一种智能负载装置及输电线路智能负载系统的制作方法

本发明涉及输电线路电压调节领域，尤其涉及一种智能负载装置及输电线路智能负载系统。

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，使得低压配电网的电压不稳定，供电质量参差不齐。为改善电压的波动，在电力系统中，常采用集中或者就地补偿的无功功率补偿方式，主要包括静止无功补偿器(SVC)与静止无功发生器(SVG)，有源电力滤波器(APF)以及静止同步补偿器(STATCOM)等，从利用简单机械式的电容器与电感器组阶梯式控制到利用动态自动控制的跟踪补偿技术，负载端无功的控制可以得到很大改善，但是自动无功补偿装置成本高，设备体积大，一般兼容谐波处理功能；另一方面，大量新能源电源并网给电力的瞬时供需平衡带来影响，目前最有前景的方式是采用新型储能技术，包括蓄电池储能、飞轮储能、抽水储能以及超级电容等，但储能技术的成本很高，大规模应用有待技术上的突破。

现有技术通过电力储能来实现瞬时电力的供需平衡，其经济成本和功能瓶颈目前限制其规模化发展，在实际电力系统应用方面暂时并不具有不可替代性；通过无功补偿器来实现无功平衡以稳定电压，但无功器件在运行时损耗严重，无功补偿不能连续可调，会产生过补或者欠补以及较多高次谐波，装置体积较大，成本较高，另外自动控制无功补偿器对器件和控制系统的要求较高，成本高。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种智能负载装置及输电线路智能负载系统，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载装置，包括：

储能电源、双向DC/DC变换器及双向AC/DC变换器；

储能电源与双向DC/DC变换器连接；

双向DC/DC变换器与双向AC/DC变换器连接；

双向AC/DC变换器与电网中负载连接；

双向DC/DC变换器还连接有双向DC/DC控制模块；

双向AC/DC变换器还连接有双向AC/DC控制模块。

可选地，双向DC/DC变换器与双向AC/DC变换器间并联有电容。

可选地，双向DC/DC控制模块连接有控制系统，由控制系统进行控制。

可选地，双向AC/DC控制模块连接有控制系统，由控制系统进行控制。

可选地，双向AC/DC变换器通过LC滤波电路与电网中负载连接。

可选地，智能负载装置与电网中非敏感负载串联连接构成智能负载；

智能负载与电网中敏感负载并联连接。

可选地，控制系统包括PI控制器，用于获得智能负载装置安装地点的基准控制电压。

可选地，PI控制器引入新的基准电压v_{mx_ref}，基准电压可由公式一求得，公式一具体为：

其中，v_{mx_ref}为基准电压，V_s^*为母线额定电压，M为与距离相关的变量，K为电压下降速度常数。

可选地，储能电源为直流储能电源，用于实现补偿电网无功功率与有功功率及作为分布式储能设备缓冲电能。

本发明实施例提供的一种输电线路智能负载系统，其特征在于，包括：

至少一个权利要求1～权利要求9的智能负载装置、输电线路及输电线路电源；

至少一个智能负载装置安装连接于输电线路的不同位置。本发明实施例提供的一种输电线路智能负载系统，包括：

至少一个智能负载装置、输电线路及输电线路电源；

至少一个智能负载装置安装连接于输电线路的不同位置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

智能负载装置的电路结构中采用了直流储能电池，使得智能负载装置可工作在多种模式，实现了在补偿电网无功功率与有功功率的同时，也可以作为分布式储能设备缓冲电能；

可通过控制与交流侧电容上的电压来控制智能负载装置输出的无功功率，通过控制交流侧电感上的电压来控制智能负载装置输出的有功功率；

采用了双向AC/DC变换器及双向DC/DC变换器，实现了智能负载装置储能电池与电网之间有功功率、无功功率的交换；

智能负载装置基本电路采用了LC低通无源滤波电路，可滤除低次谐波的干扰；

采用了PI控制器，可自动获得线路基准控制电压，使同一线路上多个控制器可协调合作，优化智能负载装置容量资源配置，减少成本，对智能负载装置在电网中的大规模分布式应用提供了协调控制的方法；

智能负载装置的自动基准电压协调统一控制，可以使与各智能负载装置并联的非敏感负载可较均匀地承担多余的荷载量或者较均匀的减载，使系统的运行更加安全平稳。

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载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的智能负载装置在电网中的具体位置关系示意图；

图3为本发明实施例提供的一种输电线路智能负载系统示意图；

图4为本发明实施例提供的线路电压与距离之间的关系示意图；

图5为本发明实施例提供的传统的智能负载装置输出的无功功率与其输出端电容上的电压关系示意图；

图6为本发明实施例提供的智能负载装置稳压控制器框图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种智能负载装置及输电线路智能负载系统，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载装置，包括：

储能电源、双向DC/DC变换器及双向AC/DC变换器；

储能电源与双向DC/DC变换器连接；

双向DC/DC变换器与双向AC/DC变换器连接；

双向AC/DC变换器与电网中负载连接；

双向DC/DC变换器还连接有双向DC/DC控制模块；

双向AC/DC变换器还连接有双向AC/DC控制模块。

进一步地，双向DC/DC变换器与双向AC/DC变换器间并联有电容。

进一步地，双向DC/DC控制模块连接有控制系统，由控制系统进行控制。

进一步地，双向AC/DC控制模块连接有控制系统，由控制系统进行控制。

进一步地，双向AC/DC变换器通过LC滤波电路与电网中负载连接。

进一步地，智能负载装置与电网中非敏感负载串联连接构成智能负载；

智能负载与电网中敏感负载并联连接。

进一步地，控制系统包括PI控制器，用于获得智能负载装置安装地点的基准控制电压。

进一步地，PI控制器引入新的基准电压v_{mx_ref}，基准电压可由公式一求得，公式一具体为：

v_{mx_ref}＝V_s^*-MK；

其中，v_{mx_ref}为基准电压，V_s^*为母线额定电压，M为与距离相关的变量，K为电压下降速度常数。

进一步地，储能电源为直流储能电源，用于实现补偿电网无功功率与有功功率及作为分布式储能设备缓冲电能。

需要说明的是，在电网中，可以将智能负载看成是一种分布式的储能电源与可控负载，直流端采用储能直流电源，可使系统工作在多种模式，可同时实现有功与无功功率与和整个电网的交换。其中，双向DC/DC变换器为保护储能电池而设计，充电时，使得从交流端整流过来的直流电压满足给储能电池充电的电压条件，使其接收从电网过来的能量；放电时，使从储能电源端输出的电压满足双向AC/DC变换器的逆变条件，再由双向AC/DC变换器进行输出变换，从而对电网输出能量。双向DC/DC变换器和双向AC/DC变换器由同一个控制系统分别控制两个子控制模块进行协调控制。该装置的主要特性是可以将电网电压Vs稳定在给定参考值，而不受外界扰动的干扰，同时直流储能电源的存在，也可以向电网输出有功功率。

请参阅图2，为智能负载装置在电网中的具体位置关系。智能负载装置工作在放电状态时，可以给电网提供无功与有功功率，无功功率的提供体现在电容输出电压的大小与极性上，而有功功率的输出则主要体现在对电感两端电压相位的控制上。

以上为对智能负载装置的详细描述，以下将详细讲述同一条线路上对不同位置安装的智能负载装置的电压控制，以实现各装置的统一控制协调运行。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种输电线路智能负载系统，包括：

至少一个智能负载装置、输电线路及输电线路电源；

至少一个智能负载装置安装连接于输电线路的不同位置。

智能负载装置可以实现点对点电压控制，对远距离输电而言，母线上电压会随着传输距离的增加而有一定程度上的下降，如果在一条输电线路上不同位置安装多个智能负载，如图2所示，则每个智能负载的控制基准电压应是不相同的(V_g＞V_m1＞V_m2＞V_mx＞V_mn)，因此，对于传统的将所有公共节点的基准电压给定为线路额定电压的方法在大量智能负载装置分布式应用时并不适用，需要对线路每个不同的安装点进行重新设定基准电压。

请参阅图4，为线路电压与距离之间的关系。由图可知，在线路上不同的节点，其实际电压与母线的额定电压是不相同的。因此，在对智能负载公共节点端电压进行控制时，不能对所有智能负载采用同一额定电压来作为其基准值。因电压变化主要是线路阻抗的作用，因此其呈现出一种线性关系，可由公式二和公式三来表示其数学关系，公式二和公式三具体为：

v_mx^*＝V_s^*-MK 二

e＝v_mx^*-v_mx＝(V_s^*-MK)-v_mx 三

其中K代表的是电压下降速度的快慢，其与线路阻抗相关，是一个常数；M表示的是一个与距离相关的变量，可用来调节电压；在一个距离x处，用其实际测量得到的电压与该处的基准电压相减即可以得到控制误差e。

请参阅图5，为传统的智能负载装置输出的无功功率与其输出端电容上的电压关系，呈现出线性关系。根据输出电压的方向决定无功功率的正负，即感性无功或者容性无功，当智能负载装置提供容性无功时，则向公共节点提供电压支持，当提供感性无功时，则拉低公共节点电压。而本发明提供的智能负载装置可以动态跟随系统无功的需求变化，通过调节电容上的输出电压来控制所需要输出的无功功率。因此，在无功功率的控制上，主要是实现对电容输出电压的控制。

在传统的单一稳压控制器设计中，是直接将离电源端X处的电压Vmx与Vm*，即线路额定电压，作差来形成误差e，但是在对一条线路上的不同位置处多个稳压控制器同时进行设计时，此方法并不可取，因为会造成各控制器之间独立工作而不相互协调配合，功率与负荷在各控制器上的分配并不均匀，造成资源的浪费。比如，在一条线路上，某一个控制器产生电压支持，另一个控制器产生电压抑制，两者之间相互独立工作，这种情况虽然在智能负载装置容量足够的情况下仍然可以稳定运行，但在实际运行中，智能负载装置的容量会因降低成本而受到限制，该工作模式的稳定运行就会受到影响。因此，需要协调统一控制各个控制器，使其相互合作，共同出力来平衡线路上有功与无功，使得各个装置的容量都会得到充分利用，非敏感负载上的负荷分配会更加均匀。

请参阅图6，为本发明提供的智能负载装置稳压控制器框图。

本发明中，在原智能负载控制器的基础上，加入了一个新的基准电压Vmx_ref。如图6所示，该基准电压是一个随着安装位置的不同而变化的量，其关系由公式一表示可得。在该控制器中，Vmx为实际线路公共节点的测量电压，Vm*为线路额定电压，Vmx_ref为经过调节的公共节点基准电压，将新得的误差emx经过PI控制环，得到M，M为对误差进行比例与积分运算之后的结果，可以看成是脉宽调制系统中调节电压幅值的调制系数，M的正负极性表示输出功率的无功特性，该调制系数与常数K相乘后的数值再与线路额定电压作差即可得到线路上不同智能负载安装位置处新的基准控制电压。

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，上述描述的系统，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。

以上所述，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。