CN110943444A - 一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置，包括正极端子和负极端子、一个中点端子、谐振内端子、谐振外端子、两个极稳压电容、谐振电容、谐振电感、六个晶闸管；所述正极端子连接直流配电系统的正极，负极端子连接直流配电系统的负极；极稳压电容一连接正极端子和中点端子，极稳压电容二连接负极端子和中点端子；谐振电感两端分别连接中点端子和谐振外端子；谐振电容两端分别连接中点端子和谐振内端子；本发明的装置可以在在双极供电和中点接地的单极供电模式下的低压直流配电系统中实现两极间的功率自由转移，解决正负极间出现功率不平衡的问题。
Description
技术领域
本发明属于的是电源领域，涉及的是一种用于工作在双极供电模式及中点接地的单极接地模式下的低压直流配电网的功率平衡装置。
背景技术
随着分布式新能源大规模的接入，传统配电系统的特性被逐步改变，分布式电源需要经过AC/DC变换接入交流配电网，极大的影响了分布式能源在传统交流配电网的本地综合消纳效率，使用直流配电系统不但可以解决分布式能源的高效率接入，而且可以提升直流负荷的用电效率，进一步地提升配电系统的综合效率。
配电网连接电网和终端用户，具有网络成本低，网络数量大，负荷随机性大，电网损耗率高的特点，降低低压直流配电网建设成本，提高低压直流配电网的效率能够推动直流配电网的发展。正负极间不平衡的负载会对使用中点接地的单极供电模式和双极供电模式的配电网造成不同程度的影响，包括线路损耗增大、直流变压器及线路功率闲置及功率不足、电压不平衡甚至系统崩溃。因此，直流配电系统需要一种低成本的平衡正负极间不平衡功率的装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
解决工作在单极供电模式及中点接地的单极供电模式下的直流配电网正负极间出现功率不平衡的问题，以达到降低直流变压器及线路容量，提高线路利用效率，降低配电损耗，提高配电系统稳定性的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置，其特征在于，包括：正极端子（101），所述正极端子（101）连接直流配电系统的正极，负极端子（102）连接直流配电系统的负极；
极稳压电容一（211）连接正极端子（101）和中点端子（103），极稳压电容二（212）连接负极端子（102）和中点端子（103）；谐振电感（221）两端分别连接中点端子（103）和谐振外端子（105）；谐振电容（213）两端分别连接中点端子（103）和谐振内端子（104）；
晶闸管一（231）阳极连接正极端子（101），晶闸管一（231）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管二（232）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管二（232）阴极连接正极端子（101）；晶闸管三（233）阳极连接谐振内端子（104），晶闸管三（233）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管四（234）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管四（234）阴极连接谐振内端子（104）；晶闸管五（235）阳极连接负极端子（102），晶闸管五（235）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管六（236）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管六（236）阴极连接负极端子（102）。
本发明所达到的有益效果：
本发明的一种适用于工作在双极供电和中点接地的单极供电模式下的低压直流配电系统的功率平衡装置，可以在在双极供电和中点接地的单极供电模式下的低压直流配电系统中实现两极间的功率自由转移，解决正负极间出现功率不平衡的问题，通过利用电容及电感的谐振使反并联二极管实现可控关断。通过控制谐振电容充电截至电压接近极电压，实现晶闸管的低开通损耗。成本低，易于实现。
附图说明
图1 为本发明的功率平衡装置拓扑图;
图2 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电容预充电示意图;
图3 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电感充电示意图;
图4 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电容电压反置示意图;
图5 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电感放电示意图;
图6 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电感电流反置示意图;
图7 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电容电压恢复示意图;
图8 为本发明的功率平衡装置的控制方法中谐振电感电流恢复示意图;
图9 为实施例1正极端子（101）电压示意图;
图10 为实施例1负极端子（102）电压示意图;
图11 为实施例1谐振电容（213）电压示意图;
图12 为实施例1流入正极端子（101）的电流示意图;
图13 为实施例1流入负极端子（102）的电流示意图;
图14 为实施例1谐振电感（221）电流示意图;
图15 为实施例1正极端子（101）输入功率示意图;
图16 为实施例1负极端子（102）输入功率示意图；
图17 为实施例2正极端子（101）电压示意图;
图18为实施例2负极端子（102）电压示意图;
图19 为实施例2谐振电容（213）电压示意图;
图20 为实施例2流入正极端子（101）的电流示意图;
图21 为实施例2流入负极端子（102）的电流示意图;
图22 为实施例2谐振电感（221）电流示意图;
图23 为实施例2正极端子（101）输入功率示意图;
图24 为实施例2负极端子（102）输入功率示意图；
图25为实施例3正极端子（101）电压示意图;
图26为实施例3负极端子（102）电压示意图;
图27为实施例3谐振电容（213）电压示意图;
图28为实施例3流入正极端子（101）的电流示意图;
图29 为实施例3流入负极端子（102）的电流示意图;
图30 为实施例3谐振电感（221）电流示意图;
图31 为实施例3正极端子（101）输入功率示意图;
图32为实施例3负极端子（102）输入功率示意图。
具体实施方式
实施例1：
本发明的一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的电气拓扑示意图如图1所示，装置包括正极端子（101）和负极端子（102）、一个中点端子（103）、谐振内端子（104）、谐振外端子（105）、2个极稳压电容（211、212）、谐振电容（213）、谐振电感（221）、六个晶闸管（231、232、233、234、235、236）。
正极端子（101）连接直流配电系统的正极，负极端子（102）连接直流配电系统的负极；
双极系统中，中点端子（103）连接中线；中点接地的单极系统中，中点端子（103）接地；
极稳压电容一（211）连接正极端子（101）和中点端子（103），极稳压电容二（212）连接负极端子（102）和中点端子（103）；谐振电感（221）两端分别连接中点端子（103）和谐振外端子（105）；谐振电容（213）两端分别连接中点端子（103）和谐振内端子（104）；
晶闸管一（231）阳极连接正极端子（101），晶闸管一（231）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管二（232）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管二（232）阴极连接正极端子（101）；晶闸管三（233）阳极连接谐振内端子（104），晶闸管三（233）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管四（234）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管四（234）阴极连接谐振内端子（104）；晶闸管五（235）阳极连接负极端子（102），晶闸管五（235）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管六（236）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管六（236）阴极连接负极端子（102）。
对于双极系统，当正极负荷达到正极限值Pmax，而负极仍有冗余功率时，启动功率平衡装置将配电功率由负极转移至正极。当负极负荷达到正极限值Pmax，而正极仍有冗余功率时，启动功率平衡装置将配电功率由正极转移至负极。Pmax由系统配送功率极限及功率平衡保护定制决定。
对于中点接地的单极系统，当电压不平衡率满足设定条件时，启动功率平衡装置将电压高的极上的功率转移至电压低的极上。电压不平衡率设定条件由配电系统决定。
谐振电容（213）与中点端子（103）连接端为2131端，与谐振内端子（104）连接端为2132端。
谐振电感（221）与中点端子（103）连接端为2211端，与谐振外端子（105）连接端为2212端。
定义谐振电容（213）两端电压为uC，2132端为电压正；定义谐振电感（221）电流为iL，由2211端至2212端为正；定义中点端子（103）为0电位，
则本发明的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法包括以下步骤：
1)预充电阶段：如图2所示，通过外置电源将谐振电容（213）的2132端电位U1充至略高于极端子（101）的电位；
2)谐振电感充电阶段：如图3所示，导通晶闸管（231），由正极通过极端子（101）给谐振电感（221）充电；
3)谐振电容电压反置阶段：如图4所示，当电感电流达到设定值一I1时，导通晶闸管（234），使晶闸管（231）关断，电感续流并给电容反向充电；
4)谐振电感放电阶段：如图5所示，当电容电压反向充至2132端电位U2略小于极端子（102）的电位，导通晶闸管（235），使晶闸管（234）关断，谐振电感（221）对负极放电至电流为0；
5)谐振电感电流反置阶段：如图6所示，当谐振电感（221）的电流放电至0后，导通晶闸管（236），对谐振电感（221）充电；
6)谐振电容电压恢复阶段：如图7所示，当谐振电感（221）电流达到设定值二I2时，导通晶闸管（234），使晶闸管（236）关断，谐振电感（221）给谐振电容（213）正向充电；
7)谐振电感电流恢复阶段：如图8所示，当谐振电容（213）的2132端电位充至略高于极端子（101）的电位，导通晶闸管（232），使晶闸管（234）关断，谐振电感（221）对正极放电至电流为0。
当需要正极功率转移至负极时，所述设定值二I2根据谐振电感及谐振电容进行设定，使谐振电感可以将谐振电容正向充电至2132端电位高于正极端子（101）的电位，所述设定值一I1可直接设定，亦可通过设定的转移功率来闭环控制得到。
当需要负极功率转移至正极时，设定值一I1根据谐振电感及谐振电容进行设定，使谐振电感可以将谐振电容反向充电至2132端电位小于极端子（102）的电位，所述设定值二I2可直接设定，亦可通过设定的转移功率来闭环控制得到。
如图1构建额定容量为250kW，额定电压为375V的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置。极额定电压为正负375V，极稳压电容（211、212）容值均为4.7uF，谐振电容（213）容值为1mF，谐振电感（221）的电感值为1mH，晶闸管（231、232、233、234、235、236）选择T820061404DH（通态最大平均电流1640A、断态电压600V）。
设定I1=3289A，I2=400A，U1=400，U2=-400。装置正负极端子输入电压、电流、功率及谐振电容电压与谐振电感电流如图9至图16所示。 装置转移正极至负极平均功率为250kW。
实施例2：
设定I1=2750A，I2=400A，U1=400，U2=-400。装置正负极端子输入电压、电流、功率及谐振电容电压与谐振电感电流如图17至图24所示。 装置转移正极至负极平均功率为200kW。
其它技术方案与实施例相同。
实施例3：
设定I1=2180A，I2=400A，U1=400，U2=-400。装置正负极端子输入电压、电流、功率及谐振电容电压与谐振电感电流如图25至图32所示。 装置转移正极至负极平均功率为150kW。
其它技术方案与实施例相同。
以上的实施方式仅是用来说明本发明，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明的基本原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进都应当视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种用于低压直流配电网末端的功率平衡装置，其特征在于，包括：正极端子（101），所述正极端子（101）连接直流配电系统的正极，负极端子（102）连接直流配电系统的负极；
极稳压电容一（211）连接正极端子（101）和中点端子（103），极稳压电容二（212）连接负极端子（102）和中点端子（103）；谐振电感（221）两端分别连接中点端子（103）和谐振外端子（105）；谐振电容（213）两端分别连接中点端子（103）和谐振内端子（104）；
晶闸管一（231）阳极连接正极端子（101），晶闸管一（231）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管二（232）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管二（232）阴极连接正极端子（101）；晶闸管三（233）阳极连接谐振内端子（104），晶闸管三（233）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管四（234）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管四（234）阴极连接谐振内端子（104）；晶闸管五（235）阳极连接负极端子（102），晶闸管五（235）阴极连接谐振外端子（105）；晶闸管六（236）阳极连接谐振外端子（105），晶闸管六（236）阴极连接负极端子（102）。
2.根据权利要求1所述的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置，其特征在于：双极系统中，中点端子（103）连接中线；中点接地的单极系统中，中点端子（103）接地。
3.用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)预充电阶段：通过外置电源将谐振电容（213）的2132端电位U1充至略高于极端子（101）的电位；
2)谐振电感充电阶段：导通晶闸管（231），由正极通过极端子（101）给谐振电感（221）充电；
3)谐振电容电压反置阶段：当电感电流达到设定值一I1时，导通晶闸管（234），使晶闸管（231）关断，电感续流并给电容反向充电；
4)谐振电感放电阶段：当电容电压反向充至2132端电位U2略小于极端子（102）的电位，导通晶闸管（235），使晶闸管（234）关断，谐振电感（221）对负极放电至电流为0；
5)谐振电感电流反置阶段：当谐振电感（221）的电流放电至0后，导通晶闸管（236），对谐振电感（221）充电；
6)谐振电容电压恢复阶段：当谐振电感（221）电流达到设定值二I2时，导通晶闸管（234），使晶闸管（236）关断，谐振电感（221）给谐振电容（213）正向充电；
7)谐振电感电流恢复阶段：当谐振电容（213）的2132端电位充至略高于极端子（101）的电位，导通晶闸管（232），使晶闸管（234）关断，谐振电感（221）对正极放电至电流为0。
4.根据权利要求3所述的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法，其特征在于：当需要正极功率转移至负极时，所述设定值二I2根据谐振电感及谐振电容进行设定，使谐振电感可以将谐振电容正向充电至2132端电位高于正极端子（101）的电位。
5.根据权利要求4所述的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法，其特征在于：所述设定值一I1可直接设定，或通过设定的转移功率来闭环控制得到。
6.根据权利要求3所述的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法，其特征在于：当需要负极功率转移至正极时，设定值一I1根据谐振电感及谐振电容进行设定，使谐振电感可以将谐振电容反向充电至2132端电位小于极端子（102）的电位。
7.根据权利要求6所述的用于低压直流配电网末端的功率平衡装置的控制方法，其特征在于：所述设定值二I2可直接设定，或通过设定的转移功率来闭环控制得到。
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| GR01 | Patent grant | ||
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