态；若判断第一旁路开关K₁打开，且U₂≤U_set，则有源补偿单元进入放电状态；

步骤三：设无源补偿单元安装点的无功功率为Q，无源补偿单元安装点的电流为I；判断第二旁路开关K2是否闭合；

若第二旁路开关K2闭合，则判断是否满足Q≥3I²X_C，若为是，则打开第二旁路开关K2；若为否，则维持现状；

若第二旁路开关K2打开，则判断是否满足Q<1.5I²X_C，若为是，则关闭第二旁路开关K2,；若为否，则维持现状。

如图2所示，本发明的安装于远距离10kV配电网络末端的混合型低电压治理成套装置，包括有源补偿单元和无源补偿单元，有源补偿单元和无源补偿单元都串联接入10kV配电线路末端，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端且位于配电线路电源侧。

如图1所示，本发明的混合型低电压治理成套装置主要包括有源补偿单元、无源补偿单元、控制单元。

有源补偿单元由电池组、DC/DC变换器(IGBT5～IGBT6，D5～D6、电抗器L₁)、并网PWM换流器(IGBT1～IGBT4，D1～D4、直流电容器C₁)、第一旁路开关K₁、第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、串联变压器T构成。

由于单电池的电压低、容量小，所以混合型低电压治理装置中的电池由多个单体电池串并联起来构成电池组，用来满足混合型低电压治理装置对电池的电压的容量的要求。低电压工况下，电池进入放电状态，电池组中的直流电能，通过换流器进行能量变换，将直流电能变换为交流电能回馈电网；非低电压工况下，电池组进入充电状态，换流器将交流电能变换为直流电能，给电池组充电；电池充满且低电压工况没有出现时，电池组进入浮充电状态。

如图1、图4所示，本发明的双向DC/DC变换器采用半桥型(DC/DC)非隔离拓扑结构，包括IGBT5～IGBT6，D5～D6、电抗器L₁。其工作原理是将蓄电池组产生的直流电能，先经过DC/DC变换器将电压等级提高以后，再供给PWM整流器作为直流侧输入电压没进过PWM整流器逆变后输入电网。反之，将电网产生的交流电能，先经过PWM整流器整流成直流电压，该电压经过DC/DC变换器将电压等级降低，得到蓄电池的充电电压。该拓扑的优点是电池组的电压工作范围较宽，电池组先经过DC/DC变换器进行电压等级变换，对电池组的工作电压范围要求降低，电池组可以宽范围运行。

如图1、图5所示，本发明的PWM换流器由IGBT1～IGBT4，D1～D4、直流电容器C₁组成。PWM换流器通过控制开关器件IGBT1～IGBT4的通断，来实现对其交流侧、直流侧的控制，可实现四象限的运行。PWM换流器具有能量双向流动、谐波含量小、有功无功可解耦控制等优点。本发明的PWM换流器(DC/AC)主要负责电池组能量与电网的交换，使输出电流与电网同相位，或者相位相反。充电和放电工况合用一套并网PWM换流器，简化了设计，提高了装置的功率密度。图5中PI指“PI调节器”，PI调节器为一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。IL*指的是PI调节器的计算结果，同时作为电池输出电流的参考值。Δd指的是双向DC/DC变换器的控制脉冲占空比。

如图1所示，本发明的第一旁路开关K₁、晶闸管SCR1和晶闸管SCR2构成有源电路的快速旁路回路。由于有源单元含有数量较多的IGBT器件，为了缩短异常工况下IGBT器件的故障承受时间，避免器件损坏，当控制单元检测到有源补偿单元装置异常或者故障时，在给第一旁路开关K₁输出闭合命令的同时，也向第一晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2发出触发信号。晶闸管导通速度快，能够更好的保护换流器。

串联变压器T起到电压变换和隔离的双重作用。电压变比根据电压缺口和PWM换流器输出电压来决定，可使用1：1变比、只起隔离作用的串联变压器。

无源补偿单元由串联电容器C₂、第二旁路开关K₂、阻尼电阻R、阻尼电抗L₂组成。

串联电容器C₂采用串联补偿专用CAM型高压全膜电容器，用于补偿设备安装点的无功功率，消除由于无功功率在网络上的传输产生的电压跌落，并减轻有源补偿单元的工作负担。由于串联电容器C₂的容量不能连续调节，且补偿效果和串联电容器C₂的参数密切相关，因此，需要提前对设备安装点的无功功率进行预估，保证串联电容器C₂的参数选择合理。

第二旁路开关K₂用于串联电容器C₂的投切控制和保护旁路。由于配电网低电压存在时限性，仅在相对固定的用电高峰期短时出现。因此，用电高峰期低电压出现时刻第二旁路开关K₂打开，串联电容器C₂投入；其他工况下第二旁路开关K₂闭合，串联电容器C₂退出，避免串联电容器C₂长期投入引起空载变压器铁磁谐振、大电机启动出现的次同步振荡问题。当串联电容器C₂内部发生故障时，第二旁路开关K₂永久闭合。

阻尼电阻R、阻尼电抗L₂并联使用，接入第二旁路开关K₂回路，消除第二旁路开关K₂闭合时串联电容器C₂快速放电引起的高频冲击电流对回路设备造成的损伤。在快速旁路开关合闸时，电容器组将对断路器回路放电，由于放电回路电阻很小，电容器将以高频、大幅值且衰减缓慢的周期性放电电流放电，这对电容器本身以及放电回路中其他设备都很不利。因此，在放电回路中接入阻尼电阻R。阻尼电阻R的作用是限制电容器放电电流幅值，以及消耗放电能量，使放电电流很快衰减。阻尼电抗L₂的作用是为了降低旁路断路器合闸时工频负荷电流流过阻尼电阻R时的有功损耗，适当选择阻尼电阻R、阻尼电抗L₂的比例，可使工频负荷电流主要从电抗中流过，而电容器高频放电电流主要从电阻中流过。

控制单元通过电压、电流互感器采集得到设备安装点的电压、电流信号，进行内部状态分析和判断后，按照既定策略完成有源单元的充放电控制、无源回路的投退等复杂控制。

(1)设备安装点及系统接入方案

变电站至台区终端用户的电压跌落由10kV电压跌落和低压400V电压跌落两部分组成，本装置主要对10kV电压等级的电压跌落进行针对性补偿。该装置可以将设备安装点附近10kV电压补偿至合理水平，即保证台区变压器高压侧电压合格，对于台区至用户侧的低压400V电压跌落部分，应采取其他类型低电压治理方案解决，不在本装置治理范围内。

混合型低电压治理装置安装于低电压问题严重节点，一般位于10kV配电线路末端。

如图2所示，本发明混合型低电压治理装置的有源补偿单元和无源补偿单元都串联接入10kV线路，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端且位于配电线路电源侧。

(2)整机补偿策略

利用下式可计算得到配电网络电压降落ΔU：

式中P、Q—线路末端的有功及无功功率；R_L、X_L—线路电阻及电抗(设备安装点前)；U₀是线路末端电压。

虽然台区负荷功率因数较高，无功功率Q较小，但是由于台区变压器以及10kV线路通过电流都要消耗一定无功功率，因此10kV侧设备安装点仍存在一定的无功功率，该无功分量在网络上传输将产生一定的电压损失。

无源网络采用串联电容器C，用来补偿无功分量产生的电压降落。串联电容器串联接入电网后，其通过的电流与设备安装点电流相同，产生容性无功功率Q_C与负荷的感性无功功率Q_L互相抵消，串联电容器C可以补偿无功分量产生的电压损失。

混合型低电压治理装置的无源补偿单元根据设备安装点的无功功率Q大小进行补偿。当设备安装点Q≥3I²X_C时，串联补偿电容器C接入网络发挥作用；当Q<1.5I²X_C时，串联补偿电容器C退出网络，避免由于串联电容器C投入补偿使负荷侧电压进一步下降；当Q在1.5I²X_C和3I²X_C之间时，串联补偿电容器C状态不变。其中I是设备安装点的穿越电流，X_C是串联电容器C对应的额定容抗Xc＝1/jωC。

对于10kV配电网络，由于线径小、线路阻抗以电阻性分量为主，电压损失主要是由于有功分量在网络传输引起的，而串联电容器C只能补偿无功分量引起的电压降落，因此，在这种工况下，需要对有功分量产生的电压降落进行有效补充，才能起到良好的低电压治理效果。

混合型低电压治理装置的有源补偿单元含有储能单元(电池组)，当线路空载、系统电压较高时，换流器对电池组充电，当负荷高峰期低电压出现时，电池组的能力通过换流器释放到电网中，通过PWM换流器和串联变压器向系统注入配电网络电压降落ΔU。当设备安装点电压处于正常水平，且电池组充满电时，有源补偿单元第一旁路开关K₁闭合，换流器功率器件闭锁；当设备安装点电压处于正常水平，而电池组电池未充满时，有源补偿单元旁路K₁打开，换流器将电网侧电能变换后为电池充电；当设备安装点出现低电压时，有源补偿单元第一旁路开关K₁打开，换流器将电池组储存的电能变进行换后注入电网，通过串联变压器向电网串入一个与穿越电流同相的电压，有源补偿单元入口侧电压为U₁、出口侧电压为U₃，则满足：

U₃＝U₁+△U

配电网络电压降落ΔU和设备安装点的电流相位相同，因此，混合型低电压治理装置的有源补偿单元只补偿有功分量。

(3)并网PWM换流器(单相VSC)控制策略

并网PWM换流器(单相VSC)以单位工作因数(+1或-1)并网，当系统电压正常时处于充电模式，在系统电压低时处于放电模式。

并网PWM换流器(单相VSC)控制目标有两个：一是通过控制并网电流大小和方向来保证中间直流电压U_dc稳定，中间直流电压稳定是PWM变流器正常工作的前提；二是保证输入的电流接近正弦波，谐波含量小，即良好的线性输入特性。

(4)DC/DC变换器控制策略

双向DC/DC变换器作为电池组接口，负责控制电池组的充电/放电电流，使其保持恒定不变。

DC/DC变换器选择半桥型非隔离DC/DC变换器，此电路有两个开关器件IGBT5和IGBT6，且电池电压U_E＜中间直流电容器电压U_C。

能量从电池U_E流向电容U_C时，该电路就是一个Boost变换器，此时IGBT6工作在PWM方式，IGBT5不工作或者与IGBT6互补方式工作。能量从电容U_C流向电池U_E时，此时IGBT5工作在PWM方式，IGBT6不工作或者与IGBT5互补方式工作。IGBT5、IGBT6互补导通时，为了防止两者同时导通，需要设定死去时间t_d。

当线路电压有效值U₂低于参考电压值Uset时，电池输出电流值I_L增大，电池组向直流电容器侧输送能量将使直流侧电压升高，由于并网PWM换流器采用定电压控制策略，因此，并网PWM换流器向电网注入能量，通过串联变压器T在设备接入点产生与电流同相的补偿电压，从而提高末端电压水平。当线路电压有效值U₂高于参考电压值Uset时，I_L减小或变向，直流电容器向电池组输送能量将使直流侧电压降低，由于并网PWM换流器采用定电压控制策略，因此，并网PWM换流器从电网汲取能量充电。

由于配网用电高峰出现时间较短，每天在早晚高峰出现3～4小时左右，因此，电池组可以采用较大的放电电流和较小的充电电流，从而避免在充电时对配电网络电压水平产生负面影响。

Claims (2)

1.一种适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置的治理方法，其特征在于适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置包括有源补偿单元、无源补偿单元、控制单元，有源补偿单元和无源补偿单元串联接入10kV配电线路末端，且有源补偿单元设置于无源补偿单元前端并位于配电线路电源侧；有源补偿单元包括并联组合的电池组、双向DC/DC变换器、并网PWM换流器、快速旁路回路，快速旁路回路包括并联布置的第一旁路开关K₁、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、串联变压器T；无源补偿单元包括串联电容器C₂、用于串联电容器C₂的投切控制和保护旁路的第二旁路开关K₂、接入第二旁路开关K₂回路并联使用的阻尼电阻R和阻尼电抗L₂；10kV配电线路末端设置电压、电流互感器，电压、电流互感器测量得到的电压、电流信号传输至控制单元，控制单元分别与有源补偿单元、无源补偿单元连接；所述双向DC/DC变换器采用半桥型非隔离拓扑结构，包括用作电平叠加的IGBT5、IGBT6，IGBT5、IGBT6分别对应二极管D5、D6，还包括电抗器L₁；所述并网PWM换流器包括作电平叠加的IGBT1～IGBT4，IGBT1～IGBT4分别对应二极管D1～D4，还包括与IGBT1～IGBT4并联的直流电容器C₁；

适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置的治理方法，包括如下步骤：

步骤一：系统上电，并完成初始化；

步骤二：设有源补偿单元的实际电压为U₂，有源补偿单元的预设电压为U_set；判断第一旁路开关K₁是否闭合，

若判断第一旁路开关K₁为闭合，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则第一旁路开关K₁打开，有源补偿单元进入充电状态；若判断第一旁路开关K₁打开，且U₂≤U_set，则有源补偿单元进入放电状态；

若判断第一旁路开关K₁为打开，且U₂＞U_set，继续判断电池组是否充满，若判断电池组已充满，则第一旁路开关K₁闭合、并网PWM换流器闭锁，若判断电池组未充满，则有源补偿单元进入充电状态；

步骤三：设无源补偿单元安装点的无功功率为Q，无源补偿单元安装点的电流为I；判断第二旁路开关K₂是否闭合，

若第二旁路开关K₂闭合，则判断是否满足Q≥3I²X_C，若为是，则打开第二旁路开关K₂；若为否，则维持现状；

若第二旁路开关K₂打开，则判断是否满足Q<1.5I²X_C，若为是，则关闭第二旁路开关K₂；若为否，则维持现状。

2.根据权利要求1所述的适用于远距离10kV配网末端低电压治理装置的治理方法，其特征在于上述串联电容器C₂为用于串联补偿的CAM型高压全膜电容器。

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