CN104135012A - 具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种补偿用户交流电压幅值功能的智能电表。该智能电表安装于电网线路与用户线路之间，包括电力电子变换模块和综合控制模块两部分。其中电力电子变换模块由整流级、逆变级、交流电压补偿变压器三部分串联构成，（在智能电表实施方式二中应省去交流电压补偿变压器）；综合控制模块由计量控制单元、整流控制单元和逆变控制单元组成。本发明在实现常规智能电表功能之外，还可以补偿智能电表的电网线路交流电压幅值偏差，使得用户线路电压满足供电标准，提高供电电能质量；同时，还可以实现无功功率就地补偿、三相有功功率就地平衡等功能，可为分布式电源和储能装置提供灵活的直流或交流接口，并实现直流或交流电能计量功能。

Description

具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表

技术领域

本发明涉及电力电子技术在配电系统中的应用，具体涉及具有补偿用户线路交流电压功能的智能电表。

背景技术

随着农村居民生活水平的提高和经济的发展，居民生活用电负荷和农村种植业、养殖业、加工业等负荷快速增长，加上农村配电网建设相对滞后，部分地区电网结构不合理，造成末端用户与台区变压器超过合理的供电半径，导致末端用户在用电高峰时段电压偏低，部分用户在用电低谷时段电压偏高，其中个别用户低电压和过电压问题十分突出，严重影响了农村居民的生产和生活。该问题广泛存在于全国各个农网供电地区。现阶段主要的解决方法包括增设台区、供电线路改造等方法，但是增设台区方法存在台区选址问题，供电线路改造方法会进一步增加线路容载比，造成巨大浪费，而且两种解决方法投资成本巨大。

随着现代电力电子技术的发展、器件成本的降低以及装置工艺的提高，现代电力电子技术得到了极大的发展，并已经在电力系统中得到了广泛的应用。使用现代电力电子技术，充分利用现有配电线路资源、深入挖掘线路供电潜力，是较为理想的选择。所以，融合了现代电力电子技术的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表成为综合性解决农网低电压问题有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供具有补偿用户线路交流电压功能的智能电表，在电网线路交流电压偏低或偏高的情况下，通过调节综合控制模块电力电子变换模块，保证智能电表用户线路电压满足供电标准，提供供电电能质量。

本发明采用以下方案实现：一种具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：包括电网线路接入端、用户接入端、电力电子变换模块和综合控制模块；所述的电力电子变换模块包括整流级、逆变级、电抗、直流电容和电压补偿变压器；所述的整流级经所述的电抗并接于所述的电网线路接入端，所述的整流级的输出端连接到所述逆变级输入端，所述逆变级输出端经所述的电压补偿变压器并接于所述的用户接入端，所述的逆变级和整流级之间并接有一直流电容；所述的综合控制模块包括计量控制单元、整流控制单元以及逆变控制单元；所述的计量控制单元用以信号采集、计量、通信、显示、按键以及协调综合控制模块各个单元的工作；所述的整流控制单元用于控制整流级的工作；所述的逆变控制单元用于控制逆变级的工作。

进一步地，所述的电力电子变换模块的整流级和逆变级部分是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相或三相结构。

进一步地，所述的电力电子变换模块的整流级经所述的并联直流电容引出一个直流电力接口，所述的直流电力接口为分布式电压或储能装置提供直流接口。

进一步地，所述的综合控制模块的计量控制单元采集包括电网线路、用户线路以及并联直流电容在内的元件的电压和电流信号，完成用户交流用电计量、分布式电源或储能装置的直流或交流电能计量功能；所述的综合控制模块的整流控制单元控制整流级维持并联直流电容的直流母线电压稳定并且实现无功功率就地补偿功能，对于三相结构的整流级来说，整流控制单元还能实现三相有功功率就地平衡的功能；所述的综合控制模块的逆变控制单元控制逆变级直接完成补偿用户交流电压幅值。

本发明的的另一种实现方案：一种具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：包括电网线路接入端、用户接入端、电力电子变换模块和综合控制模块；所述的电力电子变换模块包括整流级、逆变级、直流电容、第一电抗和第二电抗；所述的整流级输入端经所述的第一电抗连接到所述电网线路接入端，所述整流级输出端连接到所述逆变级的输入端，所述逆变级的输出端经所述的第二电抗连接到所述的用户接入端，所述逆变级和整流级之间并接有一直流电容；所述的综合控制模块包括计量控制单元、整流控制单元以及逆变控制单元；所述的计量控制单元用以信号采集、计量、通信、显示、按键以及协调综合控制模块各个单元的工作与控制；所述的整流控制单元用以控制整流级的工作；所述的逆变控制单元用以控制逆变级的工作。

进一步地，所述的电力电子变换模块的整流级和逆变级部分是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相或三相结构。

进一步地，所述的电力电子变换模块的整流级经所述的并联直流电容引出一个直流电力接口，所述的直流电力接口为分布式电压或储能装置提供直流接口。

进一步地，所述的综合控制模块的计量控制单元采集包括电网线路、用户线路以及并联直流电容在内的元件的电压和电流信号，完成用户交流用电计量、分布式电源或储能装置的直流或交流电能计量功能；所述的综合控制模块的整流控制单元控制整流级维持并联直流电容的直流母线电压稳定并且实现无功功率就地补偿功能，对于三相结构的整流级来说，整流控制单元还能实现三相有功功率就地平衡的功能；所述的综合控制模块的逆变控制单元控制逆变级直接完成补偿用户交流电压幅值。

进一步地，所述的智能电表可以将三相电网线路合并为单相线路为用户线路供电，也可以将单相电路分为三相线路为用户线路供电。

本发明除具有通常智能电表的优点之外，相对于现有技术，还具有以下优点：

补偿用户交流电压幅值功能。当电网线路交流电压超出供电电压限值的国家标准（供电电压幅值偏差高于7%或低于-10%），可使用户线路电压仍然维持在供电电压限值的国家标准范围内，为用户提供质量合格的电能。

具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表的电力电子变换模块使用全控型电力电子开关器件（IGCT、IGBT或POWER MOSFET等开关器件），该器件不同于可控硅（晶闸管）等半控型电力电子开关器件，具有良好的电气性能和控制性能，可以快速开通和关断器件。

整流级和逆变级是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相或三相结构。在综合控制模块的正弦脉冲宽度调制控制策略下，整流级和逆变级产生的波形非常接近正弦波，开关频率越高，最低次谐波次数越高，可大幅减小滤波器的体积和容量，可减小电网线路交流电压和用户线路交流电压的谐波含量，同时可降低滤波器上的损耗；

由于使用在整流级和逆变级中的全控型电力电子开关器件和全桥或半桥型结构具有良好的电气性能和灵活的控制性能，所以可以实现对电网线路、用户线路以及直流电力接口的交流和直流的电压和电流进行灵活且精确地控制。一方面，该智能电表可以控制电网线路的交流电压和电流，进而控制和调整电网线路的无功功率和三相有功功率，实现无功功率就地补偿、三相有功功率就地平衡功能，另一方面，该智能电表可以控制整流级的直流电压，为分布式电源和储能装置提供灵活的直流电力接口等功能。

本方案所设计的智能电表可以补偿用户交流电压幅值，同时会比常规智能电表拥有更灵活的控制功能和更丰富的接口功能。

附图说明

图1为本发明具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表的一种具体实施方式的结构一示意图。

图2为本发明具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表的一种具体实施方式的结构二示意图。

[主要组件符号说明]

图1中：100为智能电表，101为电网线路，102为用户线路 ，103为电力电子变换模块 ，104为综合控制模块 ，105为电抗 ，106为整流级 ，107为直流电容 ，108为逆变级 ，109为电压补偿变压器 ，110为直流电力接口 ，111为整流控制单元 ，112为逆变控制单元，113为计量控制单元；

图2中：200为智能电表 ，201为电网线路 ，202为用户线路 ，203为电力电子变换模块 ，204为综合控制模块 ，205为第一电抗 ，206为整流级 ，207为直流电容 ，208为逆变级 ，209为第二电抗 ，210为直流电力接口 ，211为整流控制单元 ，212为逆变控制单元，213为计量控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域的技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手续、元件和电路未做详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表的具体实施方式有两种结构，分为部分功率变换结构和全功率变换结构，分别如图1和图2所示。

实施例一

在本实施例中，以部分功率变换结构为例来进行具体实施方式说明，如图1所示。

该具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，安装于电网线路101与用户线路102之间，其主要部分包括电力电子变换模块103和综合控制模块104两大部分。

其中电力电子变换模块103由整流级106、逆变级108、交流电压补偿变压器109三部分串联构成。

整流级106和逆变级108是是由全控型电力电子开关器件并联直流电容107构成的全桥或半桥型单相或三相结构，具体实现结构有单相半桥结构、单相全桥结构、三相半桥结构、三相全桥结构等；全桥与半桥结构相比，全桥结构的电压利用率更高；

整流级106和逆变级108共用同一组正负直流母线，其并联直流电容107位于的正负直流母线间，该直流母线可为分布式电源和储能提供直流接口；

整流级106与电网线路101之间需要串联一个电抗器105；

交流电压补偿变压器109完成电位隔离和能量传送功能。

综合控制模块104由计量控制单元113、整流控制单元111和逆变控制单元112组成。

计量控制单元113主要完成信号采集、计量、通信、显示、按键等智能电表的基本功能，同时协调综合控制模块104各个单元的工作与控制；

整流控制单元111主要完成维持并联直流电容的直流母线电压稳定的功能，还可以完成无功功率就地补偿功能；对于三相结构的整流级，整流控制单元111还可以完成三相有功功率就地平衡的功能；

逆变控制单元112直接完成补偿用户交流电压的控制功能；

整流控制单元111和逆变控制单元112均可采用正弦脉宽调制技术（SPWM）来控制整流级106和逆变级108。

本发明是具有补偿用户线路电压功能的智能电表的部分功率变换结构实施方式，如图1所示，在实现通常智能电表功能的基础上，实现补偿用户线路交流电压的功能。

在当电网线路101交流电压偏低时，计量控制单元113协调综合控制模块104各个单元的工作与控制，整流控制单元111控制整流级106，逆变控制单元112控制逆变级108，实现整流级106向逆变级108传递能量，此时，电网交流能量从整流级106流入，转换为并联直流电容107两端的正负直流能量，然后经逆变级108转换为与用户线路交流电压同向的补偿电压，通过交流电压补偿变压器109的变换和隔离，使用户线路102交流电压被补偿达到国标要求（供电电压幅值偏差低于+7%且高于-10%）；

在当电网线路101交流电压偏高时，计量控制单元113协调综合控制模块104各个单元的工作与控制，整流控制单元111控制整流级，逆变控制单元112控制逆变级，实现从逆变级108向整流级106传递能量，此时，逆变级108产生与用户线路交流电压反向的补偿电压，通过交流电压补偿变压器109的变换和隔离，使用户线路102交流电压被补偿达到国标要求（供电电压幅值偏差低于+7%且高于-10%），逆变级108吸收的交流能量转换为并联直流电容107两端的正负直流能量，最后通过整流级106回馈交流电网。

实施例二

在本实施例中，以全功率变换结构为例来进行具体实施方式说明，如图2所示。

该具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，安装于电网线路201与用户线路202之间，其主要部分包括电力电子变换模块203、综合控制模块204两大部分。

电力电子变换模块由整流级206、逆变级208两部分串联构成。

整流级206和逆变级208结构与部分功率变换结构的整流级106和逆变级108相似（如图1所示），为简洁起见，此处不另赘述。不同的是，整流级206与电网线路201之间需要串联电抗器205，逆变级208与用户线路202之间需要串联电抗器209。所述的全功率变换结构的智能电表还可以实现将三相电网线路合并为单相线路为用户线路202供电、将单相电网线路分成三相线路为用户线路202供电等功能。

综合控制模块204由计量控制单元213、整流控制单元211和逆变控制单元212组成，其功能与实施例一中部分功率变换结构的综合控制模块104功能相似（如图1所示），为简洁起见，此处不另赘述。不同的是，逆变控制单元212完成用户线路202的交流电压的全功率逆变控制功能。

在当电网线路201交流电压偏低或偏高时，计量控制单元213协调综合控制模块204各个单元的工作与控制，整流控制单元211控制整流级206，逆变控制单元212控制逆变级208，实现从整流级206向逆变级208传递能量，此时，电网交流能量从整流级206流入，转换为并联直流电容207两端的正负直流能量，逆变级208直接产生符合国标要求（供电电压幅值偏差低于+7%且高于-10%），为用户线路202供电。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离后附权利要求书所界定的本发明精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。 

Claims (9)

1.一种具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：包括电网线路接入端、用户接入端、电力电子变换模块和综合控制模块；所述的电力电子变换模块包括整流级、逆变级、电抗、直流电容和电压补偿变压器；所述的整流级经所述的电抗并接于所述的电网线路接入端，所述的整流级的输出端连接到所述逆变级输入端，所述逆变级输出端经所述的电压补偿变压器并接于所述的用户接入端，所述的逆变级和整流级之间并接有一直流电容；所述的综合控制模块包括计量控制单元、整流控制单元以及逆变控制单元；所述的计量控制单元用以信号采集、计量、通信、显示、按键以及协调综合控制模块各个单元的工作；所述的整流控制单元用于控制整流级的工作；所述的逆变控制单元用于控制逆变级的工作。

2.根据权利要求1所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的电力电子变换模块的整流级和逆变级部分是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相或三相结构。

3.根据权利要求1所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的电力电子变换模块的整流级经所述的并联直流电容引出一个直流电力接口，所述的直流电力接口为分布式电压或储能装置提供直流接口。

4.根据权利要求1所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的综合控制模块的计量控制单元采集包括电网线路、用户线路以及并联直流电容在内的元件的电压和电流信号，完成用户交流用电计量、分布式电源或储能装置的直流或交流电能计量工作；所述的综合控制模块的整流控制单元控制整流级维持并联直流电容的直流母线电压稳定并且实现无功功率就地补偿，对于三相结构的整流级来说，整流控制单元还能实现三相有功功率就地平衡；所述的综合控制模块的逆变控制单元控制逆变级直接完成补偿用户交流电压幅值。

5.一种具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：包括电网线路接入端、用户接入端、电力电子变换模块和综合控制模块；所述的电力电子变换模块包括整流级、逆变级、直流电容、第一电抗和第二电抗；所述的整流级输入端经所述的第一电抗连接到所述电网线路接入端，所述整流级输出端连接到所述逆变级的输入端，所述逆变级的输出端经所述的第二电抗连接到所述的用户接入端，所述逆变级和整流级之间并接有一直流电容；所述的综合控制模块包括计量控制单元、整流控制单元以及逆变控制单元；所述的计量控制单元用以信号采集、计量、通信、显示、按键以及协调综合控制模块各个单元的工作与控制；所述的整流控制单元用以控制整流级的工作；所述的逆变控制单元用以控制逆变级的工作。

6.根据权利要求5所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的电力电子变换模块的整流级和逆变级部分是由全控型电力电子开关器件并联直流电容构成的全桥或半桥型单相或三相结构。

7.根据权利要求5所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的电力电子变换模块的整流级经所述的并联直流电容引出一个直流电力接口，所述的直流电力接口为分布式电压或储能装置提供直流接口。

8.根据权利要求5所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的综合控制模块的计量控制单元采集包括电网线路、用户线路以及并联直流电容在内的元件的电压和电流信号，完成用户交流用电计量、分布式电源或储能装置的直流或交流电能计量工作；所述的综合控制模块的整流控制单元控制整流级维持并联直流电容的直流母线电压稳定并且实现无功功率就地补偿，对于三相结构的整流级来说，整流控制单元还能实现三相有功功率就地平衡的；所述的综合控制模块的逆变控制单元控制逆变级直接完成补偿用户交流电压幅值。

9.根据权利要求5所述的具有补偿用户交流电压幅值功能的智能电表，其特征在于：所述的智能电表能将三相电网线路合并为单相线路为用户线路供电，也能将单相电路分为三相线路为用户线路供电。