一种基于新型磁控可调电抗器的微网融冰电流控制装置及其控制方法与流程

1.本发明实施例涉及微网融冰电流调控技术，尤其涉及一种基于新型磁控可调电抗器的微网融冰电流控制装置及其控制方法。


背景技术：

2.微电网是近些年出现和发展的一种小型发、配、用电系统，低气温极端天气时微网的线路融冰效果直接影响微网的安全，甚至影响大电网的安全。自近些年以来冰灾对电网安全的影响，大电网的融冰技术发展迅速，而微电网的融冰技术近些年来始终发展缓慢。
3.由于微网中分布式电源的间歇性和随机性，灵活的双向潮流控制，频繁出现的过电压和过电流现象，微网的融冰控制问题比传统大电网的融冰问题严重得多。并且微网相对于大电网来说，线路的阻抗影响更大，因此微网的融冰电流更加难以控制，融冰的效果更差。在目前的大电网线路融冰技术中，以交流短路电流融冰技术最为经济有效，但主要针对主网线路，配网线路分布广、支线多、线型复杂，所处地形和气候条件恶劣，且多经过易覆冰的微地形微气候区域，是冰灾防治工作的难点。现有的电流融冰技术很难直接应用于配网抗冰，配网线路的防冰工作长期以来主要采人工除冰的方式，除冰工作效率低、人员劳动强度大，使得配网线路抵御雨雪冰冻灾害的能力较弱，难以保证用户供电的可靠性。而由于微网容量不大，安装多种大型的融冰电流控制器不经济；同时如果安装多种其他的电力电子装置，易对微网线路的融冰电流造成更大的误差。为了满足微网融冰的要求，研究一种适合微网运行的融冰电流控制器已迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于新型磁控可调电抗器的微网微网融冰电流控制装置及其控制方法，通过该融冰电流控制装置可以改变线路的阻抗参数，从而改变微网线路的融冰电流，实现微网的有效融冰控制。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种基于新型磁控可调电抗器的微网微网融冰电流控制装置，该控制装置包括：可调电抗器、控制模块和滤波模块，所述可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上，所述滤波模块并联连接在所述微网和大电网之间的连接线路上；
6.其中，所述可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，所述二次绕组与所述控制模块电连接；
7.所述控制模块用于通过调节所述二次绕组跟随所述一次绕组的电流跟随比例系数以调节所述一次绕组的总阻抗值，从而可以改变一次侧线路的融冰电流值。
8.可选地，所述电流跟随比例系数大于所述一次绕组的漏阻抗与所述一次绕组的励磁阻抗的比值。
9.可选地，所述可调电抗器还包括电压型逆变电路，所述电压型逆变电路分别与所
述二次绕组和所述控制模块电连接，所述控制模块用于通过调节所述电压型逆变电路调节所述二次绕组跟随所述一次绕组的电流跟随比例系数。
10.可选地，所述电压型逆变电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和电压源，所述第一晶体管的第一端、所述第二晶体管的第一端与所述电压源的正极电连接，所述第一晶体管的第二端分别与所述第三晶体管的第一端和所述二次绕组的第一端电连接，所述第二晶体管的第二端分别与所述第四晶体管的第一端和所述二次绕组的第二端电连接，所述第三晶体管的第二端、所述第四晶体管的第二端与所述电压源的负极电连接。
11.可选地，所述滤波模块为无源滤波器。
12.可选地，还包括电流检测模块，所述电流检测模块分别与所述一次绕组和所述二次绕组电连接。
13.可选地，所述电流检测模块为电流互感器。
14.可选地，所述微网融冰电流控制装置连接在微网和大电网之间的三相线路上，每相线路上串联连接一所述可调电抗器，每个所述可调电抗器均与所述控制模块连接。
15.第二方面，本发明实施例还提供了一种基于新型磁控可调电抗器的微网融冰电流控制装置的控制方法，该控制装置的控制方法由融冰电流控制装置执行，所述融冰电流控制装置包括：可调电抗器和控制模块，所述可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上；其中，所述可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，所述一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，所述二次绕组与所述控制模块电连接；
16.所述方法包括：
17.通过调节所述二次绕组跟随所述一次绕组的电流跟随比例系数以调节所述一次绕组的总阻抗值，从而补偿线路阻抗值，调节一次侧融冰电流值。
18.可选地，所述通过调节所述二次绕组跟随所述一次绕组的电流跟随比例系数以调节所述一次绕组的总阻抗值，包括：
19.通过调节所述电流跟随比例系数大于所述一次绕组的漏阻抗与所述一次绕组的励磁阻抗的比值，以调节所述一次绕组的总阻抗值，进而改变一次侧融冰电流值。
20.本发明通过提供一种微网融冰电流控制装置，该融冰电流控制装置包括：可调电抗器、控制模块和滤波模块，可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上，滤波模块并联连接在微网和大电网之间的连接线路上；其中，可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，二次绕组与控制模块电连接；控制模块用于通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数以调节一次绕组的总阻抗值和融冰电流值，实现微网的融冰效果。
附图说明
21.图1是本发明实施例一中的一种融冰电流控制装置的结构示意图；
22.图2是本发明实施例一中的一种可调电抗器的t型等效电路；
23.图3是本发明实施例二中的一种融冰电流控制装置的结构示意图；
24.图4是本发明实施例二中的一种融冰电流控制装置的控制原理图；
25.图5是本发明实施例二中的一种未接入融冰电流控制装置时的电压矢量图；
26.图6是本发明实施例三中提供的一种融冰电流控制装置的结构示意图。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
28.经发明人研究发现：现有的电网融冰技术方法大致如下：
29.(1)调度融冰法。调度融冰法主要是通过电力调度来实现的，具体为改变电力系统潮流分布，增大带有覆冰线路上的电流，从而增加覆冰线路的热量使得覆冰融化。这实际上是一种最便捷的除冰手段，然而由于该方法已受电力设备如变压器容量等条件的限制。不能从根本上解决现有问题，因此该方法只能在线路覆冰初期应用，并且只能起到一定的缓解作用。
30.(2)交流短路融冰法。交流短路融冰是将融冰短接线装在输电线路的某一点上，再通过中压配电装置对线路输送融冰电流，并依靠短路电流产生的热量融化线路上的覆冰。交流短路融冰法可以分为三相短路融冰法以及两相短路融冰法。该方法在一定电压范围内可以正常运行，但是对于500kv及其以上电压等级的线路，由于很难满足大容量的融冰电源，因此，采用该方法是行不通的。
31.(3)直流融冰法。该方法通过换流装置把交流电源转化为直流电源，并对覆冰线路加热使得线路覆冰融化的方法。但是由于直流融冰通常采用6脉波或者12脉波的整流装置，6脉波整流装置会引入5次和7次谐波，而12脉波整流装置会引入11和13次谐波。
32.(4)机械除冰法。通过使用自动机械装置产生的动力破坏线路上的冰体，从而使得覆冰从线路上脱落。该方法的优点是方便易用，但是效率不高且安全性极差。
33.有鉴于此，本发明提供一种融冰电流控制装置及其控制方法，通过该控制装置可以补偿线路漏电感，改变一次侧线路阻抗值，从而实现微网的融冰电流调节。
34.实施例一
35.图1是本发明实施例一中提供的一种融冰电流控制装置的结构示意图，图2为本发明实施例一中提供的一种可调电抗器的t型等效电路。参考图1，该融冰电流控制装置包括：可调电抗器10、控制模块20和滤波模块30，可调电抗器10连接在微网40和大电网50之间的连接线路上，滤波模块30并联连接在微网40和大电网50之间的连接线路上；其中，可调电抗器10包括一次绕组b1和二次绕组b2，一次绕组b1串联连接在微网40和大电网50之间的连接线路上，二次绕组b2与控制模块20电连接；控制模块20用于通过调节二次绕组b2跟随一次绕组b1的电流跟随比例系数以调节一次绕组b1的总阻抗值。
36.其中，滤波模块30用于对线路谐波信号起到隔离作用，由于可调电抗器10对基波信号呈现小阻抗值，对谐波信号呈现励磁高阻抗值，因此滤波模块30滤波效果非常好并且可以同时适合于电压型和电流型谐波源。参考图1，可调电抗器10还包括电压型逆变电路11，电压型逆变电路11分别与二次绕组b2和控制模块20连接。控制模块20通过控制电压型逆变电路11输出电流反相注入到二次绕组侧。其中，控制模块20可以为单片机。
37.参考图1，一次绕组ax和二次绕组ax的匝数分别为n1和n2，一次绕组ax和二次绕组ax的变比k
t
＝n1/n2，流过一次绕组和二次绕组的电流分别为i1和i2，一次绕组和二次绕组两
端电压分别为u1和u2。
38.参考图2，r1、r2′
和r
m
分别表示一次绕组的电阻、二次绕组的电阻等效到一次绕组侧的电阻值以及励磁电阻；l
1σ
、l
′
2σ
和l
m
分别表示一次绕组的漏感、二次绕组的漏感等效到一次绕组侧的电感值以及励磁电感。
39.由此，可列出可调电抗器的端口电压方程，相量形式如下：
[0040][0041][0042]
其中，z1＝r1+jwl
1σ
，z
m
＝r
m
+jwl
m
，z2′
＝r2′
+jwl
2σ
′
，z1为一次绕组的漏阻抗，z
m
为一次绕组的励磁阻抗。其中，电阻值均远小于电感值。控制模块通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数，控制二次绕组跟随一次绕组的电流变化产生一个基波电流，以调节一次绕组的总阻抗值和电流值。其中，由于二次绕组的电流是跟随一次绕组的电流产生的，因而还可以起到抑制系统谐波的作用。
[0043]
其中，一次绕组和二次绕组的电流关系满足如下公式：
[0044][0045]
其中，k
t
为一次绕组ax和二次绕组ax的匝数比，α为电流跟随比例系数。
[0046]
则将一次绕组和二次绕组的电流关系式与可调电抗器的端口电压方程联立，可以求得可调电抗器一次绕组的等效阻抗z
ax
为：
[0047][0048]
其中，相对于对系统的影响较小，由等效阻抗z
ax
公式可以看出，由ax端看进去，一次绕组呈现的阻抗为一可变量，其大小与α满足一定比例关系。因此通过调节电流跟随比例系数α的大小，便可改变二次绕组的磁势，从而改变了变压器(一次绕组和二次绕组可看成一个变压器)铁心中的主磁通，变压器的一次绕组便会呈现一无级可调阻抗。因而，通过调节电流跟随比例系数α可以调节一次绕组的总阻抗，进而可以补偿线路漏电感，改变微网线路阻抗和微网融冰电流值。
[0049]
在本实施例的技术方案中，该融冰电流控制装置的实现过程为：示例性的，调节时，可以将该融冰电流控制装置设置在微网40和大电网50之间的连接线路上，具体的，将可调电抗器10连接在微网40和大电网50之间的连接线路上，滤波模块30并联连接在微网40和大电网50之间的连接线路上。控制模块20通过调节电流跟随比例系数，使得跟随一次绕组的电流变化产生一个电流并反向注入到二次绕组，由于一次绕组的总阻抗(或等效阻抗)与电流跟随比例系数α有关，因而可以调节一次绕组b1的总阻抗值，通过调节一次绕组b1的总阻抗值可以补偿线路漏电感，改变微网线路阻抗，进而改变微网融冰电流，实现微网融冰控制。
[0050]
本发明实施例提供一种融冰电流控制装置，该装置包括：可调电抗器、控制模块和滤波模块，可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上，滤波模块并联连接在微网和大电网之间的连接线路上；其中，可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，二次绕组与控制模块电连接；控制模块用于通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数以调节一次绕组的总阻抗值，从而调节电流
值。通过调节电流跟随比例系数，可以调节一次绕组的总阻抗值，进而可以补偿线路漏电感的值，改变微网的线路融冰电流值。
[0051]
实施例二
[0052]
图3是本发明实施例二中提供的一种融冰电流控制装置的结构示意图。在上述实施例一的基础上，可选地，参考图3，可调电抗器10还包括电压型逆变电路11，电压型逆变电路11分别与二次绕组b2和控制模块20电连接，控制模块20用于通过调节电压型逆变电路11调节二次绕组b2跟随一次绕组b1的电流跟随比例系数。
[0053]
其中，控制模块20根据一次绕组b1的电流变化，通过调节电流跟随比例系数，使电压型逆变电路11为二次绕组b2提供电流，进而调节一次绕组b1总阻抗。
[0054]
可选地，继续参考图3，电压型逆变电路11包括第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4和电压源u
d
，第一晶体管q1的第一端、第二晶体管q2的第一端与电压源u
d
的正极电连接，第一晶体管q1的第二端分别与第三晶体管q3的第一端和二次绕组b2的第一端电连接，第二晶体管q2的第二端分别与第四晶体管q4的第一端和二次绕组b2的第二端电连接，第三晶体管q3的第二端、第四晶体管q4的第二端与电压源u
d
的负极电连接。
[0055]
其中，第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4可以为npn型三极管。第一晶体管q1的控制端、第二晶体管q2的控制端、第三晶体管q3的控制端和第四晶体管q4的控制端分别与控制模块20电连接，通过控制模块20可以控制第一晶体管q1、第二晶体管q2、第三晶体管q3、第四晶体管q4的导通或者关断，进而可以控制电压型逆变电路向二次绕组b2提供电流的大小。
[0056]
可选地，电流跟随比例系数大于一次绕组的漏阻抗与一次绕组的励磁阻抗的比值。
[0057]
其中，设电流跟随比例系数为α，一次绕组的漏阻抗为z1，一次绕组的励磁阻抗为z
m
。则控制模块20通过调节电流跟随比例系数使其满足：α＞1+z1/z
m
，则可将可调电抗器的阻抗值设为容性，将其电抗值调节为与线路感抗值相等，即可补偿线路电感。
[0058]
可选地，滤波模块30为无源滤波器。
[0059]
其中，通过设置无源滤波器可以用来补偿线路中的无功功率，同时对微网谐波有滤除作用。
[0060]
可选地，继续参考图3，该融冰电流控制装置还包括电流检测模块60，电流检测模块60分别与一次绕组b1和二次绕组b2电连接。
[0061]
其中，电流检测模块60用于实时检测一次绕组b1和二次绕组b2的电流，并发送至控制模块20。控制模块20根据检测的一次绕组b1的电流，通过调节电流跟随比例系数控制电压型逆变电路11输出电流并注入到二次绕组b2，进而调节一次绕组的总阻抗值，以补偿线路电感。
[0062]
可选地，电流检测模块60为电流互感器。
[0063]
图4为本发明实施例二中提供的一种融冰电流控制装置的控制原理图，图5是本发明实施例二中提供的一种未接入融冰电流控制装置时的潮流矢量图。具体的，补偿线路漏电感导致的电能损失的具体分析过程如下：参考图4，x为线路感抗值，r为线路电阻值。
[0064]
首先当不考虑将可调电抗器接入系统时，参考图5矢量图，则有：
[0065][0066]
其中，u
m
为微网40的电压，u
s
为大电网50的电压，u
m
和u
s
之间的相位差为δ，l为微网的线路电感。
[0067]
从式(5)和图5矢量图可以看出，在微网中没有加入该控制器时，在不能忽略线路感抗x＝ωl的情况下，线路电感会对微网系统线路电流产生很大的影响，若x值很大，则会严重影响微网融冰电流的大小控制，影响融冰效果。
[0068]
如果将该融冰电流控制装置接入微网中，通过调节电流跟随比例系数α，使得α大于1+z1/z
m
，则可将可调电抗器的阻抗值z
ax
设为容性，将其电抗值x1调节为与线路感抗值x相等，即可补偿线路电感，而引入的补偿电阻r1较小，可不考虑将其引入的影响。补偿后系统中电抗值为x
*
＝x
‑
x1，其大小基本为0，因而很大程度上减小了线路感抗值x的影响。若补偿后电路忽略x项，则式(5)可改写成：
[0069][0070]
式(6)为补偿线路阻抗之后，微网的电压矢量式，此时线路电流和电压同相位，将式(5)和式(6)相比较，可知加入微网融冰电流控制器之后，线路阻抗大大减小，融冰电流可与阻抗成反比例增大。调节电流跟随比例系数α的大小就可以改变z
ax
＝z1+(1
‑
α)z
m
的值，将其调节为容性，补偿微网中线路电感的值，从而起到调节微网融冰电流的作用。
[0071]
通过上述对比分析可知，通过控制电流跟随比例系数α大于11/z
m
，使容抗值与线路电抗相等，即可补偿微网中线路的电感，增大了由于线路阻抗而被限制的融冰电流的大小，从而实现微网的融冰控制。
[0072]
实施例三
[0073]
图6是本发明实施例三中提供的一种微网融冰电流控制装置的结构示意图。在上述实施例的基础上，参考图6，融冰电流控制装置连接在微网40和大电网50之间的三相线路上，每相线路上串联连接一可调电抗器，每个可调电抗器均与控制模块20连接。
[0074]
其中，参考图6，微网40包括一套储能系统41、一套光伏发电系统42、一套常规负载43和一套谐波源负载44。大电网50包括电压源、电感等。微网40和大电网50可通过静态开关连接。滤波模块30由电感性元件和电容元件组成。
[0075]
参考图6，微网40和大电网50之间连接有三相线路，每相线路上串联连接一个可调电抗器的一次绕组，每个可调电抗器的二次绕组都与电压型逆变电路连接，电压型逆变电路与控制模块20连接。通过控制模块20调节每个相线的二次绕组的电流跟随比例系数，可以使对应相线的二次绕组产生一个基波电流，从而可以对各相线路的一次绕组的总阻抗值进行调节，以补偿系统整个线路的电感，使其近似为0，从而增大微网线路的融冰电流。
[0076]
实施例四
[0077]
本发明实施例四中提供了一种微网融冰电流控制装置的控制方法，本实施例可适用于融冰电流控制装置的控制方法的实现过程，该方法可以由融冰电流控制装置来执行。其中，控制装置包括：可调电抗器和控制模块，可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上；其中，可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，二次绕组与控制模块电连接。具体的，该控制方法包括如下步骤：
[0078]
步骤110、通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数以调节一次绕组
的总阻抗值，从而调节融冰电流的大小。
[0079]
其中，控制模块通过调节电流跟随比例系数，使得跟随一次绕组的电流变化产生一个电流并反向注入到二次绕组，由于一次绕组的总阻抗(或等效阻抗)与电流跟随比例系数有关，因而可以调节一次绕组的总阻抗值，通过调节一次绕组的总阻抗值可以补偿微网线路电感值，从而调节微网的融冰电流大小。
[0080]
本实施例的技术方案，通过提供一种融冰电流控制装置的控制方法，该控制方法由电融冰电流控制装置执行，该微网融冰电流控制装置包括：可调电抗器、控制模块和滤波模块，可调电抗器连接在微网和大电网之间的连接线路上，滤波模块并联连接在微网和大电网之间的连接线路上；其中，可调电抗器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组串联连接在微网和大电网之间的连接线路上，二次绕组与控制模块电连接；控制模块用于通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数以调节一次绕组的总阻抗值。通过调节电流跟随比例系数，可以调节一次绕组的总阻抗值，进而可以补偿线路漏电感，改变微网的融冰电流值。
[0081]
可选地，通过调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数以调节一次绕组的总阻抗值，从而改变线路的融冰电流值，包括：
[0082]
通过调节电流跟随比例系数大于一次绕组的漏阻抗与一次绕组的励磁阻抗的比值，以调节一次绕组的总阻抗值，从而改变线路电流值。
[0083]
其中，设电流跟随比例系数为α，一次绕组的漏阻抗为z1，一次绕组的励磁阻抗为z
m
。则控制模块20通过调节电流跟随比例系数使其满足：α＞1+z1/z
m
，则可将可调电抗器的阻抗值设为容性，将其电抗值调节为与线路感抗值相等，即可补偿线路电感，改变微网融冰电流值，进而实现微网融冰控制。
[0084]
可选地，电流跟随比例系数大于一次绕组的漏阻抗与一次绕组的励磁阻抗的比值。
[0085]
可选地，可调电抗器还包括电压型逆变电路，电压型逆变电路分别与二次绕组和控制模块电连接，控制模块用于通过调节电压型逆变电路调节二次绕组跟随一次绕组的电流跟随比例系数。
[0086]
可选地，电压型逆变电路包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管和电压源，第一晶体管的第一端、第二晶体管的第一端与电压源的正极电连接，第一晶体管的第二端分别与第三晶体管的第一端和二次绕组的第一端电连接，第二晶体管的第二端分别与第四晶体管的第一端和二次绕组的第二端电连接，第三晶体管的第二端、第四晶体管的第二端与电压源的负极电连接。
[0087]
可选地，滤波模块为无源滤波器。
[0088]
可选地，还包括电流检测模块，电流检测模块分别与一次绕组和二次绕组电连接。
[0089]
可选地，电流检测模块为电流互感器。
[0090]
可选地，融冰电流控制装置连接在微网和大电网之间的三相线路上，每相线路上串联连接一可调电抗器，每个可调电抗器均与控制模块连接。
[0091]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行
了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。