农配网高低电压治理技术简介

       农配网高低电压治理技术是电力电子技术和现代优化控制技术在农配网中应用的产物，其将三相四桥臂拓扑和有源/无源容量优化技术相结合，综合考虑农配网负荷特性，有效解决农配网高低电压问题、功率因数问题、三相不平衡问题和谐波问题，具有适应性强、稳定可靠、安装方便、节约资源、绿色环保等优点，能有效解决农配网电能质量问题，提高供电能力和用电满意度，并能大幅减少配电台区损耗和基层工作人员劳动强度，有显著的社会效益和经济效益。

一、项目背景

1.背景介绍

       目前，我国农村地区配网电能质量问题比较严重，主要包括：高低电压、电压波动大、三相不平衡严重、功率因数低、谐波含量高、台区损耗较大等问题。其中，由于配变容量不足和供电半径偏大等原因造成的农网线路末端电压严重偏低问题，以及由于三相负荷不对称和负荷波动造成的三相不平衡问题，是农配网建设面临的最急迫问题。

2.现状分析

       针对我国农村地区配网电能质量问题，目前采取的解决措施主要有：

(1) 采用调压手段，根据用户具体情况，合理调整变压器分接头位置。但这种方法无法实现动态调节，也不能解决整条线路的低电压问题。

(2) 对配网进行合理改造，提高供电能力。包括增加配变容量、减少供电半径，但这些方法工程投资大，投资回收期长。

(3) 采用附加无功补偿装置实现治理。

针对高低电压和功率因数偏低问题，主要采取并联无功补偿装置的方式，包括固定投切电容器、SVC和SVG：固定投切电容器方式投入少，简单方便，但容易过补，无法解决负荷波动和电压波动问题；SVC技术成熟，价格合适，但体积较大，易产生附加谐波；SVG体积小，性能好，但投入大。

       针对三相不平衡问题，主要采取人工换相调整、自动换相开关、Steinmetz补偿器、三相不平衡补偿器和配电网静止同步补偿器（D-STATCOM）：人工换相不需要增加设备，无需投入设备资金，但操作复杂，劳动强度高，人力成本大；自动换相开关投入少，安装方便，但对开关切换时间和可靠性要求较高，另外开关切换时短暂的断电时间可能对敏感用户用电造成影响；Steinmetz补偿器采用电感电容实现三相平衡补偿，但其动态性差且不能适用于三相四线制系统；三相不平衡补偿器可解决因负荷不平衡引起的电压和电流不平衡，尤其减少回流至变压器的零序电流，效果明显，但基于曲折变压器的补偿器体积和重量较大，安装和维护成本较高；D-STATCOM能对电网负序电流进行动态补偿，效果显著，但其三桥臂变流器结构无法解决三相四线制配网的零序电流问题。

       针对谐波问题，主要采取LC单调谐滤波方式和有源滤波器（APF）：LC滤波技术成熟，性价比高，但滤波次数有限，而且有可能发生系统谐振；APF滤波效果良好，但高成本制约了其推广应用。

       由于农配网高低电压问题并不单纯是无功补偿问题，它与负载的不平衡性、波动性和非线性都有紧密关系，传统的无功补偿技术或三相不平衡治理技术只解决了单一的无功问题或不平衡问题，无法从根本上有效解决高低电压问题。也就是说，需要综合考虑三相不平衡问题、电压波动问题和谐波问题，才能达到理想的治理效果。综上所述，由于目前的治理措施难以有效解决高低电压问题，因此有必要研究新型治理技术。

       农配网高低电压治理技术综合考虑农配网负荷特性，有效解决农配网高低电压问题、功率因数问题、三相不平衡问题和谐波问题，具有适应性强、稳定可靠、安装方便、节约资源、绿色环保等优点，能有效解决农配网电能质量问题，提高供电能力和用户满意度，并能大幅减少配电台区损耗和基层工作人员劳动强度，有显著的社会效益和经济效益，有较强的推广应用前景。

二、系统结构及原理

1.系统构成

       农配网高低电压治理技术结合了三相四桥臂拓扑和有源/无源容量优化技术，通过现代优化控制技术，实现农配网的动态无功补偿、三相不平衡治理和谐波治理，从而实现农配网高低电压有效治理，提高电能质量。农配网电能质量综合治理系统拓扑结构见图1所示。

图1 农配网电能质量综合治理系统拓扑结构图

       三相四桥臂拓扑具有直流电压利用率高、电容需求量低、能够为零序电流提供通路以及控制灵活等优点，在三相四线制系统中能同时解决无功补偿、谐波治理和零序负序电流控制问题，它已经成为三相四线制系统电能柔性控制的首选结构型式，在光伏并网等分布式能源领域得到了广泛应用。

       有源/无源容量优化技术能有效解决装备容量与成本的矛盾，在满足治理效果的同时，显著提高装备性价比，已在混合式SVG和混合式APF方面得到了应用。

       将三相四桥臂拓扑和有源/无源容量优化技术相结合，通过现代优化控制技术，可以实现动态无功补偿、三相不平衡治理和谐波治理，从而实现农配网电能质量综合治理。

2.关键技术问题

(1) 综合优化控制策略和算法实时性研究

       由于农配网负荷波动大，加上潮流变化影响，配变出口电压质量、三相电流不平衡度和功率因数也在发生变化。设计合适的实时控制策略，是保证系统获得理想控制效果的关键。以电能质量参数为约束条件，以最小补偿功率为目标函数，建立系统优化数学模型，设计实时优化算法，实现补偿电流实时优化控制，从而实现电能质量综合优化控制。

(2) 有源/无源容量优化设计

       综合考虑控制效果和经济性要求，结合电压波动范围、功率因数。谐波含量、三相不平衡度等多种约束条件，设计有源/无源部件容量优化算法，获得理想的容量比例，在保证控制效果的前提下，提高系统性价比并扩大其推广应用。

(3) 系统设计与检测技术研究

       系统设计技术是基于多目标要求的协同设计技术和优化设计技术。采用MATLAB开发顶层设计软件，并与各专业设计软件进行接口，以便得出优化设计结果；系统检测技术是基于瞬时无功理论和快速傅立叶变换（FFT）的电流、电压和功率检测技术，快速分离检测信号的有功和无功分量，基波和谐波分量，从而为控制系统提供准确的时域信号和频域信号。

3.技术经济指标

(1) 10kV/0.4kV配变低压侧电压偏差：＜±7%

(2) 电流不平衡度：＜10%

(3) 功率因数：≥0.95

(4) 采用有源/无源混合结构，系统性价比高，利于推广应用