李 潭， 席自強(qiáng)

(1 湖北省送變電工程公司， 湖北 武漢 430063; 2 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068)

一種新型的農(nóng)網(wǎng)低電壓提升裝置

李 潭1， 席自強(qiáng)2

(1 湖北省送變電工程公司， 湖北 武漢 430063; 2 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430068)

針對(duì)農(nóng)村電網(wǎng)末端低電壓?jiǎn)栴}，研制出一種新型的基于LC串聯(lián)電路的物理特性的電壓提升裝置。根據(jù)農(nóng)村電網(wǎng)實(shí)際情況建立計(jì)算電壓提升率的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果顯示該裝置能夠較好的解決低電壓?jiǎn)栴}。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該裝置的可行性。

農(nóng)網(wǎng)； 低電壓提升； LC串聯(lián)電路

針對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}[1]，新型農(nóng)網(wǎng)低電壓提升裝置利用電容器電抗器串聯(lián)支路并聯(lián)到電網(wǎng)后，電容器端電壓在串聯(lián)電抗器的抬升作用下高于系統(tǒng)電壓[2]。用戶負(fù)載并聯(lián)電容器取電后，負(fù)載電壓較提升前的系統(tǒng)電壓升高，因而達(dá)到提升用戶電壓的目的。目前農(nóng)村電網(wǎng)普遍采用整體改造農(nóng)網(wǎng)的方式，增大配電線路的線徑，延伸10 kV配電線路、新增變壓器等方式來(lái)提升電壓[3]。這種改造方式效果比較明顯，可有效改善用電末端的電壓質(zhì)量[4]，這種改造方式的問(wèn)題是改造工程量大，周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。采用電壓提升裝置，在基建預(yù)算不足的情況下，投資小，見(jiàn)效快，具有較高的性價(jià)比，可有效解決農(nóng)網(wǎng)的低電壓?jiǎn)栴}[5]，提高農(nóng)網(wǎng)電壓的合格率，減少95598和12398熱線電話對(duì)農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的投訴率。

1 電壓提升裝置原理分析

在帶載情況下，裝置的一次原理圖見(jiàn)圖1。圖中：Xl為裝置電抗器感抗，XC為裝置電容器容抗，Rf及Xf分別為負(fù)載的電阻及感抗。

圖 1 裝置帶載示意圖

裝置帶負(fù)載運(yùn)行后，將電容與負(fù)載阻抗合并為等效阻抗RD+jXD，等效圖見(jiàn)圖2。

圖 2 裝置帶載等效示意圖

圖2中RD為等效后的阻抗，XD為等效后的感抗。

由于等效的復(fù)合阻抗RD+jXD由電容容抗XC與負(fù)載復(fù)合阻抗Rf+jXf并聯(lián)而成，其計(jì)算公式如下：

RD+jXD=(Rf+jXf)/(-jXC)

(1)

經(jīng)計(jì)算及化簡(jiǎn)后：

(2)

其中

(3)

(4)

由式(2)、(4)可以得出，當(dāng)裝置投入電容容抗XC小于負(fù)載感抗Xf，即投入電容容性無(wú)功大于負(fù)載感性無(wú)功時(shí)，復(fù)合阻抗的XD始終小于0。

根據(jù)圖2可得出，裝置電壓提升

(5)

通過(guò)改變投入電容容量，可以改變電壓提升的幅值，同時(shí)提升效果會(huì)受到負(fù)載的影響。當(dāng)負(fù)載全為感性無(wú)功時(shí)，電壓提升的效果最小，此時(shí)Rf為0，Xf最大，則等效復(fù)合阻抗

(6)

即此時(shí)RD為0；

(7)

將式(7)帶入(5)可得最小提升電壓

(8)

通過(guò)式(8)可以計(jì)算出裝置電感參數(shù)Xl，使得裝置在負(fù)荷情況最嚴(yán)重時(shí)，電壓提升的最小值能夠滿足用戶的要求。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，電壓提升值大于該最小值，更能夠滿足用戶的要求。

2 防止裝置與系統(tǒng)發(fā)生諧振的措施

2.1 并聯(lián)諧振

在發(fā)生并聯(lián)諧振的情況下，負(fù)載等效為諧波電流源，則圖1可等效為圖3所示電路。

圖 3 并聯(lián)諧振示意圖

圖中：XC/n為n次諧波容抗；nXS為n次諧

波感抗，由裝置電抗器感抗與系統(tǒng)感抗組成；In為諧波負(fù)載電流。

諧波電流為In時(shí)，系統(tǒng)的諧波電流Isn和電容器的諧波電流Icn分別為：

(9)

(10)

當(dāng)nXS等于XC/n時(shí)，諧波電流計(jì)算值趨于無(wú)窮，系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，n為發(fā)生諧振的諧波次數(shù)。

在此種情況下，由于XS是裝置中的電抗器及系統(tǒng)感抗合成的，無(wú)法改變，但可以通過(guò)控制投入系統(tǒng)的電容器組數(shù)，改變?nèi)菘箙?shù)XC。為了防止系統(tǒng)5次以上(n>5)的諧波造成的諧振問(wèn)題，可以控制參數(shù)XS/XC大于4%，則式(9)、(10)的分母：

nXS-XC/n>0

(11)

式中：n>5，XS/XC大于4%，此種情況下，nXS恒大于XC/n，即系統(tǒng)永不可能發(fā)生并聯(lián)諧振，正常運(yùn)行時(shí)裝置的XS/XC在10%以上。

2.2 串聯(lián)諧振

根據(jù)圖2，在特定情況下，裝置的串聯(lián)電容電抗會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振，諧波電流

(12)

當(dāng)nXl與XD/n相等時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振。若發(fā)生諧振的諧波為5次諧波時(shí)(n=5)，Xl/XD=4%，當(dāng)諧波次數(shù)為5次以上的諧波時(shí)，Xl/XD<4%，而裝置運(yùn)行時(shí)Xl/XD在6%以上，且考慮到RD的限流作用，因此裝置串聯(lián)諧振的情況不會(huì)發(fā)生。

3 低電壓提升裝置仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)PSIM(PowerSimulation)仿真軟件，建立一個(gè)農(nóng)網(wǎng)系統(tǒng)低電壓?jiǎn)栴}的仿真模型，見(jiàn)圖4。

圖 4 農(nóng)網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}仿真模型

模型中，10kV線路的阻抗取0.271Ω/km，感抗取0.343Ω/km，線路長(zhǎng)度取30km；變壓器為理想變壓器，變比為10/0.4kV；無(wú)功補(bǔ)償裝置容量為100kVA；400V線路阻抗取0.616Ω/km，感抗取0.084Ω/km，線路長(zhǎng)1km；LC低電壓提升裝置容量取100kVA；負(fù)載功率為80kVA，功率因數(shù)為0.6。

該線路10kV側(cè)電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓，但由于400V線路較長(zhǎng)，線路壓降很大，末端用戶相電壓從標(biāo)準(zhǔn)的220V下降到了170V。在0.4s時(shí)刻無(wú)功補(bǔ)償裝置及LC低電壓提升裝置投入系統(tǒng)以后，末端用戶電壓仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖 5 負(fù)載電壓波形圖

從仿真結(jié)果可以看出，在無(wú)功補(bǔ)償裝置及LC低電壓提升裝置投入系統(tǒng)以后，系統(tǒng)相電壓從170V提升到220V，過(guò)程中有20ms左右的過(guò)渡階段，電壓會(huì)在20V左右波動(dòng)。如使用晶閘管過(guò)零投切技術(shù)，涌流造成的電壓波動(dòng)能控制在5V以內(nèi)。

4 低電壓提升裝置模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證低電壓提升裝置的實(shí)際提升效果，搭建一個(gè)400V系統(tǒng)低電壓提升裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)負(fù)載采用阻感性負(fù)載，線路上的壓降采用調(diào)壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)，低電壓提升裝置安裝在調(diào)壓器輸出端。原理接線圖見(jiàn)圖6。

圖 6 實(shí)驗(yàn)裝置一次系統(tǒng)圖

經(jīng)實(shí)際帶載測(cè)試以后，其電壓提升效果見(jiàn)表1。

表1 裝置帶載實(shí)驗(yàn)記錄 V

從表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，線路的壓降經(jīng)過(guò)LC低電壓提升裝置的補(bǔ)償后，線路末端電壓明顯提升，相電壓從160V經(jīng)提升裝置的補(bǔ)償后達(dá)到220V左右，電壓提升率為36%。

5 結(jié)論

分析農(nóng)網(wǎng)實(shí)際情況，利用LC串聯(lián)電路特性研發(fā)了一種新型低電壓提升裝置，該裝置比較適合目前農(nóng)網(wǎng)末端電壓過(guò)低的現(xiàn)狀，仿真與實(shí)驗(yàn)證明了該裝置可有效改善低電壓?jiǎn)栴}，與目前的農(nóng)網(wǎng)改造方案相比，工程量小、周期短、費(fèi)用低。

[1] 李曉宇,邵躍平.淺談農(nóng)村電網(wǎng)低電壓治理[J].電力需求側(cè)管理,2011(2):49-49.

[2] 陳衛(wèi)勇,戴堂云.2007年湖北農(nóng)網(wǎng)電壓無(wú)功情況分析[J].湖北電力,2007(1):47-54.

[3] 馬金明,楊成章.10kV配電網(wǎng)降損節(jié)能和改善電壓質(zhì)量的途徑[J].農(nóng)村電氣化,2004(6):13-14.

[4]DasD,NagiHS,KothariDP.Novelmethodforsolvingradialdistributionnetworks[J],IEEEProc-Gen.Trans.Dist,1994,141(1)：291-298.

[5]ConradLE,BollenMHJ.Voltagesagcoordinationforreliableplantoperation[J]．IEEETrans.OnIndustrialApplication，1997，33(6)：1459-1464.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

A Novel Device for Improving Rural Voltage

LI Tan，XI Ziqiang

(1HubeiElectricPowetTransmission&SubstionEngine.Company,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.oftech.,Wuhan430068,China)

This paper presents the research and development of a novel device for improving rural voltage. Based on physical properties of LC circuit, it establishes a model for calculating voltage increasing rate according to actual situation of rural power network and make simulation. Simulation shows the device can improve the voltage.. Experimental results confirm the feasibility of the device.

rural power network; voltage improvement; LC circuit

2015-09-21

李 潭(1988-)， 男， 湖北京山人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡姎夤こ?/p>

1003-4684(2017)02-0078-03

TM726

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