一种新型的农网低电压提升装置

李 潭， 席自强

(1 湖北省送变电工程公司， 湖北 武汉 430063; 2 湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068)

一种新型的农网低电压提升装置

李 潭1， 席自强2

(1 湖北省送变电工程公司， 湖北 武汉 430063; 2 湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430068)

针对农村电网末端低电压问题，研制出一种新型的基于LC串联电路的物理特性的电压提升装置。根据农村电网实际情况建立计算电压提升率的数学模型，仿真结果显示该装置能够较好的解决低电压问题。实验结果验证了该装置的可行性。

农网； 低电压提升； LC串联电路

针对农网低电压问题[1]，新型农网低电压提升装置利用电容器电抗器串联支路并联到电网后，电容器端电压在串联电抗器的抬升作用下高于系统电压[2]。用户负载并联电容器取电后，负载电压较提升前的系统电压升高，因而达到提升用户电压的目的。目前农村电网普遍采用整体改造农网的方式，增大配电线路的线径，延伸10 kV配电线路、新增变压器等方式来提升电压[3]。这种改造方式效果比较明显，可有效改善用电末端的电压质量[4]，这种改造方式的问题是改造工程量大，周期长，费用高。采用电压提升装置，在基建预算不足的情况下，投资小，见效快，具有较高的性价比，可有效解决农网的低电压问题[5]，提高农网电压的合格率，减少95598和12398热线电话对农网低电压问题的投诉率。

1 电压提升装置原理分析

在带载情况下，装置的一次原理图见图1。图中：Xl为装置电抗器感抗，XC为装置电容器容抗，Rf及Xf分别为负载的电阻及感抗。

图 1 装置带载示意图

装置带负载运行后，将电容与负载阻抗合并为等效阻抗RD+jXD，等效图见图2。

图 2 装置带载等效示意图

图2中RD为等效后的阻抗，XD为等效后的感抗。

由于等效的复合阻抗RD+jXD由电容容抗XC与负载复合阻抗Rf+jXf并联而成，其计算公式如下：

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

(1)

经计算及化简后：

(2)

其中

(3)

(4)

由式(2)、(4)可以得出，当装置投入电容容抗XC小于负载感抗Xf，即投入电容容性无功大于负载感性无功时，复合阻抗的XD始终小于0。

根据图2可得出，装置电压提升

(5)

通过改变投入电容容量，可以改变电压提升的幅值，同时提升效果会受到负载的影响。当负载全为感性无功时，电压提升的效果最小，此时Rf为0，Xf最大，则等效复合阻抗

(6)

即此时RD为0；

(7)

将式(7)带入(5)可得最小提升电压

(8)

通过式(8)可以计算出装置电感参数Xl，使得装置在负荷情况最严重时，电压提升的最小值能够满足用户的要求。当负载较轻时，电压提升值大于该最小值，更能够满足用户的要求。

2 防止装置与系统发生谐振的措施

2.1 并联谐振

在发生并联谐振的情况下，负载等效为谐波电流源，则图1可等效为图3所示电路。

图 3 并联谐振示意图

图中：XC/n为n次谐波容抗；nXS为n次谐

波感抗，由装置电抗器感抗与系统感抗组成；In为谐波负载电流。

谐波电流为In时，系统的谐波电流Isn和电容器的谐波电流Icn分别为：

(9)

(10)

当nXS等于XC/n时，谐波电流计算值趋于无穷，系统发生并联谐振，n为发生谐振的谐波次数。

在此种情况下，由于XS是装置中的电抗器及系统感抗合成的，无法改变，但可以通过控制投入系统的电容器组数，改变容抗参数XC。为了防止系统5次以上(n>5)的谐波造成的谐振问题，可以控制参数XS/XC大于4%，则式(9)、(10)的分母：

nXS-XC/n>0

(11)

式中：n>5，XS/XC大于4%，此种情况下，nXS恒大于XC/n，即系统永不可能发生并联谐振，正常运行时装置的XS/XC在10%以上。

2.2 串联谐振

根据图2，在特定情况下，装置的串联电容电抗会发生串联谐振，谐波电流

(12)

当nXl与XD/n相等时，系统发生串联谐振。若发生谐振的谐波为5次谐波时(n=5)，Xl/XD=4%，当谐波次数为5次以上的谐波时，Xl/XD<4%，而装置运行时Xl/XD在6%以上，且考虑到RD的限流作用，因此装置串联谐振的情况不会发生。

3 低电压提升装置仿真实验

通过PSIM(PowerSimulation)仿真软件，建立一个农网系统低电压问题的仿真模型，见图4。

图 4 农网低电压问题仿真模型

模型中，10kV线路的阻抗取0.271Ω/km，感抗取0.343Ω/km，线路长度取30km；变压器为理想变压器，变比为10/0.4kV；无功补偿装置容量为100kVA；400V线路阻抗取0.616Ω/km，感抗取0.084Ω/km，线路长1km；LC低电压提升装置容量取100kVA；负载功率为80kVA，功率因数为0.6。

该线路10kV侧电压为标准电压，但由于400V线路较长，线路压降很大，末端用户相电压从标准的220V下降到了170V。在0.4s时刻无功补偿装置及LC低电压提升装置投入系统以后，末端用户电压仿真结果见图5。

图 5 负载电压波形图

从仿真结果可以看出，在无功补偿装置及LC低电压提升装置投入系统以后，系统相电压从170V提升到220V，过程中有20ms左右的过渡阶段，电压会在20V左右波动。如使用晶闸管过零投切技术，涌流造成的电压波动能控制在5V以内。

4 低电压提升装置模拟实验平台

为了验证低电压提升装置的实际提升效果，搭建一个400V系统低电压提升装置的实验平台。实验负载采用阻感性负载，线路上的压降采用调压器来实现，低电压提升装置安装在调压器输出端。原理接线图见图6。

图 6 实验装置一次系统图

经实际带载测试以后，其电压提升效果见表1。

表1 装置带载实验记录 V

从表1实验结果可以看出，线路的压降经过LC低电压提升装置的补偿后，线路末端电压明显提升，相电压从160V经提升装置的补偿后达到220V左右，电压提升率为36%。

5 结论

分析农网实际情况，利用LC串联电路特性研发了一种新型低电压提升装置，该装置比较适合目前农网末端电压过低的现状，仿真与实验证明了该装置可有效改善低电压问题，与目前的农网改造方案相比，工程量小、周期短、费用低。

[1] 李晓宇,邵跃平.浅谈农村电网低电压治理[J].电力需求侧管理,2011(2):49-49.

[2] 陈卫勇,戴堂云.2007年湖北农网电压无功情况分析[J].湖北电力,2007(1):47-54.

[3] 马金明,杨成章.10kV配电网降损节能和改善电压质量的途径[J].农村电气化,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.

[责任编校： 张岩芳]

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，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电气工程

1003-4684(2017)02-0078-03

TM726

A