智能配電網中有載調壓技術及TVR的應用探討

我國實際供電網絡由于線路長、線損大、負荷分布廣、分支線多，電壓受晝夜負荷、季節(jié)負荷變化影響較大，配電網電壓質量不合格現(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量的關鍵之一。但是，新能源的并網、脫網會對電網造成沖擊，使電網電壓發(fā)生波動。比如，在配網終端大量接入光伏發(fā)電設備時，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生的壓降將使負荷側產生的電壓高于變電站側電壓;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致電壓波動，且光伏發(fā)電設備規(guī)模越大，電壓波動越明顯[1]。

電壓質量是電網運行的主要技術指標之一，根據(jù)GB/T 12325-2008，20kV及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的±7%。為改善供電線路電壓質量，變壓器調壓技術在配電系統(tǒng)中得到了廣泛應用。調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。變壓器調壓通常有無勵磁調壓和有載調壓兩種方式。無勵磁調壓的最大缺點為不能帶負荷調壓。隨著國民經濟的快速發(fā)展，用戶對電壓質量的要求愈來愈高，無勵磁調壓變壓器已不能滿足用戶對電壓質量的要求。有載調壓利用有載分接開關，在保證不切斷負載電流的情況下，變換高壓繞組分接頭，來改變高壓匝數(shù)隨時對電壓進行調整，以有效提高電壓質量。

一、有載調壓技術

有載調壓最關鍵、最昂貴的元件為有載分接開關，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“調換”到所選的分接頭上。

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

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

按相數(shù)分類，分為單相、三相和特殊設計的(Ⅰ+Ⅱ)相。單相有載分接開關既可用于Y接，也可用于Δ接。三相分接開關各觸頭直接并聯(lián)可作為單相分接開關使用，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。三相有載分接開關有Y接和Δ接兩種，三相調壓繞組經分接開關接成Y結，此類分接開關往往用于中性點調壓。三相調壓繞組經分接開關使變壓器繞組接成Δ結，此類分接開關往往用于線端調壓或中部調壓。

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、干式等分接開關均為有觸點式有載分接開關。有觸點式有載分接開關對確保變壓器有載調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。隨著電力電子技術的發(fā)展，無觸點開關為變壓器有載調壓系統(tǒng)結構的發(fā)展提出了新的方向[2]。無觸點有載分接開關即電子式有載分接開關，負載從一個分接轉換到另一分接時是由晶閘管來完成。由于晶閘管開關速度快、開關次數(shù)無限制，可實現(xiàn)調壓裝置免維護和無電弧快速電壓調節(jié)，從根本上解決有載分接開關電氣壽命短的問題。

二、有載調壓產品——TVR

基于晶閘管有載調壓的電壓調整器——TVR(Thyristor Voltage Regulator)，是電力電子技術發(fā)展的結果，是有載調壓技術發(fā)展的方向，其通過晶閘管切換改變調整變壓器二次側輸出繞組的連接方式，以產生所需的調整電壓，通過串聯(lián)變壓器輸出不同大小等級的感應電壓疊加到饋線主回路上，從而實現(xiàn)調節(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成。變壓器部分由帶分接頭的調整變壓器和串聯(lián)在配電線路中的補償配電線路電壓的變壓器構成，其中包含檢測線路電壓和電流的互感器。控制裝置嵌入在變壓器側面，由控制部分和晶閘管部分構成。控制部分可以選擇通過事先設定的基準電壓自動調整的“自動”模式和通過任意的分接頭進行固定運行的“手動”模式。晶閘管部分通過連接線與調整變壓器和串聯(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，檔位切換需要時間為50ms以下。電壓偏差越大越需要迅速應答，因此，抑制電壓變動時，通常設置動作時限為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，因此無法進行調壓。如圖3，電壓變化過短Δt1時，TVR不調壓;電壓變化Δt2時，TVR可以判斷并進行相應調壓操作。

TVR分接頭的位置和輸入輸出電壓的關系(基準電壓10kV)，如表1。逆送電狀態(tài)時，調節(jié)電壓的±與順送電時相反，紅色線路構成電壓調節(jié)回路。

三、TVR的應用

TVR的主要特點是能按要求自動、分級快速調節(jié)電網電壓和頻繁、雙向調節(jié)電網電壓，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)生電壓驟變的重負荷線路(如采石場、木材廠、冷凍機等) ，包括驟增負荷和甩負荷;逆向潮流下正常調壓的分布式電源接入線路等場合。在配電網實際應用中，通常采用以下原則進行布點安裝：1)配電線路電壓變動超過±7%的分段節(jié)點，快速調節(jié)電壓;2)出現(xiàn)電壓驟變的重負荷進線節(jié)點，抵制電壓變動;3)分布式電源并網接入節(jié)點，快速調節(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10kV配電線路的應用。

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到7.6%和11.5%，該兩點電壓降落差比較大，后段線路負荷多，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。

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，日本的典型應用是調節(jié)電壓下降用的TVR1設置于輸電線中;抑制重負荷電壓變動用的TVR2設置在變動負荷旁。通常，在較長配電線路或在電壓突變的配電系統(tǒng)中裝設自動電壓調整裝置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到6.8～6.6kV，有效地將電壓維持在6.6kV±3%的范圍內，明顯改善當?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、結論

隨著電力電子技術的發(fā)展，基于晶閘管有載調壓的電壓調整器——TVR是有載調壓技術的發(fā)展方向。其能按要求自動調節(jié)配電網電壓;而且沒有機械動作部分，能夠頻繁進行電網電壓調整;可雙向調節(jié)電網電壓，適應電網的潮流方向變化;適用于安裝在10kV配電線路上，可稱之為自適應電壓調節(jié)器[3]。通過國內外應用實例，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)電或重負荷線路電壓、分布式電源并網/脫網帶來的電網電壓波動等電壓偏差的控制和調整問題，提高智能配電網的供電質量，具有良好的市場應用前景。

參考文獻

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

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

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