CN114362233A - 三极式低压直流配电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了三极式低压直流配电系统及其控制方法，其中系统包括：交流电源；整流模块，与交流电源连接，用于将交流电转换为直流电；直流输电模块，与整流模块连接，用于传输直流电；逆变模块，与直流输电模块连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电；其中，直流输电模块包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制直流输电模块中的可控开关，能够实现调制极交替地与正极或者负极相并联。通过上述方式，本申请充分利用了配电系统输电线路的功率传输能力，改进了直流配电系统的传输能力，有效提高了最大功率传输，且便于实现多端直流扩展。

Description

三极式低压直流配电系统及其控制方法

技术领域

本申请涉及电力传输技术领域，尤其涉及三极式低压直流配电系统及其控制方法。

背景技术

在电网建设初期，偏远末端用户因生活水平限制，用电量较低，用电品质需求不高，因此这些用户用电电压降落不明显，用电需求也不苛刻。但随着人民生活水平的日益提高，家用负荷日益多样化、精细化、大容量化，造成大功率负荷的集中启用使得远距离配电线路压降明显，末端用户电压降落问题突出。此外，各种大功率用电负荷的启用往往具有一定的周期性，使得末端电压偏低问题同样周期出现，并因为其时间集中性而显著加重，影响着居民日常生活、生产用电。

为了解决末端的低电压问题，现有解决方案主要包括：

(1)增加10kV线路和变压器，即新增电源点，同时进行线路改造，缩短供电半径。能从根源解决低电压问题，但是该方式投资巨大，实施时间长，且线路跨越山区，山体绿色植被生长迅速，容易引发接地短路故障，加大了后期运维工作。

(2)在用户末端配置光伏发电装置和储能装置，相当于在用户侧配置新电源来提升用户的电压，避免功率通过原有的输电线路进行长距离传输，可减少压降。但光伏储能装置成本较高，投资回报周期较长，农村面临征地问题；

(3)安装无功补偿装置。在感性负荷密集地区或线路感抗较大场合加装无功补偿，减少无功功率导致的电压降落，建设成本较低。电压提升有限，应用场景受限。

(4)串联调压器和有载调压器。在供电半径过长的线路上加装串联调压器，调节末端电压。在线路起始端加装有载调压器，提升起始端电压。调节范围受限，无法解决电压过低场景的低电压问题。

在传统的交流输电方式下，随着传输距离的增大，压降和损耗都显著上升，末端电压极有可能不满足要求。对此，现有技术也尝试提出新的直流配电满足末端用电的要求，然而这些现有技术都存在输送功率较小，未充分利用交流三相输电线的功率传输能力的问题，还不能使用户满意。

发明内容

本申请提供三极式低压直流配电系统及其控制方法，以解决现有技术中功率传输能力较低，未被充分利用的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种三极式低压直流配电系统，包括：交流电源；整流模块，与交流电源连接，用于将交流电转换为直流电；直流输电模块，与整流模块连接，用于传输直流电；逆变模块，与直流输电模块连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电；其中，直流输电模块包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制直流输电模块中的可控开关，能够实现调制极交替地与正极或者负极相并联。

可选地，直流输电模块还包括：可控电压源，与调制极串联，用于对调制极上的电流进行控制。

可选地，可控电压源用于保持调制极上的功率始终处于输出状态，并根据调制极需要分担的电流，控制可控电压源输出的电压。

可选地，直流输电模块包括三条相线和四个可控开关；其中三条相线包括A相相线、B相相线和C相相线；四个可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关；正极、负极和调制极对应连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意一相；第一可控开关和第三可控开关连接在A相相线和B相相线之间；第二可控开关和第四可控开关连接在B相相线和C相相线之间。

可选地，当调制极与负极相并联时，流过负极和调制极的电流之和等于流过正极的电流，此时正极上的电流相当于流过最大电流；当调制极与正极相并联时，流过正极和调制极的电流之和等于流过负极的电流，此时负极上的电流相当于流过最大电流。

可选地，当调制极与负极并联时，假设流过正极的电流为Imax，流过负极的电流为Imin，则此时流过调制极的电流为Imax-Imin；并假设线路的等效电阻为R，则在调制极和负极组成的回路上，根据基尔霍夫电压定律得到下式：

I_minR＝(I_max-I_min)R+U_CRC；

其中，U_CRC是可控电压源输出的直流电压；简化后得到可控电压源输出的直流电压与电流之间的关系如下式：U_CRC＝(I_max-2I_min)R。

可选地，整流模块包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、正极输出端和负极输出端；整流模块的正极输出端和负极输出端连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意两相以实现直流传输。

可选地，逆变模块包括正极输入端、负极输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端；逆变模块的正极输入端和负极输入端连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意两相以实现直流传输。

可选地，在系统工作过程中，正负极流过的电流的极性不变，同时其直流电压维持不变。

为解决上述技术问题，本申请提出一种三极式低压直流配电系统的控制方法，应用于上述的三极式低压直流配电系统，控制方法，包括：检测三极式直流配电等效为双极式直流配电时配电线上流过的直流电流，得到调制极上应流过的电流；根据调制极上应流过的电流计算可控电压源的要求值；根据要求值调节可控电压源的输出电压。

本申请提出三极式低压直流配电系统及其控制方法，其中系统包括：交流电源；整流模块，与交流电源连接，用于将交流电转换为直流电；直流输电模块，与整流模块连接，用于传输直流电；逆变模块，与直流输电模块连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电；其中，直流输电模块包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制直流输电模块中的可控开关，能够实现调制极交替地与正极或者负极相并联。通过上述方式，本申请充分利用了配电系统输电线路的功率传输能力，改进了直流配电系统的传输能力，有效提高了最大功率传输，且便于实现多端直流扩展。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术配电传输一实施例的等效电路图；

图2是压降和损耗随着传输距离变化的关系曲线图；

图3是本申请三极式低压直流配电系统一实施例的结构示意图；

图4(a)是本申请三极式低压直流配电系统调制极与负极并联的工作电路图；

图4(b)是本申请三极式低压直流配电系统调制极与负极并联的工作电路图；

图5是本申请三极式低压直流配电系统的工作电流随时间变化波形示意图；

图6是本申请正极、负极、调制极电压电流波形示意图；

图7是本申请切换过程电压电流波形示意图；

图8是本申请三极式低压直流配电系统的控制方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供三极式低压直流配电系统及其控制方法进一步详细描述。

现有技术中存在末端用电困难的问题，以380V系统，变电站与负荷侧距离为3km分析为例，变电站通过输电线(BLV型号)传输到用户侧(五六户人家)，其等效电路如图1所示。

由电力系统相关知识可得压降和有功损耗比为：

其中，U＝380V，S为三相视在功率。传输线采用半径4mm的BLV导线，参数为R/km＝0.5，X/km＝0.3，绘制压降和损耗随着传输距离变化的关系曲线图如图2所示。

由图2可知，在传统的交流输电方式下，随着传输距离的增大，压降和损耗都显著上升，末端电压极有可能不满足要求。近年来，随着电力电子技术的逐渐成熟，也提出了一些方案去解决末端电压低的问题，例如方案1：采用工频隔离变压器实现逆变侧与用户侧的隔离。首先，当应用于大功率场合时，因为有工频隔离变压器，随着功率等级的增加，工频隔离变压器的体积和重量会成倍增长，成本增加；其次，当线路末端低压用户分散，需要安装多台受端变换器时，需要同时对应安装多台变压器，安装成本增加，经济性进一步降低。

由于类似的方案都存在输送功率较小，未充分利用交流三相输电线的功率传输能力的问题。基于此，为了充分利用原交流配电系统输电线路的功率传输能力，有效提高改进直流配电系统的最大功率传输能力，本申请提出了一种三极式低压直流配电系统及其切换控制方法，三极分别为正极、负极以及调制极，此三极分别采用原交流输电线路的三条相线进行直流传输。调制极与正负极之间通过可控开关连接，实现调制极交替的与正极或者负极相并联，并且在调制极上，串联了一个可控电压源，实现对调制极上的电流进行控制。三极式低压直流配电由于采用了三根配电线(三根相线)，其输送功率的能力有所提升，且所提方案便于实现多端直流扩展。

请参阅图3，图3是本申请三极式低压直流配电系统一实施例的结构示意图。在本实施例中，三极式低压直流配电系统可以包括交流电源110、整流模块120、直流输电模块130和逆变模块140。

直流配电系统是指以直流方式实现与用于电气系统交换电能的配电系统。

整流模块120，与交流电源110连接，用于将交流电转换为直流电。

直流输电模块130，与整流模块120连接，用于传输直流电。

逆变模块140，与直流输电模块130连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电。

其中，直流输电模块130包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制直流输电模块130中的可控开关，能够实现调制极交替地与正极或者负极相并联。

在直流输电模块130中，可控电压源与调制极串联，用于对调制极上的电流进行控制。三极式低压直流配电系统通过可控开关及双全桥整流变换器的配合控制，实现采用了三根配电线(三根相线)，其输送功率的能力有所提升。

可选地，可控电压源用于保持调制极上的功率始终处于输出状态，并根据调制极需要分担的电流，控制可控电压源输出的电压。

直流输电模块130可以包括三条相线和四个可控开关；其中三条相线包括A相相线、B相相线和C相相线；四个可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关；正极、负极和调制极对应连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意一相；第一可控开关S11和第三可控开关S21连接在A相相线和B相相线之间；第二可控开关S12和第四可控开关S22连接在B相相线和C相相线之间。

在本实施例中，正极连接A相相线；调制极连接B相相线；负极连接C相相线。在其他的实施例中，正极也可以连接C相相线，调制极连接B相相线，负极连接A相相线，只要正负极和调制极分别和三条相线连接即可。

可选地，整流模块120包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、正极输出端和负极输出端；整流模块120的正极输出端和负极输出端连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意两相以实现直流传输。可选地，整流模块120的正极输出端连接直流输电模块130的A相相线；整流模块120的负极输出端连接直流输电模块130的C相相线。

可选地，逆变模块140包括正极输入端、负极输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端；逆变模块140的正极输入端和负极输入端连接A相相线、B相相线和C相相线中的任意两相以实现直流传输；可选地，逆变模块140的正极输入端连接直流输电模块130的A相相线；逆变模块140的负极输入端连接直流输电模块130的C相相线。

可选地，在系统工作过程中，正负极流过的电流的极性不变，同时其直流电压维持不变。

当调制极与负极相并联时，如图4(a)所示，流过负极和调制极的电流之和等于流过正极的电流，此时正极上的电流相当于流过最大电流Imax；

当调制极与正极相并联时，如图4(b)所示，流过正极和调制极的电流之和等于流过负极的电流，此时负极上的电流相当于流过最大电流Imax。

为了保证正负极的电流有效值相等，以满足热平衡，这两种工作模式以很低的频率相互转换，实现图5中的电流波形，即能完成低压直流配电效果。根据图5所示，在整个系统的工作过程中，正负极流过的电流的极性是不变的，同时其直流电压也是维持不变的，因此正负极上可以实现在整个过程中的功率持续输出。但调制极上的电流极性在不同阶段会发生变化，为了控制调制极上的功率的流向，因此控制调制极上串联的电压源的极性，随着电流极性变化。

调制极上的电流控制电压源除了保持调制极上的功率始终处于输出状态，另一个功能是根据调制极需要分担的电流，来控制该电压源输出的电压，即作为电流调节器。

当调制极与负极并联时，假设流过正极的电流为Imax，流过负极的电流为Imin，则此时流过调制极的电流为Imax-Imin；并假设线路的等效电阻为R，则在调制极和负极组成的回路上，根据基尔霍夫电压定律得到下式：

I_minR＝(I_max-I_min)R+U_CRC；

其中，U_CRC是可控电压源输出的直流电压；简化后得到可控电压源输出的直流电压与电流之间的关系如下式：U_CRC＝(I_max-2I_min)R。

此时正极流过的电流Imax就是等效出来的双极结构时配电线流过的电流，当负载一定时，Imax也就确定了，因此只需要根据不同负载下负极需要流过的电流Imin，即可确定此时调制极流过的电流，并确定调制极上的电压源应该输出的电压。当调制极与正极并联时，上述推导过程同样适用。

相比相关技术中的双极式直流配电系统，三极式直流配电由于采用了三根配电线，其输送功率的能力有所提升，但是其提升的幅度与三根配电线上的电流分配相关。从图5中可以看出，其电流的分配在于确定正负极上的最大电流Imax和最小电流Imin，只需要确定这两个参数，调制极上的电流将确定，在电压等级一定的情况下总的输送功率也将确定。根据三条配电线的电流有效值不大于额定值，即在标幺值下不大于1，可以列出下式：

maxP＝U_d(I₁+I₂+I₃)

根据上式的约束条件，可以得到其取值范围，为了使得输送功率最大，Imax＝1.37，Imin＝0.37，表示正负极上的最大电流为额定值的1.37倍，最小电流为额定电流的0.37倍，此时两极上的电流有效值为1，满足电流有效值不大于额定电流的条件，能保证线路发热得到控制。在此基础上，可计算得到三极式直流配电系统输送的最大功率的标幺值为2.74，而双极式直流配电的最大输送功率标幺值为2，因此相比于现有技术方案二中的双极式直流配电系统提升了37％。

这样，只需要实时检测三极式直流配电等效为双极式直流配电时配电线上流过的直流电流，即可得到调制极上应流过的电流，并计算得到调制极上电压源的输出电压，来控制其流过电流满足要求。

搭建仿真三条配电线路上的电流换流的过程，图6给出了正极、负极以及调制极上的电流变化过程，以及正负极上的电压和调制极上电压源的电压。从图6中可以看出，正负极上的电压基本维持不变，即保持在±350V，只有在切换过程中有细小的波动。对于电流波形，正极的电流从+80A左右在经过切换过程后降低为+20A，而负极电流在经过切换过程后电流从-20A上升到-80A，由于之前的分析已经说明了调制极上的电流为正负极的电流之差，因此调制极的电流在阶段1为-60A，经过切换过程后变为了+60A，同时调制极上的电压源的输出电压的极性也跟随电流的变化而变化。整个切换过程维持时间大约在0.4s，对于切换的周期是根据线路的发热情况而定，一般为4～5分钟，因此切换过程的时间几乎可忽略不计。

图7给出了在切换过程中调制极并联的电压源电压以及调制极与正负极并联节点上的四个全控型电力电子器件流过的电流波形。在切换过程中，首先是断开调制极与负极的并联，但由于调制极上流过直流电流，因此需先将调制极上的电流降为0再断开，因此切换过程的前半部分为电流调零，即调节调制极上串联的电压源的电压，使得电流降为0。根据式(3)，若调制极上的电流降为0，则Imin＝Imax，由图6可知在该仿真中，Imax＝80A，又根据之前的计算，线路的等效电阻为1.5Ω，因此当调制极输出电压为-120V时，调制极上的电流将降为零。在图7中，电流调零部分中，当电压源输出电压降为-120V附近时，与负极并联的IGBT电流近似降为0，此时断开此开关。在此阶段后，为反向电压建立过程，为了实现调制极的电流反转，在调制极与正极并联前，首先应该根据式(3)将下一阶段电压源应该输出的电压建立稳定，在该仿真中为-60V，在接近电压稳定时，闭合调制极与正极并联的开关，即使得调制极与正极闭合。至此，完成了电流的换流，即完成了图5中阶段1到阶段2的切换。

综上，本实施例的的三极式低压直流配电系统，调制极与正负极之间通过可控开关实现调制极交替的与正极或者负极相并联，这两种工作模式以很低的频率相互转换，实现低压直流配电效果；通过实时检测三极式直流配电等效为双极式直流配电时配电线上流过的直流电流，即可得到调制极上应流过的电流，并计算得到调制极上电压源的输出电压，来控制其流过电流满足要求；通过控制实现调制极与正极或者负极交替并联，并通过调制极串联的可控电压源控制调制极功率传输方向，实现在整个系统的工作过程中，正负极流过的电流极性不变，直流电压维持不变，因此正负极上可以实现在整个过程中的功率持续输出。

本申请还提出一种三极式低压直流配电系统的控制方法，应用于上述的三极式低压直流配电系统，请参阅图8，图8是本申请三极式低压直流配电系统的控制方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，三极式低压直流配电系统的控制方法可以包括步骤S110～S130，各步骤具体如下：

S110：检测三极式直流配电等效为双极式直流配电时配电线上流过的直流电流，得到调制极上应流过的电流。

S120：根据调制极上应流过的电流计算可控电压源的要求值。

S130：根据要求值调节可控电压源的输出电压。

本申请提出三极式低压直流配电系统及其控制方法，其中系统包括：交流电源；整流模块，与交流电源连接，用于将交流电转换为直流电；直流输电模块，与整流模块连接，用于传输直流电；逆变模块，与直流输电模块连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电；其中，直流输电模块包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制直流输电模块中的可控开关，能够实现调制极交替地与正极或者负极相并联。通过上述方式，本申请充分利用了配电系统输电线路的功率传输能力，改进了直流配电系统的传输能力，有效提高了最大功率传输，且便于实现多端直流扩展。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种三极式低压直流配电系统，其特征在于，包括：

交流电源；

整流模块，与所述交流电源连接，用于将交流电转换为直流电；

直流输电模块，与所述整流模块连接，用于传输直流电；

逆变模块，与所述直流输电模块连接，用于将直流电转换成交流电并为负荷侧供电；

其中，所述直流输电模块包括通过可控开关连接的正极、负极和调制极；通过控制所述直流输电模块中的可控开关，能够实现所述调制极交替地与所述正极或者所述负极相并联。

2.根据权利要求1所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，所述直流输电模块还包括：

可控电压源，与所述调制极串联，用于对调制极上的电流进行控制。

3.根据权利要求2所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

所述可控电压源用于保持调制极上的功率始终处于输出状态，并根据调制极需要分担的电流，控制所述可控电压源输出的电压。

4.根据权利要求2所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，所述直流输电模块包括三条相线和四个可控开关；

其中所述三条相线包括A相相线、B相相线和C相相线；所述四个可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关和第四可控开关；

所述正极、所述负极和所述调制极对应连接所述A相相线、所述B相相线和所述C相相线中的任意一相；所述第一可控开关和所述第三可控开关连接在所述A相相线和所述B相相线之间；所述第二可控开关和所述第四可控开关连接在所述B相相线和C相相线之间。

5.根据权利要求4所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

当所述调制极与所述负极相并联时，流过负极和调制极的电流之和等于流过正极的电流，此时正极上的电流相当于流过最大电流；

当调制极与正极相并联时，流过正极和调制极的电流之和等于流过负极的电流，此时负极上的电流相当于流过最大电流。

6.根据权利要求5所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

当调制极与负极并联时，假设流过正极的电流为Imax，流过负极的电流为Imin，则此时流过调制极的电流为Imax-Imin；并假设线路的等效电阻为R，则在调制极和负极组成的回路上，根据基尔霍夫电压定律得到下式：

I_minR＝(I_max-I_min)R+U_CRC；

其中，U_CRC是可控电压源输出的直流电压；

简化后得到可控电压源输出的直流电压与电流之间的关系如下式：

U_CRC＝(I_max-2I_min)R。

7.根据权利要求6所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

所述整流模块包括A相输入端、B相输入端、C相输入端、正极输出端和负极输出端；

所述整流模块的正极输出端和负极输出端连接所述A相相线、所述B相相线和所述C相相线中的任意两相以实现直流传输。

8.根据权利要求6所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

所述逆变模块包括正极输入端、负极输入端、A相输出端、B相输出端和C相输出端；

所述逆变模块的正极输入端和负极输入端连接所述A相相线、所述B相相线和所述C相相线中的任意两相以实现直流传输。

9.根据权利要求1所述的三极式低压直流配电系统，其特征在于，

在系统工作过程中，正负极流过的电流的极性不变，同时其直流电压维持不变。

10.一种三极式低压直流配电系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-9任一项所述的三极式低压直流配电系统，所述控制方法，包括：

检测三极式直流配电等效为双极式直流配电时配电线上流过的直流电流，得到调制极上应流过的电流；

根据所述调制极上应流过的电流计算可控电压源的要求值；

根据所述要求值调节所述可控电压源的输出电压。

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