本實用新型涉及電力領(lǐng)域，尤其涉及一種配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，用電量迅速增加，原建配電網(wǎng)的設(shè)備和導(dǎo)線均與用電量不相匹配，不少地方超負(fù)荷運行，不僅影響供電安全，還大大增加了配電系統(tǒng)的損耗。同時供配電系統(tǒng)中感性負(fù)荷迅速增加，眾多的配電變壓器和電動機(jī)處于低負(fù)荷率的非經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)，造成供配電系統(tǒng)無功功率的大量需求，如不及時補(bǔ)充，將引起供電電壓質(zhì)量下降，系統(tǒng)損耗增加，既要浪費電能，又將影響供配電設(shè)備的使用率，甚至造成事故。

目前解決以上問題的技術(shù)措施是更新線路與設(shè)備，增加和改造系統(tǒng)中線路的容量以及配電變壓器的容量，同時在供電方和用電方加裝補(bǔ)償電容，減少線路損耗，提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)行和安全性。這些改造方法存在技術(shù)改造難度大，成本高，容量配置不靈活，以及后續(xù)擴(kuò)容難等問題。尤其是對于局部配電容量不足的情況下，其改造的難度更是加大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置。

本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：構(gòu)造一種配電系統(tǒng)有源 容量均衡裝置，所述配電系統(tǒng)包括與高壓母線連接的至少一個電網(wǎng)支路，每個電網(wǎng)支路上設(shè)置有一個配電變壓器，配電變壓器的輸入端與高壓母線連接且輸出端與負(fù)載連接，所述裝置連接在兩個配電變壓器的輸出端之間，所述裝置包括：

第一雙向變換器，連接裝置內(nèi)的直流母線和其中一個配電變壓器，用于穩(wěn)定直流母線的電壓以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償；

第二雙向變換器，連接所述直流母線和另一個配電變壓器，用于控制有功電流的大小和方向以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償；

電壓采樣單元，采樣所述直流母線的電壓；

第一電流采樣單元，與第一雙向變換器的與配電變壓器連接的一端連接，采樣第一雙向變換器的輸出電流；

第二電流采樣單元，與第二雙向變換器的與配電變壓器連接的一端連接，采樣第二雙向變換器的輸出電流；

第一控制器，分別連接電壓采樣單元、第一電流采樣單元以及第一雙向變換器，用于基于直流母線的電壓、第一雙向變換器的輸出電流、相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率驅(qū)動第一雙向變換器工作；

第二控制器，分別連接第二電流采樣單元以及第二雙向變換器，用于基于兩個配電變壓器所帶的負(fù)載的有功功率、第二雙向變換器的輸出電流、相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率驅(qū)動第二雙向變換器工作。

在本實用新型所述的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置中，所述第一雙向變換器和第二雙向變換器均包括：N個橋臂、N個第一電容、N個第一電感、N個第二電感、N個電抗、兩個母線電容，其中N為1-3的整數(shù)；每個橋臂包括上橋臂、下橋臂、第一二極管和第二二極管，上橋臂和下橋臂均包括：兩個串接的功率 開關(guān)器件和反并聯(lián)在每個功率開關(guān)器件上的續(xù)流二極管；

兩個母線電容串接在正直流母線和負(fù)直流母線之間，兩個母線電容的連接節(jié)點作為直流母線的中點；所有的功率開關(guān)器件的控制端分別與對應(yīng)的第一控制器/第二控制器連接，每個上橋臂的兩個功率開關(guān)器件的連接節(jié)點與第一二極管的負(fù)極連接，每個下橋臂的兩個功率開關(guān)器件的連接節(jié)點與第二二極管的正極連接，第一二極管的正極和第二二極管的負(fù)極連接至直流母線的中點；N個第一電容的第一端均連接至直流母線的中點，N個第一電容的第二端分別與N個第一電感的第一端以及N個第二電感的第一端連接，N個第一電感的第二端分別連接至N個橋臂的上橋臂和下橋臂的連接節(jié)點處，N個第二電感的第二端分通過N個電抗與配電變壓器的輸出端連接。

在本實用新型所述的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置中，所述功率開關(guān)器件為三極管。

在本實用新型所述的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置中，所述第一控制器和第二控制器為PI控制器。

在本實用新型所述的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置中，所述第一雙向變換器和/或第二雙向變換器通過一個隔離變壓器與相應(yīng)的配電變壓器連接。

實施本實用新型的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置，具有以下有益效果：本實用新型的裝置可以應(yīng)用于兩個配電變壓器之間，實現(xiàn)局部配電容量擴(kuò)容及本地?zé)o功補(bǔ)償，而無需加大相應(yīng)變壓器及線路的配電容量，成本低，容量配置靈活。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本實用新型配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是圖2中的兩個雙向變換器的電路原理圖；

圖4是圖2中的第一控制器的模型圖；

圖5是圖2中的第二控制器的模型圖。

具體實施方式

為了對本實用新型的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細(xì)說明本實用新型的具體實施方式。

參考圖1，是本實用新型配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

本實用新型的裝置所應(yīng)用的配電系統(tǒng)包括：高壓母線、與高壓母線連接的至少一個電網(wǎng)支路，如圖中僅示意出了三個電網(wǎng)支路，每個電網(wǎng)支路上設(shè)置有一個配電變壓器，如圖中T1、T2、T3所示，T1、T2、T3一般為一棟建筑物或一個工業(yè)園區(qū)等相對集中區(qū)域內(nèi)的配電變壓器。配電變壓器T1、T2、T3的輸入端與高壓母線連接且輸出端與負(fù)載Load1、Load2、Load3連接，配電變壓器T1、T2、T3分別將高壓母線的電壓進(jìn)行降壓，供給各自后端的負(fù)載Load1、Load2、Load3。本實用新型的有源容量均衡裝置連接在兩個配電變壓器的輸出端之間，如圖中APCS即代表本實用新型的有源容量均衡裝置，A、B分別代表配電變壓器T1、T2的輸出端。

APCS可以根據(jù)需要設(shè)置在兩個電網(wǎng)支路之間以實現(xiàn)局部配電容量擴(kuò)容，例如，如果Load1的有功功率大于配電變壓器的有功容量P0，而Load2的有功功率小于配電變壓器的有功容量P0，則可以考慮在這兩個電網(wǎng)支路的配電變壓器之間增加一個APCS以實現(xiàn)局部配電容量擴(kuò)容及本地?zé)o功補(bǔ)償問題。

具體的，參考圖2，所述裝置包括：

第一雙向變換器，連接裝置內(nèi)的直流母線和其中一個配電變壓器，用于穩(wěn)定直流母線的電壓以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償；

第二雙向變換器，連接所述直流母線和另一個配電變壓器，用于控制有功電流的大小和方向以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償；

電壓采樣單元，采樣所述直流母線的電壓；

第一電流采樣單元，與第一雙向變換器的與配電變壓器連接的一端連接，采樣第一雙向變換器的輸出電流；

第二電流采樣單元，與第二雙向變換器的與配電變壓器連接的一端連接，采樣第二雙向變換器的輸出電流；

第一控制器，分別連接電壓采樣單元、第一電流采樣單元以及第一雙向變換器，用于基于直流母線的電壓、第一雙向變換器的輸出電流、相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率驅(qū)動第一雙向變換器工作；

第二控制器，分別連接第二電流采樣單元以及第二雙向變換器，用于基于兩個配電變壓器所帶的負(fù)載的有功功率、第二雙向變換器的輸出電流、相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率驅(qū)動第二雙向變換器工作。

其中，第一控制器和第二控制器可以采用PI控制器。

優(yōu)選的，所述第一雙向變換器和/或第二雙向變換器通過一個隔離變壓器與相應(yīng)的配電變壓器連接。

繼續(xù)參考圖1中，假定配電變壓器T1、T2、T3的容量大小均為P0/Q0/S0，各配電變壓器T1、T2、T3后端負(fù)載的功率分別為P1/Q1/S1、P2/Q2/S2、P3/Q3/S3，P0-P3表示有功容量，Q0-Q3表示無功容量，S0-S3表示視在容量。APCS上面所流過的功率為ΔP/Q_A/Q_B。

如果沒有加裝APCS，則每個配電單元所能承受的最大系統(tǒng)容量即為變壓 器容量，即S1≤S0，S2≤S0，S3≤S0。若系統(tǒng)中某一負(fù)荷增大并超出配電變壓器的有功容量，假設(shè)P1＞P0，P2＜P0，P3≤P0，則APCS將有功功率由B流向A，其大小為ΔP(功率由B流向A為參考方向)，因此Load1和Load2處獲得的系統(tǒng)容量分別為P1＝P0+ΔP，P2＝P0-ΔP。同理，如果P1＜P0，P2＞P0，P3≤P0，則APCS將有功功率由A流向B。

另外，若T1和T2處有較大無功負(fù)載，則APCS在A端口發(fā)出無功Q_A，在B端口發(fā)出無功Q_B，進(jìn)而補(bǔ)償配電變壓器出的無功負(fù)載，即T1處Q0＝Q1-Q_A，T2處Q0＝Q2-Q_B；APCS裝置的容量僅取決于ΔP，Q_A，Q_B的大小，通常遠(yuǎn)小于變壓器的容量。

參考圖3，第一雙向變換器、第二雙向變換器均用圖中100所示結(jié)構(gòu)表示，其均包括：N個橋臂、N個第一電容C1、N個第一電感L1、N個第二電感L2、N個電抗Z1、兩個母線電容C0，其中N為1-3的整數(shù)，本實施例中N為3。

每個橋臂包括上橋臂、下橋臂、第一二極管D1和第二二極管D2，上橋臂和下橋臂均包括：兩個串接的功率開關(guān)器件和反并聯(lián)在每個功率開關(guān)器件上的續(xù)流二極管。功率開關(guān)器件可以為三極管，例如圖中選用的NPN型的三極管，續(xù)流二極管的正極連接三極管的發(fā)射極，續(xù)流二極管的負(fù)極連接三極管的集電極。

兩個母線電容C0串接在正直流母線和負(fù)直流母線之間，兩個母線電容C0的連接節(jié)點作為直流母線的中點，如圖中N所示；所有的功率開關(guān)器件的控制端分別與對應(yīng)的第一控制器/第二控制器連接，每個上橋臂的兩個功率開關(guān)器件的連接節(jié)點與第一二極管D1的負(fù)極連接，每個下橋臂的兩個功率開關(guān)器件的連接節(jié)點與第二二極管D2的正極連接，第一二極管D1的正極和第二二極管D2的負(fù)極連接至直流母線的中點；N個第一電容C1的第一端均連接至直流母 線的中點，N個第一電容C1的第二端分別與N個第一電感L1的第一端以及N個第二電感L2的第一端連接，N個第一電感L1的第二端分別連接至N個橋臂的上橋臂和下橋臂的連接節(jié)點處，N個第二電感L2的第二端分通過N個電抗Z1與配電變壓器的輸出端連接。

根據(jù)上述可知，如果Load1的有功功率大于P0，而Load2的小于P0，則APCS將有功功率由B流向A，具體為：第二雙向變換器將T2所在電網(wǎng)支路中的部分交流電轉(zhuǎn)換為直流電存儲在直流母線中，然后第一雙向變換器再將直流母線中的直流電逆變?yōu)榻涣麟娸敵龅絋1所在電網(wǎng)支路。

需要明確的是，雖然上面是以三相的雙向變換器為例的一個具體實施例，實際上雙向變換器可以是三相的，也可以是單相的，可以是三電平變換器，也可以是兩電平變換器，變換器的物理開關(guān)是任何功率變換器件，兩個雙向變換器可以是獨立的變換器模塊，也可以是集成在一起的整機(jī)電路。另外，方案中的控制策略，無論是采用數(shù)字控制，還是采用模擬電路控制，均為本實用新型的變形，都在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上面提到，第一雙向變換器用于穩(wěn)定直流母線的電壓以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償，第二雙向變換器用于控制有功電流的大小和方向以及對相應(yīng)的配電變壓器進(jìn)行無功補(bǔ)償。實際上，對于有功容量的均衡部分的控制，也可以對換兩個變換器的功能，即第一雙向變換器用于控制有功電流的大小和方向，第二雙向變換器用于穩(wěn)定直流母線的電壓。下面以第一雙向變換器用于穩(wěn)定直流母線的電壓、第二雙向變換器用于控制有功電流的大小和方向為例，說明其所對應(yīng)的兩個控制器的結(jié)構(gòu)和工作原理。

參考圖4，所述第一控制器包括：

電壓控制環(huán)，用于根據(jù)給定的母線電壓參考值Ubus和采樣的直流母線的 電壓Ubus_Fb計算得到有功電流的參考值Id_ref；

第一坐標(biāo)變換器，用于將采樣的第一雙向變換器的輸出電流Iabc_Fb經(jīng)三相到兩相變換后，再由兩相變換到dq坐標(biāo)系下得到d軸電流i_d和q軸電流i_q；

電流控制環(huán)，用于根據(jù)有功電流的參考值Id_ref、無功電流的參考值Iq_ref、d軸電流i_d和q軸電流i_q計算得到d軸、q軸、0軸的輸出指令；

第二坐標(biāo)變換器，用于將d軸、q軸、0軸的輸出指令經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到SPWM控制指令uact；

SPWM驅(qū)動器，用于根據(jù)SPWM控制指令uact進(jìn)行空間矢量調(diào)制獲得驅(qū)動第一雙向變換器的PWM驅(qū)動信號；

其中，無功電流的參考值Iq_ref根據(jù)檢測到的相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率Q1和所在的電網(wǎng)支路電壓V1計算得到，Iq_ref＝Q1/V1。

參考圖5，所述第二控制器包括：

第一坐標(biāo)變換器，用于將采樣的第二雙向變換器的輸出電流Iabc_Fb經(jīng)三相到兩相變換后，再由兩相變換到dq坐標(biāo)系下得到d軸電流i_d和q軸電流i_q；

電流控制環(huán)，用于根據(jù)有功電流的參考值Id_ref、無功電流的參考值Iq_ref、d軸電流i_d和q軸電流i_q計算得到d軸、q軸、0軸的輸出指令；

第二坐標(biāo)變換器，用于將d軸、q軸、0軸的輸出指令經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到SPWM控制指令uact；

SPWM驅(qū)動器，用于根據(jù)SPWM控制指令uact進(jìn)行空間矢量調(diào)制獲得驅(qū)動第一雙向變換器的PWM驅(qū)動信號；

其中，有功電流的參考值Id_ref是根據(jù)配電變壓器的有功容量P0以及兩個負(fù)載有功功率P1、P2計算得到的ΔP以及電網(wǎng)支路電壓V1計算得到：

無功電流的參考值Iq_ref根據(jù)檢測到的相應(yīng)的配電變壓器所帶的負(fù)載的無功功率Q2和所在的電網(wǎng)支路電壓V2計算得到，Iq_ref＝Q2/V2。

綜上所述，實施本實用新型的配電系統(tǒng)有源容量均衡裝置，具有以下有益效果：本實用新型的裝置可以應(yīng)用于兩個配電變壓器之間，實現(xiàn)局部配電容量擴(kuò)容及本地?zé)o功補(bǔ)償，而無需加大相應(yīng)變壓器及線路的配電容量，成本低，容量配置靈活。

上面結(jié)合附圖對本實用新型的實施例進(jìn)行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護(hù)之內(nèi)。