CN112583018A - 一种10kV串联有源电压调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种10kV串联有源电压调节系统及方法，系统包括高压回路和低压回路；所述低压回路包括主路单元和低压旁路单元；所述主路单元包括降压变压器，降压变压器原边连接10kV电压输入端，降压变压器副边连接输入滤波单元，输入滤波单元连接至功率变换单元，功率变换单元连接至输出滤波单元，输出滤波单元与低压旁路单元连接，低压旁路单元连接至升压变压器原边。本发明的系统从10kV线路取电，经过变压器降压后给功率变换单元和低压旁路单元等低压部分供电，通过功率变换单元得到需要补偿的电压，通过升压变压器升压后与10kV电网叠加，保证负载端的电压稳定。

Description

一种10kV串联有源电压调节系统及方法

技术领域

本发明属于电能质量治理领域，涉及一种新型的有源电压调节系统。

背景技术

在偏远地区，电力配网发展缓慢，且10kV配网供电变压器容量一般比较小，供电线路的线径比较细，供电半径比较大，导致线损比较严重。随着人们生活水平的提高，家庭用电设备越来越多，用电负荷越来越大，导致线路末端的低电压情况越来越突出，且明显呈现出用电的高峰期和低谷期。

传统的提升线路末端电压的方式一种是从电源侧改造，如新建变电站，主变有载调压等，一般改造周期长改造费用很高或者改造效果不明显；一种是从线路上改造，如在线路上串联调压器或通过串补电容器稳定线路末端电压等，一般响应长，控制精度差，调压效果不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决背景技术中提到的10kV线路末端低电压问题，能够实现负载端的电压调节。

为解决上述技术问题，本发明提供一种10kV串联有源电压调节系统，工作原理是:从10kV电网取电，通过变压器降压后，经过整流逆变出电网电压与额定电压的差值，然后通过升压变压器升压后与输入电网电压叠加，保证10kV线路末端电压的稳定。

一种10kV串联有源电压调节系统，包括高压回路和低压回路；

所述低压回路包括主路单元和低压旁路单元；

所述主路单元包括降压变压器，降压变压器原边连接10kV电压输入端，降压变压器副边连接输入滤波单元，输入滤波单元连接至功率变换单元，功率变换单元连接至输出滤波单元，输出滤波单元与低压旁路单元连接，低压旁路单元连接至升压变压器原边；

所述高压回路包括10kV电压输入端，10kV电压输入端依次串联连接输入隔离刀闸3、升压变压器8的副边、输出隔离刀闸9后接至负荷；高压旁路开关两端分别与10kV电压输入端、负荷连接。

一种10kV串联有源电压调节系统的调节方法，包括以下步骤：

1）当10kV电网电压正常时，由主路单元的控制单元控制低压旁路单元中的接触器闭合，将升压变压器的原边短路，使10kV电网电压直接通过升压变压器的副边给10kV负荷供电；

2）当负荷过重导致10kV电网电压降低时，主路单元的控制单元检测到电网电压异常，则自动控制低压回路断开，启动功率变换单元的逆变电路运行，逆变电路输出逆变电压，逆变电压再通过升压变压器升压耦合到电网，使负载端的10kV电压的稳定；

3）当系统需要维护或出现故障需要检修时，切换到高压回路，断开输入隔离刀闸和输出隔离刀闸，同时闭合高压旁路开关。

本发明所达到的有益效果是：本发明提出了一种新型的10kV串联有源电压调节系统，从10kV电网取电，通过变压器降压后，经过整流和逆变得到差值电压，再通过升压变压器与输入电压耦合的方式实现电压补偿。本发明采用低压旁路和高压旁路相结合，低压旁路保证了只有电压异常时才让主路投入运行，提高了设备的寿命。同时，在负载不断电的情况下，高压旁路实现了设备的在线检修和维护。

附图说明

图1是本发明的10kV串联有源电压调节系统实现原理框图；

图2是本发明的主路单元的电气原理图；

图3是本发明的低压旁路单元电气原理图；

图4是本发明的高压回路部分电气原理图；

图5是功率变换单元的ACAC变流器另一实施例电气原理图。

图中标记为：1.高压旁路开关；2.低压旁路单元；3.输入隔离刀闸；4.降压变压器；5.输入滤波单元；6.ACAC变流器；7.输出滤波单元；8.升压变压器；9.输出隔离刀闸；11.三相反并联晶闸管；12.交流接触器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明的10kV串联有源电压调节系统，包括高压回路和低压回路；

所述低压回路包括主路单元和低压旁路单元；

所述主路单元包括降压变压器，降压变压器原边连接10kV电压输入端，降压变压器副边连接输入滤波单元，输入滤波单元连接至功率变换单元，功率变换单元连接至输出滤波单元，输出滤波单元与低压旁路单元连接，低压旁路单元连接至升压变压器原边；

所述高压回路包括10kV电压输入端，10kV电压输入端依次串联连接输入隔离刀闸3、升压变压器8的副边、输出隔离刀闸9后接至负荷；高压旁路开关两端分别与10kV电压输入端、负荷连接。

10kV电压输入端的电压经过降压变压器10kV/440V降压后给低压回路部分供电，主路单元通过逆变器逆变输出需要补偿的电压，再通过升压变压器400V/1150V升压后与输入电网电压叠加，来保持负载端电压的稳定。

所述低压回路的主路单元包括功率变换单元、控制单元和监控单元。功率变换单元包括ACAC变流器，所述ACAC变流器包括整流电路和逆变电路，所述整流电路输出端连接由电容构成的直流滤波器对输出电压进行滤波，同时具有一定的储能作用，滤波后作为逆变电路的输入。

所述整流电路采用三相维也纳整流器，维也纳拓扑为三电平拓扑，在相同的开关频率下，随着电平数的增加，使直流侧输出电压的纹波更小，谐波含量更低，电压品质更高；对于功率器件来说，减少了开关数量，可以有效的减小体积，增加功率密度，同时对于开关器件只需要承受一半的直流母线电压，电压应力大大降低，可靠性进一步提高。

所述逆变电路采用中点钳位型三电平逆变拓扑结构，如图2逆变电路所示。此电路拓扑的每一相桥臂有4个IGBT器件、4个续流二极管和2个箝位二极管。在直流侧有两个电容C1和C2，且容值相等，所以每个电容上分得的电压为一半的直流母线电压，两个串联IGBT器件的中点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接，使输出电压被箝位在直流侧中点电位，即每个开关器件上的承受电压就限制在一个电容电压上。箝位二极管还有一个作用就是在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。相对于两电平拓扑而言，三电平拓扑电平数增加，使交流输出电压纹波更小，正弦度提升。

逆变电路输出端连接至输出滤波单元，所述输出滤波单元采用LCL滤波器，将交流输出电压滤波成正弦波。

所述控制单元分别连接至输入滤波单元输出端、ACAC变流器，控制单元通过实时监测电网电压判断10kV电压是否正常。当检测到电压超出正常范围，控制逆变电路输出相对应的补偿电压，并通过升压变压器与输入电网电压叠加，维持负载端10kV电压的稳定。

所述监控单元通过RS485通信与控制单元通信，监控单元再通过GPRS实现与监控后台的通信。监控后台可以实时监测到设备运行状态、10kV线路的电压是否正常，负载端电压是否正常，方便后台统计一段时间内线路的电压情况。

所述低压旁路单元如图3所示，包括三相反并联晶闸管11和交流接触器12，逆变器输出端的AC、BA、CB分别连接反并联晶闸管和交流接触器触点的两端。利用晶闸管投切响应时间快的特点，将其作为主路单元和旁路单元切换时的桥接，实现主路单元和低压旁路单元的无缝切换。当电网电压发生异常时，晶闸管快速投入，同时交流接触器断开，保证负载端不断电，待接触器可靠断开后，再快速断开晶闸管，启动逆变器运行，维持负载端电压的稳定；当电网电压恢复正常时，逆变器停止运行，同时投入晶闸管，待接触器可靠闭合后再断开晶闸管。

所述高压回路的主要作用是主路单元或低压旁路单元需要维护或者发生故障需要检修时，闭合高压旁路开关，断开输入隔离刀闸和输出隔离刀闸，在保证负载不断电的情况下，对设备进行检修，实现在线维护。

本发明的10kV串联有源电压调节系统可能工作在三种状态，一种是工作在低压旁路状态，如图1中的b回路所示；一种是工作在主路运行状态，如图1中的c回路所示；一种是工作在高压旁路状态，如图1的a回路所示。

实施例2

功率变换单元的ACAC变流器也可以采用两级三相两电平PWM整流器拓扑结构，如图5所示。传统的两电平PWM整流器在每个开关周期中，输出为正、负电平，其损耗较高，效率低；还存在电磁干扰大，开关频率高，设备体积大等缺点，采用三电平拓扑可以有效地解决这些问题。

其它技术特征与实施例1相同。

一种10kV串联有源电压调节系统的调节方法，包括以下步骤：

1）当10kV电网电压正常时，由主路单元的控制单元控制低压旁路单元中的接触器闭合，将升压变压器的原边短路，使10kV电网电压直接通过升压变压器的副边给10kV负荷供电；

2）当负荷过重导致10kV电网电压降低时，主路单元的控制单元检测到电网电压异常，则自动控制低压回路断开，启动功率变换单元的逆变电路运行，逆变电路输出逆变电压，逆变电压再通过升压变压器升压耦合到电网，使负载端的10kV电压的稳定；

3）当系统需要维护或出现故障需要检修时，切换到高压回路，断开输入隔离刀闸和输出隔离刀闸，同时闭合高压旁路开关。

本发明基于电力电子变换技术、通过监测10kV线路电压，调节逆变器输出电压，并通过变压器升压后与输入电压叠加来保证末端电压的稳定。本发明采用主路和旁路的切换方式，使设备只需要在负荷较重，线路电压异常时投入运行，当负荷较轻，线路电压正常时，则退出主路运行，切换至低压旁路状态，这样则有效的减少设备运行时间，大大提高了设备的可靠性和稳定性。本发明通过实时监测线路电压，可以快速调节逆变器输出电压，同时可以有效的补偿线路电压的不平衡问题，保证负载端电压的稳定和相平衡，且响应时间快。本发明方案中的整流部分采用三相维也纳整流，维也纳拓扑为三电平电路，等效开关频率更高，输出电压纹波更小；开关数量减小，大大减小了设备体积，提高功率密度；同时功率开关管承受电压应力更低，系统可靠性、稳定性更高。

以上实施例仅用以说明发明的技术方案而非对其限制，所属领域的研发人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些没有脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围以内。

Claims (10)

1.一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

包括高压回路和低压回路；

所述低压回路包括主路单元和低压旁路单元；

所述主路单元包括降压变压器，降压变压器原边连接10kV电压输入端，降压变压器副边连接输入滤波单元，输入滤波单元连接至功率变换单元，功率变换单元连接至输出滤波单元，输出滤波单元与低压旁路单元连接，低压旁路单元连接至升压变压器原边；

所述高压回路包括10kV电压输入端，10kV电压输入端依次串联连接输入隔离刀闸3、升压变压器8的副边、输出隔离刀闸9后接至负荷；高压旁路开关两端分别与10kV电压输入端、负荷连接。

2.根据权利要求1所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述低压回路的主路单元包括功率变换单元；

所述功率变换单元包括ACAC变流器，所述ACAC变流器包括整流电路和逆变电路，所述整流电路输出端连接由电容构成的直流滤波器对输出电压进行滤波，滤波后作为逆变电路的输入。

3.根据权利要求2所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述整流电路采用三相维也纳整流器，维也纳拓扑为三电平拓扑。

4.根据权利要求2所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述低压回路的主路单元还包括控制单元，所述控制单元分别连接至输入滤波单元输出端、ACAC变流器，控制单元通过实时监测电网电压判断10kV电压是否正常,当检测到电压超出正常范围，控制逆变电路输出相对应的补偿电压，并通过升压变压器与输入电网电压叠加，维持负载端10kV电压的稳定。

5.根据权利要求2所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述低压回路的主路单元还包括监控单元，所述监控单元通过RS485通信与控制单元通信，监控单元再通过GPRS实现与监控后台的通信。

6.根据权利要求3所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述逆变电路采用中点钳位型三电平逆变拓扑结构，拓扑结构的每一相桥臂有4个IGBT器件、4个续流二极管和2个箝位二极管，在直流侧有两个电容C1和C2，且容值相等，两个串联IGBT器件的中点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接，使输出电压被箝位在直流侧中点电位。

7.根据权利要求1所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述输出滤波单元采用LCL滤波器。

8.根据权利要求1所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述低压旁路单元包括三相反并联晶闸管11和交流接触器12，逆变器输出端的AC、BA、CB分别连接反并联晶闸管和交流接触器触点的两端。

9.根据权利要求1所述的一种10kV串联有源电压调节系统，其特征在于：

所述低压回路的主路单元包括功率变换单元，所述功率变换单元采用两级三相两电平PWM整流器拓扑结构。

10.一种10kV串联有源电压调节系统的调节方法，包括以下步骤：

1）当10kV电网电压正常时，由主路单元的控制单元控制低压旁路单元中的接触器闭合，将升压变压器的原边短路，使10kV电网电压直接通过升压变压器的副边给10kV负荷供电；

2）当负荷过重导致10kV电网电压降低时，主路单元的控制单元检测到电网电压异常，则自动控制低压回路断开，启动功率变换单元的逆变电路运行，逆变电路输出逆变电压，逆变电压再通过升压变压器升压耦合到电网，使负载端的10kV电压的稳定；

3）当系统需要维护或出现故障需要检修时，切换到高压回路，断开输入隔离刀闸和输出隔离刀闸，同时闭合高压旁路开关。

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