1、晶闸管分级电压调节器整体方案设计目 录1 应用背景 .12 装置工作原理分析 .32.1 基本原理 .32.2 取能点在负载侧工作原理分析 .42.3 取能点在电源侧工作原理分析 .62.4 小结 .73 技术指标 .74 方案设计 .94.1 一次设计 .94.2 二次设计 .13版本记录时间 创建 版本 备注2016.3.13 黄 杰 Ver1.0 创 建2016.4.4 龙云波 Ver1.1 增加内容2016.4.5 黄 杰 Ver1.22016.8.2 龙云波 Ver2.01 应用背景近年来，随着县域经济发展和城镇化水平不断提高，尤其是社会主义新农村建设和“家电下乡”等惠农政策的出台，
2、加之农村地区加工业的蓬勃发展，致使农村地区电力供需平衡偏紧，以至于在用电高峰时段，部分地区的用户端电压偏低，给农户的日常生产和生活带来了极大的困扰，造成了严重制约当地农村社会经济发展的低电压问题。而根据国网公司相关部门的统计，在国网公司经营区内农村的低电压用户共有 847.6 万户，占到农村总用户数的 3.75%，由此可见低电压问题已具有一定的普遍性，需要供电部门予以重视，并通过有效的技术手段予以解决。目前，面都低电压问题所采取的应对措施主要有以下几种：（1） 增加供电电源通过在低电压问题集中的地区新建变电站以增加供电电源，可以有效减小供电半径，从根本上解决供电用户的低电压问题。但是，变电站建
3、设资金投入巨大，建设周期较长，且由于低电压问题多发生在供电线路末端，用户较为分散，新建变电站的供电容量难以得到充分利用。因此，该方式虽能从根本上解决低电压问题，但资金投入大，见效慢，经济性差。（2） 更换供电线路，采用更大线径的线缆；利用将供电线路更换为截面积更大的导线可有效减小供电线路的阻抗，从而降低供电线路所带来的电压降落，也可从根本上解决供电用户的低电压问题。但是，由于配电系统网络复杂，供电线路众多，故更换线路所需资金投入巨大，建设周期长，经济性较差。（3） 调节供电变压器分接头通过对上级供电变压器的分接头进行调节，可以在不增加辅助设备的情况下调节线路电源端的电压，实现对供电线路末端用户
4、低电压问题的治理。但由于变压器分接头可调节范围较窄，对由供电线路过长导致线路压降过大所造成的供电用户低电压问题治理效果欠佳。（4） 采用无功补偿装置通过并联补偿装置可在不影响线路正常运行的情况下，通过无功电流的注入，减小供电线路的阻抗，降低线路上的电压降落，进而达到对供电用户低电压问题的治理。若并联补偿装置为采用电力电子全控开关技术的设备，则装置的补偿精度高，响应快。但是，由于补偿效果受线路自身阻抗的制约，且在部分工况下会增大线路输送的无功功率，影响了无功补偿对低电压问题的治理效果；此外，对于采用电力电子全控开关技术的设备，由于开关器件的限制，当设备应用于高压配电系统时，势必将增加设备的成本及
5、技术实施的复杂性。（5） 利用可控串补来补偿线路压降利用可控串补可调节线路的等效阻抗，减小线路压降，也能达到提高线路末端用户电压的目的，且由于采用电力电子技术，具有补偿精度高，响应速度快的特点。但是，该方式同样受到电力电子器件的制约，当设备应用于高压配电系统时，势必将增加设备的成本及技术实施的复杂性，因此难以在高电压配电系统中推广。表 1 低电压问题治理措施优缺点比较治理措施 优 点 缺 点增加供电电源 根本解决低电压问题 投资大、见效慢、经济性差（电源负载率低）更换供电线路线缆 根本解决低电压问题 投资大、见效慢、经济性差（线路日常传输功率低）调节变压器分接头 基本不用新增设备 人工调节相应
6、速度慢，电压调节范围有限采用无功补偿装置 并联补偿，不影响线路正常运行，补偿响应快 补偿效果受线路阻抗影响，增加线路输送的无功功率，受器件技术限制利用可控串补 响应速度快，补偿精度高 受电力电子器件限制，难以用于高电压配电系统，且设备成本较高晶闸管分级电压调节器响应速度快，不受电力电子器件耐压限制，成本低，经济性好分级补偿，补偿精度略差晶闸管分级电压调节器通过多抽头的取能变压器将补偿装置的工作电压降至低压侧，通过晶闸管来控制取能变压器分接头的投切，在保证补偿精度的前提下实现了对负载电压的分级补偿，解决了电力电子器件耐受电压的限制问题，保证了装置的动态响应性能，降低了装置的制造成本。此外，装置通
7、过串联变压器直接输出电压实现对负载电压的补偿，其补偿方式更为直接，效果也与并联无功补偿相比更加明显。上述优势使该设备与其它低电压治理方式相比，具有更加广阔的应用前景。2 装置工作原理分析基本原理晶闸管分级电压调节器串联在系统供电线路和负荷之间，补偿配电网线路由于线路较长或分布式能源接入引起的电压降落，提高电力系统可靠性和负荷供电质量。晶闸管分级电压调节器主要由并联取能变压器 T1、串联接入变压器T2、晶闸管阀 SCR2、旁路开关 QF 和控制系统组成。UloadUsysQFT1UcompVp1Vp2Vp3SCR2负 载T2图 1 晶闸管分级电压调节器主电路示意图当供电线路电压 Usys发生电压
8、降落时，并联取能变压器 T1从电网取能，通过晶闸管控制变压器抽头输出同相的补偿电压 Ucom，经过串联接入变压器 T2叠加到欠压相上，使负荷侧电压 Uload保持稳定，确保负荷安全运行。为简化分析，在下面的工作原理分析中做如下假设和简化：1）并联取能变压器 T1和串联变压器 T2均为理想变压器，其不会在串联线路中产生电压降落，也不会在电压变换中产生功率损耗，即并联取能变压器原边从系统吸收的取能功率等于串联变压器通过线路向系统注入的补偿功率。2）所补偿的负载为恒阻抗负载，即在整个分析过程中可将其简化为阻值恒定不变的阻抗元件。此外，从图 1 的晶闸管分级电压调节器主电路可以看出，取能变压器原边的取
9、能点可以在负载侧，也可以在电源侧，这也使整个装置的工作状态略有不同，现对这两种状态分别进行分析。2.2 取能点在负载侧工作原理分析当并联取能变压器原边的取能点在负载侧时，晶闸管分级电压调节器补偿时的工作简化电路如图 2 所示。XLUS UT ULoadXLoadUcomUlowk2k1IsIcomIloadIlowUL图 2 晶闸管分级电压调节器工作原理简图（负载侧取能）根据图 2 所示的电路图，可以得到系统电压 Us、线路压降 UL、晶闸管分级电压调节器补偿 Ucom和负载电压 Uload之间的关系为（1）sLcomladsLcomladIX设并联取能变压器和串联变压器的变比分别为 k1 和
10、 k2，则有（2）1loadlwcmIkU（3）2collwsI由式（2）和（3）可得（4）21comskII同理可得（5）21comloadkU根据系统电流 Is、负载电流 Iload以及并联取能变压器的输入电流 Icom三者关系，可得（6）21scomladsloadkIII即（7）12sloadkII将式（7）代入式（1） ，可得（8）1 12 2()LsloadLcomladloadcmlkkXUIXUU令 ，并将式（5）代入式（8） ，可得LloadK（9）212()Ls loadkKUU从式（9）可以看出，当系统电压降低，电压幅值降低至系统额定电压 Un的 K（0K1）倍时，要保证
11、负载电压 Uload的幅值不变，晶闸管分级电压调节器通过控制晶闸管的投退来调节取能变压器副边抽头，即改变并联取能变压器的变比 k1，从而通过串联变压器电压补偿，保证负载电压维持在系统额定电压Un附近。2.3 取能点在电源侧工作原理分析XLUS UT ULoad XLoadUcomUlowk2k1IsIcomIloadIlowUL图 3 晶闸管分级电压调节器工作原理简图（电源侧取能）当变量取能变压器的取能点安装在电源侧时，其分析与在负载侧取能类似，根据图 3 的工作原理简图，可得（10）1lowTlcmIUk（11）2collwadI根据式（10）和（11） ，得（12）21comloadkII
12、故有（13）2121scomladloadl loadkkIIII同样可得（14）2211()comTsLkUIX由于在图 3 的电路中，式（1）仍成立，将式（13）和式（14）代入，得（15）21()Ls loadKkU从式（15）可以看出，当系统电压降低，电压幅值降低至系统额定电压 Un的 K（0K1）倍时，和装置取能点在负载侧一样，也可以通过控制晶闸管来调节 k1的取值，进而达到补偿负载电压保持在在系统额定电压 Un附近。但是，式（15）和式（9）相比较，当取能点在电源侧时，取能变压器变比 k1和系统电压 Us之间为二次方关系，从而增加了补偿控制算法的难度。2.4 小结综合上述分析，将并
13、联取能变压器的取能点设计在负载侧，虽然在同等运行情况下增加了串联变压器的容量，但由于其补偿算法更容易实现，且装置的运行也更加稳定。在无特殊设计要求的前提下，应优先采用取能点在负载侧的方案来开展设备主电路设计。3 技术指标晶闸管分级电压调节器的设计条件以及到达到的主要功能如表 2 所示。表 2 晶闸管分级电压调节器设计条件补偿容量94.5kVA（315kVA*0.3） 10kV额定输入电压 10kV额定电压补偿范围 -60%-90%Un额定输入电流 6A输入额定输入频率 50Hz5Hz单相额定输出电压 030%Ui(三档调节)输出输出频率 同系统频率过载能力 1.3 倍过载电流长期，1.5 倍过
14、载电流 10s，2In 输出速断保护。单相、三相对地电压跌落校正能力 0.3pu，长期三相输入电压分级补偿范围 0.1pu诊断 开机自检，运行中实时检测诊断控制运行保护功能 主要包括：输入侧和输出侧过/欠压，输入侧和输出侧过流、过载、短路，防雷、变压器超温保护、SCR 驱动保护、单元过温保护、通信故障等保护效率 0.97显示功能触摸屏，液晶屏数字显示输入电压、电流、功率、功率因数，输出电压、电流、功率、功率因数、频率、故障信息等通讯 RS485/工业以太网运行温度 -20+50海拔 01500 米（超过 1500 米时需降容使用）相对湿度 0-90%（非凝结状态，含凝露控制器）抗震强度 8 级 运行环境 无导电或可致爆炸的尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽冷却方式 强制风冷噪音 85dB，1 米处测试使用条件防护等级 IP4X安装方式户内固定式EMCCISPR 11 A 级通过 GB/T 17626.21998 标准、静电放电抗干扰度 3 级试验通过 GB/T 17626.4-1998 标准、电快速瞬变脉冲群抗扰度 3 试验通过 GB/T 17626.51998 标准、冲击（浪涌）抗扰度 3 级试验
