CN110838717B - 一种低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法，其控制系统包括系统优化控制器和多个表箱式节能治理器，所述表箱式节能治理器包括表箱体以及设于表箱体内部的具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能的有源补偿单元，所述有源补偿单元并联布置在低压配电网的变压器出线端和线路末端的线路上，所述有源补偿单元的控制端分别通过网络与系统优化控制器相连。本发明具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能，系统优化控制器作为协调控制电能替代高效节能控制系统的核心控制单元可实现各表箱式节能治理功能单元的有序高效运行。

Description

一种低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法

技术领域

本发明属于电力电子技术，涉及低压配网电能替代场景下的电能质量综合优化治理，具体涉及一种低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法。

背景技术

随着国家对环境保护的重视，大力倡导以电代煤、以电代油、以电代气等电能替代产业和技术的发展应用，在农村地区将电能替代与农业农村生产生活及农业产业现状结合、将电能替代技术应用到农村生产生活产业中，从而消除以煤或者油等为能源动力对环境造成的危害。目前，采用电能作为能源动力的农业生产生活及农业产业设备器械已经成为一种发展趋势。

但是，在实际应用中，电能替代装置相对于居民生活电器而言具有功率大、且对无功消耗较大，且其用电方式有单相与三相用电设备之分。随着电能替代装置在低压配电网的大量应用，不仅造成了较多的供用电问题，同时也造成低压配电网线损增加，给配电网运维管理造成了较大的压力。因此，电能替代场景的低压配电网高线损率、低供电品质的现状与配电网高供电可靠性和供电品质的目标要求存在较大的差距，制约了电能替代产业的发展，而采用传统的配电网节能降损方案或者电能质量优化治理，均无法同时解决线损和供电品质的问题，故亟需提出有效的低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种低压配电网电能替代高效节能控制系统及其应用方法，本发明具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能，系统优化控制器作为协调控制电能替代高效节能控制系统的核心控制单元可实现各表箱式节能治理功能单元的有序高效运行。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种低压配电网电能替代高效节能控制系统，包括系统优化控制器和多个表箱式节能治理器，所述表箱式节能治理器包括表箱体以及设于表箱体内部的具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能的有源补偿单元，所述有源补偿单元并联布置在低压配电网的变压器出线端和线路末端的线路上，所述有源补偿单元的控制端分别通过网络与系统优化控制器相连。

可选地，所述有源补偿单元包括带有二极管钳位的三电平三相桥式功率变换单元和电容器组，所述三电平三相桥式功率变换单元的直流母线之间串接有两组电容器组且其中点与低压配电网的中性点N连接，所述三电平三相桥式功率变换单元的交流输出侧依次通过逆变电感器、滤波电感器并网连接低压配电网，所述三电平三相桥式功率变换单元的控制端连接有本地控制模块，所述本地控制模块连接有本地控制通讯模块且该本地控制通讯模块通过网络与系统优化控制器相连。

可选地，所述三电平三相桥式功率变换单元的交流输出侧的并网端的任意相和低压配电网的中性点N之间均并联有LCL型滤波网络。

可选地，所述LCL型滤波网络包括三相重复的LCL型滤波单元，所述LCL型滤波单元包括串接在每一相线路上的两个电感器，且两个电感器之间线路中间接点通过一串接的电容器及阻尼电阻与低压配电网的中性点N连接。

可选地，所述LCL型滤波单元中的电容器及阻尼电阻形成的串联支路上并联布置有并联支路，该并联支路包括串联布置的电感器和电容器。

可选地，所述系统优化控制器包括用于采集电压电流信息的互感器单元、采样单元、运算单元、控制单元、通信单元，所述通信单元与控制单元、采样单元相连、且通过网络与各个表箱式节能治理器相连，所述采样单元的输入端分别与互感器单元、通信单元相连，所述采样单元的输出端与运算单元相连，所述运算单元的输出端与控制单元相连。

本发明提供一种前述低压配电网电能替代高效节能控制系统的应用方法，实施步骤包括：

1）系统优化控制器分别通过表箱式节能治理器采集对应的系统侧电能质量指标，并判断系统侧电能质量指标是否达标；

2）如果不存在系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器则结束并退出；否则系统优化控制器将系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器划分为满容量输出组以及欠容量输出组两种类型；

3）系统优化控制器向系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器发出控制指令，使得类型为满容量输出组的表箱式节能治理器满容量输出，类型为欠容量输出组的表箱式节能治理器增大其输出、且增大的输出是就近的表箱式节能治理器不足的治理容量；

4）跳转执行步骤1）。

可选地，所述系统侧电能质量指标包括三相不平衡度、功率因数、指定数量次以内各次谐波中的至少一种。

可选地，所述指定数量次以内各次谐波具体是指13次以内各次谐波。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能，系统优化控制器作为协调控制电能替代高效节能控制系统的核心控制单元可实现各表箱式节能治理功能单元的有序高效运行。

2、本实施例能够有效解决在低压配电网大规模应用电能替代装置的背景下，出现的线路损耗增大，降低供电品质。由于电能替代装置的应用加剧了农村低压电网的电能质量程度，针对低压电网多种电能质量问题，系统优化控制器可根据需要自动选择最优工作模式，在保证治理效果的同时尽可能实现系统损耗最小的目标要求。低压配网台区首端都装有计量仪表，可以获取低压台区电力负荷数据，但对于低压线路各节点位置负荷数据无法有效获取，传统电能质量实施方案需要确定电能质量治理设备安装点的负荷数据，依据用电数据确定实施方案。针对低压线路上各节点用电数据不易获取的问题，本发明提出的分散化应用的表箱式节能治理器，无需依据低压线路用电数据，只需要根据首端用电数据，确定台区治理需求的补偿容量，具备补偿不平衡、消除无功、滤除谐波功能。表箱式节能治理器分散安装于低压配电线路，且各表箱式节能治理器跟优化系统控制器之间进行微功率无线通讯，跟安装节点的表箱式节能治理器，将各节点的运行电压、网测电流、设备输出电流等数据上传至系统优化控制器，由优化控制器协调控制各表箱式节能治理器输出大小，例如对已经满容量输出，但容量不足的缺额部分由输出未饱和的就近单元弥补，最终实现系统的最优化。

附图说明

图1为本发明实施例的系统结构示意图。

图2为本发明实施例中表箱式节能治理器的电路原理示意图。

图3为本发明实施例中系统优化控制器的框架结构示意图。

图4为本发明实施例的系统应用方法的基本流程示意图。

图例说明：1、系统优化控制器；11、互感器单元；12、采样单元；13、运算单元；14、控制单元；15、通信单元；2、表箱式节能治理器；21、三电平三相桥式功率变换单元；22、电容器组；23、本地控制模块。

具体实施方式

如图1所示，本实施例低压配电网电能替代高效节能控制系统包括系统优化控制器1和多个表箱式节能治理器2，表箱式节能治理器2包括表箱体以及设于表箱体内部的具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能的有源补偿单元，有源补偿单元并联布置在低压配电网的变压器出线端和线路末端的线路上，有源补偿单元的控制端分别通过网络与系统优化控制器1相连。图1中，#1～#21为低压配电网中的分支点，（1）～（19）分别为低压配电网中位于分支点的网段。本实施例能够有效解决在低压配电网大规模应用电能替代装置的背景下，出现的线路损耗增大，降低供电品质。由于电能替代装置的应用加剧了农村低压电网的电能质量程度，针对低压电网多种电能质量问题，系统优化控制器1可根据需要自动选择最优工作模式，在保证治理效果的同时尽可能实现系统损耗最小的目标要求。低压配网台区首端都装有计量仪表，可以获取低压台区电力负荷数据，但对于低压线路各节点位置负荷数据无法有效获取，传统电能质量实施方案需要确定电能质量治理设备安装点的负荷数据，依据用电数据确定实施方案。针对低压线路上各节点用电数据不易获取的问题，本发明提出的分散化应用的表箱式节能治理器2，无需依据低压线路用电数据，只需要根据首端用电数据，确定台区治理需求的补偿容量，具备补偿不平衡、消除无功、滤除谐波功能。表箱式节能治理器2分散安装于低压配电线路，且各表箱式节能治理器2跟优化系统控制器之间进行微功率无线通讯，跟安装节点的表箱式节能治理器2，将各节点的运行电压、网测电流、设备输出电流等数据上传至系统优化控制器1，由优化控制器1协调控制各表箱式节能治理器2输出大小，例如对已经满容量输出，但容量不足的缺额部分由输出未饱和的就近单元弥补，最终实现系统的最优化。表箱式节能治理器2接受由系统控制器1下发的运行控制使能信号，同时上传运行状态和故障信号。

系统优化控制器1为协调控制电能替代高效节能控制系统的核心控制单元，实现各表箱式节能治理器2有序高效运行。表箱式节能治理器2包括表箱体，表箱体大小为243mm×167mm×88mm，表箱体内部设有具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能的有源补偿单元，基于电力电子技术高功率密度、小体积、轻量型表箱化有源补偿单元，具备由于电能替代装置所造成的电能质量污染引起的损耗问题进行节能治理，其技术节能指标指的是谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能。本实施例中，表箱式节能治理器2的有源补偿单元的容量为10kVA（10A谐波补偿能力、10kvar无功补偿能力、7A负序补偿能力）。

如图2所示，本实施例中有源补偿单元包括带有二极管钳位的三电平三相桥式功率变换单元21和电容器组22，三电平三相桥式功率变换单元21的直流母线之间串接有两组电容器组22且其中点与低压配电网的中性点N连接，三电平三相桥式功率变换单元21的交流输出侧依次通过逆变电感器、滤波电感器并网连接低压配电网，三电平三相桥式功率变换单元21的控制端连接有本地控制模块23，本地控制模块23连接有本地控制通讯模块且该本地控制通讯模块通过网络与系统优化控制器1相连。本实施例中，三电平三相桥式功率变换单元21的开关管采用SiC-MOSFET（碳化硅场效应晶体管），SiC-MOSFET具有开关频率高，通态损耗小的优势，有利于达成系统高效节能的目标。本实施例中，三电平三相桥式功率变换单元21的直流母线中点与电网系统中性点N连接，三电平三相桥式功率变换单元21连接逆变电感器以及滤波电感器并网连接低压400V配电网，该三电平三相桥式功率变换单元21可以治理三相不平衡、无功、谐波等多种电能质量问题。

如图2所示，本实施例中三电平三相桥式功率变换单元21的交流输出侧的并网端的任意相和低压配电网的中性点N之间均并联有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。

如图2所示，本实施例中LCL型滤波网络包括三相重复的LCL型滤波单元， LCL型滤波单元包括串接在每一相线路上的两个电感器，且两个电感器之间线路中间接点通过一串接的电容器及阻尼电阻与低压配电网的中性点N连接。例如对于A相而言，LCL型滤波单元包括串接在每一相线路上的两个电感器L1和L4，且两个电感器L1和L4之间线路中间接点通过一串接的电容器C1及阻尼电阻R1与低压配电网的中性点N连接。

如图2所示，本实施例中LCL型滤波单元中的电容器及阻尼电阻形成的串联支路上并联布置有并联支路，该并联支路包括串联布置的电感器和电容器。例如对于A相而言，该并联支路包括串联布置的电感器L7和电容器C7。

如图2所示，电感器L1、L2、L3一端与电网连接，另外一端连接逆变电感器L4、L5、L6；电阻器R1、R2、R3分别与电容器C1、C2、C3串联连接，电感器L7、L8、L9与电容器C7、C8、C9分别连接，电阻与电容串联单元与电感器与电容器的串联单元并联连接；电容器的另外一端连接中性点N，电阻器的另外一端连接两个串联电感器的中点；电感器L4、L5、L6另外一端与三电平逆变器中点连接；电容器组C5x、C6x分别是多个电容器并联构成的电容器组，C5x与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；每个逆变桥臂由SiC-MOSFET单管（Tv1、Tv2）/（Tv3、Tv4）/（Tv5、Tv6）构成一只桥臂。

系统优化控制器1是整个系统的核心控制器，协调控制各表箱式节能治理器2单元的协调控制运作。如图3所示，本实施例中系统优化控制器1包括用于采集电压电流信息的互感器单元11、采样单元12、运算单元13、控制单元14、通信单元15，通信单元15与控制单元14、采样单元12相连、且通过网络与各个表箱式节能治理器2相连，采样单元12的输入端分别与互感器单元11、通信单元15相连，采样单元12的输出端与运算单元13相连，运算单元13的输出端与控制单元14相连。作为一种可选的实施方式，互感器单元11为三相电流互感器，用于采集系统侧（系统首端）的三相电流、三相电压实时数据。采样单元12通过互感器单元11采集系统侧的三相电流、三相电压实时数据。运算单元13将采样单元12采集数据以及通信单元15获取的各表箱式节能治理器2的数据进行计算，得出不平衡度、功率因数、各次谐波等相关参量；控制单元14，将运算单元13运算数据作为系统控制的输入，通过预设的控制算法得出相应的控制策略，在优化治理系统电能质量问题的前提下，实现系统的高效节能目标。通信单元15将系统各功能单元数据包括三相电流波形、三相电压波形上传至系统优化控制器1、优化控制器将控制策略参数下发各表箱式节能治理器2。

如图4所示，本实施例还提供一种前述的低压配电网电能替代高效节能控制系统的应用方法，实施步骤包括：

1）系统优化控制器1分别通过表箱式节能治理器2采集对应的系统侧电能质量指标，并判断系统侧电能质量指标是否达标；本实施例中，系统优化控制器1和表箱式节能治理器2的交互过程中，表箱式节能治理器2用于输出各相电流、安装点电网各相电流以及系统侧电能质量指标；此外也可以根据需要直接输出采集参数由系统优化控制器1计算。

2）如果不存在系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器2则结束并退出；否则系统优化控制器1将系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器2划分为满容量输出组以及欠容量输出组两种类型；

3）系统优化控制器1向系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器2发出控制指令，使得类型为满容量输出组的表箱式节能治理器2满容量输出，类型为欠容量输出组的表箱式节能治理器2增大其输出、且增大的输出是就近的表箱式节能治理器2不足的治理容量；

4）跳转执行步骤1）。

本实施例中，系统侧电能质量指标包括三相不平衡度、功率因数、指定数量次以内各次谐波中的至少一种。需要说明的是，三相不平衡是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围；功率因数是指交流电路有功功率对视在功率的比值；指定数量次以内各次谐波功率值和与基波功率之比的百分比表示，三相不平衡度、功率因数、指定数量次以内各次谐波均为公知的电能质量指标，其可以根据表箱式节能治理器2输出的系统侧电流和电压信息进行简单计算得到，故在此不再赘述。本实施例中，指定数量次以内各次谐波具体是指13次以内各次谐波，可提高检测的准确度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种低压配电网电能替代高效节能控制系统的应用方法，其特征在于，所述低压配电网电能替代高效节能控制系统包括系统优化控制器(1)和多个表箱式节能治理器(2)，所述表箱式节能治理器(2)包括表箱体以及设于表箱体内部的具有谐波治理、无功补偿、以及三相不平衡调节功能的有源补偿单元，所述有源补偿单元并联布置在低压配电网的变压器出线端和线路末端的线路上，所述有源补偿单元的控制端分别通过网络与系统优化控制器(1)相连，所述应用方法的实施步骤包括：

1)系统优化控制器(1)分别通过表箱式节能治理器(2)采集对应的系统侧电能质量指标，并判断系统侧电能质量指标是否达标；所述系统侧电能质量指标包括三相不平衡度、功率因数、指定数量次以内各次谐波中的至少一种，所述指定数量次以内各次谐波具体是指13次以内各次谐波；

2)如果不存在系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器(2)则结束并退出；否则系统优化控制器(1)将系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器(2)划分为满容量输出组以及欠容量输出组两种类型；

3)系统优化控制器(1)向系统侧电能质量指标不达标的表箱式节能治理器(2)发出控制指令，使得类型为满容量输出组的表箱式节能治理器(2)满容量输出，类型为欠容量输出组的表箱式节能治理器(2)增大其输出、且增大的输出是就近的表箱式节能治理器(2)不足的治理容量；

4)跳转执行步骤1)。

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