一种低压母线负荷再分配装置及其控制方法

1.本发明属于电力系统配电自动化技术领域，尤其涉及一种低压母线负荷再分配装置及其控制方法。


背景技术：

2.低压配电系统的电气主接线最常采用的是单母线分段接线的形式，例如地铁的降压变电所、工厂的车间变配电室等。两段母线分别取不同的电源供电，并各自连接不同的负荷，两端母线之间通过母线联络断路器相连。由于电源来源不同，按照电力系统的运行规定，不允许两路电源直接并联，因此母联断路器通常处于分闸状态，两段母线独立运行，无法对其下的负荷进行交互调配，容易出现一段母线重载甚至超载运行而另一段母线轻载运行的情况，导致系统运行损耗大，甚至影响上级线路和设备的使用寿命。
3.电力负荷增速较快，在已有的低压配电系统下增加新负荷，可能导致超出本段母线供电电源的容量，这时需要对上级线路和供电设备扩容改造，带来较大的改造成本，而供电系统现有整体的容量利用率并没有充分发掘。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，提供一种低压母线负荷再分配装置及其控制方法。
5.第一方面，本发明提供一种低压母线负荷再分配装置，包括三相变压器、dc/ac双向变换器和ac/dc双向变换器；
6.所述三相变压器的一次侧绕组电连接于两段三相四线制的第一母线和第二母线的对应相之间，以将第一母线和第二母线之间电压差隔离变换至所述三相变压器的二次侧绕组；所述dc/ac双向变换器的交流侧电连接所述三相变压器的二次侧绕组，以控制注入三相变压器二次侧绕组的电流大小和相位；所述ac/dc双向变换器的交流侧电连接第二母线，以获得第二母线的交流电源；所述ac/dc双向变换器的直流侧电连接所述dc/ac双向变换器的直流侧。
7.进一步地，所述三相变压器的二次侧绕组为星形接线方式连接。
8.进一步地，所述dc/ac双向变换器包括依次串联的第一a相全控型开关器件、第二a相全控型开关器件、第三a相全控型开关器件和第四a相全控型开关器件，依次串联的第一b相全控型开关器件、第二b相全控型开关器件、第三b相全控型开关器件和第四b相全控型开关器件，依次串联的第一c相全控型开关器件、第二c相全控型开关器件、第三c相全控型开关器件和第四c相全控型开关器件；
9.所述第一a相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第一a相二极管的阴极，阴极电连接第一a相二极管的阳极；所述第二a相全控型开关器件的阳极电连接有第二a相二极管的阴极和第五a相二极管的阴极，阴极电连接有第二a相二极管的阳极和第一交流电抗器的a相的一端；所述第三a相全控型开关器件的阳极电连接有第三a相二极管的阴极，
阴极电连接有第三a相二极管的阳极和第六a相二极管的阳极；所述第四a相全控型开关器件的阳极电连接有第四a相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四a相二极管的阳极；所述第五a相二极管的阳极电连接所述第六a相二极管的阴极和交流中性线；
10.所述第一b相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第一b相二极管的阴极，阴极电连接第一b相二极管的阳极；所述第二b相全控型开关器件的阳极电连接有第二b相二极管的阴极和第五b相二极管的阴极，阴极电连接有第二b相二极管的阳极和第一交流电抗器的b相的一端；所述第三b相全控型开关器件的阳极电连接有第三b相二极管的阴极，阴极电连接有第三b相二极管的阳极和第六b相二极管的阳极；所述第四b相全控型开关器件的阳极电连接有第四b相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四b相二极管的阳极；所述第五b相二极管的阳极电连接所述第六b相二极管的阴极和交流中性线；
11.所述第一c相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第一c相二极管的阴极，阴极电连接第一c相二极管的阳极；所述第二c相全控型开关器件的阳极电连接有第二c相二极管的阴极和第五c相二极管的阴极，阴极电连接有第二c相二极管的阳极和第一交流电抗器的c相的一端；所述第三c相全控型开关器件的阳极电连接有第三c相二极管的阴极，阴极电连接有第三c相二极管的阳极和第六c相二极管的阳极；所述第四c相全控型开关器件的阳极电连接有第四c相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四c相二极管的阳极；所述第五c相二极管的阳极电连接所述第六c相二极管的阴极和交流中性线；
12.所述第一交流电抗器远离所述第二c相全控型开关器件的一端电连接有第二交流电抗器；所述正直流母线电连接有第一直流电容的一端；所述第一直流电容远离所述正直流母线的一端电连接有第二直流电容的一端；所述第二直流电容远离所述第一直流电容的一端电连接负直流母线；所述交流中性线电连接有第一直流电容和第二直流电容之间的零直流母线和第一交流电容的一端；所述第一交流电容远离所述中性线的一端电连接于所述第一交流电抗器和第二交流电抗器之间的a相、b相和c相上。
13.进一步地，所述ac/dc双向变换器包括依次串联的第五a相全控型开关器件、第六a相全控型开关器件、第七a相全控型开关器件和第八a相全控型开关器件，依次串联的第五b相全控型开关器件、第六b相全控型开关器件、第七b相全控型开关器件和第八b相全控型开关器件，依次串联的第五c相全控型开关器件、第六c相全控型开关器件、第七c相全控型开关器件和第八c相全控型开关器件；
14.所述第五a相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第七a相二极管的阴极，阴极电连接第七a相二极管的阳极；所述第六a相全控型开关器件的阳极电连接有第八a相二极管的阴极和第十一a相二极管的阴极，阴极电连接有第八a相二极管的阳极和第三交流电抗器的a相的一端；所述第七a相全控型开关器件的阳极电连接有第九a相二极管的阴极，阴极电连接有第九a相二极管的阳极和第十二a相二极管的阳极；所述第八a相全控型开关器件的阳极电连接有第十a相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十a相二极管的阳极；所述第十一a相二极管的阳极电连接所述第十二a相二极管的阴极；
15.所述第五b相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第七b相二极管的阴极，阴极电连接第七b相二极管的阳极；所述第六b相全控型开关器件的阳极电连接有第八b相二极管的阴极和第十一b相二极管的阴极，阴极电连接有第八b相二极管的阳极和第三交流电抗器的b相的一端；所述第七b相全控型开关器件的阳极电连接有第九b相二极管的阴
极，阴极电连接有第九b相二极管的阳极和第十二b相二极管的阳极；所述第八b相全控型开关器件的阳极电连接有第十b相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十b相二极管的阳极；所述第十一b相二极管的阳极电连接所述第十二b相二极管的阴极；
16.所述第五c相全控型开关器件的阳极电连接有正直流母线和第七c相二极管的阴极，阴极电连接第七c相二极管的阳极；所述第六c相全控型开关器件的阳极电连接有第八c相二极管的阴极和第十一c相二极管的阴极，阴极电连接有第八c相二极管的阳极和第三交流电抗器的c相的一端；所述第七c相全控型开关器件的阳极电连接有第九c相二极管的阴极，阴极电连接有第九c相二极管的阳极和第十二c相二极管的阳极；所述第八c相全控型开关器件的阳极电连接有第十c相二极管的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十c相二极管的阳极；所述第十一c相二极管的阳极电连接所述第十二c相二极管的阴极；
17.所述第十二a相二极管的阴极电连接第三直流电容和第四直流电容之间的零直流母线、第十二b相二极管的阴极和第十二c相二极管的阴极；所述第三交流电抗器远离所述第六c相全控型开关器件的一端电连接有第四交流电抗器；所述正直流母线电连接有第三直流电容的一端；所述第三直流电容远离所述正直流母线的一端电连接有第四直流电容的一端；所述第四直流电容远离所述第三直流电容的一端电连接负直流母线；
18.所述第三交流电抗器和第四交流电抗器之间的a相、b相和c相上分别电连接有第二交流电容一端的a相、b相和c相；所述第二交流电容远离所述第三交流电抗器的一端的a相、b相和c相相互电连接。
19.进一步地，所述全控型开关器件为金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管中的一种。
20.第二方面，本发明提供一种低压母线负荷再分配装置的控制方法，包括：
21.获取两段三相四线制的第一母线的有功负荷p1、无功负荷q1和第二母线的有功负荷p2、无功负荷q2；
22.获取第一母线的额定容量s
1n
和第二母线的额定容量s
2n
；
23.将当前总负荷按照相同的负载率分配到第一母线和第二母线，根据以下公式计算交互有功指令值p
set
和无功指令值q
set
：
[0024][0025][0026]
获取的第一母线电压u1和三相变压器的变比k，根据以下公式计算dc/ac双向变换器的有功电流控制指令i
pset
和无功电流控制指令i
qset
：
[0027][0028][0029]
dc/ac双向变换器通过闭环控制策略控制输出电流达到上述要求的指令值，以实现交互功率控制。
[0030]
本发明提供一种低压母线负荷再分配装置及其控制方法，其中装置包括三相变压器、dc/ac双向变换器和ac/dc双向变换器；所述三相变压器的一次侧绕组电连接于两段三相四线制的第一母线和第二母线的对应相之间，以将第一母线和第二母线之间电压差隔离变换至所述三相变压器的二次侧绕组；所述dc/ac双向变换器的交流侧电连接所述三相变压器的二次侧绕组，以控制注入三相变压器二次侧绕组的电流大小和相位；所述ac/dc双向变换器的交流侧电连接第二母线，以获得第二母线的交流电源；所述ac/dc双向变换器的直流侧电连接所述dc/ac双向变换器的直流侧。本发明通过闭环控制动态调节交互有功功率和交互无功功率的大小，从而使得电力负荷在第一母线和第二母线上重新分配，解决了传统低压配电系统下双路电源难以并联运行的问题，可按经济运行的需求调配母线功率，在一段母线负荷过载时，有效利用另一段母线的闲置供电容量进行补充，避免上级线路和设备的过载运行，降低系统损耗，延长设备使用寿命。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
[0032]
图1为本发明实施例提供的一种低压母线负荷再分配装置的应用场景图；
[0033]
图2为本发明实施例提供的一种低压母线负荷再分配装置的电路结构图；
[0034]
图3为本发明实施例提供的dc/ac双向变换器的电路结构图；
[0035]
图4为本发明实施例提供的ac/dc双向变换器的电路结构图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]
如图1所示，第一母线和第二母线的额定容量分别为s
1n
和s
2n
，第一母线和第二母线之间通过母联断路器qf
l
相连，正常运行情况下qf
l
为分闸状态。本发明提供一种低压母线负荷再分配装置串联连接于第一母线和第二母线之间。
[0038]
具体的，如图2所示，本发明提供一种低压母线负荷再分配装置，包括三相变压器、dc/ac双向变换器和ac/dc双向变换器；
[0039]
所述三相变压器的一次侧绕组电连接于两段三相四线制的第一母线和第二母线的对应相之间，以将第一母线和第二母线之间电压差隔离变换至所述三相变压器的二次侧绕组；可选的，所述三相变压器的二次侧绕组为星形接线方式连接。所述dc/ac双向变换器的交流侧电连接所述三相变压器的二次侧绕组，以控制注入三相变压器二次侧绕组的电流大小和相位；所述ac/dc双向变换器的交流侧电连接第二母线，以获得第二母线的交流电源；所述ac/dc双向变换器的直流侧电连接所述dc/ac双向变换器的直流侧。其中，ac/dc双向变换器和dc/ac双向变换器的控制电路电连接有主控制器，主控制器用于通过通讯的方式将控制指令发送给dc/ac双向变换器和ac/dc双向变换器去执行，从而控制整个装置的运
行。
[0040]
如图3所示，所述dc/ac双向变换器包括依次串联的第一a相全控型开关器件ta1、第二a相全控型开关器件ta2、第三a相全控型开关器件ta3和第四a相全控型开关器件ta4，依次串联的第一b相全控型开关器件tb1、第二b相全控型开关器件tb2、第三b相全控型开关器件tb3和第四b相全控型开关器件tb4，依次串联的第一c相全控型开关器件tc1、第二c相全控型开关器件tc2、第三c相全控型开关器件tc3和第四c相全控型开关器件tc4。
[0041]
第一a相全控型开关器件ta1的阳极电连接有正直流母线和第一a相二极管da1的阴极，阴极电连接第一a相二极管da1的阳极；第二a相全控型开关器件ta2的阳极电连接有第二a相二极管da2的阴极和第五a相二极管da5的阴极，阴极电连接有第二a相二极管da2的阳极和第一交流电抗器l1的a相的一端；第三a相全控型开关器件ta3的阳极电连接有第三a相二极管da3的阴极，阴极电连接有第三a相二极管da3的阳极和第六a相二极管da6的阳极；第四a相全控型开关器件ta4的阳极电连接有第四a相二极管da4的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四a相二极管da4的阳极；第五a相二极管da5的阳极电连接第六a相二极管da6的阴极和交流中性线。
[0042]
第一b相全控型开关器件tb1的阳极电连接有正直流母线和第一b相二极管db1的阴极，阴极电连接第一b相二极管db1的阳极；第二b相全控型开关器件tb2的阳极电连接有第二b相二极管db2的阴极和第五b相二极管db5的阴极，阴极电连接有第二b相二极管db2的阳极和第一交流电抗器l1的b相的一端；第三b相全控型开关器件tb3的阳极电连接有第三b相二极管db3的阴极，阴极电连接有第三b相二极管db3的阳极和第六b相二极管db6的阳极；第四b相全控型开关器件tb4的阳极电连接有第四b相二极管db4的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四b相二极管db4的阳极；第五b相二极管db5的阳极电连接第六b相二极管db6的阴极和交流中性线。
[0043]
第一c相全控型开关器件tc1的阳极电连接有正直流母线和第一c相二极管dc1的阴极，阴极电连接第一c相二极管dc1的阳极；第二c相全控型开关器件tc2的阳极电连接有第二c相二极管dc2的阴极和第五c相二极管dc5的阴极，阴极电连接有第二c相二极管dc2的阳极和第一交流电抗器l1的c相的一端；第三c相全控型开关器件tc3的阳极电连接有第三c相二极管dc3的阴极，阴极电连接有第三c相二极管dc3的阳极和第六c相二极管dc6的阳极；第四c相全控型开关器件tc4的阳极电连接有第四c相二极管dc4的阴极，阴极电连接有负直流母线和第四c相二极管dc4的阳极；第五c相二极管dc5的阳极电连接第六c相二极管dc6的阴极和交流中性线。
[0044]
第一交流电抗器l1远离第二c相全控型开关器件tc2的一端电连接有第二交流电抗器l2；正直流母线电连接有第一直流电容c1的一端；第一直流电容c1远离正直流母线的一端电连接有第二直流电容c2的一端；第二直流电容c2远离第一直流电容的一端电连接负直流母线；交流中性线电连接有第一直流电容c1和第二直流电容c2之间的零直流母线和第一交流电容c3的一端；第一交流电容c1远离中性线的一端电连接于第一交流电抗器l1和第二交流电抗器l2之间的a相、b相和c相上。
[0045]
如图4所示，所述ac/dc双向变换器包括依次串联的第五a相全控型开关器件ta5、第六a相全控型开关器件ta6、第七a相全控型开关器件ta7和第八a相全控型开关器件ta8，依次串联的第五b相全控型开关器件tb5、第六b相全控型开关器件tb6、第七b相全控型开关
器件tb7和第八b相全控型开关器件tb8，依次串联的第五c相全控型开关器件tc5、第六c相全控型开关器件tc6、第七c相全控型开关器件tc7和第八c相全控型开关器件tc8。
[0046]
第五a相全控型开关器件ta5的阳极电连接有正直流母线和第七a相二极管da7的阴极，阴极电连接第七a相二极管da7的阳极；第六a相全控型开关器件ta6的阳极电连接有第八a相二极管da8的阴极和第十一a相二极管da11的阴极，阴极电连接有第八a相二极管da8的阳极和第三交流电抗器l3的a相的一端；第七a相全控型开关器件ta7的阳极电连接有第九a相二极管da9的阴极，阴极电连接有第九a相二极管da9的阳极和第十二a相二极管da12的阳极；第八a相全控型开关器件ta8的阳极电连接有第十a相二极管da10的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十a相二极管da10的阳极；第十一a相二极管da11的阳极电连接第十二a相二极管da12的阴极。
[0047]
第五b相全控型开关器件tb5的阳极电连接有正直流母线和第七b相二极管db7的阴极，阴极电连接第七b相二极管db7的阳极；第六b相全控型开关器件tb6的阳极电连接有第八b相二极db8管的阴极和第十一b相二极管db11的阴极，阴极电连接有第八b相二极管db8的阳极和第三交流电抗器l3的b相的一端；第七b相全控型开关器件tb7的阳极电连接有第九b相二极管db9的阴极，阴极电连接有第九b相二极管db9的阳极和第十二b相二极管db12的阳极；第八b相全控型开关器件tb8的阳极电连接有第十b相二极管db10的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十b相二极管db10的阳极；第十一b相二极管db11的阳极电连接第十二b相二极管db12的阴极。
[0048]
第五c相全控型开关器件tc5的阳极电连接有正直流母线和第七c相二极管dc7的阴极，阴极电连接第七c相二极管dc7的阳极；第六c相全控型开关器件tc6的阳极电连接有第八c相二极管dc8的阴极和第十一c相二极管dc11的阴极，阴极电连接有第八c相二极管dc8的阳极和第三交流电抗器l3的c相的一端；第七c相全控型开关器件tc7的阳极电连接有第九c相二极管dc9的阴极，阴极电连接有第九c相二极管dc9的阳极和第十二c相二极管dc12的阳极；第八c相全控型开关器件tc8的阳极电连接有第十c相二极管dc10的阴极，阴极电连接有负直流母线和第十c相二极管dc10的阳极；第十一c相二极管dc11的阳极电连接第十二c相二极管dc12的阴极。
[0049]
第十二a相二极管da12的阴极电连接第三直流电容c4和第四直流电容c5之间的零直流母线、第十二b相二极管db12的阴极和第十二c相二极管dc12的阴极；第三交流电抗器l3远离第六c相全控型开关器件tc6的一端电连接有第四交流电抗器l4；正直流母线电连接有第三直流电容c4的一端；第三直流电容c4远离正直流母线的一端电连接有第四直流电容c5的一端；第四直流电容c5远离第三直流电容c4的一端电连接负直流母线。
[0050]
第三交流电抗器l3和第四交流电抗器l4之间的a相、b相和c相上分别电连接有第二交流电容c6一端的a相、b相和c相；第二交流电容c6远离第三交流电抗器l3的一端的a相、b相和c相相互电连接。
[0051]
本发明实施例部分还提供一种低压母线负荷再分配装置的控制方法，包括：
[0052]
获取两段三相四线制的第一母线的有功负荷p1、无功负荷q1和第二母线的有功负荷p2、无功负荷q2。
[0053]
获取第一母线的额定容量s
1n
和第二母线的额定容量s
2n
。
[0054]
将当前总负荷按照相同的负载率分配到第一母线和第二母线，根据以下公式计算
交互有功指令值p
set
和无功指令值q
set
：
[0055][0056][0057]
获取的第一母线电压u1和三相变压器的变比k，根据以下公式计算dc/ac双向变换器的有功电流控制指令i
pset
和无功电流控制指令i
qset
：
[0058][0059][0060]
dc/ac双向变换器通过闭环控制策略控制输出电流达到上述要求的指令值，以实现交互功率控制。
[0061]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。