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(yuǎn)端（包括供電環(huán)網(wǎng)中的理論最遠(yuǎn)點(diǎn)）輸送電力能源時(shí)，為使終端電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，必須提高處于中心位置電源的初始電壓，導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)要求，則同一電網(wǎng)遠(yuǎn)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(jì)容量最大值一次性調(diào)試固定的，無法解決電網(wǎng)遠(yuǎn)端負(fù)荷電流大幅度改變引起的電能浪費(fèi)問題。實(shí)際上，在那些距離電廠或變電站較近的用電場(chǎng)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(yuǎn)高于其額定電壓，令其長(zhǎng)期處在過壓運(yùn)行的狀態(tài)中，日積月累造成大量的電能浪費(fèi)；另外，多數(shù)高壓大功率電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，尤其是在拖動(dòng)低密度介質(zhì)的機(jī)械負(fù)載（例如風(fēng)機(jī)、液泵等等）過程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)闊o法按需求隨時(shí)降低那部分所不需要的輸出功率，隨著時(shí)間的積累而導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。在此種情形之下，交流穩(wěn)壓電源是無法解決浪費(fèi)(節(jié)能)問題的。

一種實(shí)用的智能交流電網(wǎng)節(jié)電裝置（簡(jiǎn)稱裝置）。裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由無觸點(diǎn)調(diào)壓?jiǎn)卧猅Y、自動(dòng)旁路單元PL和控制單元KZ組成。能夠通過計(jì)算機(jī)控制器KZ，按需適時(shí)調(diào)整電網(wǎng)參數(shù)，達(dá)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(shí)現(xiàn)交流智能電網(wǎng)柔性輸電的部分目標(biāo)。裝置采用以變壓器為核心的無觸點(diǎn)有載調(diào)壓技術(shù)，輸出波形無畸變，不會(huì)產(chǎn)生諧波污染，使電網(wǎng)所帶負(fù)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(diǎn)。相對(duì)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(shì)。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(duì)高的材料成本又使其長(zhǎng)期無法大面積推廣應(yīng)用。伴隨著低碳經(jīng)濟(jì)時(shí)代的到來，在電網(wǎng)及其負(fù)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?fù)浣Y(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(gè)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(duì)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(shì)?U與輸入電壓Ui的相位差是180°，?U會(huì)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(bǔ)償負(fù)載電流Ii中的部分感性電流。故裝置具有瞬時(shí)提高負(fù)載功率因數(shù)的作用。此外，運(yùn)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(shí)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(jìn)入節(jié)電調(diào)壓狀態(tài)之前系統(tǒng)默認(rèn)的自動(dòng)旁路單元PL是旁路狀態(tài)，即J1閉合J2開路，在只有一個(gè)單獨(dú)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的情況下，應(yīng)使電動(dòng)機(jī)先行全壓?jiǎn)?dòng)。之后，裝置在外圍條件許可后才會(huì)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，即將電流線圈N2兩端的電壓調(diào)出一個(gè)擋位壓差，至此，調(diào)壓機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行。對(duì)于區(qū)域電網(wǎng)的綜合負(fù)載而言，則KZ會(huì)直接視外圍條件來決定是否開始進(jìn)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?jiǎn)卧猅Y，當(dāng)調(diào)整調(diào)換每個(gè)抽頭使N1上的電壓變化量相對(duì)輸入電壓Ui為1%或更小時(shí)，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(dāng)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(shí)，則?U為一個(gè)定值。三相SSR選擇按指令及交流零點(diǎn)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(shí)質(zhì)是在移動(dòng)三相中性點(diǎn)的位置，達(dá)到動(dòng)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(shí)質(zhì)是移動(dòng)中性點(diǎn)

2.3 無觸點(diǎn)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(diǎn)開關(guān)在交流過零點(diǎn)進(jìn)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(shí)刻應(yīng)只有一個(gè)擋位的SSR開關(guān)被接通，使初級(jí)線圈形成中性點(diǎn)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(jìn)，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(dāng)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(rèn)，才能執(zhí)行下一步動(dòng)作，否則將會(huì)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(shí)間只有幾十毫秒，其冷態(tài)阻值和功率的設(shè)計(jì)余量要恰當(dāng)，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(jì)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(jì)算阻值和功率的計(jì)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(biāo)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(dòng)作的元件。

圖5 無觸點(diǎn)有載安全調(diào)壓的過程示意圖

2.4 不間斷供電自動(dòng)旁路退出機(jī)制

圖5中第0擋開關(guān)K0直接跨接于GB初級(jí)線圈L1的兩端。當(dāng)控制器KZ發(fā)出使裝置進(jìn)入旁路狀態(tài)的指令時(shí)，無論當(dāng)時(shí)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(huì)快速反應(yīng)，逐級(jí)降擋，最終K0被接通，開始執(zhí)行旁路動(dòng)作。L1兩端被K0短路期間，GB的初級(jí)電壓UK=0，也會(huì)使GB的線圈L2電壓?U=0。此時(shí)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(yùn)行期間，隨時(shí)悄然將串聯(lián)于供電回路中的裝置成功地退出運(yùn)行。該設(shè)計(jì)使異常情況或必要時(shí)讓裝置退出節(jié)電狀態(tài)更為靈便，這對(duì)于智能電網(wǎng)而言是非常重要的。我們也可利用這一點(diǎn)，把可以隨時(shí)退出的調(diào)壓?jiǎn)卧谱鞒赏栖囀浇Y(jié)構(gòu)，在不中斷對(duì)外供電的情況下將其從電柜中拖出來進(jìn)行維護(hù)。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(hào)、閉環(huán)控制信號(hào)及系統(tǒng)自診斷信號(hào)處理

裝置需要對(duì)外部物理參數(shù)的狀態(tài)進(jìn)行取樣，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)傳感器接口以便滿足閉環(huán)控制、顯示等需要；對(duì)于每個(gè)SSR開關(guān)，都應(yīng)配接標(biāo)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(hù)電路；對(duì)于裝置中的每一個(gè)執(zhí)行元部件及每個(gè)高、低壓開關(guān)的操控執(zhí)行動(dòng)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(hào)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(hào)，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(hào)，以便KZ依此執(zhí)行下一步程序；高壓電網(wǎng)中采用多級(jí)串聯(lián)方案（圖7）的裝置，應(yīng)設(shè)計(jì)與中心控制器進(jìn)行各調(diào)壓?jiǎn)卧獏f(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)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(duì)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(jí)的安全防護(hù)及高壓屏蔽標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(yuǎn)端傳送來的矯正參數(shù)或者存貯于系統(tǒng)中的預(yù)設(shè)參數(shù)值進(jìn)行比較，做出調(diào)整?U值的大小及方向[3]（包括電壓偏高時(shí)的降壓值和電壓偏低時(shí)的升壓值）的決定。電容器C可以適當(dāng)補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)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(shí)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(jì)得足夠?qū)挿?。但在?shí)際需求中，因電網(wǎng)電壓的等級(jí)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(dòng)機(jī)ZM在運(yùn)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(shí)現(xiàn)節(jié)電目標(biāo)，如圖7所示，可以把裝置輸出的n個(gè)調(diào)壓?jiǎn)卧?，視為n個(gè)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(gè)新的調(diào)整電源?U（?U=?U1+?U2+…+?Un），依然以裝置的核心設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)U0的寬域調(diào)整要求。

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

5 實(shí)驗(yàn)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(tái)標(biāo)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(hào)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(gè)擋位切換，調(diào)壓變壓器的最大容量為35kVA，次級(jí)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(jì)；所切換的十個(gè)抽頭擋位均使用三相120A/400V帶散熱器的SSR開關(guān)（型號(hào)：GJH120-W-3P），安裝調(diào)試后裝置運(yùn)行平穩(wěn)。電流實(shí)驗(yàn)表明，用SSR器件將三相調(diào)壓電抗器的初級(jí)L1兩端短路接通后，次級(jí)L2上的電壓為零。在兩端跨接600V放電管后反復(fù)動(dòng)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(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載，均達(dá)到預(yù)想效果。圖8是漿泵電動(dòng)機(jī)接入裝置后輸出的負(fù)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(yàn)運(yùn)行時(shí)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(dòng)下，電動(dòng)機(jī)的負(fù)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(shí)踐中是隨時(shí)發(fā)生的、可逆的，故使用本裝置可達(dá)到動(dòng)態(tài)節(jié)電的目的。試驗(yàn)還說明裝置用于不同種類的綜合負(fù)載后，節(jié)電效果雖有差異但成效顯著，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

[1] 劉傳彝.電力變壓器設(shè)計(jì)計(jì)算方法與實(shí)踐[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002:16-60.

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

[3] 江友華,顧勝堅(jiān),方勇.無觸點(diǎn)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.