CN112821407B - 一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路 - Google Patents

一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于配用电网与分布式电源并网领域的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，主要包括闭合铁芯磁路、一次绕组、多分接头二次线圈、有载调压分接开关等部分。多分接头二次线圈与有载调压分接开关连接构成二次调节绕组，经过闭合的铁芯磁路实现一次绕组与二次绕组之间的电压变换、功率转换，通过有载分接开关的选择，进行二次绕组电压的增、减及极性调节。本发明既能解决供配电线路长导致的线路末端电压偏低的问题，也能解决分布式电源高渗透率接入所造成的线路末端电压越高限的问题，实现线路末端电压的有效控制。

Description

一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路
技术领域
本发明属于配电网与分布式电源并网技术领域，特别涉及分布式电源高渗透率、长线路接入造成的供配电线路末端电压越限(越高限和越低限)问题。
背景技术
由于分布式电源大多位于偏远地块，甚至位于荒山、荒地，往往需要较长距离供配电线路传送电能，随着分布式电源渗透率的不断提高，白天功率反送引起配电线路末端电压抬升，超过供电电压上限，对末端及沿线用户的电力设备造成危害。简单地下调变电站出口端电压，保障白天功率反送时供配电线路末端电压不越上限，则导致夜间供配电线路末端电压低于下限，即在分布式电源高渗透率下较长距离供配电线路末端及沿线电压昼夜偏差变化大，超过了供电电压的允许偏差范围。
采用线路增容改造的方法可降低末端及沿线的电压抬升程度，但施工周期长，影响对沿线电力用户的供用电。同时，电力线缆及工程施工的成本高，回收周期长，投资效益低。而且，潮流计算分析表明，即使在线路增容改造后仍存在供配电线路末端电压偏高的现象，并不能完全解决配电网对高渗透率分布式电源的消纳问题。
传统利用并联电容器或电感器等无功补偿方式来改善电压水平的方法对高功率因数线路的调压效果并不明显。
采用新能源发电单元发有功、吸无功的复用方式调节并网点电压的方法，亦有人称为逆控一体机的无功功率自适应电压控制技术，在分布式电源逆变器出力较轻时有一定的调压效果。但考虑到中、低压线路的阻感特性时(末端电压升高的纵分量ΔU2＝(PR-QX)/U2、横分量δU2＝(PX+QR)/U2)，即：当阻感线路运行在高功率因数下，其线路末端电压升高(或降低)主要为电阻压降分量。在光伏逆变器出力较高时，逆变器的无功剩余容量低，调压能力弱，此时若要确保电压不越上限，需要通过深度弃光的方式去限制有功出力并多发感性无功。考虑到光伏高发的持续时间较长(例如，10：00-14：30)、高阻感性线路以及光伏高比例接入等因素，这种调压方式将导致长时间的大规模弃光，降低了发电效益，而且较高的线路无功会明显加大线损。
由于电力电子开关控制灵活，调制方便、精确，采用纯电力电子技术的潮流控制装置(UPFC)时，可以在一定程度上解决并网点电压过高的问题，但纯电力电子***热容量小、耐受性差、抗冲击能力弱，而且成本高，难以适应配电网络及配电线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的自然环境，以及复杂的负荷性质等条件。
采用晶闸管可控串补(TCSC)类装置仍然属于调节线路电抗的方式，可补偿线路的电抗电压分量，适合高压线路(属高感性，线路电阻小甚至可忽略)的电压调节，但不适合中、低压线路(属阻感性，甚至高阻性，线路电阻不可忽略)的电压调节。
采用常规的有载调压变压器通过有载分接开关的控制可以改变变比，可以调节二次电压，但这种调压器属级联型结构，其容量需大于等于所调节对象的总容量，导致设备投入成本相应增加。另外，虽然对于新建新能源电站的变压器采用这一方式能解决本身的高电压问题，但仍然解决不了沿线周边电力用户的高电压问题。
采用常规的自耦调压变压器也可调节二次电压，但这种调压器仍然属级联型结构，其容量需大于等于所调节对象的总容量，导致设备投入成本相应增加。
采用常规的感应调压器也可通过调节二次电压相位，串联接入线路时可用来改变线路电压，但当线路环网供电时，可能引起环网环流，带来安全隐患。
因此，有必要发明一种专门解决配电及供电线路末端的电压越限(越高限和越低限)问题，具有皮实耐用、高可靠性、低成本的单相或三相电压调节电路。
发明内容
本发明的目的是一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，其特征在于，所述单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路主要包括闭合铁芯磁路、一次绕组、多分接头二次绕组、有载调压分接开关，具体应用时可分为单相电磁式串联型双向电压调节电路和三相电磁式串联型双向电压调节电路。
所述单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，其特征在于，闭合的铁芯磁路实现一次绕组与多分接头二次绕组之间的电压电流变换、功率能量传递，建立二次绕组各分接头之间的电压相量，再通过有载分接开关进行二次绕组电压大小和极性的调节。
所述单相电磁式串联型双向电压调节电路，其特征在于，单相电压调节电路铁芯1的闭合铁芯磁路实现单相电压调节电路串联调压绕组3与单相电压调节电路并联取能绕组2之间的功率变换，单相电压调节电路并联取能绕组2的首端A与末端X分别并联连接于供电线路的火线与零线上，单相电压调节电路串联调压绕组3的首端经有载调压分接开关4与输入端A1相连，实际应用中将用于连接输电线路侧火线输出端，单相电压调节电路串联调压绕组3的末端与输出端A2相连，单相电压调节电路并联取能绕组2的首端A与单相电压调节电路串联调压绕组3的末端在设备内部连接成公共端作为单相电磁式串联型输电线路双向电压自适应调节装置对外连接的输出端A2，用于连接负荷侧火线输入端；与现有有载调压变压器相比，为达到同样的调压效果，本发明所涉及的单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的容量只需为单相或三相有载调压变压器容量的10％至20％。
所述三相电磁式串联型双向电压调节电路，其特征在于，A相有载调压分接开关901引出的有载分接头序号为①至⑦，A相并联取能绕组701的首端A与A相串联调压绕组801的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点A，同时，从这个公共点A引出A相并联取能绕组701对外连接的输出端A2和有载分接头④；B相有载调压分接开关902引出的有载分接头序号为①至⑦，B相并联取能绕组702的首端B与B相串联调压绕组802的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点B，同时，从这个公共点B引出B相串联调压绕组802对外连接的输出端B2和有载分接头④；C相有载调压分接开关903引出的有载分接头序号为①至⑦，C相并联取能绕组703的首端C与C相串联调压绕组803的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点C，同时，从这个公共点C引出C相串联调压绕组803对外连接的输出端C2和有载分接头④，从而A相串联调压绕组801、B相串联调压绕组802、B相串联调压绕组803获得一个三相高、低电压调节相同的双向电压调节范围。
所述的单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，一次绕组并联连接于供配电线路上，多分接头二次绕组串联连接于供配电线路中，单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气位置处在供配电线路与被调节对象之间，通过有载分接开关控制对单相或三相调压绕组的分接头进行选择，改变串联在线路上的电压幅值及其正负极性，实现线路末端电压的双向调节，解决分布式电源高渗透率或长线路接入造成的末端电压越限(越高限和越低限)问题。
所述单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路通过有载调压分接开关控制对单相或三相调压绕组的分接头进行选择来解决供电半径过大和新能源高比例接入引起的长供配电线路末端电压越限(越高限和越低限)问题。
长线路接入造成的供配电线路末端电压越限问题主要是由供电半径大引起的，当末端用电负荷电流较大时，线路压降导致末端负荷电压偏低，若电压偏差指标越过低限，则有升压调节的需求。而且，当末端分布式电源发电出力大时，线路的电压差导致末端电压偏高，若电压偏差指标越过高限，则有降压调节的需求；通过有载分接开关控制对单相或三相调压线圈的分接头进行选择来解决。
本发明提供的技术方案概括如下：基于电磁感应原理与有载分接开关控制的线路末端单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路方案。由单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的取能绕组并联在单相或三相线路的火线和中性点(或中性线)间，单相或三相调压线圈串联接入对应各相线路中，再通过有载调压分接开关控制对单相或三相调压绕组的分接头进行选择，可改变串联在线路上的电压幅值及其正负极性，从而实现线路末端(或后段)电压的调节，解决分布式电源高渗透率或长线路接入造成的末端电压越限(越高限和越低限)问题。
本发明的有益效果是：
1)本发明提供一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，与现有级联型有载调压变压器调压电路相比，为达到同样的调压效果，本发明提供的单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的容量只需为级联型有载调压变压器或自耦调压器等的容量的10％至20％。
2)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，与纯电力电子技术的调压拓扑电路相比，热容量大、抗冲击能力强，耐用性能好，可靠性高，并且经济成本更优，更适合配电网络及配电线路所面临的雷暴风雪灾害与酷暑严寒的自然环境，以及复杂的用电负荷性质与行为等条件。
3)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，与可控串补(TCSC)类调压拓扑电路相比，更适合中、低压阻感性，甚至高阻性的配电线路的电压调节。
4)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，与逆控一体机类调压拓扑电路相比，调压能力更强，更适合分布式电源高出力、长线路且高阻感以及高渗透率接入等场合，实现对高渗透率分布式电源的完全消纳，且不会降低接入点的功率因数，也不会增大线损。
5)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，适合油浸式或干式结构，适用于各交流电压等级的架空线路及电缆线路的末端(或后段)电压调节，还适用于各交流电压等级的架空线路及电缆线路的潮流功率控制。
6)本发明提供的一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，有载调压分接开关4和有载调压分接开关901、902、903中的分接头数量可以根据实际需求任意配置，若调节精度需求高，则可增加分接头数量，若调节精度需求不高，则可减少分接头数量，以控制装置整体体积、重量和成本。
附图说明
图1为一种单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路示意图。
图2为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路示意图。
图3为一种单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气原理示意图。
图4为一种单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气接线示意图。
图5为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气原理示意图。
图6为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气接线示意图。
具体实施方式
本发明提供一种单或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，其根据电磁感应的原理进行电压电流变换以及功率电能传递，经过并联和串联连接构成单相或三相串联型电压调节器拓扑电路；所述单或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路是在闭合的铁心磁路上桡取能绕组和电压调节绕组；在取能绕与电压调节绕组之间串联有载分接开关，以进行功率变换；单相或三相调压线圈串联接入对应各相线路中，再通过有载分接开关控制对单相或三相调压线圈的有载分接头进行选择，可改变串联在线路上的电压幅值及其正负极性。从而实现线路末端电压的调节；实现电压的分级调节以及正、负极性控制，实现线路末端单相或三相的升、降电压调节，解决分布式电源高渗透率、长线路接入造成的末端电压越限问题，进而保障配电网对高渗透率分布式电源的消纳。
一种单或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路连接于供电线路与待调节对象之间，即位于线路末端、待调节对象的配电变压器前端，适合配电线路供电半径较大的配电台区、分布式电源场站，以及配电台区与分布式电源的任意容量比例的组合场合。由于配电线路长、供电半径大，当末端配电台区用电负荷电流较大时，线路压降导致末端负荷电压偏低，若电压偏差指标越过低限，则有升压调节的需求；当末端分布式电源场站发电出力较大时，线路末端电压抬升导致末端电压偏高，若电压偏差指标越过高限，则有降压调节的需求。
下面结合附图及实施例进行详细阐述：
实施例1：一种单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路
图1为一种单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路示意图，配电***等值电源通过变压器T1得到单相供电时的电压/>以A相为例，单相电源/>经供电线路阻抗R2l+jX2l与单相电磁式串联型双向电压调节电路的输入端A1相连，单相电磁式串联型双向电压调节电路的输出端A2与变压器T2相连，变压器T2的二次侧连接公共连接点(PCC点)/>PCC点分别连接分布式电源和负荷，分布式电源输送能量为PDG+jQDG，负荷侧吸收能量为PL+jQL。
图3为单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气原理示意图，单相电压调节器铁芯1经过闭合的铁芯磁路实现并联取能绕组2与串联调压绕组3之间的功率变换，并联取能绕组2的首端A与末端X分别并联连接于供电线路的火线与零线上；串联调压绕组3的首端A1为连接外部的输入端，实际应用中将用于连接线路侧火线输出端，串联调压绕组3的末端先与并联取能绕组2的首端A在设备内部连接成公共端作为对外连接的输出端A2，实际应用中将用于连接负荷侧火线输入端。
图4为单相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气接线示意图，以7分接头的调节线圈为例说明如下。串联调压绕组3引出的有载分接头序号为①至⑦，并联取能绕组2的首端A与串联调压绕组3的中点位置(即有载分接头④处，)连接形成一个公共点，同时，从这个公共点引出串联调压绕组3对外连接的输出端A2和有载分接头④，对调节绕组来说，这样可以形成一个高、低电压调节相同的调节范围；若高、低电压调节的范围要求不相同，例如：要求调压绕组的降压幅度大一些，升压幅度小一些，则公共端向分接头序号增大的方向调整，否则，向分接头序号减小的方向调整；若只要求单降压调节则公共端连选有载分接头序号⑦，单升压调节则公共端连有载分接头序号①。调节线圈的各有载分接头①至⑦通过导体对应连接到7档单相有载调压分接开关4的有载分接头①至⑦上，单相有载调压分接开关4的公共端⑧作为单相调压绕组的输入端A1，该输入端A1与串联调压绕组3的输出端A2构成可串联接入待调节对象前端的单相串联调压绕组3。当单相有载调压分接开关4的公共端⑧连接于有载分接头①的位置时，此时单相串联调压绕组3的A1A2两端的电压为调压线圈有载分接头①和④之间的电压差，根据并联取能绕组2和串联调压绕组3之间的同名端关系，沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于降压调节，适合于末端电力用户电压偏高时的调节场景。当单相有载调压分接开关4的公共端⑧连接于有载分接头⑦的位置时，此时单相串联调压绕组3的A1A2两端的电压为调压线圈有载分接头⑦和④之间的电压差，根据并联取能绕组2和有载调压分接开关4之间的同名端关系，/>沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于升压调节，适合于末端电力用户电压偏低时的调节场景。当单相有载调压分接开关4的公共端⑧连接于有载分接头④的位置时，此时单相串联调压绕组3的A1A2两端的电压差为零，满足末端电力用户电压合格时不需要调节的时刻。
实施例2：一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路
图2为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路示意图，配电***等值电源通过变压器T1得到三相供电电源/>经供电线路阻抗Rl+jXl与三相电磁式串联型双向电压调节电路的输入端相连，三相电磁式串联型双向电压调节电路的输出端与变压器T2相连，变压器T2的二次侧连接公共连接点(PCC点)/>PCC点分别连接分布式电源和负荷，分布式电源输送能量为PDG+jQDG，负荷侧吸收能量为PL+jQL。
图5为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的原理接线如所示，闭合的铁心磁路6实现三相并联取能绕组7与三相串联电压调节绕组8之间的功率变换。三相并联取能绕组7的各相绕组首端A、B、C分别并联连接于配电线路的火线上，各相绕组的末端X、Y、Z交汇为中性点N，实现三相并联取能绕组的星型接线，也可以根据应用场合的需要，三相并联取能绕组采用角型接线，甚至为了满足某些特殊应用场合的需要，三相取能绕组7还可以采用其它点数的连接组别接线，三相串联调压绕组8的首端A1、B1、C1为连接外部的输入端，实际应用中将用于连接线路侧火线输出端，三相串联调压绕组8的末端先与三相并联取能绕组7的首端A、B、C在设备内部分相连接成公共端，并作为对外连接的三相输出端A2、B2、C2，实际应用中将用于连接负荷侧各火线的输入端。
图6为一种三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路的电气接线示意图。以A相含7分接头的调节线圈为例说明如下：A相串联调压绕组801引出的有载分接头序号为①至⑦，A相并联取能绕组701的首端A与串联调压绕组801的中点位置(即A相串联调压绕组801的有载分接头④处，)连接形成一个公共点，同时，从这个公共点引出A相串联调压绕组801对外连接的输出端A2和A相串联调压绕组801的有载分接头④，对A相串联调压绕组来说，实现同高、低电压范围的调节。若高、低电压调节的范围要求不相同，例如：要求调压绕组的降压幅度大一些，升压幅度小一些，则公共端向分接头序号增大的方向调整，否则，向分接头序号减小的方向调整；若只要求单降压调节则公共端连接有载分接头序号⑦，单升压调节则公共端连接有载分接头序号①。A相串联调压绕组801的各有载分接头①至⑦通过导体对应连接到7档A相有载调压分接开关901的有载分接头①至⑦上，A相有载调压分接开关901的公共端⑧作为A相串联调压绕组801的输入端A1，该输入端A1与A相串联调压绕组801的输出端A2构成三相串联调压绕组8的A相绕组端口A1A2。当A相有载调压分接开关901的公共端⑧连接于有载分接头①的位置时，此时A相串联调压绕组801的A1A2两端的电压为A相调压线圈有载分接头①和④之间的电压差，根据A相并联取能绕组701和A相串联调压绕组801之间的同名端关系，可知即沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于降压调节，这种情况适合于末端电力用户电压偏高时的调节场景。当A相有载调压分接开关901的公共端⑧连接于有载分接头⑦的位置时，此时A相串联调压绕组801的A1A2两端的电压为调压线圈有载分接头⑦和④之间的电压差，根据A相并联取能绕组701和A相串联调压绕组801之间的同名端关系，可知/>即沿着供电线路看向末端电力用户时，相当于升压调节，这种情况适合于末端电力用户电压偏低时的调节场景。当A相有载调压分接开关901的公共端⑧连接于有载分接头④的位置时，此时A相串联调压绕组801的A1A2两端的电压差为零，满足末端电力用户电压合格时不需要调节的场合。
三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路中三相串联调压绕组中的B、C相电压调节绕组与A相串联调压绕组的电气接线细节相同，B相有载调压分接开关902的公共端⑧作为B相串联调压绕组802的输入端B1，该输入端B1与B相串联调压绕组802的输出端B2构成三相串联调压绕组8的B相绕组端口B1B2，C相有载调压分接开关903的公共端⑧作为C相串联调压绕组803的输入端C1，该输入端C1与C相串联调压绕组803的输出端C2构成三相串联调压绕组8的C相绕组端口C1C2，即A1A2、B1B2、C1C2分别构成了三相串联电压调节绕组8的A、B、C相绕组。A相并联取能绕组701的末端X与B相并联取能绕组702的末端Y及C相并联取能绕组703的末端Z汇接于一个公共点N，作为三相并联取能绕组7的中性点，从而构成三相并联取能绕组7。

Claims (1)

1.一种单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，其特征在于，单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路主要包括闭合铁芯磁路、并联取能绕组、串联调压绕组、有载调压分接开关，所述单相或三相电磁式串联型双向电压调节拓扑电路，通过闭合的铁芯磁路实现并联取能绕组与串联调压绕组之间的电压电流变换、功率能量传递；
并联取能绕组的首端与末端分别连接于供电线路的火线与零线上，串联调压绕组串联接入对应各相线路中，串联调压绕组的输入端为单相或三相电磁式串联型双向电压调节电路连接外部的输入端，串联调压绕组的输入端在实际应用中用于连接电源侧的火线输出端；
串联调压绕组具有多个有载分接头，串联调压绕组的有载分接头序号设置为从低到高排列，有载调压分接开关具有多个有载分接头，有载调压分接开关的有载分接头的序号设置为从低到高，串联调压绕组的有载分接头数量与有载调压分接开关的有载分接头数量相同；
并联取能绕组的首端与串联调压绕组中的某一位置连接形成一个公共点，从公共点引出串联调压绕组对外连接的输出端，串联调压绕组对外连接的输出端在实际应用中用于连接负荷侧火线输入端；
其中，当公共点位于串联调压绕组的序号为中间位置的有载分接头处，使得串联调压绕组具有升、降压相同的调节范围，或者，当公共点向串联调压绕组的有载分接头的序号减小或增大的方向调整，使得串联调压绕组具有升、降压调节的范围不相同；
串联调压绕组的序号从低到高的有载分接头通过导体对应连接到有载调压分接开关的序号由低到高的有载分接头上，有载调压分接开关的公共端作为串联调压绕组的输入端；
通过改变与有载调压分接开关的公共端连接的有载调压分接开关的有载分接头，改变串联调压绕组两端电压的幅值及正负极性；
有载调压分接开关的有载分接头数量和串联调压绕组的有载分接头数量，根据实际需求任意配置，若调节精度需求高，则增加有载分接头数量，若调节精度需求不高，则减少有载分接头数量。
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