一种输配电投切式综合调节装置及其控制方法与流程

1.本发明涉及输配电设备技术领域，特别是涉及一种输配电投切式综合调节装置及其控制方法。


背景技术：

2.随着工业的发展，各行各业都存在对输配电与电力传动的需求，同时，全球都对环境提出更高的要求，需要更加环保、更加降低能耗，从而提出对降低能耗与不同输配电制式转换的需求。输变电、轨道交通、舰船和矿产开采相关的独立电站输配电、金属冶炼、水利、建筑施工、智能楼宇、化工、机场港口动力输配电、制造装备、军事等领域都需要电力变换的支持，尤其是需要功率变换的支持，这当中涉及高性能电力电子变换器的研究、设计、制造，电力交换变流直接关系到输配电系统的能耗性能、可靠性的提高，更是降低成本的要求。
3.但由于用电环境非常复杂，根据电网供电和设备用电的要求，需要对不同输配电系统中的单相电、三相电中的电压、电流、频率、功率因数和谐波进行调节控制。
4.授权公告号为cn201146390y的中国实用新型专利公开的一种电磁平衡节电器，用于改善供电线路中出现的过剩电压、谐波含量过高和功率因素过低等现象，以达到最佳节电效果。但是，该电磁平衡节电器仅仅通过不同线圈的配置和有限的调整，尤其是使用可调自耦变压器，这样会影响电磁平衡节电器的可靠性和调整的有效性，不能满足不同复杂电能制式的精确三相平衡，也不能消除谐波分量，无法精准补偿无功功率，也不能达到高效降低能耗的目的。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的在于提供一种输配电投切式综合调节装置及其控制方法，用于满足不同复杂电能制式的精确三相平衡，消除谐波分量，精准补偿无功功率，从而达到高效降低能耗的目的。
6.第一方面，本发明提供了一种输配电投切式综合调节装置，包括：第一双掷断路器、第二双掷断路器、三相电磁平衡校正器、投切式三相磁通调节器、升压限流单元和谐波滤波器；所述第一双掷断路器的输入端与变压器低压侧三相并联连接，其输出端与所述三相电磁平衡校正器的输入端串联连接；所述第二双掷断路器的输入端与所述三相电磁平衡校正器的输出端串联连接，其输出端与低压配电母线三相并联连接；所述谐波滤波器并联在所述三相电磁平衡校正器与所述第二双掷断路器之间的线路上；
7.所述三相电磁平衡校正器包括三个单相平衡线圈和每相两个它相电流注入的磁通调节线圈构成三相磁通调节线圈，每相中的单相平衡线圈与磁通调节线圈通过磁通耦合；
8.所述升压限流单元的输入端通过所述投切式三相磁通调节器与磁通调节线圈连接，其输出端通过所述第二双掷断路器与低压配电母线并联；
9.所述投切式三相磁通调节器的每相输出与每相对应的磁通调节线圈连接；
10.通过控制所述投切式三相磁通调节器、所述第一双掷断路器、所述第二双掷断路器、所述三相电磁平衡校正器、所述升压限流单元和所述谐波滤波器，以实现配电和用电网络的三相阻抗平衡，并实现配电侧的三相电的电压平衡和电流平衡，调节并降低配电侧的零序分量和负序分量，以及补偿配电侧的谐波分量。
11.可选地，所述投切式三相磁通调节器包括：调节控制器、第一组投切开关、电压传感器、电流传感器、第一测量信号变送器和第二测量信号变送器；
12.选择所述第一组投切开关中的一个所述投切开关对应与磁通调节线圈中的一匝线圈连接；
13.所述调节控制器通过所述第一测量信号变送器和第二测量信号变送器，采集所述电压传感器和所述电流传感器的信号，经过计算选择并控制闭合切换所述第一组投切开关中的目标投切开关。
14.可选地，所述升压限流单元包括：三相自耦变压器、三相限流电抗器和第二组投切开关，所述三相自耦变压器的副边分接抽头与所述第二组投切开关的一端对应连接，所述三相自耦变压器的原边通过所述第二双掷断路器与低压配电母线并联，所述第二组投切开关的另一端与所述三相限流电抗器的输出端连接，所述三相限流电抗器的输入端通过所述投切式三相磁通调节器与磁通调节线圈连接。
15.可选地，所述谐波滤波器包括：按照三角形接法连接的交流滤波电容器组和三相滤波电抗器，所述交流滤波电容器组的连接节点与所述三相滤波电抗器对应串联连接。
16.可选地，所述投切式三相磁通调节器的参数根据供电变压器容量、阻抗特征、用电负荷波动范围和三相不平衡范围选定工作窗口。
17.第二方面，本发明还提供了一种输配电投切式综合调节装置的控制方法，该方法应用于上述第一方面任一种可能实现的的输配电投切式综合调节装置，所述方法包括：
18.通过采用所述三相电磁平衡校正器的调节控制模型，控制所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈和磁通调节线圈的等效阻抗，以实现配电和用电网络的三相阻抗平衡，并实现配电侧的三相电的电压平衡和电流平衡，调节并降低配电侧的零序分量和负序分量，以及补偿配电侧的谐波分量；
19.其中，所述调节控制模型包括：所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型和所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈一侧的等效阻抗，所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈一侧的等效阻抗；
20.其中，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0021][0022]
其中，z1表示为所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈一侧的等效阻抗；r1表示为单相平衡线圈的电阻；k＝w1/w2，w1表示为单相平衡线圈的匝数，w2表示为磁通调节线
圈中接通的线圈的匝数；m＝i2/i1，i1表示为流经单相平衡线圈的电流，i2表示为流经所述三相电磁平衡校正器中的每相两组磁通调节线圈的电流，其中，每相两组磁通调节线圈的电流分别是不同于所述三相电磁平衡校正器本相的其它两相磁通调节线圈电流合成的等效电流；x1表示为单相平衡线圈的漏感抗；xm表示为所述三相电磁平衡校正器的励磁感抗；l1表示为单相平衡线圈的自感；m表示为所述三相电磁平衡校正器各相对应的单相平衡线圈和磁通调节线圈之间的互感；ω表示为电网角频率；当m》l1/m时，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈一侧的等效阻抗呈容性；
[0023]
其中，所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0024][0025]
其中，z2表示为所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈一侧的等效阻抗，r2表示为磁通调节线圈的电阻，x2为磁通调节线圈的漏感抗，l2表示为磁通调节线圈的自感；当m《m/l2时，所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈一侧的等效阻抗呈容性。
[0026]
可选地，当m＝k时，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈与磁通调节线圈皆为异名端注入电流；所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈的磁通与磁通调节线圈的磁通完全补偿抵消，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈的等效阻抗与磁通调节线圈的等效阻抗皆为各自的漏阻抗，分别为z1＝r1 jx1和z2＝r2 jx2，相当于磁通调节线圈短路。
[0027]
相较于现有技术而言，本发明提供的输配电投切式综合调节装置及其控制方法的有益技术效果：
[0028]
一、可以对用电网络三相阻抗匹配及三相电磁耦合平衡，提供主动调度调节电能供需平衡，提高电力能源的使用效率和调度效果，达到降低能耗的目的，根据不同的应用场景，其节电率可以达到8-30％。
[0029]
二、可以提供谐波消减功能和无功功率补偿功能，将谐波消除，补偿无功功率，实现了电力系统稳定运行，降低单个电力供电系统输送电能容量要求。
[0030]
三、实现了主动控制、实时调节，获得了最优的降低能耗的效果，提高了供电系统与用电系统的稳定性和可靠性。
[0031]
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
[0032]
图1为本发明提供的一种输输配电投切式综合调节装置的原理示意图；
[0033]
图2为本发明提供的一种三相电磁平衡校正器的原理示意图；
[0034]
图3为本发明提供的一种投切式三相磁通调节器的原理示意图；
[0035]
图4为本发明提供的一种升压限流单元的原理示意图；
[0036]
图5为本发明提供的一种谐波滤波器的原理示意图。
具体实施方式
[0037]
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于其构造进行定义的，它们是相对的概念。因此，有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。
[0038]
以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的实施方式的例子。
[0039]
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0040]
除非有相反的说明，本公开中提及“第一”、“第二”等序数词用于对多个对象进行区分，不用于限定多个对象的顺序、时序、优先级或者重要程度。
[0041]
请参考图1-5所示，本发明提供了一种输配电投切式综合调节装置，包括：第一双掷断路器2、第二双掷断路器3、三相电磁平衡校正器4、投切式三相磁通调节器6、升压限流单元7和谐波滤波器5；第一双掷断路器2的输入端与变压器低压侧三相并联连接，其输出端与三相电磁平衡校正器4的输入端串联连接；第二双掷断路器3的输入端与三相电磁平衡校正器4的输出端串联连接，其输出端与低压配电母线三相并联连接；其中，图1所示的标号1表示为变压器低压侧的断路器；
[0042]
谐波滤波器5并联在三相电磁平衡校正器4与第二双掷断路器3之间的线路上，可以用于补偿变压器低压侧上的谐波分量；其中，谐波滤波器5滤除的谐波电压次数为低压配电母线上谐波电压含量最大的谐波次数；
[0043]
三相电磁平衡校正器4包括三个单相平衡线圈8和每相两个它相电流注入的磁通调节线圈9构成三相磁通调节线圈，即一个单相平衡线圈8对应两个磁通调节线圈9，每相中的单相平衡线圈8和磁通调节线圈9通过磁通耦合；其中，单相平衡线圈8作为三相电磁平衡校正器4的原边线圈，每相两个它相电流注入的磁通调节线圈9作为三相电磁平衡校正器4的副边线圈；
[0044]
升压限流单元7的输入端通过投切式三相磁通调节器6与磁通调节线圈9连接，其输出端通过第二双掷断路器3与低压配电母线并联；
[0045]
投切式三相磁通调节器6的每相输出与每相对应的磁通调节线圈9连接；
[0046]
通过控制投切式三相磁通调节器6、第一双掷断路器2、第二双掷断路器3、三相电磁平衡校正器4、升压限流单元7和谐波滤波器5，以实现配电和用电网络的三相阻抗平衡，并实现配电侧的三相电的电压平衡和电流平衡，调节并降低配电侧的零序分量和负序分量，以及补偿配电侧的谐波分量，从而可以满足不同复杂电能制式的精确三平衡，补偿并再分配用电网络的三相无功功率以精准补偿无功功率，进而能够达到高效降低能耗的目的。
[0047]
在具体实施时，通过投切式三相磁通调节器6调节单相平衡线圈8的匝数与磁通调节线圈9中接通的线圈的匝数之间的第一比值，以及调节磁通调节线圈9的电流与单相平衡线圈8的电流之间的第二比值，可以实现配电和用电网络的三相阻抗平衡，并实现配电侧的三相电的电压平衡和电流平衡，调节并降低配电侧的零序分量和负序分量，以及补偿配电侧的谐波分量。
[0048]
在具体实施时，设置三相电磁平衡校正器4的调节控制模型包括三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型和三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型，三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗，三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制三相电磁平衡校正器4中的磁通调节线圈9一侧的等效阻抗。
[0049]
其中，三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0050][0051]
其中，z1表示为三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗；r1表示为单相平衡线圈8的电阻；k表示为第一比值，k＝w1/w2，w1表示为单相平衡线圈8的匝数，w2表示为磁通调节线圈9中接通的线圈的匝数；m表示为第二比值，m＝i2/i1，i1表示为流经单相平衡线圈8的电流，i2表示为流经三相电磁平衡校正器4每相中两组磁通调节线圈9的电流，其中，每相两组磁通调节线圈9的电流分别是不同于三相电磁平衡校正器4本相的其它两相磁通调节线圈9电流合成的等效电流；x1表示为单相平衡线圈8的漏感抗；xm表示为三相电磁平衡校正器4的励磁感抗；l1表示为单相平衡线圈8的自感；m表示为三相电磁平衡校正器4各相对应的单相平衡线圈8和磁通调节线圈9之间的互感；ω表示为电网角频率。
[0052]
其中，三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0053][0054]
其中，z2表示为三相电磁平衡校正器4中的磁通调节线圈9一侧的等效阻抗，r2表示为磁通调节线圈9的电阻，x2为磁通调节线圈9的漏感抗，l2表示为磁通调节线圈9的自感。
[0055]
在具体实施时，通过调节三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8的磁通，即可达到调节三相电磁平衡校正器4中单相平衡线圈8阻抗的目的，从而可以实现单相平衡线圈8是感性的或者容性的阻抗调节。比如，当m》l1/m时，三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗呈容性；当m《m/l2时，三相电磁平衡校正器4中的磁通调节线圈9一侧的等效阻抗呈容性，即三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗呈感性。
[0056]
本发明中，通过控制m和k即能控制三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗，从而可以调节和消减低压配电母线上电压幅值不平衡和相位不平衡，以调节并消减低压配电母线上电压零序分量和负序分量，并部分调节消减配电母线上电流幅值不平衡和相位不平衡，以调节消减低压配电母线上电流零序分量电流和负序分量。
[0057]
在具体实施时，当m＝k时，三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8与磁通调节线圈9皆为异名端注入电流；三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8的磁通与磁通调节线圈9的磁通完全补偿抵消，三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8的等效阻抗与磁通调节线圈9的等效阻抗皆为各自的漏阻抗，分别为z1＝r1 jx1和z2＝r2 jx2，相当于磁通调节线圈9短路。
[0058]
在具体实施时，投切式三相磁通调节器6的参数可以根据供电变压器容量、阻抗特
征、用电负荷波动范围和三相不平衡范围选定工作窗口。
[0059]
可选地，投切式三相磁通调节器6包括：调节控制器10、第一组投切开关20、电压传感器13、电流传感器14、第一测量信号变送器11和第二测量信号变送器12；选择第一组投切开关20中的一个投切开关20对应与磁通调节线圈9中的一匝线圈连接；调节控制器10通过第一测量信号变送器11和第二测量信号变送器12，采集电压传感器13和电流传感器14的信号，经过计算选择并控制闭合切换第一组投切开关20中的目标投切开关20。
[0060]
在具体实施时，需要先闭合第一组投切开关20中的目标投切开关20，再断开第一组投切开关20中的当前投切开关20。
[0061]
可选地，升压限流单元7包括：三相自耦变压器16、三相限流电抗器15和第二组投切开关17，三相自耦变压器16的副边分接抽头与第二组投切开关17的一端对应连接，三相自耦变压器16的原边通过第二双掷断路器3与低压配电母线并联，第二组投切开关17的另一端与三相限流电抗器15的输出端连接，三相限流电抗器15的输入端通过投切式三相磁通调节器6与磁通调节线圈9连接。
[0062]
在具体实施时，三相限流电抗器15用于起限流作用，其可以为高精度限流电抗器。三相自耦变压器16可以为高精度三相自耦变压器。调节控制器10通过第一测量信号变送器11和第二测量信号变送器12，采集电压传感器13和电流传感器14的信号，经过计算选择并控制闭合切换第二组投切开关17中的目标投切开关17。在具体实施时，需要先闭合第二组投切开关17中的目标投切开关17，再断开第二组投切开关17中的当前投切开关17。
[0063]
可选地，谐波滤波器5包括：按照三角形接法连接的交流滤波电容器组18和三相滤波电抗器19，交流滤波电容器组18的连接节点与三相滤波电抗器19对应串联连接。
[0064]
进一步地，本发明还提供了一种输配电投切式综合调节装置的控制方法，该方法可以应用于上述输配电投切式综合调节装置。该方法包括：
[0065]
通过采用三相电磁平衡校正器4的调节控制模型，控制三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8和磁通调节线圈9的等效阻抗，以实现配电和用电网络的三相阻抗平衡，并实现配电侧的三相电的电压平衡和电流平衡，调节并降低配电侧的零序分量和负序分量，以及补偿配电侧的谐波分量；
[0066]
其中，调节控制模型包括：三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型和三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型，三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗，三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型用于调节控制三相电磁平衡校正器4中的磁通调节线圈9一侧的等效阻抗；
[0067]
其中，三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0068][0069]
其中，z1表示为三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8一侧的等效阻抗；r1表示为单相平衡线圈8的电阻；k＝w1/w2，w1表示为单相平衡线圈8的匝数，w2表示为磁通调节线圈9中接通的线圈的匝数；m＝i2/i1，i1表示为流经单相平衡线圈8的电流，i2表示为流经三相电磁平衡校正器4中的每相两组磁通调节线圈9的电流，其中，每相两组磁通调节线圈9的
电流分别是不同于三相电磁平衡校正器4本相的其它两相磁通调节线圈9电流合成的等效电流；x1表示为单相平衡线圈8的漏感抗；xm表示为三相电磁平衡校正器4的励磁感抗；l1表示为单相平衡线圈8的自感；m表示为三相电磁平衡校正器4各相对应的单相平衡线圈8和磁通调节线圈9之间的互感；ω表示为电网角频率；当m》l1/m时，所述三相电磁平衡校正器中的单相平衡线圈一侧的等效阻抗呈容性；
[0070]
其中，三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈等效阻抗调节控制模型表示为：
[0071][0072]
其中，z2表示为三相电磁平衡校正器4中的磁通调节线圈9一侧的等效阻抗，r2表示为磁通调节线圈9的电阻，x2为磁通调节线圈9的漏感抗，l2表示为磁通调节线圈9的自感；当m《m/l2时，所述三相电磁平衡校正器中的磁通调节线圈一侧的等效阻抗呈容性。
[0073]
在具体实施时，当m＝k时，三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8与磁通调节线圈9皆为异名端注入电流；三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8的磁通与磁通调节线圈9的磁通完全补偿抵消，三相电磁平衡校正器4中的单相平衡线圈8的等效阻抗与磁通调节线圈9的等效阻抗皆为各自的漏阻抗，分别为z1＝r1 jx1和z2＝r2 jx2，相当于磁通调节线圈9短路。
[0074]
需要说明的是，本发明实施例中的输配电投切式综合调节装置的控制方法与上述输配电投切式综合调节装置是基于同一构思下的发明，通过前述对输配电投切式综合调节装置的详细描述，本领域技术人员可以清楚的了解本实施例中输配电投切式综合调节装置的控制方法的实施过程，所以为了说明书的简洁，在此不再赘述。
[0075]
综上，相较于现有技术而言，本发明提供的输配电投切式综合调节装置及其控制方法可以达到如下有益技术效果：
[0076]
一、可以对用电网络三相阻抗匹配及三相电磁耦合平衡，提供主动调度调节电能供需平衡，提高电力能源的使用效率和调度效果，达到降低能耗的目的，根据不同的应用场景，其节电率可以达到8-30％。
[0077]
二、可以提供谐波消减功能和无功功率补偿功能，将谐波消除，补偿无功功率，实现了电力系统稳定运行，降低单个电力供电系统输送电能容量要求。
[0078]
三、实现了主动控制、实时调节，获得了最优的降低能耗的效果，提高了供电系统与用电系统的稳定性和可靠性。
[0079]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。