CN112821403B - 一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路 - Google Patents

一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于输配电网及分布式电源并网领域的一种单相或三相电磁式串联型潮流控制器拓扑电路，所述单相或三相电磁式串联型潮流控制器拓扑电路主要包括配电系统的三相电源和电磁式串联型潮流控制器；电磁式潮流控制器包括三相电压移相部分和电磁式电压调节变压器部分；其中电压移相部分由闭合铁芯磁路、一次绕组、二次绕组以及移相机构组成；电压调节变压部分由闭合铁芯磁路、一次绕组、多分接头调节绕组、有载调压分接开关组成；本发明通过单相或三相电磁式串联型潮流控制器拓扑电路进行二重电磁感应变换，从而实现线路有功潮流和无功潮流的控制，避免事故期间潮流转移导致恶性事件发生，实现两电源之间相互变电、送电，互为备用，可靠性高，并保证重要负荷的不间断供电。

Description

一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路
技术领域
本发明属于输配电电网及分布式电源并网技术领域，特别涉及分布式电源高渗透率接入后电网的潮流调控问题。
背景技术
分布式电源从负荷端接入配电网后，改变了配电网的电气网络结构，使配电网从单电源辐射状网络结构变为遍布电源的有源双向网络结构，这种网络结构的改变对配电网的有功功率和无功功率潮流的分布产生重大影响。当光伏、风电为代表的分布式电源接入中低压配电网的渗透率超过一定数值时，在分布式电源高发期间，有功功率倒送将不可避免，因而改变了传统配电网能量单向流通的特性，且光伏、风电的间歇性、波动性和时空特性，又进一步加大了配电网的有功和无功潮流的复杂性和调控难度，可能导致配电网节点电压过高或过低、枢纽线路或潮流断面过载或功率严重不均衡等问题，对配电网及其用电设备的安全运行带来威胁。
采用纯电力电子技术的统一潮流控制装置(UPFC)时，电力电子开关控制灵活，调制方便、精确，可以很好地实现线路潮流的调控，但纯电力电子系统热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱，并且成本较高，难以适应配电网络及配电线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的自然环境，以及复杂的负荷性质条件。
采用晶闸管可控串补(TCSC)类装置属于调节线路电抗的方式，可补偿线路的电抗电压分量，适合高压线路(属高感性，线路电阻小甚至可忽略)的电压调节，间接改变线路的潮流，但不适合中、低压线路(属阻感性，甚至高阻性，线路电阻不可忽略)的电压调节，也难以间接改变线路的潮流，且这种方式不能做到有功和无功潮流的精确控制。
采用常规的有载调压变压器或自耦调压变压器可通过有载分接开关的控制改变变比，从而调节二次电压，间接改变线路的潮流，但这种调压器属级联型结构，其容量需大于等于所调节对象的总容量，导致设备投入成本相应增加，同时，这种方式也不能做到有功和无功潮流的独立与精确的控制。
因此，有必要发明一种专门解决输配电网枢纽线路的潮流调控问题，具有皮实耐用、高可靠性、低成本的单相或三相串联型潮流控制器拓扑电路。
发明内容
本发明主要提供一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其基本思想是在待调节潮流的线路上串联一个附加电压相量，经过对该电压相量的幅值和相位的控制，可进行线路有功功率和无功功率潮流的调节。其方法特征是利用感应调压原理和自耦调压或有载调压原理进行两重电压与功率转换，对线路附加串联电压的幅值与相位进行独立调节，实现对该线路的有功和无功潮流的精确控制。本发明提供的单相或三相线路潮流控制器的容量只是该线路传输容量的10％至5％，并实现双向潮流调节。
为解决上述技术问题，本发明提供的一个技术方案是：在待调节潮流的线路上串联一个附加电压相量，经过对该电压相量的幅值和相位的控制，可进行线路有功功率和无功功率潮流的调节。其具体技术方法是根据电磁感应原理进行两重电压和功率转换，首先利用感应调压原理改变初、次级(定、转子)绕组轴线相对角位移，同时经过磁场感应完成初、次级之间电能传递，实现次级绕组电压相位的连续调节(相对于初级电压相位)，即实现一重变换(即电压相位调节)；再又利用自耦调压或有载调压原理实现电压幅值的调节及极性的切换，即实现二重变换(即电压幅值与极性的调节)；经过该二重变换后接入线路的附加串联电压的幅值与相位及极性均可独立、连续地调节，从而，实现对该线路的有功和无功潮流的精确控制。
该技术方案的创新思维与本发明的有益效果是：
1)本发明提供一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，在经过二重电磁感应转换后，对其输出电压或曰对接入线路的附加串联电压的幅值与相位均可进行独立、连续的调节，即在极坐标平面对电压相量实施全方位控制，从而可分别实现有功潮流和无功潮流的独立解耦控制。
2)本发明所提供的技术方案是在待调节潮流的线路上串联一个附加电压相量，经过对该电压相量的幅值和相位的控制，实现该线路有功潮流和无功潮流的调节，由于附加串联电压大小只需线路标称电压的10％至5％，因而，本发明提供的单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路容量只需为该线路传输容量的10％至5％，并实现双向潮流调节。
3)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，与纯电力电子技术的潮流控制器拓扑电路相比，热容量大、抗冲击能力强，耐用性能好，并且经济成本更优，更适合输配电网络及输配电线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的用电负荷性质与行为等条件。
4)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，与可控串补(TCSC)类拓扑电路通过调节阻抗间接调控潮流的方式相比，对接入线路的附加串联电压的幅值与相位及极性进行全方位的调节，故可实现有功潮流和无功潮流的分别控制。
5)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，适用于各交流电压等级的联络线的有功、无功潮流功率控制，或多回并联线路(或潮流断面)的有功、无功功率的均衡控制，以及环路合环供电时两侧电源功率的平衡控制，还适用于各交流电压等级的架空线路及电缆线路的电压调节。
附图说明
图1为单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的示意图。
图2为三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的示意图。
图3为单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气原理示意图。
图4为单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图。
图5为三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的原理示意图。
图6为三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图。
具体实施方式
本发明提供一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，所述单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路主要包括电压移相部分和电压调节部分，具体应用时可分为单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路和三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路。
所述电压移相部分，主要包括闭合铁芯磁路、一次绕组、二次绕组以及移相机构，串联接入输电线路中，经过闭合的铁芯磁路实现一次绕组与二次绕组之间的电压变换、功率转换，实现二次绕组电压相位相对于一次绕组电压相位的连续调节。
所述电压调节部分，主要包括闭合铁芯磁路、一次绕组、多分接头调节绕组、有载调压分接开关，通过有载分接开关的选择，进行线路附加串联等值电源电压的幅值大小以及极性的控制。
所述单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，配电系统等值电源通过T1变压器输出电压/>经供电线路阻抗Rl1+jXl1与单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的输入端A1相连，电源/>侧等值负荷的有功和无功功率为P1+jQ1，配电系统等值电源/>通过T2变压器输出电压/>经供电线路阻抗Rl2+jXl2与单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的输入端A2相连；变压器T1和变压器T2以及单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的中性点N短接共地。
下面结合附图和实施例的本发明予以进一步说明。
实施例1一种单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路
图1所示的单相电磁式潮流控制器拓扑电路串联接入单相供电线路中，适合单相双电源供电且合环运行的电力用户，两电源可以相互送电，互相支援，互相调剂，互为备用，既可以提高供电的可靠性，又保证了重要负荷的不间断供电，同时，平衡环路运行还可以均衡任一侧电源输出功率，避免任一侧重载导致的线路电能损失(因为线路损耗与线路电流平方成正比)，提高电压质量。
图3所示单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气原理示意图，单相电压移相部分1中一次绕组经连接器3并联接于线路的火线A和零线N上，通过闭合的铁芯磁路4实现单相电压移相部分1一次绕组5与二次绕组6之间的电压和功率变换，并经过移相调节机构7调节二次电压相位，单相电压调节变部分2将单相电压移相部分1变换出的固定幅值和可调相位的电压接入调节变压部分2的一次绕组9，经闭合的铁芯磁路8实现调节变压部分一次绕组9与多分接头电压绕组10之间的功率变换，并通过对多分接头电压绕组10的分接头选择进行电压调节，实现电压调节变部分2的电压幅值和极性的控制，从而，完成单相单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路的二重功率变换，形成一个幅值和相位及极性均可控制的输出电压，该电压串联接入线路，通过一定的控制策略可实现对线路潮流或电压的调节控制。
图4为单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图，单相电压移相部分1中一次绕组5的首端A、末端X分别经连接器3并联接于输电线路的火线和零线上，通过闭合的铁芯磁路4实现移相器一次绕组5与二次绕组6之间的电压和功率变换，并经过移相调节机构7调节各相二次绕组电压相位，进行单相潮流控制器的第一重变换，实现单相潮流控制器电压的相位调节；单相电压移相部分1变换出的固定幅值且相位可调的绕组电压接入单相电压调节部分2一次绕组，经闭合的铁芯磁路8实现单相调压变压部分一次绕组9与多分接头电压绕组10之间的功率变换，多分接头电压绕组10引出的分接头通过导体连接到有载调压分接开关12的对应端子上，二者连接构成单相电压调节部分2的调压二次绕组，有载调压分接开关12的公共端作为调压绕组的首端A1，亦是单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出绕组首端A1，从多分接头电压绕组10中心分接头位置引出单相电压移相部分1对外连接的调压绕组末端A2，亦是单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出绕组的末端A2，从而得到正、负极性可调和双向相同调节范围的电压，端口A1A2构成单相电压调节部分2的输出绕组端口，亦即单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端口A1A2。
实施例2一种三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路
图2所示的三相电磁式潮流控制器拓扑电路输出绕组串联接于线路中，适合联络线路潮流功率的控制，提高稳态潮流的可调度性和暂态潮流的可控性，避免事故期间潮流转移导致联络线重载解列等恶性事件发生；适合两回及多回并联线路(或断面)潮流的平衡控制，优化系统潮流分布，提高电网安全运行水平；还适合双电源供电且合环运行时双侧电源的平衡供电，实现两电源之间相互变电、送电，互相支援，互相调剂，互为备用，既可以提高供电的可靠性，又保证了重要负荷的不间断供电，同时还可以均衡任一侧电源输出功率，避免任一侧重载导致的线路电能损失(因为线路损耗与线路电流平方成正比)，提高电压质量。
图5所示为三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的原理示意图，所述三相电压移相部分13变换出的幅值固定和相位可调的三相绕组601、602、603的电压接入三相电压调节部分14的对应相一次绕组901、902、903，经各相闭合的铁芯磁路801、802、803实现三相电压调节部分14一次绕组901、902、903与对应相多分接头电压绕组1001、1002、1003之间的功率变换，多分接头电压绕组1001、1002、1003引出各相的分接头序号为①至⑦的7个分接头的调节线圈，各相多分接头电压绕组1001、1002、1003的各分接头①至⑦通过导体对应连接到7档对应相有载调压分接开关1201、1202、1203的端子①至⑦上，二者连接构成三相电压调节部分14的三相调压绕组，各相有载调压分接开关1201、1202、1203的公共端⑧作为调压绕组的输入端A1、B1、C1，亦是三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A1、B1、C1；从各相多分接头调节绕组1101、1102、1103的中点位置为分接头④处，引出三相电压调节部分14对外连接的输出端A2、B2、C2，亦是三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A2、B2、C2；三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A1、B1、C1为正极性的电压，三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A2、B2、C2为负极性的电压，具有双向相同的调节范围，A1A2、B1B2、C1C2构成三相电压调节部分14的三相输出绕组端口，亦即三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外串联连接的三相输出绕组端口A1A2、B1B2、C1C2。
图6所示为三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的电气接线示意图，以单相电压移相部分组构成三相电压移相部分13为例进行说明，各相电压移相器101、102、103中一次绕组501、502、503的首端A、B、C分别经各相连接器301、302、303并联接于线路的对应火线上，各相绕组的末端X、Y、Z汇交为中性点N，实现三相取能绕组的星型接线，也可以根据应用场合的需要，三相取能绕组采用角型接线，甚至为了满足某些特殊应用场合的需要，三相取能绕组还可以采用其它点数的连接组别接线；通过闭合的铁芯磁路401、402、403实现移相器一次绕组501、502、503与二次绕组601、602、603之间的电压和功率变换，并经过移相调节机构701、702、703调节各相二次绕组电压相位，完成三相潮流控制器的第一重变换，实现电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路控制电压的相位调节。
当A相有载调压分接开关1201的公共端⑧连接于该有载分接头①的位置时，此时A相调压变压部分201输出绕组端口A1A2两端的电压为A相多分接头调节绕组1101有载分接头①和④之间的电压差，根据A相多分接头调节绕组1101的一次绕组901和调压线圈1001之间的同名端关系，即沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于降压调节，适合于降低潮流功率时的调节场景。当A相有载调压分接开关1201的公共端⑧连接于有载分接头⑦的位置时，此时A相调压变压部分201输出绕组端口A1A2两端的电压为有载分接头⑦和④之间的电压差，根据A相多分接头调节绕组1101的一次绕组901和调压线圈1001之间的同名端关系，/>即沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于升压调节，适合于增加潮流功率时的调节场景。当A相有载调压分接开关1201的公共端⑧连接于有载分接头④的位置时，此时A相调压变压部分201输出绕组端口A1A2两端的电压差为零，满足潮流不需要调节的时刻。B相和C相的电压调节原理与A相相同，完成了三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的第二重变换，实现电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路电压幅值的调节。

Claims (5)

1.一种单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，所述单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路包括电压移相部分和电压调节部分；
所述电压移相部分，包括闭合铁芯磁路I、一次绕组I、二次绕组I以及移相机构，其串联接入输电线路中，经过闭合铁芯磁路I实现一次绕组I与二次绕组I之间的电压变换、功率转换，实现二次绕组I电压相位相对于一次绕组I电压相位的连续调节；
所述电压调节部分，包括闭合铁芯磁路II、一次绕组II、多分接头调节绕组II和有载调压分接开关，通过有载调压分接开关的选择，进行线路附加串联等值电源电压的幅值大小以及极性的控制；
所述单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路和三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路在分别应用于单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路和三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路时，配电系统等值电源通过变压器T1输出电压经供电线路阻抗Rl1+jXl1与单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的输入端A1相连，电源/>侧等值负荷的有功和无功功率为P1+jQ1，配电系统等值电源通过变压器T2输出电压/>经供电线路阻抗Rl2+jXl2与单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的输入端A2相连，变压器T1和变压器T2以及单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路的中性点N短接共地。
2.根据权利要求1所述的单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，在所述的单相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路中，单相电压移相部分(1)中一次绕组I(5)的首端A、末端X分别经连接器(3)连接于输电线路的火线和零线上，通过闭合铁芯磁路I(4)实现一次绕组I与二次绕组I之间的电压和功率变换，并经过移相机构(7)调节各相二次绕组I的电压相位，进行单相潮流控制器的第一重变换，实现单相潮流控制器电压的相位调节；单相电压移相部分(1)变换出的固定幅值且相位可调的绕组电压接入单相电压调节部分(2)的一次绕组II，经闭合铁芯磁路II(8)实现单相调压变压器一次绕组II(9)与多分接头调节绕组II(10)之间的功率变换，多分接头调节绕组II(10)引出的分接头通过导体连接到有载调压分接开关(12)的对应端子上，二者连接构成单相电压调节部分(2)的调压二次绕组，有载调压分接开关(12)的公共端作为调压绕组的首端A1，亦是单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出绕组首端A1，从多分接头调节绕组II(10)中心分接头位置引出单相电压移相部分(1)对外连接的调压绕组末端A2，亦是单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出绕组的末端A2，从而得到正、负极性可调和双向相同调节范围的电压，端口A1A2构成单相电压调节部分(2)的输出绕组端口，亦即单相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端口A1A2。
3.根据权利要求1所述的单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，在所述的三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路中，三相电压移相部分(13)变换出的幅值固定和相位可调的三相绕组(601、602、603)电压接入三相电压调节部分(14)的对应相一次绕组II(901、902、903)，经各相闭合铁芯磁路II(801、802、803)实现三相电压调节部分(14)一次绕组II(901、902、903)与对应相多分接头调节绕组II(1001、1002、1003)之间的功率变换，多分接头调节绕组II(1001、1002、1003)引出各相的有载分接头序号为①至⑦的7个分接头的调节绕组，各相多分接头调节绕组II(1001、1002、1003)的各有载分接头①至⑦通过导体对应连接到7档对应相有载调压分接开关(1201、1202、1203)的有载分接头①至⑦上，二者连接构成三相电压调节部分(14)的三相调压绕组，各相有载调压分接开关(1201、1202、1203)的公共端⑧作为调压绕组的输入端A1、B1、C1，亦是三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A1、B1、C1；从各相多分接头调节绕组II(1001、1002、1003)的中点位置，也即有载分接头④处，引出三相电压调节部分(14)对外连接的输出端A2、B2、C2，亦是三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A2、B2、C2；三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A1、B1、C1为正极性的电压，三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外连接的输出端A2、B2、C2为负极性的电压，具有双向相同的调节范围，A1A2、B1B2、C1C2构成三相电压调节部分(14)的三相输出绕组端口，亦即三相电磁式串联型输电线路潮流控制电路对外串联连接的三相输出绕组端口A1A2、B1B2、C1C2。
4.根据权利要求1所述的单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，对有功和无功潮流功率的控制是首先利用感应调压原理改变一次绕组I和二次绕组I的轴线相对角位移，同时经过磁场感应完成一次绕组I和二次绕组I之间电能传递，实现二次绕组I电压相位相对于一次绕组I电压相位的连续调节，即实现电压相位调节的一重变换；再又利用自耦调压或有载调压原理实现电压幅值调节及极性切换的二重变换；经过上述一重变换和二重变换后，接入输电线路的附加串联等值电源电压的幅值与相位及极性均可独立、连续地调节，从而，实现对该线路的有功和无功潮流的精确控制。
5.根据权利要求1所述的单相或三相电磁式串联型输电线路潮流控制拓扑电路，其特征在于，有载调压分接开关和有载调压分接开关中的分接头数量可以根据实际需求任意配置，若调节精度需求高，则可增加分接头数量，若调节精度需求不高，则可减少分接头数量，以控制装置整体体积、重量和成本。
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