CN113497447B - 一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，它属于配用电网与分布式电源并网领域，主要包括电磁式双向输电线电压调节电路和输电线路电压补偿控制部分。闭合的铁心磁路实现串联调压绕组与并联取能绕组之间的功率变换，建立起二次调节绕组各分接头之间的电压与极性，再通过有载分接开关的选择，进行串联调压绕组电压的增、减及极性调节，一次绕组并联连接于供配电线路上，二次调节绕组串联连接于供配电线路与被调节对象之间。适合供电半径较大的配电台区与分布式电源的任意容量比例组合的场合，解决了分布式电源高渗透率接入造成的长配电线路末端电压越限问题。
Description
技术领域
本发明属于配电网和分布式电源并网技术领域，特别涉及分布式电源高渗透率、长线路接入造成的输电线路末端电压越限(过高和过低)问题。
背景技术
由于分布式电源大多位于偏远地块，甚至位于荒山、荒地，往往需要较长距离配电线路传送电能，随着分布式电源渗透率的不断提高，白天功率返送引起配电线路末端电压抬升，超过供电电压上限，对末端及沿线用户的电力设备造成危害；简单地下调变电站出口端电压，保障白天功率返送时线路末端电压不越上限，则导致夜间线路末端电压低于下限，即在分布式电源高渗透率下较长距离配电线路末端及沿线电压偏差昼夜变化大，超过了供电电压的允许偏差范围。
采用线路增容改造的方法可降低末端及沿线的电压抬升程度，但施工周期长，影响对沿线电力用户的供用电，同时，电力线缆及工程施工的成本高，回收周期长，投资效益低，而且，潮流计算分析表明，即使在线路增容改造后仍存在末端电压偏高的现象，并不能完全解决配电网对高渗透率分布式电源的消纳问题。
传统并联电容器或电感器无功补偿方式改善电压水平的方法对高功率因数线路的调压效果已不明显。
采用新能源发电单元发有功、吸无功的复用方式调节并网点电压的方法，亦有人称为逆控一体机的无功功率自适应电压控制技术，在逆变器较轻出力时有一定的调压效果。但考虑到中、低压线路的阻感特性时(末端电压升高的纵分量ΔU2＝(PR-QX)/U2、横分量δU2＝(PX+QR)/U2)，即：当阻感线路运行在高功率因数下，其线路末端电压升高(或降低)主要为电阻压降分量。在光伏逆变器高出力时，逆变器的无功剩余容量低，调压能力弱，此时若要确保电压不越上限，需要通过深度弃光的方式去限制有功出力并多发感性无功。考虑到光伏高发的持续时间较长(例如，10：30--14：30)、高阻感性线路以及高比例接入等因素，这种调压方式将导致长时间且较多的弃光，降低了发电效益，同时，较高的线路无功明显会加大线损。
采用纯电力电子技术的统一潮流控制装置(UPFC)时，由于电力电子开关控制灵活，调制方便、精确，可以较好地解决并网点电压过高的问题，但纯电力电子系统热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱，而且成本高，难以适应配电网络及配电线路所面临的雷暴风雪灾害天气和酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的负荷性质与行为条件。
采用晶闸管可控串补(TCSC)类装置仍然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，但不适合中、低压线路(线路阻抗呈阻感性，甚至高阻性，线路电阻分量不可忽略)的电压调节。
采用常规的有载调压变压器通过有载分接开关的控制可以改变变比，从而调节二次电压，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。另外，虽然对于新建新能源电站的变压器采用这一方式能解决本身的高电压问题，但仍然解决不了沿线周边电力用户的高电压问题。
采用常规的自耦调压变压器也可调节二次电压，但这种调压器仍然属级联型结构，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。
采用常规的感应调压器也可以调节二次电压相位，串联接入线路时可用来改变线路电压，但当线路环网供电时，可能引起环网环流，带来安全隐患。
因此，有必要发明一种专门解决配电及供电线路末端的电压越限问题，具有皮实耐用、高可靠性、低成本的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置。
发明内容
本发明主要提供一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，其根据电磁感应的原理进行电压变换、电流变换以及电能传递，利用输电线路调整电压实时计算模块，通过双侧端子转接机构，实现电压的分级调节以及正、负极性控制，实现线路末端的升、降电压调节，解决分布式电源高渗透率、长线路接入造成的末端电压越限问题，从而，保障配电网对高渗透率分布式电源的消纳。与现有有载调压变压器相比，为达到同样的调压效果，本发明提供的线路末端三相调节器的容量只需为三相有载调压变压器容量的10％至20％，容量优势明显。
本发明提供的技术方案为：基于电磁感应原理、输电线路调整电压实时计算与双侧端子转接机构的一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置技术方案。由三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的取能线圈并联在三相输电线路的火线和中性点(或中性线)间，电磁式双向输电线电压调节电路则串联接入输电线路中，再通过双侧端子转接机构改变串联在线路上的电压幅值及其正负极性，从而实现线路末端(或后段)电压的调节，解决分布式电源高渗透率或长线路接入造成的末端电压越限(过高和过低)问题。
所述装置包含电磁式双向输电线电压调节电路和输电线路电压补偿控制电路，具有三相输入端、三相输出端和中性点端子N三组接线端子。
所述电磁式双向输电线电压调节电路包含A相端子转接机构3、B相端子转接机构6、C相端子转接机构9、A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、C引出串联调压绕组7、A相并联取能绕组2、B相并联取能绕组5、C相并联取能绕组8等9个部分；A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、C引出串联调压绕组7用于实现配电线路电压调整数值和极性，A相并联取能绕组2、B相并联取能绕组5、C相并联取能绕组8用于三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置和电网之间的功率转换，建立A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、C引出串联调压绕组7各分接头之间的电压相量，再通过有载分接开关分别进行A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、C引出串联调压绕组7电压的调节。
所述电磁式双向输电线电压调节电路，其特征在于，A相端子转换机构3引出的有载分接头序号为①至⑦，A相并联取能绕组2的首端A与A相串联调压绕组1的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点A，同时，从这个公共点A引出A相串联调压绕组1对外连接的输出端A2和有载分接头④；B相端子转换机构6引出的有载分接头序号为①至⑦，B相并联取能绕组5的首端B与B相串联调压绕组4的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点B，同时，从这个公共点B引出B相串联调压绕组4对外连接的输出端B2和有载分接头④；C相端子转换机构9引出的有载分接头序号为①至⑦，C相并联取能绕组8的首端C与C相串联调压绕组7的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点C，同时，从这个公共点C引出C相串联调压绕组7对外连接的输出端C2和有载分接头④。这样，对于A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、B相串联调压绕组7而言，就可以形成一个三相高、低电压调节相同的双向调节范围。
所述输电线路电压补偿控制电路主要包含入端线路电压电流采集单元10、出端线路电压电流采集单元11、线路阻抗提取模块12、线路调整电压实时计算模块13和端子转接驱动电路14。其中，入端线路电压电流采集单元11和出端线路电压电流采集单元12分别采集单相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置输入点和输出点的电压、电流有效值及相位信息，并将所采集到的信号送至线路阻抗提取模块12，线路阻抗提取模块12利用线路阻抗神经网络提取方法获得实时线路调整电压量值并送至端子转接驱动电路14，端子转接驱动电路14生成电磁式双向输电线电压调节电路的分接头编码驱动信号，该分接头编码驱动信号将驱动端子转接机构使得A相串联调压绕组1、B相串联调压绕组4、C引出串联调压绕组7与A相并联取能绕组2、B相并联取能绕组5、C相并联取能绕组8分别接入所需分接头位置，以获取即时的输电线路电压调整极性和数值。
该技术方案的创新思维与本发明的有益效果是：
1)本发明提供一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，与现有级联型有载调压变压器调压拓扑电路相比，为达到同样的调压效果，本发明提供的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的容量只需为级联型有载调压变压器或自耦调压器等的容量的10％至20％。
2)本发明提供的一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，与纯电力电子技术的调压拓扑电路相比，热容量大、抗冲击能力强，耐用性能好，可靠性高，并且经济成本更优，更适合配电网络及配电线路所面临的雷暴风雪灾害天气和酷暑严寒的大自然环境，以及复杂的用电负荷性质与行为条件。
3)本发明提供的一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，与可控串补(TCSC)类调压拓扑电路相比，更适合中、低压阻感性，甚至高阻性的配电线路的电压调节。
4)本发明提供的一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，与逆控一体机类调压拓扑电路相比，调压能力更强，更适合分布式电源高出力、长线路且高阻感以及高渗透率接入等场合，实现对高渗透率分布式电源的完全消纳，且不会降低接入点的功率因数，也不会导致线损加大的现象。
5)本发明提供的一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，适合油浸式或干式结构，适用于各交流电压等级的架空线路及电缆线路的末端(或后段)电压调节；还适用于各交流电压等级的架空线路及电缆线路的潮流功率控制。
附图说明
图1为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的电气系统示意图。
图2为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的电气原理示意图。
图3为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置中电磁式双向输电线电压调节电路的电气示意图。
图4为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的结构示意图。
具体实施方式
三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置串联连接于供电线路与待调节对象之间，位于线路末端，适合台区内供电半径较大的三相末端电力用户。末端负荷的性质可以是用电负荷，也可以是分布式发电电源，还可以是用电负荷与分布式电源的任意容量比例的组合。由于供电半径较大，当末端用电负荷电流较大时，线路压降导致末端负荷电压偏低，若电压偏差指标越过低限，则有升压调节的需求；当末端分布式电源发电出力较大时，线路的电压差导致末端电压偏高，若电压偏差指标越过高限，则有降压调节的需求；当配电线路末端负荷由用电负荷与分布式电源的任意容量比例的组合构成时，白天太阳辐照充足时线路末端电压偏高，有降压的需求，而夜晚太阳辐照不足(或为零)时线路末端电压偏低，有升压的需求，且一天中至少升降压的需求要切换一次。本发明提供的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置正是适合这种场景的较好实施例。
图1为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的电气系统示意图，配电系统等值电源通过变压器T1得到单相供电时的电压/>以A相为例，单相电源/>经供电线路阻抗R2l+jX2l与单相电磁式串联型双向电压调节电路的输入端A1相连，单相电磁式串联型双向电压调节电路的输出端A2与变压器T2相连，变压器T2的二次侧连接公共连接点(PCC点)/>PCC点分别连接分布式电源和负荷，分布式电源输送能量为PDG+jQDG，负荷侧吸收能量为PL+jQL。
图2为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的电气原理示意图，三相电压调节电路铁芯的闭合铁芯磁路实现三相电压调节电路串联调压绕组1与三相电压调节电路并联取能绕组2之间的功率变换，三相电压调节电路并联取能绕组2的首端A、B、C分别与末端X、Y、Z分别并联连接于供电线路的火线与零线上，三相电压调节电路串联调压绕组1的首端经有载调压分接开关3、6、9分别与输入端A1、B1、C1相连，实际应用中将用于连接输电线路侧火线输出端，单相电压调节电路串联调压绕组1的末端分别与输出端A2、B2、C2相连，单相电压调节电路并联取能绕组2的首端A、B、C分别与单相电压调节电路串联调压绕组3的末端在设备内部连接成公共端作为单相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置对外连接的输出端A2、B2、C2，用于连接负荷侧火线输入端。
图3为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置中电磁式双向输电线电压调节电路的电气示意图，以7个分接头线圈为例说明问题，实际实施时可根据具体工程需要配置任意数量的分接头。A相端子转换机构3引出的有载分接头序号为①至⑦，A相并联取能绕组201的首端A与A相串联调压绕组101的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点A，同时，从这个公共点A引出A相串联调压绕组101对外连接的输出端A2和有载分接头④；B相端子转换机构6引出的有载分接头序号为①至⑦，B相并联取能绕组202的首端B与B相串联调压绕组102的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点B，同时，从这个公共点B引出B相串联调压绕组102对外连接的输出端B2和有载分接头④；C相端子转换机构9引出的有载分接头序号为①至⑦，C相并联取能绕组203的首端C与C相串联调压绕组103的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点C，同时，从这个公共点C引出C相串联调压绕组103对外连接的输出端C2和有载分接头④。这样，对于A相串联调压绕组101、B相串联调压绕组102、B相串联调压绕组103而言，就可以形成一个三相高、低电压调节相同的双向调节范围。
若高、低电压调节的范围要求不相同，例如：要求调压绕组的降压幅度大一些，升压幅度小一些，则公共端向分接头序号增大的方向调整，否则，向分接头序号减小的方向调整；若只要求单降压调节则公共端连选有载分接头序号⑦，单升压调节则公共端连有载分接头序号①。调节线圈的各有载分接头①至⑦通过导体对应分别连接到7档A相端子转换机构3、B相端子转换机构6、C相端子转换机构9的端子①至⑦上，A相端子转换机构3、B相端子转换机构6、C相端子转换机构9的公共端⑧作为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的输入端A1、B1和C1，该输入端A1、B1和C1分别经A相串联调压绕组101、B相串联调压绕组102、C引出串联调压绕组103，与输出端A2、B2、C2构成可串联接入待调节对象前端的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的调压结构。
以A相为例，说明三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的调压原理：当A相端子转换机构3的公共端⑧连接于有载分接头①的位置时，此时输入端A1与输出端A2两端的电压为调压线圈有载分接头①和④之间的电压差，根据A相并联取能绕组2和串联调压绕组1之间的同名端关系，沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于降压调节，适合于末端电力用户电压偏高时的调节场景。当A相端子转换机构3的公共端⑧连接于分接开关⑦的位置时，此时三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的输入端A1与输出端A2两端的电压为调压线圈有载分接头⑦和④之间的电压差，根据A相并联取能绕组2和串联调压绕组1之间的同名端关系，/>沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于升压调节，适合于末端电力用户电压偏低时的调节场景。当A相端子转换机构3的公共端⑧连接于有载分接头④的位置时，此时三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的输入端A1与输出端A2两端的电压差为零，满足末端电力用户电压合格时不需要调节的时刻。B相和C相的电压调节原理与A相相同。
图4为三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置的结构示意图，闭合的铁心磁路分别实现A相并联取能绕组201、B相并联取能绕组202、C相并联取能绕组203与A相串联调压绕组101、B相串联调压绕组102、C相串联调压绕组103之间的功率变换；A相并联取能绕组201、B相并联取能绕组202、C相并联取能绕组203的首端A、B、C与末端X、Y、Z分别并联连接于供电线路的火线与零线上；A相串联调压绕组101、B相串联调压绕组102、C相串联调压绕组103的首端A1、B1和C1分别为连接外部的输入端，实际应用中将用于连接线路侧火线输出端，A相串联调压绕组101、B相串联调压绕组102、C相串联调压绕组103的末端分别与A相并联取能绕组201、B相并联取能绕组202、C相并联取能绕组203的首端A、B、C在设备内部连接成公共端分别作为对外连接的输出端A2、B2、C2，实际应用中将用于连接负荷侧火线输入端。
其中三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置中输电线路电压补偿控制部分主要包含入端线路电压电流采集单元10、出端线路电压电流采集单元11、线路阻抗提取模块12、线路调整电压实时计算模块13和端子转接驱动电路14。其中，入端线路电压电流采集单元10和出端线路电压电流采集单元11分别采集单相电磁式串联型输电线路电压自适应调节装置输入点和输出点的电压、电流有效值及相位信息，并将所采集到的信号送至线路阻抗提取模块12，线路阻抗提取模块12利用线路阻抗神经网络提取方法获得实时线路调整电压量值并送至端子转接驱动电路14，端子转接驱动电路14生成电磁式输电线电压调节电路的分接头编码驱动信号，该分接头编码驱动信号将驱动三相电磁式串联型输电线路潮流控制主电路中的端子转接机构，使其接入所需分接头位置，以获取即时的输电线路电压和相位的实时调整。
Claims (3)
1.一种三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，其特征在于，所述装置包含电磁式双向输电线电压调节电路和输电线路电压补偿控制电路，具有三相输入端、三相输出端和中性点端子N三组接线端子；
所述电磁式双向输电线电压调节电路包含A相端子转接机构(3)、B相端子转接机构(6)、C相端子转接机构(9)、A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C引出串联调压绕组(103)、A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)等9个部分；A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C引出串联调压绕组(103)用于实现配电线路电压调整数值和极性，A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)用于三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置和电网之间的功率转换，建立A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C引出串联调压绕组(103)各自的有载分接头之间的电压相量，再通过A相端子转接机构(3)、B相端子转接机构(6)、C相端子转接机构(9)分别进行A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C引出串联调压绕组(103)电压的调节；
A相端子转接机构(3)的公共端⑧、B相端子转接机构(6)的公共端⑧、C相端子转接机构(9)的公共端⑧为三相输入端，A相并联取能绕组(210)的末端X、B相并联取能绕组(201)的末端Y、C相并联取能绕组(203)的末端Z为中性点端子N；A相串联调压绕组(101)的输出端A2、B相串联调压绕组(102)的输出端B2、C引出串联调压绕组(103)的输出端C2为三相输出端；
A相端子转接机构(3)、B相端子转接机构(6)、C相端子转接机构(9)分别具有序号为①至⑦的有载分接头，A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C相串联调压绕组(103)分别具有序号为①至⑦的有载分接头，A相串联调压绕组(101)的各序号为①至⑦的有载分接头通过导体对应连接到A相端子转接机构(3)的各序号为①至⑦的有载分接头上，B相串联调压绕组(102)的各序号为①至⑦的有载分接头通过导体对应连接到B相端子转接机构(6)的各序号为①至⑦的有载分接头上，C相串联调压绕组(103)的各序号为①至⑦的有载分接头通过导体对应连接到C相端子转接机构(9)的各序号为①至⑦的有载分接头上；
A相并联取能绕组(201)的首端A与A相串联调压绕组(101)的中点位置，即A相串联调压绕组(101)的序号为④的有载分接头处，连接形成一个公共点A，同时，从这个公共点A引出A相串联调压绕组(101)对外连接的输出端A2；B相并联取能绕组(202)的首端B与B相串联调压绕组(102)的中点位置，即B相串联调压绕组(102)的序号为④的有载分接头处连接形成一个公共点B，同时，从这个公共点B引出B相串联调压绕组对外连接的输出端B2；C相并联取能绕组(203)的首端C与C相串联调压绕组(103)的中点位置，即串联调压绕组(103)的序号为④的有载分接头处，连接形成一个公共点C，同时，从这个公共点C引出C相串联调压绕组(103)对外连接的输出端C2；这样，对于A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、B相串联调压绕组(103)而言，就形成一个三相高、低电压调节相同的双向调节范围；
所述输电线路电压补偿控制电路主要包含入端线路电压电流采集单元(10)、出端线路电压电流采集单元(11)、线路阻抗提取模块(12)、线路调整电压实时计算模块(13)和端子转接驱动电路(14)；其中，入端线路电压电流采集单元(10)和出端线路电压电流采集单元(11)分别采集电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置三相输入端和三相输出端的电压、电流有效值及相位信息，并将所采集到的信号送至线路阻抗提取模块(12)，线路阻抗提取模块(12)利用线路阻抗神经网络提取方法获得实时线路调整电压量值并送至端子转接驱动电路(14)，端子转接驱动电路(14)生成电磁式双向输电线电压调节电路的分接头编码驱动信号，该分接头编码驱动信号将驱动端子转接机构使得A相串联调压绕组(1)、B相串联调压绕组(4)、C引出串联调压绕组(7)与A相并联取能绕组(2)、B相并联取能绕组(5)、C相并联取能绕组(8)分别接入所需有载分接头位置，以获取即时的输电线路电压调整极性和数值。
2.根据权利要求1所述的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，其特征在于，该装置串联连接于供配电线路与被调节对象之间，A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)分别并联连接于供配电线路上用于功率转换，A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C引出串联调压绕组(103)分别串联连接于三相供配电线路中用于实现配电线路调整电压的大小与极性。
3.根据权利要求1所述的三相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置，其特征在于，闭合的铁心磁路分别实现A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)与A相串联调压绕组(101)、B相串联调压绕组(102)、C相串联调压绕组(103)之间的功率变换，A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)的首端A、首端B、首端C分别连接于供电线路的火线上，A相并联取能绕组(201)、B相并联取能绕组(202)、C相并联取能绕组(203)的末端X、末端Y、末端Z分别连接于供电线路的零线上；三相输入端在实际应用中将用于连接线路侧火线输出端，三相输出端在实际应用中将用于连接负荷侧火线输入端。
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