CN105186487B - 一种用于长距离、多间隔设备供配电的电力变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于长距离、多间隔设备供配电的电力变换系统，适用于高速公路设备、远距离照明、国防监控等场合，系统主要由源端供电变换设备和远端配电变换设备组成。其中，源端供电变换设备包含源端供电变换器和源端升压变换装置。源端供电变换器用于将三相市电变换为单相50Hz交流电。源端升压变换装置，用于将供电变换器的输出电压升压到700V~1000V/ac，并以此电压等级将电能传输到远距离设备端。远端配电变换设备包含远端降压变换装置和远端精确稳压变换器。降压变换装置将主线路的高压电变换到配电变换器所承受的电压输入范围，再经远端精确稳压变换器的转换，输出精确的220V、50Hz交流电，供远端用电设备使用。

Description

一种用于长距离、多间隔设备供配电的电力变换系统

技术领域

本发明涉及电力电子变换、电能供配电领域，尤其涉及适用于为长距离、多间隔设备供配电的电力变换系统。

背景技术

随着高速公路等基础设施的改造，需要在原有用电设备基础上进行一定地扩容或者增添新型大功率用电设备，例如，每隔一定间隔增加监控设备或道路指示牌。目前，应用于长距离用电设备的供配电方案主要包括：

（1）就近配电，即：从距离用电设备最近的场所取电，电压等级在220V。

（2）从源端配电，即：首先将市电升压变换为高压电，传输到后级设备端后，经过降压变压器变换为低压电，然后直接或再经稳压器稳压，最终调整成载荷所能承受的电压等级范围。

（3）从源端以电流源形式配电，即：在源端将电网市电变换成电流形式的能量，通过导线传输到远端各设备，而各个设备以串联的形式连接，应用于机场跑道指示灯。

这三种配电方式的优缺点分别如下：

第（1）种供配电方式最为简单，从用电设备的附近场所直接取电，从而省去了电能转换的环节，但它的不足是配电距离受到限制，在长距离应用中由于传输压降影响，到达设备端的电压水平可能无法满足用电设备要求。同时这种方式很容易导致线缆被偷盗。

第（2）种供配电方式通过源端升压可以将电能配送到很远距离，同时在能量转换上都采用的是无源设备因此运行稳定，但它的问题是采用稳压器稳定的电压极容易受电网影响，同时带负载能力弱，当为千瓦级用电设备供电时发热严重。

第（3）种供恒定电流形式配电可以控制线缆上的传输损耗保持恒定，但在大功率运行条件下，控制方式复杂，系统稳定性不高。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种更加经济、安全、精确并具有报警功能的供配电设计方案，从源端以自适应调节电压形式配电，即：在源端将电网市电变换成电压形式的能量，但系统会依据传输功率的变化自适应地调节输出电压，远端各设备以并联的方式连接。

本发明通过以下技术方案实现。

一种用于长距离、多间隔用电设备供配电的电力变换系统，包括：源端变换器，用于将三相电变换成单相交流电。源端升压装置，用于将变换器输出的交流电变换成高压交流电能。远端降压装置，用于将传输线缆上的高压交流电变换成低压交流电，电压范围为后级精确稳压变换器所承受的输入电压。远端精确稳压变换器，用于将电力电能变换到设备最终需求的电压。

作为本发明的进一步改进，所述源端变换器包括三相转直流及直流转单相交流两个标准电路，还包括输出功率检测电路和输出电压调节电路；所述输出功率检测电路用于检测传输线路电流和电压，计算输出功率，依据输出功率控制所述输出电压调节电路自适应地调节电压，保证在整个配电线路上传输电流恒定并限定传输线缆损耗。

作为本发明的进一步改进，所述远端精确稳压变换器具有光纤通信接口，所述光纤通信接口连接监控摄像头，如果发生偷盗行为，所述远端精确稳压变换器通过光缆将信号传递到监控室，所述光缆连同电缆一同铺设。

作为本发明的进一步改进，所述升压装置其输出电压范围在700~1000V，保证在满足功率要求和安全配电的情况下，最大程度降低线缆成本。

作为本发明的进一步改进，在远端降压装置的输入侧增加防雷模块，用于保护用电设备、规避雷击。

作为本发明的进一步改进，在远端精确稳压变换器的输入侧增加功率因数校正电路以防止谐波注入到长距离配电母线上，从而提高的电能利用率；在远端精确稳压变换器的输出侧进行电压闭环控制，保证设备的供电电压可靠、准确。

本发明的有益效果是：本发明提出的自适应调节电压形式配送电能，结合了上述的优点，可以满足为大功率用电设备供电的要求；可以有效地控制线缆上的损耗；对电网的扰动具有很好的鲁棒性；同时可以为用电设备提供精确、稳定的电能；另外自身的开路检测功能可以防止不法分子对线路的破坏和偷盗。

附图说明

图1是源端三相市电转单相高压变换器的控制结构框图；

图2是源端依据输出配送功率来进行自适应调节电压的控制示意图；

图3是远端精确控制输出电压控制示意图；

图4是整体应用于长距离、多间隔供配电的电气示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图1所示为本发明所述的电力变换系统的源端变换器的控制框图，首先将源端（例如：高速公路变电房）三相市电通过整流变换成直流电，再经过直流到交流逆变控制（采用桥式逆变电路）变换为交流电。用霍尔传感器采集逆变电路输出的电压、电流信号，其中反馈的电压信号与参考给定信号在软件中进行PID控制，PID控制器输出的信号与双极性载波信号进行调制比较，SPWM比较电路的输出作为控制开关器件的驱动信号。同时在软件中进行输出功率运算，依据输出的功率大小进行参考给定信号的调节，进而达到调节输出电压的目的。逆变电路输出的交流电压，再经过升压变压器变换输出最终的700-1000V交流电。电能以高压形式传递到远端各个用电设备。

附图2所示为源端的自适应电压调节控制框图，为了将该套供配电方案应用到长距离、大功率负载领域，同时在此条件下又可使用成本较低的细径线缆，因此本发明提出了在源端增加输出功率检测电路和输出电压调节电路来自适应地调节源端变换器的输出电压。后台通过检测源端输出电压、电流来实时监控整条线路的配送功率。对输入电压调节电路的输出进行电压采样和电流采样，将采样值在软件中进行乘积，获得功率信号。然后根据功率值调节电压控制器输出的控制信号，使得输入电压调节电路对供电端的输出电压进行调节后输出到配电功率总线上。软件中设定若干功率等级标准，当配送功率（例如扩容或在线路上增加了大功率载荷）超过某个等级后，控制器就会相应提高相应输出电压，进而降低配送线路上的电流，减小线缆的传输损耗。控制器的主要调节依据是在整个线路扩容或较少用电设备的情况下，线缆的电流保持恒定，并依据线缆的安全规格设定最高电压上限。

附图3所示为远端精确控制用电设备供电电压的示意图，为了提高用电效率并提高输出电压精度并满足大功率载荷供电，本发明提出在前级进行功率因数校正，并在后级采用有源全控的方式控制电压。首先将功率母线的电压经过降压变压器，变换到V AC，然后通过电阻分压和分流采集输入的电压和电流信号，采用有源功率因数校正电路实现输入电流与输入电压的相位一致，同时控制输出电压到400V DC，第二级经过逆变桥式电路，将直流电逆变成恒定的220V AC，采集逆变输出的电压与参考信号进行实时的比较，来精确闭环控制输出电压。

附图4所示为本发明提出的整体供配电方案，采用本方案可以合理、经济、安全地将源端三相市电传递到较远的距离、并为多个、间隔的用电设备提供稳定、可靠、精确的电能，传输距离5km~30km。

由于本发明提出的长距离供配电系统主要是为摄像头等监控设备供电，因此在施工时电缆会连同光缆一同铺设，在远端精确稳压变换器设计中会设计一个与光纤通信的接口，设备正常开机运行后如果发生偷盗等行为，远端精确稳压变换器会通过光缆将信号传递到监控室，以示报警。

本发明的集中式供电、分布式配电的电力变换系统，适用于高速公路设备、远距离照明、国防监控等场合。所述系统主要由源端供电变换设备和远端配电变换设备组成。其中，源端供电变换设备包含源端供电变换器和源端升压变换装置。源端供电变换器用于将三相市电变换为单相50Hz交流电。源端升压变换装置，用于将供电变换器的输出电压升压到700V~1000V/ac，并以此电压等级将电能传输到远距离设备端。远端配电变换设备包含远端降压变换装置和远端精确稳压变换器。降压变换装置将主线路的高压电变换到配电变换器所承受的电压输入范围，再经远端精确稳压变换器的转换，输出精确的220V、50Hz交流电，供远端用电设备使用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于长距离、多间隔用电设备供配电的电力变换系统，其特征在于：所述电力变换系统包括：源端变换器，用于将三相电变换成单相交流电；源端升压装置，用于将变换器输出的交流电变换成配送的高压交流电；远端降压装置，用于将传输线缆上的高压交流电变换成低压交流电，电压范围为后级远端精确稳压变换器所承受的输入电压；远端精确稳压变换器，用于将电力电能变换到设备最终需求的电压；所述远端精确稳压变换器具有光纤通信接口，所述光纤通信接口连接监控摄像头，如果发生偷盗行为，所述远端精确稳压变换器通过光缆将信号传递到监控室，所述光缆连同电缆一同铺设。

2.根据权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于：所述源端变换器包括三相转直流及直流转单相交流两个标准电路，还包括输出功率检测电路和输出电压调节电路；所述输出功率检测电路用于检测传输线路电流和电压，计算输出功率，依据输出功率控制所述输出电压调节电路自适应地调节电压，保证在整个配电线路上传输电流恒定并限定传输线缆损耗。

3.根据权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于：所述升压装置其输出电压范围在700～1000V，保证在满足功率要求和安全配电的情况下，最大程度降低线缆成本。

4.根据权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于：在所述远端降压装置的输入侧增加防雷模块，用于保护用电设备、规避雷击。

5.根据权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于：在所述远端精确稳压变换器的输入侧增加功率因数校正电路以防止谐波注入到长距离配电母线上，从而提高的电能利用率；在所述远端精确稳压变换器的输出侧进行电压闭环控制，保证设备的供电电压可靠、准确。