CN114221555A - 一种含潮流控制器的多端柔性软开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含潮流控制器的多端柔性软开关；通过环流检测模块检测接地线的电流信号，同时根据环形测温带测量电缆温度，由实际电缆温度、实际电压值和电流值与设置的损耗模型对比得到实际的能耗，同时根据实际能耗与预计能耗的对比，实时调整潮流控制器的匝数比，利用PFC实时调节潮流，避免环流形成的损耗。

Description

一种含潮流控制器的多端柔性软开关

技术领域

本发明涉及电网领域，特别是涉及一种含潮流控制器的多端柔性软开关。

背景技术

近些年全世界对清洁能源的要求越来越高，同时对碳排放量的释出提出了要求和顶峰的限制。我国也提出了自己的碳排放目标，明确了要推动碳达峰、碳中和，并明确指出要着力构建以新能源为主体的新型电力系统。海宁尖山地区清洁能源发展起步早，国家能源局首批“互联网+智慧能源综合示范项目”和国网浙江电力多元融合高弹性电网综合示范等在尖山落地建设，促进了尖山新区清洁能源的快速发展。截止2020年底，尖山新区清洁能源装机占比高达91.25%，本地清洁能源占本地一次能源消费比重高达50.06%，在海宁尖山开展新型电力系统相关的科技创新探索具有一定的先发优势。海宁尖山新区清洁能源高渗透率带来清洁能源就地消纳能力不足、短路电流抑制困难等问题，影响配电网运行效率和安全。同时配电网在传输电力的过程中，由于各种因素影响可能造成电力在运输线上的损耗过大。而选择使用软开关调控变电压设备是减小电力损耗的一种方式，并且可以减小切换过程中造成的噪音和对设备的伤害。然而单单采用软开关并不能降低设备在高低压转换时出现的涡流损耗，也无法在输电线的阻抗损耗过大时，进行及时的预警和检修，造成传输电力当中的碳损失。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种软开关变换器参数优化方法和软开关变换电路”，其公告号CN108900085B，包括获取待测电感值；根据变换器数据，求解基于变换器数据、待测电感值和对应的电感电流值确定的一元二次方程；当求得的解满足预设的效率最优条件时，则根据待测电感值和对应的电感电流值对软开关变换器进行参数优化配置；当求得的解不满足效率最优条件时，则更新待测电感值，并返回根据预设的变换器数据和待测电感值计算得到对应的电感电流值的步骤。软开关变换器在传输相同功率时有最小的导通损耗和关断损耗，能获得最高的能量变换效率，能量变换效率高。但是该方案虽然提升了软开关的能量变换效率，却仍然无法解决输电线中软开关存在的涡流损耗的问题，同时也无法对输电线中超预计得损耗进行判断和预警。

发明内容

本发明主要针对现有输电线路中无法对超阈值能耗进行预警、潮流控制器涡旋损耗过大且难以调整、能损判断不精确的问题；提供了一种含潮流控制器的多端柔性软开关；通过环流检测模块检测接地线的电流信号，同时根据环形测温带测量电缆温度，由实际电缆温度、实际电压值和电流值与设置的损耗模型对比得到实际的能耗，同时根据实际能耗与预计能耗的对比，实时调整潮流控制器的匝数比，利用PFC实时调节潮流，避免环流形成的损耗。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种含潮流控制器的多端柔性软开关，包括，

环流检测模块，实时采集电缆接地线上的电流信号、电压信号和电缆的温度信号，处理后将信号传递至数据分析模块；

数据分析模块，接收环流检测模块传递的信号并对信号进行分析判断，并根据分析判断结果向控制模块传递控制信号；

控制模块，接收数据分析模块传递的控制信号并执行；

感应取电模块，为环流检测模块，数据分析模块和控制模块供电。

通过环流检测模块检测接地线的电流信号、电压信号和温度数据，由实际电缆温度、实际电压值和电流值与设置的损耗模型对比得到实际的能耗，同时根据实际能耗与预计能耗的对比，实时调整潮流控制器的匝数比，利用PFC实时调节潮流，避免环流形成的损耗。

作为优选，所述环流检测模块包括：

环流采集单元，采集电缆接地线上的电流信号，将电流信号转换成数字信号储存并传递至数据分析模块；

电压检测单元，采集电压信号并将信号传递至环流采集单元；

温度检测单元，采集电缆温度，传递至环流采集单元；

所述温度检测单元和电压检测单元均与环流采集单元交互连接。

根据环流检测模块检测输电线上的数据，方便后续对数据进行判断和比对。

作为优选，所述温度检测单元采用环状测温带，环状测温带内部环向设置有若干温度传感器，所述环状测温带包裹在电缆外侧。环状测温带能够环向测量电缆的温度数据，保证能够精确的采集温度数值，避免因测温不准造成的数据错误报警和错误调整。

作为优选，所述潮流控制器采用变压器模型；所述变压器模型的匝数采用“低-高-低”顺序排列，线圈绕组之间采用薄直筒，小油隙；绕组内径绕在绝缘纸上，线段中间设置轴向油道。通过改变潮流控制器的绕组，减小潮流控制器内部的环流损耗，避免多端软开关自身的能耗损失。

作为优选，所述多端柔性软开关采用零电压转换PWM电路；所述零电压转换PWM电路包括开关S1、开关S2、电容Cr、电感L1、电感L2、二极管VD1和二极管VD2；输入端连通开关S1的第一端，开关S1的第一端和电容Cr的第一端连接，电容Cr的第一端和电感L1的第一端连接；电感L1的第二端和开关S2的第一端连接，电感L1的第二端连接二极管VD1的负向端，开关S2的第二端和电容Cr的第二端连接，电容Cr的第二端连接开关S1的第二端，开关S2的第二端连接二极管VD1的负向端，二极管VD1的正向端连接二极管VD2的正向端，二极管VD2的负向端和开关S1的第二端连接，开关S1的第二端连接电感L2的第一端，电感L2的第二端连通输出端。使用零电压转换PWM电路软开关，在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，消除开关过程中中电压、电流的重叠，减小甚至消除损耗和开关噪声。

作为优选，所述多端柔性软开关的控制步骤如下：

步骤S61、实时采集电缆接地线上的电流信号和电缆的温度信号，并将信号传递至数据分析模块；计算得到配电线的有功功率，无功功率；将电流信号与电力损耗-电流模型比较，得到预估电力损耗量；

步骤S62、根据预估电力损耗量与实际电流数值，得到预估电压数值，将预估电压数值和实际电压数值对比，判断电力损耗是否超出预估值；

步骤S63、若预估电压数值小于实际电压数值，则电力损耗超出预估值，数据分析模块将控制信号传递至控制模块，同时通过无线网络向控制中心传递损耗报警信息；

步骤S64、控制模块控制所述多端柔性软开关改变接入端口，减小匝数比。

通过实际采集的电流数据和电压数据，与能耗模型对比，得到实际的能耗，通过对实际能耗的判断确定数值是否符合预期，并根据预期调整开关，同时在能耗过大时向控制中心报警。减小匝数比能够减小环流损耗，达到减小能耗的目的。

作为优选，所述损耗-电流模型的建立按照如下步骤：

步骤S71、计算输电站与多端柔性软开关安装位点间输电线的长度，将线路长度、输电线所用材料电阻率代入仿真软件，模拟输电线环境，迭代得到不同电流数据下的损耗值；

步骤S72、根据电流数据、损耗值、线路长度和电压数据得出有功功率，无功功率和输电效率；将数据再次导入仿真软件得到同样电压下，不同输电效率时的散热模型，根据散热模型与输电线材料得到不同输电效率下的升温数据；

步骤S73、通过K均值聚类算法将电流-损耗值拟合成一条损耗-电流曲线，即损耗-电流模型；根据电压、输电效率和升温数据拟合成一三维电压-输电效率-升温曲线，即电压-输电效率-升温模型。

由于输电线本身的损耗与输电长度、输电线采用的材料均有关系，当材料不同时，输电长度、输电环境下的线损耗是不同的。因此采用温度获得输电线的无功功率和有功功率，再通过模拟仿真得到损耗值，数值更精确，也更符合实际的运算情况。

作为优选，所述有功功率、无功功率的获得方法如下：

步骤S81、实时采集电缆接地线上的电压信号和电缆的温度信号；

步骤S82、根据所述输电线所处环境实时温度，得到输电电缆升温数值；将输电电缆升温数值和实时电压代入电压-输电效率-升温模型，得到实际输电效率，根据实时电压和实时电流，根据欧姆定律，得到实际的有功功率和无功功率。

输电过程中的无功损耗往往会转变成热量，并从接触到的电缆外皮散出去，将环形测温带设置在电缆外部，可以输电过程中的无功功率的转换情况，从而根据公式得到输电线的输电效率。

作为优选，所述潮流控制器采用如下步骤运算：

步骤S91、使用变压器变比、移相器角度和可调电容器表示潮流控制器稳态模型；

步骤S92、根据潮流控制器的稳态模型，得到含潮流控制器的确定性最优潮流模型，控制变量包括潮流控制器的变压器变比、移相器角度和可调电容器；状态变量包括节点电压和线路功率；

步骤S93、负荷和风电功率分别是服从正态分布和威布尔分布的随机变量，基于点估计法将含潮流控制器的随机最优潮流模型等效为2S个确定性最优潮流模型，其中S为随机变量的数量；

步骤S94、根据2S个确定性最优潮流模型的计算结果，以及负荷和电功率的概率分布，计算节点电压、线路功率以及潮流控制器运行状态的概率密度函数，实现随机最优潮流模型的计算。

通过改变潮流控制器的算法得到更精确的潮流模型计算数据。

本发明的有益效果是：

1.通过环形测温带测量电缆温度，根据实际温度和电压、电流计算电缆输电的效率，并根据效率判断输电线的能耗损失；当能耗损失大于预期值时实时控制软开关改变端口接入，从而改变匝数比，减小涡旋损耗，同时对能耗超预期进行预警。

2.使用零电压转换PWM电路软开关，在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，消除开关过程中中电压、电流的重叠，减小甚至消除损耗和开关噪声。

3.使用电压、电流和温度三者作为衡量标准构建模型，从能耗计算方式和能耗转换的两方面对能耗数据进行计算，使数据更精确，保证调整和预警过程的精准。

附图说明

图1为本开关操控方法流程图；

图2为零电压PWM电路图。

具体实施方式

应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明.讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一种含潮流控制器的多端柔性软开关，所述潮流控制器采用变压器模型；所述变压器模型的匝数采用“低-高-低”顺序排列，线圈绕组之间采用薄直筒，小油隙；绕组内径绕在绝缘纸上，线段中间设置轴向油道。

该多端柔性软开关采用零电压转换PWM电路；所述零电压转换PWM电路包括开关S1、开关S2、电容Cr、电感L1、电感L2、二极管VD1和二极管VD2；输入端连通开关S1的第一端，开关S1的第一端和电容Cr的第一端连接，电容Cr的第一端和电感L1的第一端连接；电感L1的第二端和开关S2的第一端连接，电感L1的第二端连接二极管VD1的负向端，开关S2的第二端和电容Cr的第二端连接，电容Cr的第二端连接开关S1的第二端，开关S2的第二端连接二极管VD1的负向端，二极管VD1的正向端连接二极管VD2的正向端，二极管VD2的负向端和开关S1的第二端连接，开关S1的第二端连接电感L2的第一端，电感L2的第二端连通输出端。

一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其中，环流检测模块，数据分析模块和控制模块依次连接，同时控制模块控制开关切入切出，同时存在感应取电模块，为三者供电，保证内部电路的运行稳定。

环流检测模块用于实时采集电缆接地线上的电流、电压和温度，简单的将数据处理成数字信号以后将信号传递至数据分析模块，数据分析模块接收环流检测模块传递的信号，并与能耗模型比较，并根据分析判断结果向控制模块传递控制信号；控制模块接收到控制信号后调整开关切入切出，若能耗比预计能耗大，则直接进行报警。

环流检测模块包括环流采集单元，电压采集单元和温度采集单元，电压采集单元和温度采集单元分别都与环流采集单元交互连接，将采集到的温度数据和电压数据传输至环流采集单元，并且通过环流采集单元处理后传输至数据分析模块。

环流采集单元中的检测温度所使用的是环状测温带，环状测温带内部环向设置有若干温度传感器，所述环状测温带包裹在电缆外侧直接与电缆壁接触，并且直接监测电缆表皮温度。

多端柔性软开关的控制步骤如下：

首先，实时采集电缆接地线上的电流信号和电缆的温度信号，并将信号传递至数据分析模块；计算得到配电线的有功功率，无功功率；将电流信号与电力损耗-电流模型比较，得到预估电力损耗量；所述损耗-电流模型的建立按照如下步骤：

步骤S71、计算输电站与多端柔性软开关安装位点间输电线的长度，将线路长度、输电线所用材料电阻率代入仿真软件，模拟输电线环境，迭代得到不同电流数据下的损耗值；

步骤S72、根据电流数据、损耗值、线路长度和电压数据得出有功功率，无功功率和输电效率；将数据再次导入仿真软件得到同样电压下，不同输电效率时的散热模型，根据散热模型与输电线材料得到不同输电效率下的升温数据；

步骤S73、通过K均值聚类算法将电流-损耗值拟合成一条损耗-电流曲线，即损耗-电流模型；根据电压、输电效率和升温数据拟合成一三维电压-输电效率-升温曲线，即电压-输电效率-升温模型。

所述有功功率、无功功率的获得方法如下：

步骤S81、实时采集电缆接地线上的电压信号和电缆的温度信号；

步骤S82、根据所述输电线所处环境实时温度，得到输电电缆升温数值；将输电电缆升温数值和实时电压代入电压-输电效率-升温模型，得到实际输电效率，根据实时电压和实时电流，得到实际的有功功率和无功功率。

其次，根据预估电力损耗量与实际电流数值，得到预估电压数值，将预估电压数值和实际电压数值对比，判断电力损耗是否超出预估值；

最后，若预估电压值大于实际电压数值，即证明实际损耗低于预计损耗值，此时则正常运行，并继续对电流电压温度数据进行实时监测；若预估电压数值小于实际电压数值，则电力损耗超出预估值，数据分析模块将控制信号传递至控制模块，并通过无线网络向控制中心传递损耗报警信息；控制模块控制开关改变接入端口，减小匝数比。

所述潮流控制器采用如下步骤运算：

步骤S91、使用变压器变比、移相器角度和可调电容器表示潮流控制器稳态模型；

步骤S92、根据潮流控制器的稳态模型，得到含潮流控制器的确定性最优潮流模型，控制变量包括潮流控制器的变压器变比、移相器角度和可调电容器；状态变量包括节点电压和线路功率；

步骤S93、负荷和风电功率分别是服从正态分布和威布尔分布的随机变量，基于点估计法将含潮流控制器的随机最优潮流模型等效为2S个确定性最优潮流模型，其中S为随机变量的数量；

步骤S94、根据2S个确定性最优潮流模型的计算结果，以及负荷和电功率的概率分布，计算节点电压、线路功率以及潮流控制器运行状态的概率密度函数，实现随机最优潮流模型的计算，有利于电力系统运行人员充分掌握UPFC在随机因素下的运行状态分布，对于充分利用UPFC的控制能力和提高UPFC运行可靠性有着积极的作用。

Claims (9)

1.一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：包括，

环流检测模块，实时采集电缆接地线上的电流信号、电压信号和电缆的温度信号，处理后将信号传递至数据分析模块；

数据分析模块，接收环流检测模块传递的信号并对信号进行分析判断，并根据分析判断结果向控制模块传递控制信号；

控制模块，接收数据分析模块传递的控制信号并执行；

感应取电模块，为环流检测模块，数据分析模块和控制模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述环流检测模块包括：

环流采集单元，采集电缆接地线上的电流信号，将电流信号转换成数字信号储存并传递至数据分析模块；

电压检测单元，采集电压信号并将信号传递至环流采集单元；

温度检测单元，采集电缆温度，传递至环流采集单元；

所述温度检测单元和电压检测单元均与环流采集单元交互连接。

3.权利要求2所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述温度检测单元采用环状测温带，环状测温带内部环向设置有若干温度传感器，所述环状测温带包裹在电缆外侧。

4.根据权利要求1所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述潮流控制器采用变压器模型；所述变压器模型的匝数采用“低-高-低”顺序排列，线圈绕组之间采用薄直筒，小油隙；绕组内径绕在绝缘纸上，线段中间设置轴向油道。

5.要求1所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述多端柔性软开关采用零电压转换PWM电路；所述零电压转换PWM电路包括开关S1、开关S2、电容Cr、电感L1、电感L2、二极管VD1和二极管VD2；输入端连通开关S1的第一端，开关S1的第一端和电容Cr的第一端连接，电容Cr的第一端和电感L1的第一端连接；电感L1的第二端和开关S2的第一端连接，电感L1的第二端连接二极管VD1的负向端，开关S2的第二端和电容Cr的第二端连接，电容Cr的第二端连接开关S1的第二端，开关S2的第二端连接二极管VD1的负向端，二极管VD1的正向端连接二极管VD2的正向端，二极管VD2的负向端和开关S1的第二端连接，开关S1的第二端连接电感L2的第一端，电感L2的第二端连通输出端。

6.根据权利要求1所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述多端柔性软开关的控制步骤如下：

步骤S61、实时采集电缆接地线上的电流信号和电缆的温度信号，并将信号传递至数据分析模块；计算得到配电线的有功功率，无功功率；将电流信号与电力损耗-电流模型比较，得到预估电力损耗量；

步骤S62、根据预估电力损耗量与实际电流数值，得到预估电压数值，将预估电压数值和实际电压数值对比，判断电力损耗是否超出预估值；

步骤S63、若预估电压数值小于实际电压数值，则电力损耗超出预估值，数据分析模块将控制信号传递至控制模块，同时通过无线网络向控制中心传递损耗报警信息；

步骤S64、控制模块控制所述多端柔性软开关改变接入端口，减小匝数比。

7.根据权利要求6所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述损耗-电流模型的建立按照如下步骤：

步骤S71、计算输电站与多端柔性软开关安装位点间输电线的长度，将线路长度、输电线所用材料电阻率代入仿真软件，模拟输电线环境，迭代得到不同电流数据下的损耗值；

步骤S72、根据电流数据、损耗值、线路长度和电压数据得出有功功率，无功功率和输电效率；将数据再次导入仿真软件得到同样电压下，不同输电效率时的散热模型，根据散热模型与输电线材料得到不同输电效率下的升温数据；

步骤S73、通过K均值聚类算法将电流-损耗值拟合成一条损耗-电流曲线，即损耗-电流模型；根据电压、输电效率和升温数据拟合成一三维电压-输电效率-升温曲线，即电压-输电效率-升温模型。

8.根据权利要求6或7所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述有功功率、无功功率的获得方法如下：

步骤S81、实时采集电缆接地线上的电压信号和电缆的温度信号；

步骤S82、根据所述输电线所处环境实时温度，得到输电电缆升温数值；将输电电缆升温数值和实时电压代入电压-输电效率-升温模型，得到实际输电效率，根据实时电压和实时电流，根据欧姆定律，得到实际的有功功率和无功功率。

9.根据权利要求1所述的一种含潮流控制器的多端柔性软开关，其特征在于：所述潮流控制器采用如下步骤运算：

步骤S91、使用变压器变比、移相器角度和可调电容器表示潮流控制器稳态模型；

步骤S92、根据潮流控制器的稳态模型，得到含潮流控制器的确定性最优潮流模型，控制变量包括潮流控制器的变压器变比、移相器 角度和可调电容器；状态变量包括节点电压和线路功率；

步骤S93、负荷和风电功率分别是服从正态分布和威布尔分布的随机变量，基于点估计法将含潮流控制器的随机最优潮流模型等效为2S个确定性最优潮流模型，其中S为随机变量的数量；

步骤S94、根据2S个确定性最优潮流模型的计算结果，以及负荷和电功率的概率分布，计算节点电压、线路功率以及潮流控制器运行状态的概率密度函数，实现随机最优潮流模型的计算。

Images