CN108365605A - 一种低压配电网三相线路低电压治理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力电子技术，具体涉及一种低压配电网三相线路低电压治理系统及方法，配电网低电压问题产生的因素很多，主要有：三相不平衡、无功、以及线路阻抗大等因素造成。本发明有效集合多个功能系统，解决各种因素造成的低电压问题。功能系统包括串联式电压质量调节器、无源无功补偿单元、智能换相开关及系统控制器；其中串联式电压质量调节器为单相应用，可以解决低电压或者高电压问题；无源无功补偿单元由分补电容器/电感器、共补电容器/电感器构成，具有无功补偿以及三相不平衡调节功能；智能换相开关采用晶闸管和继电开关构成，智能换相开关具备避免相间短路发生的低压配网规律常态的三相不平衡调节。

Description

一种低压配电网三相线路低电压治理系统及方法

技术领域

本发明涉及低压配电网低电压电能质量问题的改善，具体涉及一种低压配电网三相线路低电压治理系统及方法。

背景技术

在低压配电网，尤其是在农村低压配电网系统，用电负荷的多样性以及复杂性造成低压配电网电能质量问题越来越突出，尤其是分布式新能源的接入，加剧了低压配电网的电压质量，在白天出现高电压，晚上出现低电压，采用传统的管理改进等方式难以收到良好的效果；低压配电网用电负荷多为单相负荷，由于用电时间差异性等因素影响，三相不平衡问题客观实时存在，三相不平衡问题严重制约变压器出力以及电压质量问题，同时造成低压配电线路损耗的增大；而且随着经济发展，非线性负荷越来越多，谐波以及无功问题也越来越突出；电力电子技术对于低压配电网电能质量问题治理，具有技术优势，但是基于电力电子技术的电能质量优化治理装置损耗大，在优化低压配电网电能质量问题的同时，造成了低压配网系统损耗率的增大，这是配电网所不允许的，存在应用局限性。

申请号201610921037.4的中国专利申请提出一种通过检测安装位置电网电压，运算比较单元输出电机驱动信号控制电机动作，使分接开关移动，通过对三相自耦变压器低压绕组匝数改变，实现电压调节的作用，调节范围为额定电压±20％；该方法存在以下缺陷：分接头在带载情况化下切换，分接头容易打火，造成拉弧，长期会造成接头烧损，而且电压调节范围较小；另外更多的出现低电压的配电台区，三相电压偏差较大；所以采用三相自耦变压器较难有效均衡解决各相电压问题，应用该场景存在一定的局限性。

申请号为201510703332.0的中国专利申请提出一种基于UPQC的串联部分以及并联部分相结合的方式以调节治理低压配电台区的低电压问题，其中并联部分有效补偿无功以及滤除谐波，串联部分稳定电压，但该方式不能解决由于三相不平衡所造成的电压偏差而出现的低电压问题；而且全补偿容量基于UPQC，不仅损耗大而且费用高，不利于在低压配电网应用推广。

申请号为201611008737.3的中国专利申请提出一种SVR自动馈线调压器，通过检测变压器原副边电压，确定是高压侧低电压还是低压侧低电压，调整调压器的原副边的变比，以实现电压调节的目的；但该方法存在缺陷是配电网往往是在变压器出口电压是不低的，但是在线路的中后端存在低电压，采用该方式调节无法有效解决线路低电压问题，而且可能或者产生新的问题。且存在与申请号为201610921037.4类似问题，由于各相负荷功率的差异性以及无功不均衡等问题，造成电压较大的不平衡所产生的低电压，难以有效均衡各相的电压。

发明内容

为有效解决低压配电网低电压的问题，本发明分析了低压配电网所有造成“低电压”的原因，基于系统化，充分考虑经济性提出一种针对低压配电网分布式新能源接入的低压配电网三相线路低电压治理系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

低压配电网三相线路低电压治理系统，其特殊之处在于：包括无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器、系统控制器、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；

所述无源无功补偿单元并联接入配电线路，并通过电流采样单元采集配电线路电流；

所述串联式电压质量调节器包括两个并联支路，一个支路为旁路单元，另一个支路为串联式电压质量调节单元；所述串联式电压质量调节器串联于配电线路中后端；

所述换相开关组串联于三相配电分支线路，介于配电变压器与负载之间；

所述系统控制器通过电流采样单元、电压采样单元与配电线路连接，采集配电线路电流与电压；

所述系统控制器通过通讯单元与换相开关组、串联式电压质量调节器、无源无功补偿单元连接。

进一步地，所述电压采样单元为三相电压互感器或电压差分采样电路，所述电流采样单元为三相电流互感器。

进一步地，所述通讯单元为微功率无线通讯单元。

进一步地，所述通讯单元为电力载波通讯单元。

进一步地，为更好的实现对低电压的治理，所述系统控制器包括运算单元及控制单元；

所述运算单元的输入端与电流采样单元及电压采样单元的输出端连接，根据采集的电压及电流计算出三相不平衡度及功率因数；

所述控制单元的输入端与电压采集单元的输出端及运算单元的输出端连接，并通过通讯单元与无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器进行信息交互；根据换相开关组上传的负荷数据得出换相开关组动作逻辑；根据配电线路电压、三相不平衡度及功率因数，控制无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器的运行。

同时，本发明还提供了基于上述的低压配电网三相线路低电压治理系统进行电压治理的方法，其特殊之处在于：

1)采集配电线路电压及电流；

2)根据所采集的配电线路电压，判断线路中后端电压是否合格，不合格执行步骤3)，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；

3)根据所采集的电流、电压计算三相不平衡度及功率因数，判断三相不平衡度是否超标，如果不超标，执行步骤4)；如果超标，由系统控制器运算得出各换相开关组动作逻辑，换相开关组投入运行；

4)判断系统功率因数是否合格，如果不合格，无源无功补偿单元投入运行，如果合格，执行步骤5)；

5)判断配电线路中后端电压是否合格，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；如果不合格，串联式电压质量调节器投入运行。

本发明与现有技术相比，优点是：

本发明的低压配电网三相线路低电压治理系统及方法，通过分析低压配电网所有造成低电压的原因，通过无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器对低电压问题进行联合治理，克服了现有电压调节系统或较难有效均衡解决各相电压问题或损耗大而且费用高，不利于在低压配电网应用推广的问题。

附图说明

图1为本发明实施例治理系统组成结构图；

图2为本发明系统控制时序图；

图3为本发明实施例无源无功补偿单元的电路结构图；

图4为本发明实施例换相开关组的开关投切单元电路结构图；

图5为本发明实施例串联式电压质量调节器电路结构图。

具体实施方式

以下对本发明进行详细说明。

在低压配电网，出现低电压主要有以下因素：

1、三相不平衡；

2、无功消耗大，功率因数低；

3、由于供电线路长，负荷在线路造成电压跌落。

本发明通过分析低压配电网低电压的产生原因，提出了针对低压配电网的三相线路低电压治理系统及方法。

如图1所示，本发明的低压三相线路低电压治理系统，包括无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器、系统控制器、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；无源无功补偿单元并联接入配电线路，通过电流采样单元采集配电线路电流；串联式电压质量调节器包括两个并联支路，一个支路为旁路单元，一个支路为串联式电压质量调节单元；串联式电压质量调节器串联于配电线路中后端；换相开关组串联于三相配电分支线路，介于配电变压器与负载之间，换相开关组具备避免相间短路发生的低压配网规律常态的三相不平衡调节。无源无功补偿单元实现无功补偿以及一定程度的三相不平衡功能，解决由于无功导致的“低电压”问题；对于在线路中后端依然存在低电压问题，串联式电压质量调节器补偿差额电压，串联式电压质量调节器为单相应用，可以解决低电压或者高电压问题，输入电压范围：AC130V～280V,输出稳定220V输出，稳压精度2％，最终实现“低电压”问题治理。系统控制器通过电流采样单元、电压采样单元与配电线路连接，采集配电线路电流与电压；通讯单元主要是通过微功率方式优化系统控制器与各功能系统进行数据通讯以及控制策略参数的下发和指令下发；系统控制器协调控制低压配电网低电压系统中串联式电压质量调节器、无功补偿无源单元、换相开关组的有序高效运行。

系统控制器包括运算单元及控制单元，运算单元的输入端与采样单元的输出端连接，根据采集的电压及电流计算出三相不平衡度及功率因数；控制单元的输入端与电压采集单元的输出端及运算单元的输出端连接，并通过通讯单元与无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器进行信息交互；根据换相开关组上传的负荷数据得出换相开关组动作逻辑；根据配电线路电压、三相不平衡度及功率因数，控制无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器的运行。

系统控制时序逻辑如图2所示。基于本发明的低压配电网三相线路低电压治理系统进行电压治理的方法，包括以下步骤：

1)采集配电线路电压、电流；

2)根据所采集的配电线路电压，判断线路中后端电压是否合格，不合格执行步骤3)，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；旁路单元投入时，就相当于不治理。

3)根据所采集的电流、电压计算三相不平衡度及功率因数，判断三相不平衡度是否超标，如果不超标执行步骤4)，如果超标，由系统控制器运算得出各换相开关组动作逻辑，换相开关组投入运行；

4)判断系统功率因数是否合格，如果不合格，无源无功补偿单元投入运行，如果合格，执行步骤5)；

5)判断配电线路中后端电压是否合格，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；如果不合格，调用串联式电压质量调节器，串联式电压质量调节器实现对“低电压”异常治理，提升供电电压，使电压合格稳定输出。

本发明中的无源无功补偿单元、换相开关组及串联式电压质量调节器本身都有较为成熟的原理，各单元的控制也都比较成熟。图3-5给出了现有的串联式电压质量调节器、无源无功补偿单元及换相开关组的相关结构图。

如图3所示，无源无功补偿单元是由共补电容器、分补电容器以及电抗器(选配)构成的无源网络，实现无功补偿以及一定程度的三相不平衡功能，解决由于无功导致的低电压问题。

换相开关组具备避免相间短路发生的低压配网规律常态的三相不平衡调节。换相开关组内部包括采样单元、运算单元、开关投切单元、控制单元及通讯单元，采集单元通过三相电流互感器采集线路负荷电流数据，本地运算单元与系统控制器协调，实现最优的控制策略；开关投切单元由晶闸管电子开关与继电开关并联，缩短开关动作时间，避免后级负荷出现停电事故；控制单元将本地采样数据以及系统控制器系统负荷数据协调控制，确定最优控制策略执行指令，换相开关与系统控制器之间通过微功率通讯。

如图4所示，开关投切单元包括串联入每相电路的换相开关单元(反并联的晶闸管电子开关以及继电机械开关并联构成)，每相电路的换相开关单元的一端并接在一起与后级低压负荷端的三相电路接线；A、B、C三相串联的换相开关单元同时只有一相处于导通状态，其余两相的换相开关均处于断开状态。系统控制器根据A、B、C各相电流，以及各分支线路的换相开关组的负荷各相电流值，确定每个换相开关组的投切方式，每个换相开关组只能将其中两相的负荷投到其它一相，优先投切最远端负荷开关。

换相开关单元导通逻辑是：首先晶闸管电子开关导通，其次并联的继电机械开关导通，最后晶闸管电子开关断开；换相开关关断逻辑：首先晶闸管电子开关导通，其次并联的继电机械开关关断，最后晶闸管电子开关断开；以上晶闸管的投切采用过零点投切。

串联式电压质量调节器：主要由串联式电压质量调节单元以及旁路单元构成，旁路单元是由晶闸管构成的电子开关以及继电开关并联构成。由串联式电压质量调节单元切换至旁路单元时，首先切换电子开关，电子开关投入时间在10ms以内，避免切换造成后级负载失电，之后机械开关投入，电子开关切除，避免电子开关长时间投入损耗发热，增加系统散热处理以及设备成本。串联式电压质量调节单元由并联变流器以及串联变流器构成，并联变流器治理系统电流型电能质量问题，具备无功补偿、谐波电流滤除；串联变流器依据系统目标电压，补偿差额部分电压，系统电压高于目标电压，装置输出与超出电压大小相等方向相反的电压，达到目标电压；若系统电压高于目标电压，装置输出与缺额电压大小相等方向同向的电压，达到目标电压。

如图5所示，串联式电压质量调节器包含二极管钳位三电平半桥功率变换单元，钳位二极管中点、直流母线中点与输入Lin连接，为串联式电压质量调节器的输入端，输入端三电平半桥功率变换单元采用LCL型滤波网络，不仅可以有效滤除开关纹波，而且避免与系统发生谐振风险；输出端三电平半桥功率变换单元采用LC滤波与后级负载连接。电感器L1一端串联入低压配电线路，另外一端与电感器L2串联，电感器L2的另外一端连接于半桥三电平的中点，电感器L1、电感器L2连接端与输入Lin之间连接电容器C1，构成LCL滤波网络；每个三电平半桥由IGBT单管Tv1、IGBT单管Tv2、IGBT单管Tv3、IGBT单管Tv4串联构成，二极管T1、二极管T2串联，两端分别跨接于IGBT单管Tv1与IGBT单管Tv2的中点以及IGBT单管Tv3与IGBT单管Tv4的中点，形成二极管钳位型三电平半桥功率变换电路；电容器组C5x、电容器组C6x分别是多个电容器并联构成的电容器组，电容器组C5x与电容器组C6x串联，电容器组的另外一端分别于逆变器的正负直流母线连接，电阻器R1跨界于电容器组C5x两端，电阻器R2跨接于电容器组C6x两端；IGBT单管Tv5、IGBT单管Tv6、IGBT单管Tv7、IGBT单管Tv8串联，二极管T3、二极管T4串联，两端分别跨接于IGBT单管Tv5与IGBT单管Tv6的中点以及IGBT单管Tv7与IGBT单管Tv8的中点，形成二极管钳位型三电平半桥功率变换电路；IGBT单管Tv6与IGBT单管Tv7的连接中点连接电感器L3的一端，电感器L3的另外一端为输出端，输出端与输入Lin之间跨接电容器C2；当输入电压在合格电压范围内或者装置电压调节单元维修状态则切换到旁路单元，旁路单元由电子开关与继电机械开关并联构成。

Claims (6)

1.一种低压配电网三相线路低电压治理系统，其特征在于：包括无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器、系统控制器、电流采样单元、电压采样单元及通讯单元；

所述无源无功补偿单元并联接入配电线路，并通过电流采样单元采集配电线路电流；

所述串联式电压质量调节器包括两个并联支路，一个支路为旁路单元，另一个支路为串联式电压质量调节单元；所述串联式电压质量调节器串联于配电线路中后端；

所述换相开关组串联于三相配电分支线路，介于配电变压器与负载之间；

所述系统控制器通过电流采样单元、电压采样单元与配电线路连接，采集配电线路电流与电压；

所述系统控制器通过通讯单元与换相开关组、串联式电压质量调节器、无源无功补偿单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种低压配电网三相线路低电压治理系统，其特征在于：

所述电压采样单元为三相电压互感器或电压差分采样电路，所述电流采样单元为三相电流互感器。

3.根据权利要求1所述的一种低压配电网三相线路低电压治理系统，其特征在于：所述通讯单元为微功率无线通讯单元。

4.根据权利要求1所述的一种低压配电网三相线路低电压治理系统，其特征在于：所述通讯单元为电力载波通讯单元。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种低压配电网三相线路低电压治理系统，其特征在于：

所述系统控制器包括运算单元及控制单元；

所述运算单元的输入端与电流采样单元及电压采样单元的输出端连接，根据采集的电压及电流计算出三相不平衡度及功率因数；

所述控制单元的输入端与电压采集单元的输出端及运算单元的输出端连接，并通过通讯单元与无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器进行信息交互；根据换相开关组上传的负荷数据得出换相开关组动作逻辑；根据配电线路电压、三相不平衡度及功率因数，控制无源无功补偿单元、换相开关组、串联式电压质量调节器的运行。

6.基于权利要求1-5任一所述的一种低压配电网三相线路低电压治理系统进行电压治理的方法，其特征在于：

1)采集配电线路电压及电流；

2)根据所采集的配电线路电压，判断线路中后端电压是否合格，不合格执行步骤3)，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；

3)根据所采集的电流、电压计算三相不平衡度及功率因数，判断三相不平衡度是否超标，如果不超标，执行步骤4)；如果超标，由系统控制器运算得出各换相开关组动作逻辑，换相开关组投入运行；

4)判断系统功率因数是否合格，如果不合格，无源无功补偿单元投入运行，如果合格，执行步骤5)；

5)判断配电线路中后端电压是否合格，如果合格，旁路单元投入，继续监测线路电压；如果不合格，串联式电压质量调节器投入运行。