CN111541228A - 用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法，该调制装置包括：串联于低压线路上的检修断路器以及并联于检修断路器两侧的调制电路；调制电路包括依次串联的PWM整流器、逆变器以及输出断路器，PWM整流器的输出端与逆变器的输入端之间连接有直流电容器；调制装置还包括分别与PWM整流器和逆变器连接的中央控制单元，中央控制单元用于在低压线路低压时断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式，对低压线路进行升压；还用于在低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式。

Description

用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法
技术领域
本发明涉及配电网低压电能质量治理领域，尤其涉及用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，人们生活水平的不断提升，大功率家用电器逐渐入住城乡家庭，加之春节期间大量外出务工人员返乡，农村电网负荷届时将会激增。然而农村电网在建设和改造过程中，由于对负荷增长预测偏低，导致用电高峰期会出现用户末端电压过低等问题，形成“小马拉大车”的现象。由此可见，急剧增长的用电需求与缓慢提升的供电能力、相对落后的设备水平之间的矛盾日益凸显，严重影响配电系统安全工作及用户末端用电可靠性。
目前常规的解决方案主要有以下几方面：一是通过自耦变压器抬升变电站母线电压、增大配电变压器档位等方式直接调高配电变压器出口电压值，这种方式虽然能调高配电变压器出口电压，但是，却不能准确的将出口电压调节至用户所需的工作电压，且对配电台区近端用户影响非常大，容易损伤近端用户的用电设备。二是进行中低压线路改造，扩大线径或新建出口线路，这种中低压线路改造方法，投资大、工期久、经济性较差。
因此，如何实现配电台区末端电能质量的经济、高效、精准治理成为目前的重点和难点研究问题。
发明内容
本发明提供了用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法，解决目前对低压用户侧电能质量治理效果不好、经济性差的缺点。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，包括：串联于低压线路上的检修断路器以及并联于检修断路器两侧的调制电路；调制电路包括依次串联的PWM整流器、逆变器以及输出断路器，PWM整流器的输出端与逆变器的输入端之间连接有直流电容器；
调制装置还包括分别与PWM整流器和逆变器连接的中央控制单元，中央控制单元用于在低压线路处于低压状态时，断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式；中央控制单元还用于在低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式。
优选的，还包括监测组件，监测组件用于实时采集低压线路的电压参数，并将低压线路的电压参数发送给中央控制单元，中央控制单元用于接收电压参数，并将电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当电压参数处于低压阈值区间时，判断低压线路处于低压状态，控制调制装置进入升压工作模式，对低压线路进行升压。
优选的，监测组件还用于实时采集低压线路的电流参数，并将低压线路的电流参数发送给中央控制单元，中央控制单元用于接收电流参数，并将电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当电压参数处于正常阈值区间时，根据电压参数和电流参数判断低压线路是否存在无功损耗，当存在无功损耗，根据电压参数和电流参数计算无功损耗量，并控制调制装置进入无功补偿工作模式，补偿低压线路的无功损耗量。
优选的，调制电路还包括输入断路器，输入断路器串联在低压线路和PWM整流器输入端之间，中央控制单元还用于将电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当电压参数属于故障阈值区间时，断开输入断路器、输出断路器以及检修断路器。
优选的，调制装置还内置有自检模块，自检模块与中央控制单元连接，自检模块用于实时监测调制装置是否存在故障，若存在故障，则发送故障信号给中央控制单元，中央控制单元用于接收故障信号，并根据故障信号断开输入断路器和输出断路器，闭合检修断路器。
一种配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，应用于上述任一项的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置中，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过调制装置的监测组件实时采集低压线路的电压参数，并将低压线路的电压参数发送给中央控制单元，
S2:中央控制单元接收电压参数，并将电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当电压参数处于低压阈值区间时，判断低压线路处于低压状态，断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器和逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式。
优选的，在S1步骤中，监测组件还用于实时采集低压线路的电流参数，并将低压线路的电流参数发送给中央控制单元；在S2步骤中，中央控制单元还用于接收电流参数，且当电压参数不处于低压阈值区间时，还进行以下步骤：
将电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当电压参数处于正常阈值区间时，根据电压参数和电流参数判断低压线路是否存在无功损耗，若存在无功损耗，再根据电压参数和电流参数计算无功损耗量，闭合检修断路器，断开输出断路器，使PWM整流器和直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式，补偿低压线路的无功损耗量。
优选的，当比较出电压参数不处于低压阈值区间时，还进行以下步骤：
将电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当电压参数处于故障阈值区间时，断开调制装置的输入断路器、输出断路器以及检修断路器。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法，用于在低压线路低压时断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式，对低压线路进行升压；还用于在低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式，对低压线路进行无功补偿，从而提高低压用户侧电能质量。
2、在优选方案中，本发明中通过监测装置监测低压线路的电压参数和电流参数，中央控制单元再根据电压参数和电流参数判断低压线路是否存在低压或无功损耗，当存在低压或无功损耗时，自动将调制电路切换至升压或无功补偿状态，快速的对低压线路进行治理。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置的结构简图(实线表示强电连接，虚线表示弱电连接)；
图2是本发明优选实施例中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置的结构简图；
图3本发明优选实施例中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置的拓扑图，其中，控制开关Q1指的是输入断路器，控制开关Q2指的是检修断路器，控制开关Q3指的是输出断路器，驱动板1指的是第一驱动板，驱动板2指的是第二驱动板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例一：
如图1所示，一种用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，包括：串联于低压线路上的检修断路器以及并联于检修断路器两侧的调制电路；调制电路包括依次串联的PWM整流器、逆变器以及输出断路器，PWM整流器的输出端与逆变器的输入端之间连接有直流电容器；
调制装置还包括分别与PWM整流器和逆变器连接的中央控制单元，中央控制单元用于在低压线路处于低压状态时断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式；中央控制单元还用于在低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式。
本发明中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法，用于在低压线路低压时断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式，对低压线路进行升压；还用于在低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式，对低压线路进行无功补偿，从而提高低压用户侧电能质量。
实施例二：
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置的结构和功能进行了拓展，对配电台区低压线路末端电能参数的调制方法的步骤进行了细化：
如图2所示，本发明公开了一种用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，包括：中央控制单元、远程监控模块、避雷器、旁路接触器、监测组件、串联于低压线路上的检修断路器以及并联于检修断路器两侧的调制电路；调制电路包括依次串联的输入断路器、输入滤波器、PWM整流器、逆变器、输出滤波器以及输出断路器，PWM整流器的输出端与逆变器的输入端之间连接有直流电容器，检修断路器串联在低压线路中。
中央控制单元通过旁路触发器分别与输入断路器、输出断路器以及检修断路器连接，中央控制单元还与PWM整流器、逆变器以及远程监控模块连接。其中，监测组件包括输入电压电流采集模块、输出电压电流采集模块；输入电压电流采集模块、输出电压电流采集模块均与中央控制单元连接。
旁路触发器用于在装置故障情况下对负载的可靠供电，避雷器主要实现调制装置的瞬态输入过压保护，输入断路器、输出断路器以及检修断路器主要实现装置故障情况下的调制装置退出及用户供电，旁路接触器主要实现调制装置在故障情况下对负载的可靠供电，中央控制单元通过获取输入电压电流采集模块、输出电压电流采集模块上传的电压电流参数以及远程监控模块信息，实现对装置中PWM整流器、逆变器及旁路接触器的控制。
如图3所示，在本实施例中，输入断路器、输出断路器以及检修断路器优选为电气控制开关(分别为控制开关Q1、控制开关Q3、控制开关Q2)，输入滤波器、输出滤波器优选为LC滤波器，PWM整流器优选为AC/DCPWM双向整流器，具体为H桥电压型整流器，直流电容器由并联的放电电阻和直流电容组成，逆变器优选为DA/ACH桥逆变器。
其中，PWM整流器包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管以及第四功率开关管，第一功率开关管的集电极与第二功率开关管的集电极连接，第二功率开关管发射极与第三功率开关管的集电极连接，第三功率开关管的发射极与第四功率开关管的发射极连接，第四功率开关管的集电极与第一功率开关管的发射极连接，第一功率开关管的集电极和第四功率开关管的发射极之间还并联有吸收电容；低压线路输入侧的火线与第一功率开关管的发射极连接，低压线路输入侧的零线与第三功率开关管的发射极连接；
在优选方案中，逆变器包括第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管以及第八功率开关管，第五功率开关管的集电极与第六功率开关管的集电极连接，第六功率开关管发射极与第七功率开关管的集电极连接，第七功率开关管的发射极与第八功率开关管的发射极连接，第八功率开关管的集电极与第五功率开关管的发射极连接，第五功率开关管的集电极和第八功率开关管的发射极之间还并联有吸收电容；
此外，第五功率开关管的集电极与第二功率开关管的集电极连接，第七功率开关管的发射极与第三功率开关管的发射极连接，第五功率开关管的集电极与第七功率开关管的发射极之间还并联有直流电容器；
低压线路的输出侧的火线与第五功率开关管的发射极连接，低压线路输出侧的零线与第六功率开关管的发射极连接。
设置吸收电容能有效消除掉整流器、逆变器中的杂散电感引起的尖峰电压，避免整流器、逆变器的损坏。
在本实施例中，第一功率管，第二功率管，第三功率管，...，第八功率管均优选NPN管。
中央控制单元包括控制器和电源+采样+信号转化板，控制器与电源+采样+信号转化板连接，电源+采样+信号转化板通过第一驱动板(即驱动板1)与AC/DCPWM双向整流器连接，电源+采样+信号转化板通过第二驱动板(即驱动板2)与DA/ACH桥逆变器连接。
在本实施例中，调制装置的工作流程如下：
监测组件实时采集低压线路的电压参数，并将低压线路的电压参数发送给中央控制单元，中央控制单元接收电压参数，并将电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于低压阈值区间时，判断低压线路处于低压状态下，断开检修断路器，闭合输出断路器，使PWM整流器、直流电容器、逆变器接入低压线路，使调制装置进入升压工作模式，在升压工作模式中，配电网输给用户的交流电会流入PWM整流器中，经PWM整流器调相位转化为直流电后输入至直流电容器中，再经直流电容器后滤波后输入至逆变器中，经逆变器升压至标准值后，由逆变器将升压的直流电转化为交流电输出给与低压线路连接的用户。
中央控制单元当比较出电压参数不处于低压阈值区间时，将电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于正常阈值区间时，根据电压参数和电流参数判断低压线路是否存在无功损耗，若存在无功损耗，再根据电压参数和电流参数计算无功损耗量，并闭合检修断路器、断开输出断路器，使PWM整流器、直流电容器接入低压线路，使调制装置进入无功补偿模式，补偿低压线路的无功损耗，在无功补偿模式中，直流电容器对PWM整流器放电，中央控制单元控制PWM整流器用直流电容器放的电产生一个用于抵消无功损耗量的无功补偿电压对低压线路中进行无功功率补偿。
中央控制单元当比较出电压参数不处于正常阈值区时，将电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于故障阈值区间时，控制调制装置的输入断路器、输出断路器以及检修断路器断开，以避免故障电流输入至用户处。
此外，在优选方案中，调制装置还内置有自检模块，自检模块与中央控制单元连接，自检模块用于实时监测调制装置是否存在故障，若存在故障，则发送故障信号给中央控制单元，中央控制单元用于接收故障信号，并根据故障信号控制输入断路器、输出断路器均断开，控制检修断路器闭合，使低压线路供电，保障用户正常用电。
此外，在本实施例中，PWM整流器、逆变器均由mosfit(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)/IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)组成。
实施例三
本发明还公开一种配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，应用于上述任一实施例的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置中，包括以下步骤：
S1：通过调制装置的监测组件实时采集低压线路的电压参数和电流参数，并将低压线路的电压参数和电流参数发送给中央控制单元，
S2:中央控制单元接收电压参数和电流参数，并将电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于低压阈值区间时，控制调制装置进入升压工作模式，对低压线路进行升压。
当比较出电压参数不处于低压阈值区间时，将电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于正常阈值区间时，根据电压参数和电流参数判断低压线路是否存在无功损耗，若存在无功损耗，再根据电压参数和电流参数计算无功损耗量，进而控制调制装置进入无功补偿工作模式，补偿低压线路的无功损耗量。
当比较出电压参数不处于正常阈值区间时，将电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当比较出电压参数处于故障阈值区间时，控制调制装置的输入断路器、输出断路器以及检修断路器断开，以避免故障电流输入至用户处。
实施例三是实施例二的优选实施例，其与实施例一的不同之处在于，对配电台区低压线路末端电能参数的调制方法的具体参数进行了补充和具体步骤进行了细化：
在本实施例中，正常阈值区间设置为[198V，286V]，低压阈值区间设置为(66V，198V)，故障阈值区间为[0，66V]和/或286V以上。
本实施例中的配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，具体包括以下步骤：
获取低压线路的电压参数和电流参数判断低压线路是否存在无功损耗，并将电压参数与预设的多个电压阈值区间进行比较，判断电压参数所属的电压阈值区间；
当判断低压线路存在无功损耗，但低压线路属于正常阈值区间，执行以下控制步骤：
(1)中央控制单元分析低压线路中的电压参数和电流参数，通过分析电压参数和电流参数二值的相位差与幅值计算出线路中无功损耗，获得线路所需补偿的无功功率值。
(2)中央控制单元发出指令使输入断路器、输出断路器闭合，检修断路器断开。
(3)中央控制单元向PWM整流器发送无功补偿指令，控制PWM整流器向低压线路补偿所需的无功功率。
当判断低压线路属于正常阈值区间，执行以下控制步骤：
(1)中央控制单元分析低压线路中的电压参数、电流参数，发现接入的低压线路的电压处于低压阈值区间。
(2)中央控制单元发出指令使输入断路器闭合，输出断路器断开，检修断路器闭合。
(3)中央控制单元向PWM整流器发送整流指令，使PWM整流器工作在有源整流状态，将交流电变换为直流电；该直流电通过母线电容升压至直流350V；同时中央控制单元向DC-AC逆变单元发送逆变工作指令，使其工作在逆变器恒压输出工作状态，向后端低压线路输出交流220V电压。
当判断低压线路属于故障阈值区间，执行以下控制步骤：
控制步骤采用：
(1)中央控制单元分析低压线路中的电压参数和电流参数，发现接入的低压线路的电压处于故障阈值区间。
(2)中央控制单元发出故障指令使输出断路器、输入断路器以及检修断路器均断开。
此外，当中央控制单元接收到自检模块的故障信号后，根据故障信号发出检修指令使输出断路器闭合、输入断路器、检修断路器断开，使低压线路供电，保障用户正常用电。
综上可知，本发明中的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置及方法，通过mosfit/IGBT电力电子集成电路组成的PWM整流器、逆变器可有效提升用户侧低电压至220V标准值，并消除电路中的谐波等非线性污染保障居民优质用电。本方法精准可靠并且本装置制作成本低，有利于在工程上进行大量生产。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，其特征在于，包括：串联于所述低压线路上的检修断路器以及并联于所述检修断路器两侧的调制电路；所述调制电路包括依次串联的PWM整流器、逆变器以及输出断路器，所述PWM整流器的输出端与所述逆变器的输入端之间连接有直流电容器；
所述调制装置还包括分别与所述PWM整流器和逆变器连接的中央控制单元，所述中央控制单元用于在所述低压线路处于低压状态时，断开检修断路器，闭合输出断路器，使所述PWM整流器、直流电容器、逆变器接入所述低压线路，使所述调制装置进入升压工作模式；所述中央控制单元还用于在所述低压线路存在无功损耗时，闭合检修断路器、断开输出断路器，使所述PWM整流器、直流电容器接入所述低压线路，使所述调制装置进入无功补偿模式。
2.根据权利要求1中所述的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，其特征在于，还包括监测组件，所述监测组件用于实时采集所述低压线路的电压参数，并将所述低压线路的电压参数发送给所述中央控制单元，所述中央控制单元用于接收所述电压参数，并将所述电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当所述电压参数处于低压阈值区间时，判断所述低压线路处于低压状态，控制所述调制装置进入升压工作模式，对所述低压线路进行升压。
3.根据权利要求2所述的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，其特征在于，所述监测组件还用于实时采集所述低压线路的电流参数，并将所述低压线路的电流参数发送给所述中央控制单元，所述中央控制单元用于接收所述电流参数，并将所述电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当所述电压参数处于正常阈值区间时，根据所述电压参数和电流参数判断所述低压线路是否存在无功损耗，当存在无功损耗，根据所述电压参数和电流参数计算无功损耗量，并控制所述调制装置进入无功补偿工作模式，补偿所述低压线路的无功损耗量。
4.根据权利要求3所述的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，其特征在于，所述调制电路还包括输入断路器，所述输入断路器串联在所述低压线路和所述PWM整流器输入端之间，所述中央控制单元还用于将所述电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当所述电压参数属于故障阈值区间时，断开所述输入断路器、输出断路器以及检修断路器。
5.根据权利要求4所述的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置，其特征在于，所述调制装置还内置有自检模块，所述自检模块与所述中央控制单元连接，所述自检模块用于实时监测所述调制装置是否存在故障，若存在故障，则发送故障信号给所述中央控制单元，所述中央控制单元用于接收所述故障信号，并根据所述故障信号断开所述输入断路器和输出断路器，闭合所述检修断路器。
6.一种配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，应用于权利要求2-5中任一项所述的用于配电台区的低压线路末端的电能参数的调制装置中，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过调制装置的监测组件实时采集所述低压线路的电压参数，并将所述低压线路的电压参数发送给所述中央控制单元，
S2:所述中央控制单元接收所述电压参数，并将所述电压参数与预设的低压阈值区间进行比较，当所述电压参数处于低压阈值区间时，判断所述低压线路处于低压状态，断开检修断路器，闭合输出断路器，使所述PWM整流器、直流电容器和逆变器接入所述低压线路，使所述调制装置进入升压工作模式。
7.根据权利要求6所述的配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，其特征在于，在S1步骤中，所述监测组件还用于实时采集所述低压线路的电流参数，并将所述低压线路的电流参数发送给所述中央控制单元；在S2步骤中，所述中央控制单元还用于接收所述电流参数，且当所述电压参数不处于低压阈值区间时，还进行以下步骤：
将所述电压参数与预设的正常阈值区间进行比较，当所述电压参数处于正常阈值区间时，根据所述电压参数和电流参数判断所述低压线路是否存在无功损耗，若存在无功损耗，再根据所述电压参数和电流参数计算无功损耗量，闭合检修断路器，断开输出断路器，使所述PWM整流器和直流电容器接入所述低压线路，使所述调制装置进入无功补偿模式，补偿所述低压线路的无功损耗量。
8.根据权利要求6或7所述的配电台区低压线路末端电能参数的调制方法，其特征在于，当比较出所述电压参数不处于低压阈值区间时，还进行以下步骤：
将所述电压参数与预设的故障阈值区间进行比较，当所述电压参数处于故障阈值区间时，断开调制装置的输入断路器、输出断路器以及检修断路器。
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