智能配电网中有载调压技术及TVR的应用探讨

我国实际供电网络由于线路长、线损大、负荷分布广、分支线多，电压受昼夜负荷、季节负荷变化影响较大，配电网电压质量不合格现象十分普遍。

另外，分布式电源的利用是缓解能源危机，减少环境污染，提高供电可靠性和电能质量的关键之一。但是，新能源的并网、脱网会对电网造成冲击，使电网电压发生波动。比如，在配网终端大量接入光伏发电设备时，由于存在反向的潮流，光伏发电(Photovoltaic，PV)电流通过馈线阻抗产生的压降将使负荷侧产生的电压高于变电站侧电压;另外，PV发电功率随光照变化而变化，造成输出电流的变化导致电压波动，且光伏发电设备规模越大，电压波动越明显[1]。

电压质量是电网运行的主要技术指标之一，根据GB/T 12325-2008，20kV及以下三相供电电压偏差为标称电压的±7%。为改善供电线路电压质量，变压器调压技术在配电系统中得到了广泛应用。调压的基本原理是通过变压器一次绕组或二次绕组的加匝或减匝实现变压器电压比的变化。变压器调压通常有无励磁调压和有载调压两种方式。无励磁调压的最大缺点为不能带负荷调压。随着国民经济的快速发展，用户对电压质量的要求愈来愈高，无励磁调压变压器已不能满足用户对电压质量的要求。有载调压利用有载分接开关，在保证不切断负载电流的情况下，变换高压绕组分接头，来改变高压匝数随时对电压进行调整，以有效提高电压质量。

一、有载调压技术

有载调压最关键、最昂贵的元件为有载分接开关，其实现两项基本功能：在开路情况下“选择”一个分接头;在不中断通过电流的情况下把功率“切换”或“调换”到所选的分接头上。

有载分接开关按过度阻抗分类，分为电阻式和电抗式两种。但由于电抗式有载分接开关材料消耗多，体积大，燃弧时间长，实际应用中普遍采用电阻式有载分接开关。

按绝缘介质和切换介质分类，分为油浸式有载分接开关、油浸式真空有载分接开关和干式有载分接开关。目前系统绝大部分使用的是油浸式有载分接开关，其绝缘介质和灭弧介质均为变压器油。

按相数分类，分为单相、三相和特殊设计的(Ⅰ+Ⅱ)相。单相有载分接开关既可用于Y接，也可用于Δ接。三相分接开关各触头直接并联可作为单相分接开关使用，一般常用于220kV及以上大型变压器或由三台单相变压器组合的变压器组中。三相有载分接开关有Y接和Δ接两种，三相调压绕组经分接开关接成Y结，此类分接开关往往用于中性点调压。三相调压绕组经分接开关使变压器绕组接成Δ结，此类分接开关往往用于线端调压或中部调压。

按触点方式分类，分为有触点与无触点两种。油浸式、油浸式真空、干式等分接开关均为有触点式有载分接开关。有触点式有载分接开关对确保变压器有载调压的可靠性具有重要意义，但也存在如寿命短，动作速度慢，维护工作量大，故障率较高等问题。随着电力电子技术的发展，无触点开关为变压器有载调压系统结构的发展提出了新的方向[2]。无触点有载分接开关即电子式有载分接开关，负载从一个分接转换到另一分接时是由晶闸管来完成。由于晶闸管开关速度快、开关次数无限制，可实现调压装置免维护和无电弧快速电压调节，从根本上解决有载分接开关电气寿命短的问题。

二、有载调压产品——TVR

基于晶闸管有载调压的电压调整器——TVR(Thyristor Voltage Regulator)，是电力电子技术发展的结果，是有载调压技术发展的方向，其通过晶闸管切换改变调整变压器二次侧输出绕组的连接方式，以产生所需的调整电压，通过串联变压器输出不同大小等级的感应电压叠加到馈线主回路上，从而实现调节线路电压的目的。

TVR主要由变压器部分和控制部分两部分构成。变压器部分由带分接头的调整变压器和串联在配电线路中的补偿配电线路电压的变压器构成，其中包含检测线路电压和电流的互感器。控制装置嵌入在变压器侧面，由控制部分和晶闸管部分构成。控制部分可以选择通过事先设定的基准电压自动调整的“自动”模式和通过任意的分接头进行固定运行的“手动”模式。晶闸管部分通过连接线与调整变压器和串联变压器连接，包括切换变压器分接头的电力用半导体阀片(晶闸管)。TVR的主回路如图1。

如图2，为TVR的动作时限。TVR最快200ms的高速回应，档位切换需要时间为50ms以下。电压偏差越大越需要迅速应答，因此，抑制电压变动时，通常设置动作时限为1。

TVR动作时限根据就地动作时限曲线算出，对于电压变化过短的情况，TVR无法做出判断，因此无法进行调压。如图3，电压变化过短Δt1时，TVR不调压;电压变化Δt2时，TVR可以判断并进行相应调压操作。

TVR分接头的位置和输入输出电压的关系(基准电压10kV)，如表1。逆送电状态时，调节电压的±与顺送电时相反，红色线路构成电压调节回路。

三、TVR的应用

TVR的主要特点是能按要求自动、分级快速调节电网电压和频繁、双向调节电网电压，特别适用于长度超过10km且电压变动超过±7%的配电线路;易发生电压骤变的重负荷线路(如采石场、木材厂、冷冻机等) ，包括骤增负荷和甩负荷;逆向潮流下正常调压的分布式电源接入线路等场合。在配电网实际应用中，通常采用以下原则进行布点安装：1)配电线路电压变动超过±7%的分段节点，快速调节电压;2)出现电压骤变的重负荷进线节点，抵制电压变动;3)分布式电源并网接入节点，快速调节电压。

以某市10kV人石线配电线路为典型线路为例，说明TVR在国内10kV配电线路的应用。

表2 线路参数表

按照TVR布点安装原则，对线路数据作如下处理：容量就近整合;线路未安装电容补偿器，即线路感抗所带来的电压降不能忽略;按变压器容量近似计算得出各支线压降，如图4。

如图4所示，根据人石线线路损耗计算得出，从乳山寨变电站到40#杆及12#杆线损电压下降分别为758.56V及1150.16V，电压下降变动分别达到7.6%和11.5%，该两点电压降落差比较大，后段线路负荷多，为保证后段线路电压的合格率，因此选取该两点安装TVR，通过在该两点安装TVR后，能快速补偿电压，使电压维持在10kV±5%的范围内。

此外，TVR凭借其高可靠性、免维护、寿命长、自动化程度高等优点，在日本等国外也得到了广泛的运用，并取得了良好的运行效果。

如图6，日本的典型应用是调节电压下降用的TVR1设置于输电线中;抑制重负荷电压变动用的TVR2设置在变动负荷旁。通常，在较长配电线路或在电压突变的配电系统中装设自动电压调整装置TVR，如图7，原来末端线路电压为6.9～6.3kV，安装TVR之后末端线路电压达到6.8～6.6kV，有效地将电压维持在6.6kV±3%的范围内，明显改善当地长期供电不稳定性的状况。通过对安装过TVR的线路电压进行监控和分析，其TVR的输入输出波形图如图8所示。

如图8所示，日本配电线路电压为6.6kV，TVR的输入电压波形在△630V之间波动，通过TVR的自动调压后，输出电压波动范围明显减小，范围为△210V左右。通过实践分析说明，TVR可以有效地解决线路电压不稳定，可靠性低等问题，适合在配电线路广泛推广和使用。

四、结论

随着电力电子技术的发展，基于晶闸管有载调压的电压调整器——TVR是有载调压技术的发展方向。其能按要求自动调节配电网电压;而且没有机械动作部分，能够频繁进行电网电压调整;可双向调节电网电压，适应电网的潮流方向变化;适用于安装在10kV配电线路上，可称之为自适应电压调节器[3]。通过国内外应用实例，TVR可有效解决长线路低电压、易发生电压骤变的诸如光伏发电或重负荷线路电压、分布式电源并网/脱网带来的电网电压波动等电压偏差的控制和调整问题，提高智能配电网的供电质量，具有良好的市场应用前景。

参考文献

[1] 刘媛媛，段义隆，李佳 智能电网的配电可靠性与电能质量问题研究[J]，Proceedings of the 29th Chinese Control Conference July 29-31, 2010, Beijing, China.

[2] 黄俊杰，李晓明 电力电子有载调压装置的控制系统设计[J]，电力自动化设备，2003，23(7)：54～56.

[3]伦涛，刘连光，刘宗歧等 10kV晶闸管分级电压调节器的主电路和功能设计[J]，现代电力，2002，19(5)：31～35.