CN113451891A - 一种智能配电箱及其控制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能配电箱及其控制方法和系统，智能配电箱包括配电箱外壳内部的第一、第二及第三智能断路器、串联补偿电容模块、逆变器、数据采集器及控制器；第一智能断路器连接储能电池和/或光伏发电单元；第二智能断路器连接交流电网；第三智能断路器连接负载；第一智能断路器的第二端与逆变器串联形成第一支路，第二智能断路器的第二端与串联补偿电容模块串联形成第二支路，第一支路、述第二支路及第三智能断路器并联连接；数据采集器用于采集智能配电箱的电路参数；控制器用于根据电路参数及预设电压对智能配电箱进行控制。本发明实施减少低压配电网中负载出现低电压的问题，提高功率因数，可广泛应用于电力系统。

Description

一种智能配电箱及其控制方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统，尤其涉及一种智能配电箱及其控制方法和系统。
背景技术
在低压配电网中，随着电力输送距离的增加，线路损耗和压降增大，这造成远离配电变压器的用户端电压过低的现象，称为低电压。低电压问题主要出现在配电台区末端和偏远地域内；另外，配电线路处于低功率因数状态时，亦容易导致低电压问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种智能配电箱及其控制方法和系统，减少低压配电网中负载出现低电压的问题，提高功率因数。
第一方面，本发明实施例提供了一种智能配电箱，包括配电箱外壳及配电箱外壳内部的第一智能断路器、第二智能断路器、第三智能断路器、串联补偿电容模块、逆变器、数据采集器及控制器；
所述第一智能断路器的第一端用于连接储能电池和/或光伏发电单元；
所述第二智能断路器的第一端用于连接交流电网；
所述第三智能断路器的第一端用于连接负载；
所述第一智能断路器的第二端与所述逆变器串联形成第一支路，所述第二智能断路器的第二端与所述串联补偿电容模块串联形成第二支路，所述第一支路、所述第二支路及所述第三智能断路器并联连接；
所述串联补偿电容模块包括并联连接的第四智能断路器、交流电容单元及电感单元；
所述数据采集器用于采集所述第一智能断路器、所述第二智能断路器、所述第三智能断路器、所述逆变器及所述串联补偿电容模块的电路参数；所述电路参数包括电压和电流；
所述控制器用于根据所述电路参数及预设电压对智能配电箱进行控制。
可选地，所述电感单元包括电感、第一晶闸管及第二晶闸管，所述第一晶闸管及所述第二晶闸管反向并联后与所述电感串联。
可选地，所述交流电容单元包括若干个并联连接的电容。
可选地，所述交流电容单元包括并联连接的第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第二电容的容值是所述第一电容的容值的二倍，所述第三电容的容值是所述第一电容的容值的四倍，所述第四电容的容值是所述第一电容的容值的八倍。
第二方面，本发明实施例提供了一种智能配电箱系统，包括智能终端和第一方面实施例所述的智能配电箱，所述智能终端与所述智能配电箱无线通讯，所述智能终端用于显示所述电路参数及所述第三智能断路器的电压。
第三方面，本发明实施例提供了一种智能配电箱的控制方法，应用于第一方面实施例所述的智能配电箱，包括步骤：
当采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器、所述第三智能断路器及所述第四智能断路器闭合，以及控制所述第一智能断路器断开；
当采集的所述第三智能断路器的电压小于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器及所述第三智能断路器闭合，以及控制所述第四智能断路器断开；并当再次采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设预设电压，控制所述第一智能断路器断开；否则，控制所述第一智能断路器闭合。
可选地，上述的智能配电箱的控制方法，还包括步骤：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述第一晶闸管的正向电压导通时间及所述第二晶闸管的负向电压导通时间。
可选地，上述的智能配电箱的控制方法，还包括：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述交流电容单元的导通数量。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中第一智能断路器与逆变器串联形成第一支路以及第二智能断路器与串联补偿电容模块串联形成第二支路，第一支路和第二支路并联后与连接负载的第三智能断路器串联，通过第一支路和第二支路根据负载的电压进行调节，从而减少低压配电网中负载出现低电压的问题；另外，串联补偿电容模块包括交流电容单元及电感单元，通过对交流电容单元及电感单元的调节提高功率因数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种智能配电箱的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种串联补偿电容模块的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种智能配电箱的控制方法的步骤流程示意图；
图4是本发明实施例提供的一种智能配电箱的电流和电压关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种智能配电箱，包括配电箱外壳及配电箱外壳内部的第一智能断路器CB1、第二智能断路器CB2、第三智能断路器CB3、串联补偿电容模块SCC、逆变器DC/AC、数据采集器及控制器；
所述第一智能断路器CB1的第一端用于连接储能电池和/或光伏发电单元；
所述第二智能断路器CB2的第一端用于连接交流电网；
所述第三智能断路器CB3的第一端用于连接负载；
所述第一智能断路器CB1的第二端与所述逆变器串联形成第一支路，所述第二智能断路器CB2的第二端与所述串联补偿电容模块串联形成第二支路，所述第一支路、所述第二支路及所述第三智能断路器CB3并联连接；
所述串联补偿电容模块包括并联连接的第四智能断路器、交流电容单元及电感单元；
所述数据采集器用于采集所述第一智能断路器、所述第二智能断路器、所述第三智能断路器、所述逆变器及所述串联补偿电容模块的电路参数；所述电路参数包括电压和电流；
所述控制器用于根据所述电路参数及预设电压对智能配电箱进行控制。
需要说明的是，数据采集器将采集的CB1、CB2、CB3、DC/AC及SCC的电压和电流数据发送给控制器，控制器根据预设的数值范围对CB1、CB2、CB3、DC/AC及SCC进行控制。如，当CB3上的电压出现低电压时(低于额定电压的60％为低电压)，断开CB4，将串联补偿电容器接入电路进行第一次电压补偿；如果CB3上的电压依然达不到额定电压，则闭合CB1，对CB3上的电流进行第二次补偿，以保障负载可获得足够的额定功率。在上述补偿过程中，对的电压和电流采取实时监测和分析。
本领域技术人员可以理解的是，预设电压根据具体需求进行设置，本发明实施例不做具体限制。
需要说明的是，第一智能断路器CB1的第一端连接储能电池或光伏发电单元中的任一种，或同时连接两种。连接光伏发电单元有利于充分利用光伏电能，又能够提高负载供电的可靠性和电能质量。
可选地，所述电感单元包括电感、第一晶闸管及第二晶闸管，所述第一晶闸管及所述第二晶闸管反向并联后与所述电感串联。
具体地，如图2所示，串联补偿电容模块包括并联连接的第四智能断路器CB4、交流电容单元C及电感单元，其中，电感单元包括电感L、第一晶闸管T1及第二晶闸管T2，第一晶闸管T1及第二晶闸管T2反向并联后与所述电感L串联。
可选地，所述交流电容单元包括若干个并联连接的电容。
可选地，所述交流电容单元包括并联连接的第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第二电容的容值是所述第一电容的容值的二倍，所述第三电容的容值是所述第一电容的容值的四倍，所述第四电容的容值是所述第一电容的容值的八倍。
具体地，根据需要电路需要的电容值进行调节，交流电容单元并联的电容越多，电容值的调节范围越大。如交流电容单元包括并联连接的第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第二电容的容值是所述第一电容的容值的二倍，所述第三电容的容值是所述第一电容的容值的四倍，所述第四电容的容值是所述第一电容的容值的八倍，则接入电路的电容值可分别为0～15中的任何整数倍第一电容。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中第一智能断路器与逆变器串联形成第一支路以及第二智能断路器与串联补偿电容模块串联形成第二支路，第一支路和第二支路并联后与连接负载的第三智能断路器串联，通过第一支路和第二支路根据负载的电压进行调节，从而减少低压配电网中负载出现低电压的问题；另外，串联补偿电容模块包括交流电容单元及电感单元，通过对交流电容单元及电感单元的调节提高功率因数。
本发明实施例还提供了一种智能配电箱系统，包括智能终端和第一方面实施例所述的智能配电箱，所述智能终端与所述智能配电箱无线通讯，所述智能终端用于显示所述电路参数及所述第三智能断路器的电压。
需要说明的是，智能终端可以是手机、平板、台式电脑或笔记本电脑等，智能配电箱可以生成对应的二维码，智能终端扫描二维码即可关联对应的智能配电箱。智能终端可以下载对应的APP软件，APP上可查看CB1、CB2、CB3、DC/AC、SCC五个模块上的电压和电流数据，以及当前CB3是否存在低电压问题提示，以便用户直观、安全的查看电能供应和运行的状态。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中第一智能断路器与逆变器串联形成第一支路以及第二智能断路器与串联补偿电容模块串联形成第二支路，第一支路和第二支路并联后与连接负载的第三智能断路器串联，通过第一支路和第二支路根据负载的电压进行调节，从而减少低压配电网中负载出现低电压的问题；另外，串联补偿电容模块包括交流电容单元及电感单元，通过对交流电容单元及电感单元的调节提高功率因数。
如图3所示，本发明实施例提供了一种智能配电箱的控制方法，应用于上述的智能配电箱，包括步骤：
S1、当采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器、所述第三智能断路器及所述第四智能断路器闭合，以及控制所述第一智能断路器断开；
S2、当采集的所述第三智能断路器的电压小于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器及所述第三智能断路器闭合，以及控制所述第四智能断路器断开；并当再次采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设预设电压，控制所述第一智能断路器断开；否则，控制所述第一智能断路器闭合。
具体地，如图4所示，
Figure BDA0003148915470000051
表示电网电压相量，
Figure BDA0003148915470000052
表示串联电容补偿器电压相量，
Figure BDA0003148915470000053
为＝表示负载电压相量，
Figure BDA0003148915470000054
表示电网电流相量，
Figure BDA0003148915470000055
为串联电容补偿器电流相量，
Figure BDA0003148915470000056
为负载电流相量。首先，当CB2/CB3/CB4断路器闭合，以及CB1断开时，负载由电网直接供电，
Figure BDA0003148915470000057
若电网出现低电压，则负载也会存在低电压问题而不能正常工作。然后，断开断路器CB4，补偿电容器串联接入电网后给负载供电，此时
Figure BDA0003148915470000058
通过控制T1和T2，使补偿器电压相量与电网电压相量保持垂直关系，根据直角三角形特征的长边对大角关系，负载电压对应的角度为直角，电源电压对应的角度必定为锐角，所以实际得到的负载电压相量的模值将大于电网电压模值，从而解决了负载低电压问题。最后，由于负载的正常运行不仅要满足电压条件，还需达到额定功率，所以B中的补偿不一定能保证负载能够正常工作，此时需要闭合CB1，对负载的电流进行补偿，使
Figure BDA0003148915470000059
实现对负载电流的增幅，以确保负载到达额定功率而正常运行。
可选地，上述的智能配电箱的控制方法，还包括步骤：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述第一晶闸管的正向电压导通时间及所述第二晶闸管的负向电压导通时间。
具体地，结合图2，当CB4断开时，串联补偿器SCC的等效电容为：
Figure BDA00031489154700000510
式中，C为电容器容值；L为电感大小；ω为正弦电压波形的角频率，对于有效值为220伏特的家用电，频率为50Hz时，ω＝314弧度/秒；k值为T1和T2的控制效果量，对k的调节，使得Ceq在0.7～1.0倍C值范围内变化。T1和T2均为晶闸管，对它们采用相位控制方式驱动其导通，考虑一个正弦电压周期内，T1在正半周导通，电流经过L自左向右流经T1；T2在负半周导通，电流经过T2自右向左流经L；当在正半周相位为α角度触发T1导通，则在π+α角度时触发T2导通。改变α的大小，即可调节k值，从而改变Ceq。
可选地，上述的智能配电箱的控制方法，还包括：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述交流电容单元的导通数量。
具体地，根据需要电路需要的电容值进行调节，交流电容单元并联的电容越多，电容值的调节范围越大。如交流电容单元包括并联连接的第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第二电容的容值是所述第一电容的容值的二倍，所述第三电容的容值是所述第一电容的容值的四倍，所述第四电容的容值是所述第一电容的容值的八倍，则接入电路的电容值可分别为0～15中的任何整数倍第一电容。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中第一智能断路器与逆变器串联形成第一支路以及第二智能断路器与串联补偿电容模块串联形成第二支路，第一支路和第二支路并联后与连接负载的第三智能断路器串联，通过第一支路和第二支路根据负载的电压进行调节，从而减少低压配电网中负载出现低电压的问题；另外，串联补偿电容模块包括交流电容单元及电感单元，通过对交流电容单元及电感单元的调节提高功率因数。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种智能配电箱，其特征在于，包括配电箱外壳及配电箱外壳内部的第一智能断路器、第二智能断路器、第三智能断路器、串联补偿电容模块、逆变器、数据采集器及控制器；
所述第一智能断路器的第一端用于连接储能电池和/或光伏发电单元；
所述第二智能断路器的第一端用于连接交流电网；
所述第三智能断路器的第一端用于连接负载；
所述第一智能断路器的第二端与所述逆变器串联形成第一支路，所述第二智能断路器的第二端与所述串联补偿电容模块串联形成第二支路，所述第一支路、所述第二支路及所述第三智能断路器并联连接；
所述串联补偿电容模块包括并联连接的第四智能断路器、交流电容单元及电感单元；
所述数据采集器用于采集所述第一智能断路器、所述第二智能断路器、所述第三智能断路器、所述逆变器及所述串联补偿电容模块的电路参数；所述电路参数包括电压和电流；
所述控制器用于根据所述电路参数及预设电压对智能配电箱进行控制。
2.根据权利要求1所述的智能配电箱，其特征在于，所述电感单元包括电感、第一晶闸管及第二晶闸管，所述第一晶闸管及所述第二晶闸管反向并联后与所述电感串联。
3.根据权利要求1所述的智能配电箱，其特征在于，所述交流电容单元包括若干个并联连接的电容。
4.根据权利要求3所述的智能配电箱，其特征在于，所述交流电容单元包括并联连接的第一电容、第二电容、第三电容及第四电容，所述第二电容的容值是所述第一电容的容值的二倍，所述第三电容的容值是所述第一电容的容值的四倍，所述第四电容的容值是所述第一电容的容值的八倍。
5.一种智能配电箱系统，其特征在于，包括智能终端和权利要求1-4任一项所述的智能配电箱，所述智能终端与所述智能配电箱无线通讯，所述智能终端用于显示所述电路参数及所述第三智能断路器的电压。
6.一种智能配电箱的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-4任一项所述的智能配电箱，包括步骤：
当采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器、所述第三智能断路器及所述第四智能断路器闭合，以及控制所述第一智能断路器断开；
当采集的所述第三智能断路器的电压小于预设电压，所述控制器控制所述第二智能断路器及所述第三智能断路器闭合，以及控制所述第四智能断路器断开；并当再次采集的所述第三智能断路器的电压大于或等于预设预设电压，控制所述第一智能断路器断开；否则，控制所述第一智能断路器闭合。
7.根据权利要求6所述的智能配电箱的控制方法，其特征在于，应用于权利要求2所述的智能配电箱，还包括步骤：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述第一晶闸管的正向电压导通时间及所述第二晶闸管的负向电压导通时间。
8.根据权利要求6所述的智能配电箱的控制方法，其特征在于，应用于权利要求3所述的智能配电箱，还包括：
当所述第四智能断路器处于断开状态，控制所述交流电容单元的导通数量。
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