融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统

技术领域

本发明属于供电线路变压技术领域，具体涉及一种融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统。

背景技术

随着经济发展，居民用电量需求增加，而配电网末端结构薄弱，存在着供电电压低于标准的电能质量问题，难以满足人民群众的生产生活需求。低电压问题通常表现为配电台区变压器出口电压高，用户侧供电电压低，在负荷较重的时候尤其明显。低电压的原因在于受制于地理环境等实际因素，配电网规划难以实现“小容量、短半径、密布点”的设计。低压配电线路长、线径小、线路阻抗大，且电阻与电抗分量接近。

针对线路阻抗过大引起的电网末端低电压问题，国内学者、工程师做了大量的研究，提出了改造电网、调节变压器分接头、并联补偿、串联补偿等多种解决方案。

优化配网结构。通过减小配电距离、增大线路直径来减小线路阻抗、提高末端电压是最为直接有效的方式，但是成本巨大。调节变压器分接头。

并联电容。通过改善功率因数来提高供电电压，在铁路、钢厂、铝厂等低功率因数负荷中广泛应用，在高功率因数的场合中不能解决低电压问题，而且重负荷低电压情况下补偿效果更差。串联电容。能够抵消线路的电抗性压降，但对线路电阻引起的压降没有补偿作用；在高压输电网中广泛应用，国内配网中的应用较少。

综合补偿。将多种低电压补偿措施优势综合，共同治理低电压问题，串联电容可以和串联有源电力电子补偿装置结合，用最小的装置容量有效地补偿线路阻抗上的电压降。

如专利CN113644661A.专利CN114447937A，存在上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种配网末端线路电压升压、稳压的一种融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统，包括升压模块，与所述升压模块相连接的电压调节单元，所述升压模块通过输入端子排与电源输入电缆相连接，所述电压调节单元通过输出端子排连接控制变压器的初级线圈，所述升压模块包括电压调节单元、SVG与无功补偿单元、IGBT控制单元，所述电压调节单元为LVR调节单元。

所述输入端子排与所述电压调节单元中的电压电流互感器相连接，所述电压电流互感器与所述IGBT控制单元相连接，所述IGBT控制单元为四路IGBT(每路开关为两个带反向并联二极管的IGBT串联)构成的自动切换开关，所述IGBT控制单元控制所述电压调节单元输电分接头的切换，根据所述电压电流互感器检测到的相间相序、电压、电流自动切换所述IGBT控制单元的连接方式，

所述SVG与无功补偿单元包括并联于电路中的静态无功发生器、电容器，所述SVG与无功补偿单元实现三相负荷不平衡治理和无功功率补偿，所述IGBT控制单元与所述SVG与无功补偿单元相连接。

所述LVR调节单元为两个PWM全控变换器组成背靠背联结形式，所述SVG与无功补偿单元与所述LVR调节单元相连接。

所述LVR调节单元中的二次侧与所述输出端子排相连接，所述输出端子排串联于控制变压器的初级线圈，与电网电压叠加，实现线路电压的抬升。

所述电压调节单元上设置旁路开关，所述旁路开关控制所述电压调节单元与所述输出端子排间的开断；当线路电压满足要求电压时，所述旁路开关控制断开，退出电压补偿模式。

对于农村电网等用电负荷分散、负荷密度低的地区，受电网网架薄弱、供电半径大的制约，末端低电压问题仍然十分严重，给电气设备安全、经济运行带来不利影响；寻求有效、经济的配网低电压治理解决方案是目前供电企业、研究机构和设备制造共同关注的热点问题。

近几年供电企业针对配电网低电压问题从技术和管理层面上分别采取了相应治理措施[6]，但在农村、低压配电网的线路末端以及在用电高峰期时很多地方仍会出现低电压现象。此外，由于供电半径及线路较长，在负荷较高时段，线路末端低电压问题较为严重。

针对各种配电网电能质量的问题，对其进行经济可行治理是目前迫切需要解决的问题，国内外学者作了较多相关研究，取得了一定的成果。

文献1提出对中压配电网无功补偿进行优化解决低电压问题，但无法解决低压配电网末端低电压问题。

文献2提出基于快速开关串联电容器进行补偿的低电压治理，但对于电阻较大的低压电网不适用。

文献3提出串联变压器的电压治理方法，但经济性和损耗存在问题。

文献4提出在末端增加分布式电源来提高电压，有一定的适用性，但投资较大。

文献5、6设计了采用优化配置电容器进行无功补偿，能够减少线路无功功率不足，对因无功导致的低电压问题具有一定效果，但对于线路电阻导致的电压降落无法解决。

文献7优化电网负荷分布改善电压的方案。

文献8提出改变网络结构，增加线路调压器的方法来改善线路末端电压。

文献9提出采用有载调压的方法，在线路中串联一变压器，用以提高线路末端电压。总体而言，目前解决电网低电压的主要手段为：配置无功补偿器、增加和优化配电变压器布置、扩充输电线路线径。这些方法在一定程度上提高配电网的电压质量，但对于负荷密度较低的农村配电网其实用性不强，且经济性较差。

参考文献：

1、计及电压不可行节点的配电网低电压治理方法[J].电力系统保护与控制，2017，45(13)：102-109；

2、基于快速开关型串联补偿的农网低电压治理研究[J].电气技术，2017(1)：92-94；

3、基于宽幅调压器与电容器组合的农网低电压治理方法[J].电力电容器与无功补偿，2016，37(6)；

4、分布式电源在农村电网低电压治理中的应用[J].供用电，2016，33(7)：23-27；

5、地区电网感性无功补偿优化配置方法[J].电网技术，2011，35(11)；

6、10kV配电网无功优化自动化控制系统设计[J].电力系统保护与控制，2011，39(2)：125-130；

7、电网三相不平衡下农网低电压治理的研究[J].电网与清洁能源，2015，31(11)：13-18；

8、农网低电压治理的三级联调方式研究[J].西安理工大学学报，2011，27(4)：423-429；

9、中压线路调压器的应用[J].农村电气化，2011(1)：11-12。

设计一种融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统，通过将补偿变压器副边串接在线路中，当线路电压超出供电要求时，串联电压与供电电压叠加提高供电线路电压，同时，结合基于SVG+并联电容器的综合补偿器，实现三相负荷不平衡治理和无功功率补偿。

在线路适当位置增设一台补偿装置，当线路电压超出供电要求，通过改变串联于线路中的电压，与电网电压叠加从而提升供电线路电压。该方法以较小的补偿容量实现输电线路电压调节效果，是一种经济、有效的农网低电压治理方案。

台区源端经过较长的输电线路到达用户端时，输电线路本身具有较大的线路阻抗，其感性成分和阻性成分均相当可观。此时，背靠背变流器并联部分可以通过控制处的无功功率以补偿输电线路感性无功，对线路末端电压进行一部分支撑，且背靠背变流器的串联部分可以通过控制来对线路中的阻性压降进行补偿，从而使得用户侧电压稳定在国标范围内。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本方案在低电压线路的适当位置增设一台补偿变压器(为一具有多抽头的降压变压器)。将其一次绕组各抽头经开关并联于线路，其二次绕组串联于供电线路。

信号采集单元实时监测接入点电压、电流，并将信号传递给控制器，线路负荷较大导致中后端电压较低，控制器按照设定的控制策略控制各通路电力电子开关通断，使补偿变压器二次侧输出期望的电压，补偿变压器二次侧电压与电网电压叠加，实现供电线路电压的调节。另在补偿变压器二次侧设置一路旁路开关，当线路负荷较小，电压满足供电要求时，旁路开关闭合，其他支路开关断开，补偿装置自动退出，此时补偿变压器二次侧短路，实现变压器类似于电流互感器串联在线路中。

信号采集及投切模式判断控制单元采用高速数字信号处理芯片对采样的电压、电流、功率因数等参数进行综合计算，使设备实现自动运行的同时还具有过载保护功能。

补偿装置在线路中的安装位置不同，所需要的补偿变压器容量也将有所不同，但不能超过配电变压器的容量，为保证补偿装置的经济性，限制补偿变压器的容量小于等于配电变压器的3％。补偿装置接入后，补偿点前电压将有小幅降低。这主要是因为补偿装置接入后，后段线路电压增大，负荷及线路电流随之增大所造成的。对此部分影响的计算，采取计算补偿装置接入前后，补偿点后线路各节点的两组潮流数据，求得补偿装置接入后，补偿点后负荷实际增加值。再将此负荷增加值作为接入点前线路空载时末节点的负荷，进行补偿点前段线路的潮流计算，得出增加的负荷对补偿点前线路电压的影响。

提出采用新型的线路电压调节控制装置提升配网末端电压，同时，结合基于SVG+并联电容器的综合补偿器，进行三相负荷不平衡治理和无功功率补偿，实现配网低电压治理的综合调控。

在负载恒定时，通过并联变流器控制直流母线电压阶跃上升，母线电压由520V阶跃到600V。在母线阶跃过程中，输出电压未发生明显波动，说明串联变流器的输出电压控制能力良好，并且与并联变流器的母线电压控制环路未发生明显耦合。在母线阶跃过程中，并网点输入电流有明显的波动，这是由于阶跃过程中，交流测需要快速向直流电容充电，以便使母线电压达到目标值，然而到达目标值后，由于后级负载未发生变化，所以其输入功率又趋于平衡，电流经过短时波动后又回到原来水平。

考虑配网低电压形成的多种原因，设计了一种新型的线路电压调节控制装置，用以提升电网线路末端电压，同时，结合基于SVG+并联电容器的综合补偿器，实现三相负荷不平衡治理和无功功率补偿。此方法有效提升了线路末端电压质量，同时改善了三相负荷不平衡和无功功率不足，降低了线路损耗。

选用电力电子器件控制补偿变压器投入，当线路负荷发生变化引起供电电压不满足要求时，实现电压补偿切换控制，保证了线路电压调节过程中不出现供电中断。通过所设计的基于串联电压补偿控制法的线路低电压补偿装置，能够达到以线路负荷1/10的补偿装置容量，实现线路全线电压满足指标，末端电压提升15％或更高的提升效果。经济、有效地解决长供电距离下的配电网末端低电压问题。

选用电力电子器件控制补偿变压器投入，当线路负荷发生变化引起供电电压不满足要求时，实现μs级的电压补偿切换控制，保证了线路电压调节过程中不出现供电中断。并联电容器主要负责滤除特定次数谐波，提供一定的无功补偿，系统动态的无功补偿由SVG完成。

利用并联电容器分级补偿和SVG的连续补偿相配合，利用SVG的快响应和可控性来抑制电压闪变、谐波；利用并联电容器实现低成本大容量分级补偿，该结构兼顾了并联电容器低成本和SVG补偿快速性及低电压支撑能力。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明工作原理图；

图2：本发明低压综合调控结构图

图3：本发明控制系统结构图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

如图1－3所示，本实施例提供一种融合SVG与线性调压的配网末端低电压调控系统，包括升压模块，与所述升压模块相连接的电压调节单元，所述升压模块通过输入端子排与电源输入电缆相连接，所述电压调节单元通过输出端子排连接控制变压器的初级线圈，所述升压模块包括电压调节单元、SVG与无功补偿单元、IGBT控制单元，所述电压调节单元为LVR调节单元。

所述输入端子排与所述电压调节单元中的电压电流互感器相连接，所述电压电流互感器与所述IGBT控制单元相连接，所述IGBT控制单元为四路IGBT(每路开关为两个带反向并联二极管的IGBT串联)构成的自动切换开关，所述IGBT控制单元控制所述电压调节单元输电分接头的切换，根据所述电压电流互感器检测到的相间相序、电压、电流自动切换所述IGBT控制单元的连接方式，

所述SVG与无功补偿单元包括并联于电路中的静态无功发生器、电容器，所述SVG与无功补偿单元实现三相负荷不平衡治理和无功功率补偿，所述IGBT控制单元与所述SVG与无功补偿单元相连接。

所述LVR调节单元为两个PWM全控变换器组成背靠背联结形式，所述SVG与无功补偿单元与所述LVR调节单元相连接。

所述LVR调节单元中的二次侧与所述输出端子排相连接，所述输出端子排串联于控制变压器的初级线圈，与电网电压叠加，实现线路电压的抬升。

所述电压调节单元上设置旁路开关，所述旁路开关控制所述电压调节单元与所述输出端子排间的开断；当线路电压满足要求电压时，所述旁路开关控制断开，退出电压补偿模式。

所述LVR调节单元为LVR设备的核心由串联变换器和并联变换器共同组成一组四象限背靠背电压源型变流器。

所述LVR调节单元上设置控制系统，所述控制系统包括交流信号采集器、电力电子开关及其驱动电路、微处理单元、看门狗与电源监视、状态指示电路。

所述电压调节单元包括补偿变压器、IGBT和控制单元。

实施例2

电力电子开关及其驱动电路共设置三级补偿档位和一条旁路支路。每一路电力电子开关都由两个带反向并联二极管的IGBT串联构成。微处理器Atmega64通过光耦驱动电路控制各路IGBT的通断，从而完成补偿档位的切换或工作状态的改变。

装置经电压互感器实时监测线路电压值并判断实时电压值所属的设定档位范围。2)控制器确定需切换的控制变压器变比支路，首先发出指令关断所有IGBT，随后闭合需切换的控制变压器变比支路的两个反向串联的IGBT(带反向并联二极管)。实现控制变压器变比的切换，补偿电压的动态调节。3)当输入电压在设定的允许电压范围内，除旁路支路IGBT闭合外，其他IGBT全部关断，从而短接掉控制变压器原边，补偿变压器二次侧短路，实现变压器类似于电流互感器串接在电路中。

调压器应安装在输电线路的中后部或线路末端，具体应根据负荷分布，及线路实际低电压情况，结合调压器的调压范围，建立数学模型并求解进行确定。控制变压器的容量确定应结合线路的配电变压器容量和负荷分布，且计及负荷的增长，应留有一定裕量。

变压器分接头支路开关选用两个带反向并联二极管的IGBT串联构成。

基于SVG+并联电容器的综合补偿模块，采用SVG与电容器组或无源滤波器并联运行的方式，可实时跟踪补偿系统的无功变化，并对特征次谐波进行滤除。

实施例3

所述权利要求3可作为独立的设备，实现对三相线路三相负荷不平衡的治理。

所述权利要求5，可根据需要，采用不同的线圈结构参数设计，满足不同条件下的升压需求。

实施例4

Us为台区源端电压源电压；Ls、Rs表示传输线路中的等效阻抗；Ui为台区末端电压，Uload为经过治理后的用户电压。

综合LVR设备安装于Ui与Uload之间，通过其串联部分向Ui中叠加Ut电压来改变输出端电压Uload的幅值和相位，从而起到稳定输出电压的作用，而并联部分主要是为综合LVR内部提供有功功率平衡，控制设备Udc的稳定。

Cbus为背靠背变换器的母线支撑电容；Lc、Rc为串联变换器的滤波电感及其等效内阻；Lsc、Rsc为串联变换器的网侧滤波电感及其等效内阻；Crc为串联变换器网侧滤波电容，三者共同组成串联变换器的网侧LCL滤波器；Lb、Rb为并联变换器的滤波电感及其等效内阻；Lsb、Rsb为并联变换器的网侧滤波电感及其等效内阻；Crb为并联变换器网侧滤波电容，三者共同组成并联变换器的网侧LCL滤波器。

台区源端经过较长的输电线路到达用户端时，输电线路本身具有较大的线路阻抗，其感性成分和阻性成分均相当可观。此时，背靠背变流器并联部分可以通过控制Ui处的无功功率以补偿输电线路感性无功，对线路末端电压进行一部分支撑，且背靠背变流器的串联部分可以通过控制Ut来对线路中的阻性压降进行补偿，从而使得用户侧电压Uload稳定在国标范围内。

低压配电网为三相四线制供电方式，且用电负荷以单相负荷为主。采用单相调压方式，设计适用于0.4kV三相四线制低压配电线路的串联电压补偿控制系统，主要包括三部分：具有分档调节的一次侧并联于补偿点、二次侧串联于线路的补偿变压器，电力电子投切单元，信号采集及投切模式控制单元。

低压配电网为三相四线制供电方式，且用电负荷以单相负荷为主。采用单相调压方式，设计适用于0.4kV三相四线制低压配电线路的串联电压补偿控制系统，主要包括三部分：具有分档调节的一次侧并联于补偿点、二次侧串联于线路的补偿变压器，电力电子投切单元，信号采集及投切模式控制单元。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。