CN111509708B - 一种低压单相供电的变换装置及方法 - Google Patents

一种低压单相供电的变换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种低压单相供电的变换装置及方法，该装置包括三相变两相变压器及潮流控制器，潮流控制器包括补偿模块及控制模块，三相变两相变压器的一次侧接于电网高压侧的三相线路上，二次侧接于电网低压侧的两个供电回路上，用于将三相电变为两个单相供电回路，补偿模块包括两台背靠背连接的补偿变流器，控制模块包括用于实时检测两个供电回路上的负荷电流，并计算补偿电流参考量的负序与谐波检测单元、用于根据补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量的综合补偿单元及用于根据控制量，控制两台补偿变流器中所有晶闸管开断的投切控制单元。上述装置能够在将电网三相变换为两个单相电时，对供电回路进行负序与谐波补偿，提高供电质量。

Description

一种低压单相供电的变换装置及方法
技术领域
本申请涉及配电网电能变换技术领域，尤其涉及一种低压单相供电的变换装置及方法。
背景技术
城镇220V低压负荷以单相负荷为主，低压负荷的占比通常在90％以上，然而现有的供电方式为三相供电方式，为此，需要人工把单相负荷分配到A、B、C三相中。由于负荷的随机性，导致低压配电网三相负荷分配不均的现象普遍存在。配电网低压侧负荷分布不均，会使得变压器的高压侧及低压侧的三相电压不平衡度过大，增加变压器的损耗，并减少变压器的运行寿命。低压配电网三相不对称问题已经成为制约配电网高效经济运行的发展瓶颈。
为了解决上述问题，现有技术主要有两种：一是考虑针对三相负荷不平衡的动态调整，二是采用单相变压器技术。针对三相负荷不平衡的动态调整技术，最常见的是基于SVG的三相不平衡控制技术，可以实现三相不平衡电流的调节与控制，但其缺点是需要对三相负荷进行动态调整，需要的补偿容量较大，经济性差。采用单相变压器技术将导致更加严重的高压侧三相不平衡。为此，本发明提出将三相电变换为两个单相供电的方式，以消除变压器高压侧三相电压不平衡度过高的问题，改善电能质量。
目前在将高压侧的三相电转换为低压侧的两相电过程中，由于配电网低压负荷通常为感性负荷，因此存在较多的谐波和负序干扰，导致严重影响供电质量，为此，需要利用相间潮流控制技术加以改善。
发明内容
为了解决在电能转换过程中，由于配电网低压负荷通常为感性负荷，存在较多的谐波和负序干扰，导致严重影响供电质量的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种低压单相供电的变换装置及方法。
本申请第一方面公开了一种低压单相供电的变换装置，包括：三相变两相变压器及相间潮流控制器，其中，所述相间潮流控制器包括补偿模块及控制模块；
所述三相变两相变压器的一次侧接于10kV供电系统的A、B、C三相上，二次侧接于220V低压侧的两个供电回路上，所述三相变两相变压器用于将三相电变为两个单相电；
所述补偿模块由两台补偿变流器组成，所述两台补偿变流器的输出端分别接至所述两个供电回路上，所述两台补偿变流器的连接方式为背靠背连接；
所述控制模块包括负序与谐波检测单元、综合补偿单元及投切控制单元；
所述负序与谐波检测单元接于所述两个供电回路上，用于实时检测所述两个供电回路上的负荷电流，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量；
所述综合补偿单元与所述负序与谐波检测单元相连接，所述综合补偿单元用于根据所述补偿电流参考量，获取所述两台补偿变流器的控制量；
所述投切控制单元的输入端接至所述综合补偿单元，输出端接至所述两台补偿变流器，所述投切控制单元用于根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿。
可选的，所述负序与谐波检测单元用于根据以下公式，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量：
Figure GDA0003637717890000021
其中，所述两个供电回路分别为α相和β相，
Figure GDA0003637717890000022
表示α相上所需的补偿电流参考量，
Figure GDA0003637717890000023
表示β相上所需的补偿电流参考量，Iα表示α相上的负荷电流，Iβ表示β相上的负荷电流，IαL表示α相上负荷电流的有功分量，IβL表示β相上负荷电流的有功分量，θ1表示α相上的负荷电流与电压之间的相位差，θ2表示β相上的负荷电流与电压之间的相位差，
Figure GDA0003637717890000024
表示α相上的负载谐波电流，
Figure GDA0003637717890000025
表示β相上的负载谐波电流。
可选的，所述三相变两相变压器为斯科特变压器；
所述三相变两相变压器包括底座和高座两部分，高座部分接至10kV供电系统的B、C两相，底座部分的高压侧一端接至高座部分一次绕组的中点，另一端接至10kV供电系统的A相。
可选的，所述两台补偿变流器之间设置有直流稳压电容，所述直流稳压电容用于为所述两台补偿变流器提供稳定直流电压，以保证所述两台补偿变流器能正常工作。
可选的，所述控制模块还包括直流稳压单元；
所述直流稳压单元分别接至所述直流稳压电容及所述投切控制单元；
所述直流稳压单元用于通过负反馈的方式获取所述直流稳压电容的稳压控制量；
所述投切控制单元还用于根据所述稳压控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态。
本申请第二方面公开了一种低压单相供电的变换方法，所述方法应用于本申请第一方面所述的一种低压单相供电的变换装置，所述方法包括：
三相变两相变压器将三相电变为两个单相电；
负序与谐波检测单元实时检测低压侧两个供电回路上的负荷电流，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量；
综合补偿单元根据所述补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量；
投切控制单元根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿。
本申请实施例公开了一种低压单相供电的变换装置及方法，该装置包括：三相变两相变压器及相间潮流控制器，相间潮流控制器包括补偿模块及控制模块，三相变两相变压器的一次侧接于10kV供电系统的三相线路上，二次侧接于220V低压侧的两个供电回路上，用于进行三相变两相的初步变换，补偿模块包括两台背靠背连接的补偿变流器，两台补偿变流器的输出端分别接至两个供电回路上，控制模块包括用于实时检测所述两个供电回路上的负荷电流，并根据负荷电流，计算两个供电回路上所需的补偿电流参考量的负序与谐波检测单元、用于根据补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量的综合补偿单元及用于根据控制量，控制两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态的投切控制单元。上述装置能够在将电网三相变换为两相时，对低压侧的供电回路进行负序与谐波补偿，有效提高供电质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例公开的一种低压单相供电的变换装置的电路拓扑结构图；
图2为本申请实施例公开的一种低压单相供电的变换装置中，相间潮流控制器的结构示意图；
图3为本申请实施例公开的另一种低压单相供电的变换装置中，相间潮流控制器的结构示意图；
图4为本申请实施例公开的一种低压单相供电的变换方法的工作流程示意图。
具体实施方式
为了解决在电能转换过程中，由于配电网低压负荷通常为感性负荷，存在较多的谐波和负序干扰，导致严重影响供电质量的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种低压单相供电的变换装置及方法。
参见图1及图2所示的结构图，本申请第一实施例公开了一种低压单相供电的变换装置，包括：三相变两相变压器1及相间潮流控制器2，其中，所述相间潮流控制器2包括补偿模块21及控制模块22。
所述三相变两相变压器1的一次侧接于10kV供电系统的A、B、C三相上，二次侧接于220V低压侧的两个供电回路上，所述三相变两相变压器1用于将三相电变为两个单相电。
所述补偿模块21由两台补偿变流器组成，所述两台补偿变流器的输出端分别接至所述两个供电回路上，所述两台补偿变流器的连接方式为背靠背连接。
所述控制模块22包括负序与谐波检测单元221、综合补偿单元222及投切控制单元223。
所述负序与谐波检测单元221接于所述两个供电回路上，用于实时检测所述两个供电回路上的负荷电流，获取两个供电回路上负荷电流的幅值、相角等信息，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量。
所述综合补偿单元222与所述负序与谐波检测单元221相连接，所述综合补偿单元222用于根据所述补偿电流参考量，获取所述两台补偿变流器的控制量。
所述投切控制单元223的输入端接至所述综合补偿单元222，输出端接至所述两台补偿变流器，所述投切控制单元223用于根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿。
上述实施例公开了一种低压单相供电的变换装置，该装置包括：三相变两相变压器及相间潮流控制器，相间潮流控制器包括补偿模块及控制模块，三相变两相变压器的一次侧接于10kV供电系统的三相线路上，二次侧接于220V低压侧的两个供电回路上，用于进行三相变两相的初步变换，补偿模块包括两台背靠背连接的补偿变流器，两台补偿变流器的输出端分别接至两个供电回路上，控制模块包括用于实时检测所述两个供电回路上的负荷电流，并根据负荷电流，计算两个供电回路上所需的补偿电流参考量的负序与谐波检测单元、用于根据补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量的综合补偿单元及用于根据控制量，控制两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态的投切控制单元。上述装置能够在将电网三相变换为两相时，对低压侧的供电回路进行负序与谐波补偿，有效提高供电质量。
本申请实施例提供的相间潮流控制器可以整箱集成，易于安装携带，使用时，能够有效的保持低压二次侧两个供电回路潮流的分配平衡，同时兼具治理负序、谐波，提高功率因数，治理电能质量等功能。
进一步的，所述负序与谐波检测单元221用于根据以下公式，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量：
Figure GDA0003637717890000041
其中，所述两个供电回路分别为α相和β相，
Figure GDA0003637717890000042
表示α相上所需的补偿电流参考量，
Figure GDA0003637717890000043
表示β相上所需的补偿电流参考量，Iα表示α相上的负荷电流，Iβ表示β相上的负荷电流，IαL表示α相上负荷电流的有功分量，IβL表示β相上负荷电流的有功分量，θ1表示α相上的负荷电流与电压之间的相位差，θ2表示β相上的负荷电流与电压之间的相位差，
Figure GDA0003637717890000044
表示α相上的负载谐波电流，
Figure GDA0003637717890000045
表示β相上的负载谐波电流。
进一步的，所述三相变两相变压器1为斯科特变压器。
所述三相变两相变压器包括底座和高座两部分，高座部分接至10kV供电系统的B、C两相，底座部分的高压侧一端接至高座部分一次绕组的中点，另一端接至10kV供电系统的A相。
本申请实施例中，三相变两相变压器的高座变比为k，底座变比为
Figure GDA0003637717890000046
该三相变两相变压器可以单独集成制作，易于轻便安装。
进一步的，参见图1所示的电路拓扑结构图，所述两台补偿变流器之间设置有直流稳压电容C，所述直流稳压电容C用于为所述两台补偿变流器提供稳定直流电压，以保证所述两台补偿变流器能正常工作。
进一步的，参见图3所示的结构图，所述控制模块还包括直流稳压单元224。
所述直流稳压单元224分别接至所述直流稳压电容C及所述投切控制单元223。
所述直流稳压单元224用于通过负反馈的方式获取所述直流稳压电容C的稳压控制量。
所述投切控制单元223还用于根据所述稳压控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态。
直流稳压单元224通过负反馈的方式向投切控制单元223输出稳压控制量，间接控制两台变流器中间的直流稳压电容上电压的稳定，保证两台变流器的正常工作。
投切控制单元223接收综合补偿单元222与直流稳压单元224输出的控制量，根据逻辑对比，实时控制两台变流器晶闸管组实时的开断状态，实现对α、β两相的实时补偿，达到控制两相潮流平衡，补偿负序、谐波的目的。
下述为本申请公开的方法实施例，用于执行上述公开的装置实施例。对于方法实施例中为披露的细节，请参照装置实施例。
本申请第二实施例公开了一种低压单相供电的变换方法，所述方法应用于本申请第一实施例所述的一种低压单相供电的变换装置，参见图4所示的工作流程示意图，所述方法包括：
步骤S101，三相变两相变压器将三相电变为两个单相电。
步骤S102，负序与谐波检测单元实时检测低压侧两个供电回路上的负荷电流，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量。
步骤S103，综合补偿单元根据所述补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量。
步骤S104，投切控制单元根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿。
三相变两相变压器一次侧接入高压对称互差120°三相电压UA、UB、UC，二次侧接入低压对称互差90°两相电压Uα、Uβ，以原边
Figure GDA0003637717890000051
为参考，设超前相角为正，滞后相角为负，则
Figure GDA0003637717890000052
两台背靠背补偿变流器与α、β两相连接，两台补偿变流器中间接入直流稳压电容。
负序与谐波检测单元接入α、β两相，检测α、β两相实时的负荷电流
Figure GDA0003637717890000053
与两相电压
Figure GDA0003637717890000054
的相角差为θ1、θ2。
由上述检测出来的α相和β相负荷电流(通常两相负荷为感性负荷)，可以求得两相负荷电流的有功分量：
Figure GDA0003637717890000055
此时若将
Figure GDA0003637717890000056
的有功电流从α相转移到β相，则α相和β相负荷电流便可实现对称平衡。
由上述分析，经过补偿两相平衡后的两相电流
Figure GDA0003637717890000057
为：
Figure GDA0003637717890000058
进一步化简得：
Figure GDA0003637717890000061
由上述分析易知，用最终α相和β相对称平衡的电流
Figure GDA0003637717890000062
和
Figure GDA0003637717890000063
减去初始电流
Figure GDA0003637717890000064
和
Figure GDA0003637717890000065
便可以得到最终需要的补偿的电流
Figure GDA0003637717890000066
和
Figure GDA0003637717890000067
Figure GDA0003637717890000068
综上可知，IβL＞IαL时与上述情况相似，得出一般情况下相间潮流控制器在两供电回路电压侧的负序补偿电流为：
Figure GDA0003637717890000069
式中：
Figure GDA00036377178900000610
分别相间潮流控制器中α相、β相侧变流器在低压供电回路上的等效电流，以流入相间潮流控制器的方向为正方向。
相间潮流控制器产生与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流来抵消负载谐波，设α相与β相的负载谐波电流分别为
Figure GDA00036377178900000611
和
Figure GDA00036377178900000612
则相间潮流控制器产生的谐波补偿电流为：
Figure GDA00036377178900000613
由上述分析可知，相间潮流控制器的负序与谐波检测单元计算出来的补偿电流参考量为：
Figure GDA00036377178900000614
综合补偿单元接受负序与谐波检测单元的补偿电流参考量，输入投切控制单元，控制两台变流器中两组晶闸管的开断组合状态，控制两台变流器的实时输出。
相间潮流控制器要正常工作，必须获得一个稳定的直流侧电压。因此，相间潮流控制器的实际的补偿电流参考量应该是在原来的负序与谐波补偿电流icα和icβ的基础上再叠加一个直流电压控制得到的有功电流分量。
相间潮流控制器的负序与谐波检测单元计算出来的补偿电流参考量输入综合补偿单元，综合补偿单元执行相应的补偿原理进行补偿，设α、β两个供电回路负载瞬时电流分别为：
Figure GDA00036377178900000615
其中，根据GB/T 14549—93可知，h为harmonic order，即谐波次数；因此参照θ1表示α相上的负荷电流与电压之间的相位差，θ2表示β相上的负荷电流与电压之间的相位差，θαh表示α相上第h次谐波的负荷电流与第h次谐波的电压之间的相位差，θβh表示β相上第h次谐波的负荷电流与第h次谐波的电压之间的相位差。
两个供电回路的瞬时有功功率分别为：
Figure GDA0003637717890000071
化简得：
Figure GDA0003637717890000072
Pα和Pβ含有直流分量和交流分量，将Pα和Pβ相加，经低通滤波器(LPF)得到两者的直流分量之和：
Figure GDA0003637717890000073
其中，IαLf为α相供电回路负载基波电流，IβLf为β相供电回路负载基波电流。经低通滤波之后，功率之和的直流部分在数值上等于两个供电回路负载基波电流峰值的平均值。将此平均值乘以
Figure GDA0003637717890000074
再分别与两相电压Uα和Uβ经锁相环产生的同步信号
Figure GDA0003637717890000075
和
Figure GDA0003637717890000076
相乘，转化为完全补偿时α、β相供电回路电流值，得到：
Figure GDA0003637717890000077
式中iα和iβ分别为经补偿负序和谐波后α和β相供电回路的电流值。补偿后α和β相电流包含了需将两相电流补偿为对称电流的有功和无功电流。
将α、β相电流的理论值减去α、β相的电流值，即得到潮流控制器中α、β相供电回路侧两变流器的输出补偿电流：
Figure GDA0003637717890000078
将式(8)代入式(13)，化简得：
Figure GDA0003637717890000079
相间潮流控制器的控制模块根据上述提高的控制策略来控制晶闸管的开断，便可控制α、β两相潮流的平衡，实现负序与谐波的治理，达到提高供电可靠性，优质供电的最终目标。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种低压单相供电的变换装置，其特征在于，包括：三相变两相变压器及相间潮流控制器，其中，所述相间潮流控制器包括补偿模块及控制模块；
所述三相变两相变压器的一次侧接于10kV供电系统的A、B、C三相上，二次侧接于220V低压侧的两个供电回路上，所述三相变两相变压器用于将三相电变为两个单相电；
所述补偿模块由两台补偿变流器组成，所述两台补偿变流器的输出端分别接至所述两个供电回路上，所述两台补偿变流器的连接方式为背靠背连接；
所述控制模块包括负序与谐波检测单元、综合补偿单元及投切控制单元；
所述负序与谐波检测单元接于所述两个供电回路上，用于实时检测所述两个供电回路上的负荷电流，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量；
所述综合补偿单元与所述负序与谐波检测单元相连接，所述综合补偿单元用于根据所述补偿电流参考量，获取所述两台补偿变流器的控制量；
所述投切控制单元的输入端接至所述综合补偿单元，输出端接至所述两台补偿变流器，所述投切控制单元用于根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿；
其特征在于，所述负序与谐波检测单元用于根据以下公式，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量：
Figure FDA0003637717880000011
其中，所述两个供电回路分别为α相和β相，
Figure FDA0003637717880000012
表示α相上所需的补偿电流参考量，
Figure FDA0003637717880000013
表示β相上所需的补偿电流参考量，Iα表示α相上的负荷电流，Iβ表示β相上的负荷电流，IαL表示α相上负荷电流的有功分量，IβL表示β相上负荷电流的有功分量，θ1表示α相上的负荷电流与电压之间的相位差，θ2表示β相上的负荷电流与电压之间的相位差，
Figure FDA0003637717880000014
表示α相上的负载谐波电流，
Figure FDA0003637717880000015
表示β相上的负载谐波电流；
所述两台补偿变流器之间设置有直流稳压电容，所述直流稳压电容用于为所述两台补偿变流器提供稳定直流电压，以保证所述两台补偿变流器能正常工作；
所述控制模块还包括直流稳压单元；
所述直流稳压单元分别接至所述直流稳压电容及所述投切控制单元；
所述直流稳压单元用于通过负反馈的方式获取所述直流稳压电容的稳压控制量；
所述投切控制单元还用于根据所述稳压控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相变两相变压器为斯科特变压器；
所述三相变两相变压器包括底座和高座两部分，高座部分接至10kV供电系统的B、C两相，底座部分的高压侧一端接至高座部分一次绕组的中点，另一端接至10kV供电系统的A相。
3.一种低压单相供电的变换方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1或2任一项所述的一种低压单相供电的变换装置，所述方法包括：
三相变两相变压器将三相电变为两个单相电；
负序与谐波检测单元实时检测低压侧两个供电回路上的负荷电流，并根据所述负荷电流，计算所述两个供电回路上所需的补偿电流参考量；
综合补偿单元根据所述补偿电流参考量，获取两台补偿变流器的控制量；
投切控制单元根据所述控制量，控制所述两台补偿变流器中所有晶闸管的开断状态，对所述两个供电回路进行负序与谐波补偿。
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