CN106532716B - 一种智能负荷调节电路及控制*** - Google Patents

一种智能负荷调节电路及控制*** Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种智能负荷调节电路及控制***，用于解决现有技术中通过电力储能来实现电力的供需平衡时，电力储能规模化发展受经济成本和功能瓶颈限制，及采用无功补偿器时会产生较多高次谐波，装置体积较大，成本较高的技术问题。本发明提供的智能负荷调节控制***包括：智能负荷调节电路，三相非关键负载，三相关键负载，电压控制器，中央处理器，锁相回路；智能负荷调节电路与三相非关键负载串联连接，组成智能负载，智能负载与三相关键负载并联连接；锁相回路输入端与配电网A相连接，锁相回路输出端与中央处理器连接；电压控制器输入端与配电网三相连接，电压控制器输出端与中央处理器连接；中央处理器输出端与智能负荷调节电路连接。

Description

一种智能负荷调节电路及控制***
技术领域
本发明涉及三相功率不平衡领域，尤其涉及一种智能负荷调节电路及控制***。
背景技术
随着电网规模的不断扩大，传统能源供应日益紧张，用户用电需求不断提高，在电源侧，分布式发电***开始接入电网，太阳能、风能等间断性新能源在电网中的渗透率不断增加；在负荷侧，大量电力电子器件以及大功率非线性负载的使用，如电弧炉以及冷轧钢机，还有大容量的单相负荷，使得负载端三相电流不平衡，对低压配电网的电压稳定产生严重影响，使供电质量参差不齐。
目前，为克服负载端的无功扰动与三相不平衡，主要技术包括电力储能以及无功补偿技术，其中储能中应用较多的有化学储能和抽水储能；无功补偿技术中静止无功补偿器(SVC)与静止无功发生器(SVG)应用较为普遍，SVC组全了各种电容器和电抗器，通过可调电抗器吸收电容器组的无功功率来动态调节输出的无功补偿量，可实现分相补偿以平衡单相负荷的冲击；有源电力滤波器(APF)在实现谐波补偿的同时也可以对无功功率，以及三相不平衡进行补偿；静止同步补偿器(STATCOM)是一种通常并联于中低压配电网上游集中单点补偿的电压型逆变器，通过控制交流侧输出电压的幅值和相位，或者调节交流侧的输出电流，从而动态的吸收或者发出需要的无功功率，平衡电网的无功损耗，实现对无功功率的跟踪补偿。
现有技术中通过电力储能来实现电力的供需平衡，从而控制电压的波动，使其稳定，但是电力储能的经济成本和功能瓶颈目前限制其规模化发展，在实际分布式发电应用方面并不具有不可替代性；此外，还通过无功补偿器来实现无功平衡，SVC在运行时损耗严重，其无功补偿不能连续可调，会产生过补或者欠补的情况，而且只能输出容性无功来补偿感性无功，会产生较多高次谐波，装置体积较大，成本较高；而STATCOM对器件和控制***的要求较高，是目前无功补偿成本最高的装置。
发明内容
本发明实施例提供了一种智能负荷调节电路及控制***，解决了现有技术中通过电力储能来实现电力的供需平衡时，电力储能规模化发展受经济成本和功能瓶颈限制，及采用无功补偿器时会产生较多高次谐波，装置体积较大，成本较高的技术问题。
本发明实施例提供的一种智能负荷调节电路，包括：单相电压源型半桥逆变器，单相电压源型半桥逆变器包括：第一电源、第二电源、第一二极管、第二二极管，第一半导体开关器件，第二半导体开关器件；
所述第一电源的负极与所述第二电源的正极连接；
所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接；
所述第一电源正极与所述第一二极管负极连接；
所述第二电源负极与所述第二二极管正极连接；
第一半导体开关器件的源极与第一二极管的正极连接；
第二半导体开关器件的漏极与第二二极管的负极连接；
三个单相电压源型半桥逆变器并联组成三相智能负荷调节电路。
可选地，电压源型半桥逆变器输出端连接LC滤波电路，且LC滤波电路中的电容上的电压为智能负荷调节电路的输出电压。
一种智能负荷调节控制***，包括：
至少一个智能负荷调节电路，以及三相非关键负载，三相关键负载，电压控制器，中央处理器，锁相回路；
至少一个智能负荷调节电路与三相非关键负载串联连接，组成智能负载，智能负载与三相关键负载并联连接；
锁相回路输入端与配电网A相连接，锁相回路输出端与中央处理器连接；
电压控制器输入端与配电网三相连接，电压控制器输出端与中央处理器连接；
中央处理器输出端与智能负荷调节电路连接。
可选地，
第一智能负荷调节电路输入端与配电网A相连接，第一智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与A相非关键负载连接；
可选地，
第二智能负荷调节电路输入端与配电网B相连接，第二智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与B相非关键负载连接；
可选地，
第三智能负荷调节电路输入端与配电网C相连接，第三智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与C相非关键负载连接。
可选地，
第一智能负荷调节电路与A相非关键负载组成A相智能负载，A相智能负载与A相关键负载并联于公共节点上；
可选地，
第二智能负荷调节电路与B相非关键负载组成B相智能负载，B相智能负载与B相关键负载并联于公共节点上；
可选地，
第三智能负荷调节电路与C相非关键负载组成C相智能负载，C相智能负载与C相关键负载并联于公共节点上。
可选地，
中央处理器输出端通过SVPWM发生器A相与第一智能负荷调节电路连接；
中央处理器输出端通过SVPWM发生器B相与第二智能负荷调节电路连接；
中央处理器输出端通过SVPWM发生器C相与第三智能负荷调节电路连接。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明实施例提供了一种智能负荷调节电路及控制***，包括：智能负荷调节电路，三相非关键负载，三相关键负载，电压控制器，中央处理器，锁相回路；至少一个智能负荷调节电路与三相非关键负载串联连接，组成智能负载，智能负载与三相关键负载并联连接；锁相回路输入端与配电网A相连接，锁相回路输出端与中央处理器连接；电压控制器输入端与配电网三相连接，电压控制器输出端与中央处理器连接；中央处理器输出端与智能负荷调节电路连接，通过调节非关键负载上的有功功率来调节负载端的三相电流，从而减少三相四线制低压配电网中性线上的循环电流，减少变压器与输电线上的损耗，还通过反馈直接地控制智能负荷调节电路上的电压，实现负载端的无功调节，同时间接地控制非关键负载上的电压，实现有功调节，本发明实施例提供的智能负荷调节电路及控制***无需远程通信辅助，稳压精度高，装置体积小，自身成本及后期维护成本远低于大容量电能存储设备，响应速度快，可分相独立运行，解决了现有技术中通过电力储能来实现电力的供需平衡时，电力储能规模化发展受经济成本和功能瓶颈限制，及采用无功补偿器时会产生较多高次谐波，装置体积较大，成本较高的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种智能负荷调节电路结构原理图；
图2为本发明实施例提供的一种智能负荷调节控制***结构原理图；
图3为本发明实施例提供的一种智能负荷调节电路在低压配电网中连接结构原理图；
图4为本发明实施例提供的一种电压控制器结构原理图。
图示说明，1第一智能负荷调节电路，2第二智能负荷调节电路，3第三智能负荷调节电路，4电压控制器，5中央处理器，6锁相回路，7SVPWM发生器A相，8SVPWM发生器B相，9SVPWM发生器C相。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种智能负荷调节电路及控制***，用于解决现有技术中通过电力储能来实现电力的供需平衡时，电力储能规模化发展受经济成本和功能瓶颈限制，及采用无功补偿器时会产生较多高次谐波，装置体积较大，成本较高的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种智能负荷调节电路，包括：单相电压源型半桥逆变器，单相电压源型半桥逆变器包括：第一电源、第二电源、第一二极管、第二二极管，第一半导体开关器件，第二半导体开关器件；
所述第一电源的负极与所述第二电源的正极连接；
所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接；
所述第一电源正极与所述第一二极管负极连接；
所述第二电源负极与所述第二二极管正极连接；
第一半导体开关器件的源极与第一二极管的正极连接；
第二半导体开关器件的漏极与第二二极管的负极连接；
三个单相电压源型半桥逆变器并联组成三相智能负荷调节电路。
进一步地，电压源型半桥逆变器输出端连接LC滤波电路。
如图1所示，为单相智能负荷调节电路的电路原理图。其原理为一个电压源型的半桥逆变器，直流侧采用两个直流电源代替传统的单电源与两串联电容并联的结构，采用两个直流电源的这种结构有利于智能负荷调节电路工作在更多的模式，允许智能负荷调节电路与电网交换功率，实现功率因数校正以及负载补偿等功能；输出端利用LC滤波电路实现滤波的作用，
请参阅图2，本发明实施例提供的一种智能负荷调节控制***，包括：
至少一个智能负荷调节电路，三相非关键负载，三相关键负载，电压控制器，中央处理器，锁相回路；
至少一个智能负荷调节电路与三相非关键负载串联连接，组成智能负载，智能负载与三相关键负载并联连接；
锁相回路输入端与配电网A相连接，锁相回路输出端与中央处理器连接；
电压控制器输入端与配电网三相连接，电压控制器输出端与中央处理器连接；
中央处理器输出端与智能负荷调节电路连接。
进一步地，
智能负荷调节电路包括：第一智能负荷调节电路、第二智能负荷调节电路、第三智能负荷调节电路；
第一智能负荷调节电路输入端与配电网A相连接，第一智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与A相非关键负载连接；
进一步地，
第二智能负荷调节电路输入端与配电网B相连接，第二智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与B相非关键负载连接；
进一步地，
第三智能负荷调节电路输入端与配电网C相连接，第三智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与C相非关键负载连接。
进一步地，
第一智能负荷调节电路与A相非关键负载组成A相智能负载，A相智能负载与A相关键负载并联于公共节点上；
进一步地，
第二智能负荷调节电路与B相非关键负载组成B相智能负载，B相智能负载与B相关键负载并联于公共节点上；
进一步地，
第三智能负荷调节电路与C相非关键负载组成C相智能负载，C相智能负载与C相关键负载并联于公共节点上。
进一步地，
中央处理器输出端通过SVPWM发生器A相与第一智能负荷调节电路连接；
中央处理器输出端通过SVPWM发生器B相与第二智能负荷调节电路连接；
中央处理器输出端通过SVPWM发生器C相与第三智能负荷调节电路连接。
如图3所示，为在三相四线制低压配电网***中安装智能负荷调节电路进行负载端稳压与功率调节时的电路结构图。其中ia，ib，ic为输电线上的三相线电流；va，vb，vc为负载端公共节点的各相电压；isa，isb，isc为流过三相关键负载的电流；Zsa，Zsb，Zsc为关键负载的三相阻抗，假设其为阻感负载；vsla，vslb，vslc为与三相非关键负载串联的智能负荷调节电路的输出端电压；Zoa,Zob,Zoc为三相非关键负载的阻抗，并假设为纯电阻负载；ioa，iob，ioc为流过三相非关键负载的电流；in为流过中性线上的电流；vo为三相非关键负载上的电压。由图3可知，在电网的负载端，智能负荷调节电路与非关键负载串联，组成智能负载；而关键负载则与智能负载并联于公共节点上。
其中，智能负荷调节电路的输出电压通过一个隔离变压器连接在主电路上，从而实现与非关键负载的串联，因此，通过动态控制智能负荷调节电路以及公共节点上的电压，即可以间接地控制非关键负载上的电压以及关键负载上的电流，从而对非关键负载上的功率产生可控的功率减少或者功率增升效应，并且每一相功率可以实现独立控制，从而可以实现对三相不平衡功率的治理。
三个智能负荷调节电路可以看成三个对称的电压源或者是三个单相逆变器。当平衡线电流时，三相智能负荷调节电路可以产生不对称的补偿电压填补关键负载上的不对称功率。若不计电力电子开关上损耗以及线损，智能负荷调节电路本身并不消耗能量。
非关键负载是一种自适应的新型负载，其具有宽电压特性，可以承受较大范围内的电压波动，因此可以与智能负荷调节电路串联配合分压，调节注入***的无功功率以及负载端有功功率的分配，而保证对电压要求高的关键负载端电压可以维持在恒压或者准压的状态。智能负荷调节电路上的电压与流过该支路的电流是正交关系，当电压超前于电流90度时，智能负荷调节电路起到降压的作用，工作在感性补偿模式，当电压滞后电流90度时，智能负荷调节电路工作在容性补偿模式，起到抬升电压的作用，因此，理论上智能负荷调节电路本身并不消耗有功功率，而是对***有功功率重新分配的一个缓冲装置。智能负荷调节电路补偿无功和重新分配有功功率的关键在于根据动态补偿量来控制智能负荷调节电路输出电压的幅值和相位。通过检测实时量与给定参考量的运算处理，将其结果作为控制器的输出，从而驱动逆变器动态输出实时补偿量。
由图3中所示电路图，应用基尔霍夫电压电流定律，可以得到其中各电压电流之间的数学关系如公式一、公式二、公式三、公式四所示，具体为：
Figure GDA0002326153640000081
Figure GDA0002326153640000082
Figure GDA0002326153640000083
in＝ia+ib+ic。
四
由以上公式可以知道，在控制公共节点电压va，vb，vc不变的情况下，通过调节智能负荷调节电路的输出电压vsla，vslb，vslc，可以有效的调节流过非关键负载的电流，相当于调节非关键负载的有功功率，对纯阻性负载，其有功功率与电流的二次方成正比，且这种调节可独立分相进行补偿。为了达到三相负载平衡，流过中性线的电流应该尽量小，理想状态下为0。因此，当在控制公共节点电压满足负荷要求而保持基本不变，但非关键负载的阻抗却发生比较大的变化时，如果不进行调节，流过三相关键负载上的电流差别也将会越来越大，此时，可以通过调节三相非关键负载上的电流来平衡这个变化，从而使中性线上的电流足够小。
如图2所示，为智能负荷调节控制***电路原理图。***将负载端公共节点上的三相实时电压，流过三相关键负载与非关键负载上的电流首先通过电压控制器进行单相DQ变换，同时对A相公共节点上电压进行锁相处理，然后根据电压电流关系，经过中央处理器的数据处理，找到应给智能负荷调节电路的参考电压值，使得中性线上的总电流尽可能小，并同时使得三相电流更为对称，再采用SVPWM技术来触发晶闸管，以调节智能负荷调节电路上的电压值。DQ变换可将随着时间正弦变化的电压电流进行解耦，使一个旋转动态变化的矢量变换成在正交坐标系下的静止直流分量，使各分量可以独立得到控制。对公式二，进行变换可得以下公式：
Figure GDA0002326153640000091
Figure GDA0002326153640000101
Figure GDA0002326153640000102
其中，Vsla_d_i是表示A相智能负荷调节电路中用来控制关键负载上有功电流的成分，B、C相中同理；Vsla_d_v是表示A相智能负荷调节电路中用来控制非关键负载上电压的成分，B、C相中同理。
将所有相关电压电流量解耦成直流量后，从公式五可以看出，对于非关键负载电流的D轴分量即有功分量，可以由相应的共公耦合点电压以及智能负荷调节电路上的电压D轴分量来表示，Q轴分量即无功分量，可以由相应的共公耦合点电压以及智能负荷调节电路上的电压Q轴分量来表示。而对于智能负荷调节电路电压的有功分量的控制，由公式七可以看出，可以分成两个部分，其中一部分用来控制非关键负载上的电压，以此来调节有功功耗，另一部分用来控制流过关键负载上电流的有功分量。
如图4所示，为电压控制器内部电路原理图，表示了各控制量与被控制量之间的关系。公共节点上的电压有功分量的一部分用来控制智能负荷调节电路上用来控制非关键负载电压的有功分量；而对于智能负荷调节电路上用来控制关键负载电流的有功分量部分，则是由非关键负载上有功电流经过PI调节来控制，其电流参考值来源于瞬时三相关键负载电流有功分量的平均值，该调节方式有利于三相关键负载与非关键负载的有功功率平衡，使三相非关键负载的电流与三相关键负载的电流均值差值减小，有利于有功平衡。而对于无功平衡的控制，则是实时采取关键负载与非关键负载电流的无功分量，再进行PI调节，同时可以检测中性线上的电流值是否符合要求。最终再结合有功和无功分量，给智能负荷调节电路提供一个符合要求的参考电压。
因此，智能负荷调节电路上电压的实时调节，可以对公共节点处的电压进行稳压控制，同时可以提供给关键负载一个有功和无功电流，对非关键负载上消耗的功率进行控制，以实现负载端三相功率的平衡。
需要说明的是，与现有技术所对比，对于智能负荷调节电路的电路原理结构，采用两个电源代替传统的单电源与两电容并联的结构，能够使智能负荷调节电路有更多工作模式，以实现功率因数校正以及负载补偿等功能；采用SVPWM来进行调制，相比于传统的SPWM技术，SVPWM每次开关切换只涉及一个器件，开关损耗很小，电压利用率高，控制简单，数字化实现方便；采用电压电流解耦控制，可以对每一相电压电流的有功和无功分量独立控制，智能负荷调节电路同时控制非关键负载的有功和关键负载的有功和无功；采用多目标控制技术，经过电压电流解耦控制选择出智能负荷调节电路参考电压，可再通过中性线上的电流来限定，使三相线电流更为对称，中性线上的电流足够小；智能负荷调节电路的基本电路采用了LC低通无源滤波，由电感电容并联组成，可对3次，5次，7次谐波形成低阻抗旁路，滤除低次谐波的干扰；智能负荷调节电路在消减负载端三相不平衡的同时，也将负载端波动的电压转移到非关键负载，为负载能量消耗跟随电源供能动态变化提供了可能。
采用智能负荷调节***来治理负载端三相功率不平衡，可实现需求侧点对点动态负载响应稳压，此外，智能负荷调节电路作为一种小容量可控逆变电压源，不仅可以提供无功功率，还可以实现与其串联的非关键负载有功功率的自动调节，为实现负载需求跟随电能生产提供了技术方案。其可以分散式的与各非关键负载串联或者集成于一体形成智能负载，通过实时监测公共耦合点的电压，控制逆变电源消解或者增加电压，以平衡公共耦合点的电压波动，同时提供无功功率并调节有功功率，从而保证连接在公共耦合点上的其它关键负载上的电压稳定以及有功和无功功率的平衡。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
以上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种智能负荷调节***，其特征在于，包括至少一个智能负荷调节电路，三相非关键负载，三相关键负载，电压控制器，中央处理器，锁相回路；
至少一个所述智能负荷调节电路与所述三相非关键负载串联连接，组成智能负载，所述智能负载与所述三相关键负载并联连接；
所述锁相回路输入端与配电网A相连接，所述锁相回路输出端与所述中央处理器连接；
所述电压控制器输入端与配电网三相连接，所述电压控制器输出端与中央处理器连接；
所述中央处理器输出端与所述智能负荷调节电路连接；
所述智能负荷调节电路包括单相电压源型半桥逆变器，所述单相电压源型半桥逆变器包括：第一电源、第二电源、第一二极管、第二二极管，第一半导体开关器件，第二半导体开关器件；
所述第一电源的负极与所述第二电源的正极连接；
所述第一二极管的正极与所述第二二极管的负极连接；
所述第一电源正极与所述第一二极管负极连接；
所述第二电源负极与所述第二二极管正极连接；
所述第一半导体开关器件的源极与第一二极管的正极连接；
所述第二半导体开关器件的漏极与第二二极管的负极连接；
三个所述单相电压源型半桥逆变器并联组成三相智能负荷调节电路；
所述三相智能负荷调节电路包括：第一智能负荷调节电路、第二智能负荷调节电路、第三智能负荷调节电路；
第一智能负荷调节电路输入端与配电网A相连接，所述第一智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与A相非关键负载连接；
第二智能负荷调节电路输入端与配电网B相连接，所述第二智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与B相非关键负载连接；
第三智能负荷调节电路输入端与配电网C相连接，所述第三智能负荷调节电路输出端通过隔离变压器与C相非关键负载连接；
所述中央处理器输出端通过SVPWM发生器A相与第一智能负荷调节电路连接；
所述中央处理器输出端通过SVPWM发生器B相与第二智能负荷调节电路连接；
所述中央处理器输出端通过SVPWM发生器C相与第三智能负荷调节电路连接。
2.根据权利要求1所述的智能负荷调节***，其特征在于，所述电压源型半桥逆变器输出端连接LC滤波电路，且所述LC滤波电路中的电容上的电压为所述智能负荷调节电路的输出电压。
3.根据权利要求1所述的智能负荷调节***，其特征在于，所述第一智能负荷调节电路与A相非关键负载组成A相智能负载，所述A相智能负载与A相关键负载并联于公共节点上；
所述第二智能负荷调节电路与B相非关键负载组成B相智能负载，所述B相智能负载与B相关键负载并联于公共节点上；
所述第三智能负荷调节电路与C相非关键负载组成C相智能负载，所述B相智能负载与C相关键负载并联于公共节点上。
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