智能配電網(wǎng)中有載調(diào)壓技術(shù)及TVR的應(yīng)用探討

我國實際供電網(wǎng)絡(luò)由于線路長、線損大、負(fù)荷分布廣、分支線多，電壓受晝夜負(fù)荷、季節(jié)負(fù)荷變化影響較大，配電網(wǎng)電壓質(zhì)量不合格現(xiàn)象十分普遍。

另外，分布式電源的利用是緩解能源危機，減少環(huán)境污染，提高供電可靠性和電能質(zhì)量的關(guān)鍵之一。但是，新能源的并網(wǎng)、脫網(wǎng)會對電網(wǎng)造成沖擊，使電網(wǎng)電壓發(fā)生波動。比如，在配網(wǎng)終端大量接入光伏發(fā)電設(shè)備時，由于存在反向的潮流，光伏發(fā)電(Photovoltaic，PV)電流通過饋線阻抗產(chǎn)生的壓降將使負(fù)荷側(cè)產(chǎn)生的電壓高于變電站側(cè)電壓;另外，PV發(fā)電功率隨光照變化而變化，造成輸出電流的變化導(dǎo)致電壓波動，且光伏發(fā)電設(shè)備規(guī)模越大，電壓波動越明顯[1]。

電壓質(zhì)量是電網(wǎng)運行的主要技術(shù)指標(biāo)之一，根據(jù)GB/T 12325-2008，20kV及以下三相供電電壓偏差為標(biāo)稱電壓的±7%。為改善供電線路電壓質(zhì)量，變壓器調(diào)壓技術(shù)在配電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。調(diào)壓的基本原理是通過變壓器一次繞組或二次繞組的加匝或減匝實現(xiàn)變壓器電壓比的變化。變壓器調(diào)壓通常有無勵磁調(diào)壓和有載調(diào)壓兩種方式。無勵磁調(diào)壓的最大缺點為不能帶負(fù)荷調(diào)壓。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，用戶對電壓質(zhì)量的要求愈來愈高，無勵磁調(diào)壓變壓器已不能滿足用戶對電壓質(zhì)量的要求。有載調(diào)壓利用有載分接開關(guān)，在保證不切斷負(fù)載電流的情況下，變換高壓繞組分接頭，來改變高壓匝數(shù)隨時對電壓進(jìn)行調(diào)整，以有效提高電壓質(zhì)量。

一、有載調(diào)壓技術(shù)

有載調(diào)壓最關(guān)鍵、最昂貴的元件為有載分接開關(guān)，其實現(xiàn)兩項基本功能：在開路情況下“選擇”一個分接頭;在不中斷通過電流的情況下把功率“切換”或“調(diào)換”到所選的分接頭上。

有載分接開關(guān)按過度阻抗分類，分為電阻式和電抗式兩種。但由于電抗式有載分接開關(guān)材料消耗多，體積大，燃弧時間長，實際應(yīng)用中普遍采用電阻式有載分接開關(guān)。

按絕緣介質(zhì)和切換介質(zhì)分類，分為油浸式有載分接開關(guān)、油浸式真空有載分接開關(guān)和干式有載分接開關(guān)。目前系統(tǒng)絕大部分使用的是油浸式有載分接開關(guān)，其絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)均為變壓器油。

按相數(shù)分類，分為單相、三相和特殊設(shè)計的(Ⅰ+Ⅱ)相。單相有載分接開關(guān)既可用于Y接，也可用于Δ接。三相分接開關(guān)各觸頭直接并聯(lián)可作為單相分接開關(guān)使用，一般常用于220kV及以上大型變壓器或由三臺單相變壓器組合的變壓器組中。三相有載分接開關(guān)有Y接和Δ接兩種，三相調(diào)壓繞組經(jīng)分接開關(guān)接成Y結(jié)，此類分接開關(guān)往往用于中性點調(diào)壓。三相調(diào)壓繞組經(jīng)分接開關(guān)使變壓器繞組接成Δ結(jié)，此類分接開關(guān)往往用于線端調(diào)壓或中部調(diào)壓。

按觸點方式分類，分為有觸點與無觸點兩種。油浸式、油浸式真空、干式等分接開關(guān)均為有觸點式有載分接開關(guān)。有觸點式有載分接開關(guān)對確保變壓器有載調(diào)壓的可靠性具有重要意義，但也存在如壽命短，動作速度慢，維護工作量大，故障率較高等問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無觸點開關(guān)為變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展提出了新的方向[2]。無觸點有載分接開關(guān)即電子式有載分接開關(guān)，負(fù)載從一個分接轉(zhuǎn)換到另一分接時是由晶閘管來完成。由于晶閘管開關(guān)速度快、開關(guān)次數(shù)無限制，可實現(xiàn)調(diào)壓裝置免維護和無電弧快速電壓調(diào)節(jié)，從根本上解決有載分接開關(guān)電氣壽命短的問題。

二、有載調(diào)壓產(chǎn)品——TVR

基于晶閘管有載調(diào)壓的電壓調(diào)整器——TVR(Thyristor Voltage Regulator)，是電力電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，是有載調(diào)壓技術(shù)發(fā)展的方向，其通過晶閘管切換改變調(diào)整變壓器二次側(cè)輸出繞組的連接方式，以產(chǎn)生所需的調(diào)整電壓，通過串聯(lián)變壓器輸出不同大小等級的感應(yīng)電壓疊加到饋線主回路上，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)線路電壓的目的。

TVR主要由變壓器部分和控制部分兩部分構(gòu)成。變壓器部分由帶分接頭的調(diào)整變壓器和串聯(lián)在配電線路中的補償配電線路電壓的變壓器構(gòu)成，其中包含檢測線路電壓和電流的互感器?？刂蒲b置嵌入在變壓器側(cè)面，由控制部分和晶閘管部分構(gòu)成?？刂撇糠挚梢赃x擇通過事先設(shè)定的基準(zhǔn)電壓自動調(diào)整的“自動”模式和通過任意的分接頭進(jìn)行固定運行的“手動”模式。晶閘管部分通過連接線與調(diào)整變壓器和串聯(lián)變壓器連接，包括切換變壓器分接頭的電力用半導(dǎo)體閥片(晶閘管)。TVR的主回路如圖1。

如圖2，為TVR的動作時限。TVR最快200ms的高速回應(yīng)，檔位切換需要時間為50ms以下。電壓偏差越大越需要迅速應(yīng)答，因此，抑制電壓變動時，通常設(shè)置動作時限為1。

TVR動作時限根據(jù)就地動作時限曲線算出，對于電壓變化過短的情況，TVR無法做出判斷，因此無法進(jìn)行調(diào)壓。如圖3，電壓變化過短Δt1時，TVR不調(diào)壓;電壓變化Δt2時，TVR可以判斷并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)壓操作。

TVR分接頭的位置和輸入輸出電壓的關(guān)系(基準(zhǔn)電壓10kV)，如表1。逆送電狀態(tài)時，調(diào)節(jié)電壓的±與順?biāo)碗姇r相反，紅色線路構(gòu)成電壓調(diào)節(jié)回路。

三、TVR的應(yīng)用

TVR的主要特點是能按要求自動、分級快速調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻繁、雙向調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，特別適用于長度超過10km且電壓變動超過±7%的配電線路;易發(fā)生電壓驟變的重負(fù)荷線路(如采石場、木材廠、冷凍機等) ，包括驟增負(fù)荷和甩負(fù)荷;逆向潮流下正常調(diào)壓的分布式電源接入線路等場合。在配電網(wǎng)實際應(yīng)用中，通常采用以下原則進(jìn)行布點安裝：1)配電線路電壓變動超過±7%的分段節(jié)點，快速調(diào)節(jié)電壓;2)出現(xiàn)電壓驟變的重負(fù)荷進(jìn)線節(jié)點，抵制電壓變動;3)分布式電源并網(wǎng)接入節(jié)點，快速調(diào)節(jié)電壓。

以某市10kV人石線配電線路為典型線路為例，說明TVR在國內(nèi)10kV配電線路的應(yīng)用。

表2 線路參數(shù)表

按照TVR布點安裝原則，對線路數(shù)據(jù)作如下處理：容量就近整合;線路未安裝電容補償器，即線路感抗所帶來的電壓降不能忽略;按變壓器容量近似計算得出各支線壓降，如圖4。

如圖4所示，根據(jù)人石線線路損耗計算得出，從乳山寨變電站到40#桿及12#桿線損電壓下降分別為758.56V及1150.16V，電壓下降變動分別達(dá)到7.6%和11.5%，該兩點電壓降落差比較大，后段線路負(fù)荷多，為保證后段線路電壓的合格率，因此選取該兩點安裝TVR，通過在該兩點安裝TVR后，能快速補償電壓，使電壓維持在10kV±5%的范圍內(nèi)。

此外，TVR憑借其高可靠性、免維護、壽命長、自動化程度高等優(yōu)點，在日本等國外也得到了廣泛的運用，并取得了良好的運行效果。

如圖6，日本的典型應(yīng)用是調(diào)節(jié)電壓下降用的TVR1設(shè)置于輸電線中;抑制重負(fù)荷電壓變動用的TVR2設(shè)置在變動負(fù)荷旁。通常，在較長配電線路或在電壓突變的配電系統(tǒng)中裝設(shè)自動電壓調(diào)整裝置TVR，如圖7，原來末端線路電壓為6.9～6.3kV，安裝TVR之后末端線路電壓達(dá)到6.8～6.6kV，有效地將電壓維持在6.6kV±3%的范圍內(nèi)，明顯改善當(dāng)?shù)亻L期供電不穩(wěn)定性的狀況。通過對安裝過TVR的線路電壓進(jìn)行監(jiān)控和分析，其TVR的輸入輸出波形圖如圖8所示。

如圖8所示，日本配電線路電壓為6.6kV，TVR的輸入電壓波形在△630V之間波動，通過TVR的自動調(diào)壓后，輸出電壓波動范圍明顯減小，范圍為△210V左右。通過實踐分析說明，TVR可以有效地解決線路電壓不穩(wěn)定，可靠性低等問題，適合在配電線路廣泛推廣和使用。

四、結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于晶閘管有載調(diào)壓的電壓調(diào)整器——TVR是有載調(diào)壓技術(shù)的發(fā)展方向。其能按要求自動調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電壓;而且沒有機械動作部分，能夠頻繁進(jìn)行電網(wǎng)電壓調(diào)整;可雙向調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，適應(yīng)電網(wǎng)的潮流方向變化;適用于安裝在10kV配電線路上，可稱之為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)器[3]。通過國內(nèi)外應(yīng)用實例，TVR可有效解決長線路低電壓、易發(fā)生電壓驟變的諸如光伏發(fā)電或重負(fù)荷線路電壓、分布式電源并網(wǎng)/脫網(wǎng)帶來的電網(wǎng)電壓波動等電壓偏差的控制和調(diào)整問題，提高智能配電網(wǎng)的供電質(zhì)量，具有良好的市場應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉媛媛，段義隆，李佳 智能電網(wǎng)的配電可靠性與電能質(zhì)量問題研究[J]，Proceedings of the 29th Chinese Control Conference July 29-31, 2010, Beijing, China.

[2] 黃俊杰，李曉明 電力電子有載調(diào)壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計[J]，電力自動化設(shè)備，2003，23(7)：54～56.

[3]倫濤，劉連光，劉宗歧等 10kV晶閘管分級電壓調(diào)節(jié)器的主電路和功能設(shè)計[J]，現(xiàn)代電力，2002，19(5)：31～35.