CN204205599U - 一种电子式馈线有载调压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电子式馈线有载调压装置，该装置包括：取能侧整流器、馈能侧逆变器、馈能隔离变压器和智能控制器，馈能隔离变压器的一侧绕组串联接于电网端馈线上，取能侧整流器与馈能侧逆变器串联连接，智能控制器分别与取能侧整流器和馈能侧逆变器相连，所述装置还包括取能变压器，取能变压器为降压变压器，且取能变压器的高压侧并联接于负荷端馈线上，取能变压器的低压侧与所述取能侧整流器串联连接，以降低整流器输入电压，从而降低取能侧整流器和馈能侧逆变器器件的耐压要求，器件容易选型，降低成本。

Description

一种电子式馈线有载调压装置

技术领域

本实用新型涉及电力***供配电技术领域，特别是涉及一种电子式馈线有载调压装置。

背景技术

由于我国部分电网，尤其是农村电网，线路较长、线径较细，随着负载的波动，电网电压波动较大，影响负载的可靠、高效、经济运行。因此需要对电网电压进行调节，保证电网供电电压的范围维持在负载需要的运行范围内。

传统的机械式有级调压方式分为：1.电容无功补偿；2.无励磁无载调压；3.带励磁有载机械多档位调压；4.基于晶闸管的有载调压。机械式有级调压方式调压精度低，响应慢，机械触头磨损大，故障率高，无法实现连续调压。

为了克服传统机械式有级调压方式的不足，出现了电子调压方式，即无触点无极调压，主要利用电力电子器件对电网电压进行变换，再补偿跌落部分或者上升部分的电压，从而实现电网电压的无极调节。但是这些装置体积大、谐波高、成本高、供电部门无法远程监控。

如中国专利200720106269公开了一种能量双向流动的电压调节器，动态调节器直接接于单相220V电网中，母线312V，选用的电力电子器件至少450V以上，母线电容也在400V以上，这样导致成本较高，体积较大。整流器侧只有L滤波，注入负荷端的谐波较大，影响用电设备的正常工作。当补偿电压较低时，调制比较小，逆变器输出PWM高次谐波含量较高，同时LC滤波器放置在馈线上，高次谐波全部流过串联补偿变压器Tr，导致其损耗大，温升高，对散热条件要求高。当装置发生故障时，无法切除故障装置。

再如中国专利200620108454公开了一种无触点无级有载调压变压器，旁路开关并联于串联补偿变压器的二次组两端，要求流过的电流为负荷电流，电流较大，旁路开关成本较高。主变压器T1输出400VAC，对于装置元器件耐压要求高，成本也较高。三相PWM侧无滤波器，导致注入负荷端的谐波较高，影响用电设备的正常运行。

此外，随着智能电网的发展，对于偏远地区的电力变压器和电力装置的安全运行监视提出了要求，传统依靠人力进行巡检费时、费力和耗财。

因此，亟需一种电子式馈线有载调压装置以解决上述技术问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术中存在的上述不足，提供一种电子式馈线有载调压装置，用以解决电力电子器件耐压要求高带来的体积大、成本高的问题，注入负荷的谐波高带来的串联补偿变压器损耗大的问题，以及监控电网设备运行状态不便的问题。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

本实用新型提供一种电子式馈线有载调压装置，包括：取能侧整流器、馈能侧逆变器、馈能隔离变压器和智能控制器，馈能隔离变压器的一侧绕组串联接于电网端馈线上，取能侧整流器与馈能侧逆变器串联连接，智能控制器分别与取能侧整流器和馈能侧逆变器相连，其特征在于，所述装置还包括取能变压器，所述取能变压器为降压变压器，且所述取能变压器的高压侧并联接于负荷端馈线上，所述取能变压器的低压侧与所述取能侧整流器串联连接。

进一步的，所述装置还包括设置于取能侧整流器一侧的第一LC正弦滤波器，第一LC正弦滤波器分别与所述取能侧整流器和所述取能变压器的低压侧串联连接，用以滤除所述取能侧整流器输出的脉冲宽度调制PWM高次谐波。

进一步的，所述装置还包括与所述智能控制器相连的软启动器，所述软启动器分别与所述第一LC正弦滤波器和所述取能变压器的低压侧串联连接。

优选的，所述软启动器包括软启动电阻和开关，所述软启动电阻与所述开关并联连接，所述开关能够根据所述智能控制器发送的控制指令打开或闭合。

进一步的，所述装置还包括设置于馈能侧逆变器一侧的第二LC正弦滤波器，第二LC正弦滤波器分别与所述馈能侧逆变器和所述馈能隔离变压器的另一侧绕组的两端串联连接，用以滤除所述馈能侧逆变器输出的脉冲宽度调制PWM高次谐波。

进一步的，所述装置还包括旁路开关，所述旁路开关并联接于所述馈能隔离变压器的另一侧绕组的两端，并与所述智能控制器相连，能够根据所述智能控制器发送的接入或切除调压装置的控制信号，打开或闭合。

优选的，所述馈能隔离变压器为1∶1隔离变压器。

进一步的，所述装置还包括远程监控器，所述远程监控器与智能控制器和远程客户端相连，用于从智能控制器处获取所述电子式馈线有载调压装置的运行参数，并将获取到的运行参数发送给远程客户端，以及，接收远程客户端发送的接入或切除调压装置的控制信号，并将所述控制信号发送给智能控制器。

本实用新型具有如下有益效果：

1、通过在负荷端馈线上并联接入用于降压的取能变压器，降低整流器输入电压，从而降低取能侧整流器和馈能侧逆变器器件的耐压要求，器件容易选型，降低成本；

2、由于降低了取能侧整流器和馈能侧逆变器上的电压，调制比增大，PWM脉宽宽，馈能侧逆变器输出PWM(Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制)波形高次谐波含量少，对于LC滤波器的带宽要求更低；而且取能侧整流器和馈能侧逆变器内部IGBT或者MOSFET损耗小，温升幅度小，同时可提高载波频率，LC滤波器的体积可变小；

3、通过将旁路开关并联接于馈能隔离变压器的连接第二LC正弦滤波器的一侧绕组的两端，降低旁路开关的电流容量的要求，器件容易选型，可减小调压装置的体积；

4、通过设置远程监控器，可实现远程监控现场电力设备运行状态，并能够进行故障快速定位、诊断。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的电子式馈线有载调压装置的框图；

图2为本实用新型实施例提供的单相220V电子式馈线有载调压装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的单相380V电子式馈线有载调压装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的升压补偿矢量图；

图5为本实用新型实施例提供的降压补偿矢量图。

图例说明：

1、取能侧整流器    2、馈能侧逆变器  3、馈能隔离变压器

4、智能控制器      5、取能变压器    6、第一LC滤波器

7、第二LC滤波器    8、软启动器      9、旁路开关

10、远程监控器     41、数字信号处理器DSP

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型提供一种电子式馈线有载调压装置，能够根据负荷端电压与给定电压之间的差异自动调整馈能侧逆变器的输出电压以及能量流动方向，补偿跌落或者上升部分的电压，使负荷端电压达到给定电压，保障用电设备的正常供电要求，并解决现有电子式调压装置体积大、元器件耐压压球高、谐波高、串联补偿变压器损耗大、成本高、无远程监控功能的不足。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种电子式馈线有载调压装置，包括：取能侧整流器1、馈能侧逆变器2、馈能隔离变压器3和智能控制器4，馈能隔离变压器3的一侧绕组串联接于电网端Uin馈线上，取能侧整流器1与馈能侧逆变器2串联连接，智能控制器4分别与取能侧整流器1和馈能侧逆变器2相连，能够根据负荷端Uo电压与给定电压之间的电压差，控制取能侧整流器1和馈能侧逆变器2的工作状态，从而调整负荷端Uo的电压。

所述装置还包括取能变压器5，取能变压器5为降压变压器，且取能变压器5的高压侧并联接于负荷端Uo馈线上，取能变压器5的低压侧与取能侧整流器1串联连接。

通过在负荷端馈线上并联接入降压变压器(即取能变压器5)，降低整流器输入电压，从而降低取能侧整流器和馈能侧逆变器的耐压要求，器件容易选型，降低成本。

优选的，馈能隔离变压器3可以选用1：1隔离变压器，无需对电网端电压进行升压或降压，使得馈能隔离变压器的体积更小。

优选的，所述电子式馈线有载调压装置还可以包括设置于取能侧整流器1一侧的第一LC正弦滤波器6，第一LC正弦滤波器6分别与取能侧整流器1和取能变压器1的低压侧串联连接，用以滤除取能侧整流器1输出的PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)高次谐波。

优选的，所述电子式馈线有载调压装置还可以包括设置于馈能侧逆变器2一侧的第二LC正弦滤波器7，第二LC正弦滤波器7分别与馈能侧逆变器2和馈能隔离变压器3的另一侧绕组的两端串联连接，用以滤除馈能侧逆变器2输出的PWM高次谐波。

第一LC滤波器6和第二LC滤波器7结构相同，能够滤除PWM高次谐波，从LC滤波器输出电压和电流波形接近正弦波，从而减小注入馈能隔离变压器3和负荷端Uo的谐波。

进一步的，为了防止电子式馈线有载调压装置启动过程中产生的冲击电流过大，所述电子式馈线有载调压装置还可以包括软启动器，软启动器8分别与第一LC正弦滤波器6和取能变压器5的低压侧串联连接，并与智能控制器8相连。

优选的，如图2所示，软启动器8可以包括软启动电阻R1和开关KM1，软启动电阻R1与开关KM1并联连接，且软启动电阻R1和开关KM1的一端与第一LC滤波器6串联连接，软启动电阻R1和开关KM1的另一端与取能变压器5的低压侧的一端串联连接。开关KM1能够根据智能控制器4发送的控制指令打开或闭合。

当电子式馈线有载调压装置启动时，通过软启动电阻R1给取能侧整流器1中的母线电容C2和馈能侧逆变器2中的母线电容C3充电，若智能控制器4判断出充电完成，即母线电容C2和母线电容C3两侧的电压达到取能侧整流器1的输入端电压峰值的90％，则通过开关驱动电路(即KM1驱动电路)，控制开关KM1闭合，从而短接软启动电阻R1，防止电阻式馈线有载调压装置启动过程中冲击电流过大。

进一步的，如图1所示，所述电子式馈线有载调压装置还包括旁路开关9，旁路开关9并联接于馈能隔离变压器3的另一侧绕组的两端，并与所述智能控制器相连。也就是说，旁路开关9并联接于馈能隔离变压器3与第二LC滤波器7相连的一侧绕组的两端。

旁路开关9的触点为常闭，当电子式馈线有载调压装置正常启动时，取能侧整流器1中的母线电容C2和馈能侧逆变器2中的母线电容C3充电完成，开关KM1闭合后，智能控制器4延时一段时间后，向旁路开关9发送接入调压装置的控制信号，以控制旁路开关9打开。当电子式馈线有载调压装置发生故障时，在该电子式馈线有载调压装置不失电的情况下，智能控制器4向旁路开关9发送切除调压装置的控制信号(该切除调压装置的控制信号可以是由操作员手动向智能控制器4输入的)，以闭合旁路开关9，使该电子式馈线有载调压装置从电网***中隔离，则电网***不再具有调压功能，由电网向负荷端供电。当电子式馈线有载调压装置发生故障时，在该电子式馈线有载调压装置失电的情况下，旁路开关9也可自动闭合，由电网向负荷端供电。

以下结合图2对智能控制器4的内部结构进行详细说明。如图2所示，智能控制器4可以包括：数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)41、电流检测器CT3、电压采样电路、电流采样电路、信号故障处理单元(图中未绘示)、软启动器驱动(KM1驱动)电路和旁路开关驱动(K1驱动)电路。

电压采样电路包括：馈能侧逆变器母线电压采样电路、电网端电压采样电路、馈能侧电压采样电路、取能侧整流器母线电压采样电路、负荷端电压采样电路和取能侧电压采样电路。

电流采样电路包括：电网端电流采样电路、馈能侧逆变器母线电流采样电路和取能侧整流器母线电流采样电路。

优选的，智能控制器4可以采用金属机箱，使其内部电路处于较好的电磁环境中，采用轻触按键，通过轻触按键进行参数的设置和手动操作，采用数码管显示，并预留RS232/RS485通信接口。DSP41可以选用16位的DSP，例如TMS320LF1407A。

智能控制器4的故障信号处理单元能够根据取能侧整流器1和馈能侧逆变器2发出的故障信号，判断出整流侧和逆变侧过流、过压、短路，直流母线欠压、过压，负荷端欠压、过压，整流器和逆变器短路等故障，对于三相***来说，故障信号处理单元还可以判断出三相电压不平衡、三相电流不平衡等故障。故障信号处理单元对各种故障的判断属于现有技术，在此不再赘述。

所述电子式馈线有载调压装置能够实现负荷端电压的升压和降压，能量可以在该调压装置内双向流动。具体的，智能控制器4通过负荷端电压采样电路采样负荷端的电压，根据负荷端的电压和预设的给定电压，判断升压或降压，将负荷端的电压控制在给定范围内。

同时，智能控制器4通过电网端电压采样电路采样电网端电压相位，通过电网端电流采样电路和电流检测器CT3采样电网端电流相位，控制馈能侧逆变器2，以使所馈电压相位和电网电压相位同相，以及控制馈能侧逆变器2，以使馈能侧逆变器2的输出电压和输出电流相位同相，以保证该电子式馈线有载调压装置所补充的能量全部为有功功率。此外，智能控制器4还可以根据该调压装置的功率容量，发出无功功率，以提高电网端的功率因数。

进一步的，所述电子式馈线有载调压装置还可以包括远程监控器10，远程监控器10与智能控制器4和远程客户端(图中未绘示)相连，用于从智能控制器4处获取所述电子式馈线有载调压装置的运行参数，并将获取到的运行参数发送给远程客户端，以及，接收远程客户端发送的接入或切除调压装置的控制信号，并将所述控制信号发送给智能控制器4。智能控制器4可以根据该接入或切除调压装置的控制信号，通过K1驱动电路驱动旁路开关9打开或闭合，从而实现将该调压装置接入电网或从电网中切除。

所述电子式馈线有载调压装置的运行参数可以包括：调压装置的输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、馈线功率因数、有功功率、无功功率、调压装置运行状态(升压、降压)、能量流动方向和补偿电压。

需要说明的是，智能控制器4还可以获取电网中其他配电设备的运行参数，相应的，远程监控器10也可以从智能控制器4处获取其他配电设备的运行参数，并发送给远程客户端以供供电部门实时监控。

远程监控器10可以采用通用分组无线服务技术(GeneralPacket Radio Service)实现分布式监控。用户可以通过远程客户端监控所述调压装置、馈能隔离变压器和馈线上其他设备的运行状态，并远程操控调压装置接入电网和从电网中切除。此外，供电部门可以同时监控馈线上多台其他配电设备的在线运行状态，方便故障定位和诊断。

取能侧整流器1和馈能侧逆变器2的结构相同，以下分别结合图2和图3，对单相220V和三相380V的电子式馈线有载调压装置中的取能侧整流器1和馈能侧逆变器2的结构进行详细说明。

如图2所示，在单相220V的电子式馈线有载调压装置中，取能侧整流器1包括4个晶体管(S1、S2、S3、S4)、母线电容C2、放电电阻R2、霍尔传感器CT1，每个晶体管并联1个续流二极管，4个晶体管采用H桥连接方式，母线电容C2、放电电阻R2和所述4个晶体管S1、S2、S3、S4并联连接，H桥交流输出其中一端穿过霍尔传感器CT1，通过电磁耦合检测电流。

优选的，晶体管S1、S2、S3、S4可以选用金氧半场效晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。

单相220V的电子式馈线有载调压装置中的馈能侧逆变器2的结构与单相220V的电子式馈线有载调压装置中的取能侧整流器1的结构相同，在此不再赘述。

如图3所示，在三相380V的电子式馈线有载调压装置中，取能侧整流器1包括6个晶体管、母线电容C2、放电电阻R2、霍尔传感器(图中未绘示)，每个晶体管并联1个续流二极管。6个晶体管采用三相半桥拓扑方式连接，母线电容C2、放电电阻R2和所述6个晶体管并联连接，三相半桥的三个交流输出端中的2端穿过霍尔传感器，通过电磁耦合检测电流。

三相380V的电子式馈线有载调压装置中的馈能侧逆变器2的结构与三相380V的电子式馈线有载调压装置中的取能侧整流器1的结构相同，在此不再赘述。

以下结合图2，以单相220V的电子式馈线有载调压装置为例，对该电子式馈线有载调压装置的工作原理及工作过程进行详细说明。

如图2所示，当电子式馈线有载调压装置正常启动后，电网端电压采样电路和负荷端电压采样电路通过高阻隔离，差分采样电网端和负荷端的电压，经过AD转换发送给DSP41，DSP41将采样得到的负荷端的电压与预设的给定电压相比较。

若判断出负荷端电压小于给定电压，给定电压与负荷端电压之差为+ΔU1，则该调压装置需要升压，即智能控制器4控制取能侧整流器1工作于整流状态，智能控制器4发出SPWM(SinusoidalPulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制)波，通过内部驱动电路驱动晶体管S1，S2，S3，S4，取能侧整流器1维持直流母线电压的恒定。同时智能控制器4控制馈能侧逆变器2工作于逆变状态，发出SPWM波，通过内部驱动电路驱动晶体管S5，S6，S7，S8，馈能侧逆变器2输出有效值等于-ΔU1的PWM波形，补偿负荷端电压相位和电网端电压相位相同，使负荷端电压Uo达到给定电压，此时能量在调压装置内自左向右流动。升压补偿的原理详见图4，其中，ΔU与ΔU1两者大小相等，相位相差180°。图4中Uo为补偿后的电压，Uin电网端电压(等效为补偿前负荷端电压)，IA为电网端电流，IA1为补偿后负荷端电流，Ia调压装置补偿电流，为补偿前负荷端功率因素，为补偿后负荷端功率因素。

若判断出负荷端电压大于给定电压，给定电压与负荷端电压之差为-ΔU1，则该调压装置需要降压，即智能控制器4控制取能侧整流器1工作于逆变状态，智能控制器4发出SPWM波，通过内部驱动电路驱动晶体管S1，S2，S3，S4，取能侧整流器维持直流母线电压的恒定。同时智能控制器4控制馈能侧逆变器2工作于整流状态，发出SPWM波，通过内部驱动电路驱动晶体管S5，S6，S7，S8，馈能侧逆变器2输出有效值等于+ΔU1的PWM波形，补偿负荷端电压相位和电网端电压相位相同，使负荷端电压Uo达到给定电压，此时能量在调压装置内自右向左流动。降压补偿的原理详见图5。

对于单相220V的电子式馈线有载调压装置，考虑补偿电压20％，则电网最低电压为176V，需要补偿的最大电压44V，装置留一定裕量，最大补偿电压按60V设计，直流母线电压85V，考虑尖峰电压，取能侧整流器1和馈能侧逆变器2内的晶体管可以选用FUJI的2SK3602-01(150V，23A)。母线电容可以选择江海ECS2CBZ222M(160V，2200uF)。整流器和逆变器内部的霍尔传感器可以选择Tamura的L18P015D15(15A)。远程监控器10可以采用厦门四信的DTU(优选F2103)，利用移动通信网络，实现数据的无线传输。

三相380V的电子式馈线有载调压装置的实现原理与单相220V相同，在此不再赘述，三相380V与单相220V的区别在于：馈能隔离变压器3为三个单相变压器，连接成星型结构，第一LC滤波器6和第二LC滤波器7的电容C连接成星型结构。

本实用新型的电子式馈线有载调压装置采用电力电子器件，实现了装置无机械触点、连续自动调压，能量双向流动，通过升压或降压，调节负荷端电压，使其在给定范围内，保证用电设备的正常运行。旁路开关并联接于馈能隔离变压器与LC正弦滤波器相连的一侧的绕组两端，器件选型容易，调压装置体积小。此外，通过远程监控器能够实现现场设备数据的远程监控及无线传输，可应用于偏于地区输电线路长，线径细的农村电网以及供电负荷波动大的场合。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种电子式馈线有载调压装置，包括：取能侧整流器、馈能侧逆变器、馈能隔离变压器和智能控制器，馈能隔离变压器的一侧绕组串联接于电网端馈线上，取能侧整流器与馈能侧逆变器串联连接，智能控制器分别与取能侧整流器和馈能侧逆变器相连，其特征在于，所述装置还包括取能变压器，所述取能变压器为降压变压器，且所述取能变压器的高压侧并联接于负荷端馈线上，所述取能变压器的低压侧与所述取能侧整流器串联连接。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置于取能侧整流器一侧的第一LC正弦滤波器，第一LC正弦滤波器分别与所述取能侧整流器和所述取能变压器的低压侧串联连接，用以滤除所述取能侧整流器输出的脉冲宽度调制PWM高次谐波。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括与所述智能控制器相连的软启动器，所述软启动器分别与所述第一LC正弦滤波器和所述取能变压器的低压侧串联连接。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述软启动器包括软启动电阻和开关，所述软启动电阻与所述开关并联连接，所述开关能够根据所述智能控制器发送的控制指令打开或闭合。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括设置于馈能侧逆变器一侧的第二LC正弦滤波器，第二LC正弦滤波器分别与所述馈能侧逆变器和所述馈能隔离变压器的另一侧绕组的两端串联连接，用以滤除所述馈能侧逆变器输出的脉冲宽度调制PWM高次谐波。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括旁路开关，所述旁路开关并联接于所述馈能隔离变压器的另一侧绕组的两端，并与所述智能控制器相连，能够根据所述智能控制器发送的接入或切除调压装置的控制信号，打开或闭合。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述馈能隔离变压器为1∶1隔离变压器。

8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括远程监控器，所述远程监控器与智能控制器和远程客户端相连，用于从智能控制器处获取所述电子式馈线有载调压装置的运行参数，并将获取到的运行参数发送给远程客户端，以及，接收远程客户端发送的接入或切除调压装置的控制信号，并将所述控制信号发送给智能控制器。