一種實用的智能交流電網(wǎng)節(jié)電裝置

梁忠民 劉再略

（珠海市宏蘭節(jié)電技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 珠海 519001）

1 引言

大多數(shù)交流電力網(wǎng)中均不同程度地存在著“雨傘效應(yīng)”現(xiàn)象?！坝陚阈?yīng)”現(xiàn)象就是以電廠或變電所為中心向遠端（包括供電環(huán)網(wǎng)中的理論最遠點）輸送電力能源時，為使終端電壓達到標準規(guī)定，必須提高處于中心位置電源的初始電壓，導致距離該電源越近的區(qū)域用戶得到的端電壓越高；反之如果電網(wǎng)始發(fā)端附近的用戶電壓越合乎標準要求，則同一電網(wǎng)遠端的電壓就越低；而且這些電壓是隨著電網(wǎng)電流的改變而變化的。目前，大多數(shù)用戶變壓器的分接端子是按照電網(wǎng)的設(shè)計容量最大值一次性調(diào)試固定的，無法解決電網(wǎng)遠端負荷電流大幅度改變引起的電能浪費問題。實際上，在那些距離電廠或變電站較近的用電場所中，“雨傘效應(yīng)”現(xiàn)象使大多數(shù)用電器具得到的電源電壓都遠高于其額定電壓，令其長期處在過壓運行的狀態(tài)中，日積月累造成大量的電能浪費；另外，多數(shù)高壓大功率電動機在運行中，尤其是在拖動低密度介質(zhì)的機械負載（例如風機、液泵等等）過程中，經(jīng)常會因為無法按需求隨時降低那部分所不需要的輸出功率，隨著時間的積累而導致大量的電能浪費。在此種情形之下，交流穩(wěn)壓電源是無法解決浪費(節(jié)能)問題的。

一種實用的智能交流電網(wǎng)節(jié)電裝置（簡稱裝置）。裝置的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由無觸點調(diào)壓單元TY、自動旁路單元PL和控制單元KZ組成。能夠通過計算機控制器KZ，按需適時調(diào)整電網(wǎng)參數(shù)，達到節(jié)電目的。應(yīng)用于區(qū)域電網(wǎng)的本裝置還可以利用網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)交流智能電網(wǎng)柔性輸電的部分目標。裝置采用以變壓器為核心的無觸點有載調(diào)壓技術(shù)，輸出波形無畸變，不會產(chǎn)生諧波污染，使電網(wǎng)所帶負載更加安全、可靠、環(huán)保和高效；裝置具有提高電網(wǎng)功率因數(shù)、減少三相不平衡度等特點。相對于污染大、自損大、容量小、可靠性差的變頻節(jié)電技術(shù)，具有明顯優(yōu)勢。該技術(shù)經(jīng)過多年的研究發(fā)展已經(jīng)日臻完善和成熟，但相對高的材料成本又使其長期無法大面積推廣應(yīng)用。伴隨著低碳經(jīng)濟時代的到來，在電網(wǎng)及其負載設(shè)備的節(jié)電改造工作中以“合同能源管理”的結(jié)算模式所建立的融資渠道，使之獲得大面積推廣成為可能。

圖1 裝置的拓撲結(jié)構(gòu)

2 工作原理及應(yīng)用舉例

2.1 裝置的核心電氣結(jié)構(gòu)

TY單元的核心電路舉例如圖2所示，特殊的三相自耦變壓器[1]（或擁有電壓線圈的三相電抗器）的某相的電壓線圈N1及電流線圈N2與另外兩相的電壓、電流線圈分別纏繞在互為磁通回路的三個鐵心柱上面，六組線圈之間具有自感、互感，所形成的各相電流線圈的總電感量L2對主回路中的大能量高頻瞬變具有感抗作用。矢量分析表明，與輸出電壓U0同相位的自感電勢?U與輸入電壓Ui的相位差是180°，?U會在L2上感生出滯后U090°的電流?i，?i共滯后于Ui270°亦即?i超前Ui90°，為容性電流，它可以補償負載電流Ii中的部分感性電流。故裝置具有瞬時提高負載功率因數(shù)的作用。此外，運行中三相鐵心中磁通的矢量和始終為零，使輸出電流具有抑制輸入三相不平衡的效果。

圖2 TY單元核心電路舉例

2.2 應(yīng)用實例及其原理

圖3的電路例舉了裝置在0.4kV以下電網(wǎng)電壓的調(diào)壓方案[2]。裝置進入節(jié)電調(diào)壓狀態(tài)之前系統(tǒng)默認的自動旁路單元PL是旁路狀態(tài)，即J1閉合J2開路，在只有一個單獨電動機負載的情況下，應(yīng)使電動機先行全壓啟動。之后，裝置在外圍條件許可后才會進入節(jié)電狀態(tài)，即將電流線圈N2兩端的電壓調(diào)出一個擋位壓差，至此，調(diào)壓機構(gòu)開始運行。對于區(qū)域電網(wǎng)的綜合負載而言，則KZ會直接視外圍條件來決定是否開始進入節(jié)電調(diào)壓狀態(tài)。為降低成本，采用多抽頭自耦變壓器為調(diào)壓單元TY，當調(diào)整調(diào)換每個抽頭使N1上的電壓變化量相對輸入電壓Ui為1%或更小時，可粗略視為連續(xù)調(diào)整輸出電壓U0，U0=Ui-?U，其中?U=Ui[N2/(N1+N2)]，故U0=Ui{1-[N2/(N1+N2)]}，當TY中固態(tài)繼電器SSR(Solid State Relay)開關(guān)元件矩陣由控制程序選擇接通了N1的某一擋位抽頭時，則?U為一個定值。三相SSR選擇按指令及交流零點切換的元件，以保證系統(tǒng)的安全性。從圖4可以看出，調(diào)整SSR開關(guān)的實質(zhì)是在移動三相中性點的位置，達到動態(tài)調(diào)壓目的。

圖3 裝置在0.4kV電網(wǎng)的方案舉例

圖4 SSR開關(guān)的調(diào)整實質(zhì)是移動中性點

2.3 無觸點有載安全調(diào)壓的過程

為使裝置在電壓調(diào)整過程中不產(chǎn)生較大的電壓跳變，采用交流無觸點開關(guān)在交流過零點進行有載切換操作是重要的措施之一。例舉電路的結(jié)構(gòu)如圖5，同一時刻應(yīng)只有一個擋位的SSR開關(guān)被接通，使初級線圈形成中性點回路，其余的檔位開關(guān)處在斷開狀態(tài)。有載切換必須循序漸進，例如從第①擋K1閉合(↓)換到第②擋K2閉合(↓)操作換擋的順序應(yīng)當是：a、K12↓；b、K2↓；c、K1斷開(↑)；d、K12↑。相反，從第②擋K2↓換到第①擋K1↓的順序則是：a、K12↓；b、K1↓；c、K2↑；d、K12↑，以此類推并且每一步的操作都必須經(jīng)過KZ的確認，才能執(zhí)行下一步動作，否則將會出現(xiàn)安全問題。R01－Rn的阻值和功率由擋位壓差u與GB的低壓側(cè)最大電流值i的比值來確定，各電阻器的接通時間只有幾十毫秒，其冷態(tài)阻值和功率的設(shè)計余量要恰當，且電感量越小越好。在抽頭均勻的調(diào)壓器中，擋位壓差u相同，R01－Rn各電阻的計算阻值和功率相同；在抽頭匝數(shù)漸變的自耦變壓器中，擋位壓差u不同，各電阻的計算阻值和功率的計算結(jié)果略有不同。SSR電子開關(guān)K0－Kn要選擇耐壓值高于低壓側(cè)最高電壓一定比例、標稱電流為i的3－5倍且其弱電控制回路與主回路間一定是由光電耦合器隔離控制動作的元件。

圖5 無觸點有載安全調(diào)壓的過程示意圖

2.4 不間斷供電自動旁路退出機制

圖5中第0擋開關(guān)K0直接跨接于GB初級線圈L1的兩端。當控制器KZ發(fā)出使裝置進入旁路狀態(tài)的指令時，無論當時處于任何擋位位置的SSR元件組被接通的狀態(tài)，系統(tǒng)都將會快速反應(yīng)，逐級降擋，最終K0被接通，開始執(zhí)行旁路動作。L1兩端被K0短路期間，GB的初級電壓UK=0，也會使GB的線圈L2電壓?U=0。此時令旁路開關(guān)JP閉合，然后斷開省電開關(guān)JS，這使我們能夠在裝置正常運行期間，隨時悄然將串聯(lián)于供電回路中的裝置成功地退出運行。該設(shè)計使異常情況或必要時讓裝置退出節(jié)電狀態(tài)更為靈便，這對于智能電網(wǎng)而言是非常重要的。我們也可利用這一點，把可以隨時退出的調(diào)壓單元制作成推車式結(jié)構(gòu)，在不中斷對外供電的情況下將其從電柜中拖出來進行維護。其中JP和JS在低壓系統(tǒng)中可以使用SSR元件，在高壓系統(tǒng)中則可換用電控高壓真空斷路器。

2.5 外圍取樣信號、閉環(huán)控制信號及系統(tǒng)自診斷信號處理

裝置需要對外部物理參數(shù)的狀態(tài)進行取樣，經(jīng)過標準傳感器接口以便滿足閉環(huán)控制、顯示等需要；對于每個SSR開關(guān)，都應(yīng)配接標稱電壓略大于開關(guān)元件耐壓的真空放電管或壓敏電阻保護電路；對于裝置中的每一個執(zhí)行元部件及每個高、低壓開關(guān)的操控執(zhí)行動作前、后的電氣效果，均須使用相應(yīng)傳感變送器以數(shù)字信號方式向KZ提供能夠形成的內(nèi)部自診斷結(jié)果的回饋信號，其中還應(yīng)包含涉及電氣安全警戒的中斷及緊急旁路的指令信號，以便KZ依此執(zhí)行下一步程序；高壓電網(wǎng)中采用多級串聯(lián)方案（圖7）的裝置，應(yīng)設(shè)計與中心控制器進行各調(diào)壓單元協(xié)調(diào)優(yōu)化運行的通信渠道。

3 裝置用于3.3－35kV高壓電網(wǎng)的技術(shù)措施

限于SSR器件的技術(shù)參數(shù)目前只在低壓大電流范圍內(nèi)相對穩(wěn)定可靠，用于線電壓介乎3.3－35kV高壓電網(wǎng)中裝置的舉例電路如圖6所示， 采用在低壓側(cè)通過隔離變壓器GB、TY等控制調(diào)整高壓側(cè)輸出電壓U0的方案。為防止SSR電子開關(guān)被高電壓擊穿，由電源變壓器BL的繞組L4向系統(tǒng)提供低壓電源，根據(jù)相應(yīng)電壓等級的安全防護及高壓屏蔽標準設(shè)計柜體、變壓器、真空斷路器、高壓饋電線纜等部件。與低壓控制方式類似，控制單元KZ通過不斷讀取變送器送來的各高壓電流、電壓值，并與遠端傳送來的矯正參數(shù)或者存貯于系統(tǒng)中的預設(shè)參數(shù)值進行比較，做出調(diào)整?U值的大小及方向[3]（包括電壓偏高時的降壓值和電壓偏低時的升壓值）的決定。電容器C可以適當補償電網(wǎng)負荷的無功電流，并吸收電網(wǎng)中容易擊穿電子器件的高頻高能電壓。

圖6 裝置在高壓電網(wǎng)中的方案舉例

4 在高壓電網(wǎng)中實現(xiàn)裝置寬域調(diào)壓的技術(shù)方案

因大功率SSR開關(guān)參數(shù)極限的制約，在高壓電網(wǎng)中調(diào)節(jié)電壓?U范圍的最大值無法設(shè)計得足夠?qū)挿骸５趯嶋H需求中，因電網(wǎng)電壓的等級太高，即使只限于較小比例范圍的調(diào)控，裝置中的SSR器件的安全仍然受到威脅；特大功率的交流異步電動機ZM在運行中經(jīng)常出現(xiàn)所需要的輸出功率僅僅是其額定值的幾分之一，電源電壓需要調(diào)整的范圍很大。為使在這些情況下也能滿足工況要求并實現(xiàn)節(jié)電目標，如圖7所示，可以把裝置輸出的n個調(diào)壓單元，視為n個可調(diào)?U的電源，然后將這些可調(diào)電源（隔離變壓器的高壓側(cè)）相互順向串聯(lián)生成與輸入電壓Ui反相的一個新的調(diào)整電源?U（?U=?U1+?U2+…+?Un），依然以裝置的核心設(shè)計思想，實現(xiàn)U0的寬域調(diào)整要求。

圖7 裝置在高壓電網(wǎng)中實現(xiàn)寬域調(diào)壓的方案

5 實驗及結(jié)論

依據(jù)圖3裝置的基本結(jié)構(gòu)，于2009年試制一臺標稱容量為350kVA/400V的低壓節(jié)電裝置，采用帶有LCD顯示器的型號為ECCD-1208BRC的PLC為控制器的核心，并按要求編制內(nèi)部監(jiān)控程序；自耦變壓器的最大降壓比例10%，分為10個擋位切換，調(diào)壓變壓器的最大容量為35kVA，次級線圈面積及裝置主回路的斷路器和旁路接觸器按照400V/600A設(shè)計；所切換的十個抽頭擋位均使用三相120A/400V帶散熱器的SSR開關(guān)（型號：GJH120-W-3P），安裝調(diào)試后裝置運行平穩(wěn)。電流實驗表明，用SSR器件將三相調(diào)壓電抗器的初級L1兩端短路接通后，次級L2上的電壓為零。在兩端跨接600V放電管后反復動態(tài)切換，各SSR開關(guān)無一被擊穿損壞。裝置分別被接入功率不小于50kW的電熱絲、路燈、風機電動機等負載，均達到預想效果。圖8是漿泵電動機接入裝置后輸出的負載特性曲線。

圖8 用裝置控制使?jié){泵的輸出特性變得更硬

試驗運行時在攪拌池的漿液中徐徐加入干粉，可見在本裝置的直接驅(qū)動下，電動機的負載特性隨著介質(zhì)的密度（漿液粘稠度）即阻轉(zhuǎn)矩的提高（由T7→T1），變得更硬[由U(T7)→U(T1)]了。這種阻轉(zhuǎn)矩變化在實踐中是隨時發(fā)生的、可逆的，故使用本裝置可達到動態(tài)節(jié)電的目的。試驗還說明裝置用于不同種類的綜合負載后，節(jié)電效果雖有差異但成效顯著，具有廣闊的市場前景。

[1] 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計計算方法與實踐[M].沈陽：遼寧科學技術(shù)出版社,2002:16-60.

[2] 梁忠民.低壓動態(tài)節(jié)電器:中國, ZL200620059613.3[P].2007-10-17.

[3] 江友華,顧勝堅,方勇.無觸點交流穩(wěn)壓器的特性研究及功率流分析[J].電力電子技術(shù),2007,41(8):7-9.