本实用新型涉及电能质量控制技术领域，特别涉及一种智能可控动态电压调节柔性配电设备。
背景技术：
电力系统是为电能的产生、输送、分配与应用而构建成的人工系统，传统电力系统的构成主要包括：发电机、变压器、传输线、电缆、电容器组、直接实现电能转换的用电设备及保护与控制设备。这些设备通过适当的方式进行连接，组成有机整体，确保电力系统在任何时候都能够产生数量充足的电能满足系统负荷的要求。随着电力系统中各种自动化设备、智能化设备、数字化设备、信息化设备等的应用越来越多，电能质量问题日益严重。
电能质量的优劣取决于以下几个方面，电压偏差、电压突升、断电、电压瞬变、过电压、欠电压、电压切痕、稳态电压扰动、暂态电压扰动、直流分量、电压偏差、电压合格率。受以上几方面的影响，目前，高低压输配电网络或多或少的都存在电能质量较差的问题。特别是受电端(用户端)变压器低压配电系统，受供电质量、系统内负载设备类型及运行状态变化的影响，使其低压配电系统内的电能质量严重降低，导致用户端变压器低压配电系统内各项电力参数严重偏差，电污染(谐波、浪涌、瞬流)含量升高，造成系统内负载设备在电力品质极差的环境下工作，损耗和浪费增加。
电能质量问题可用适当的电力电子装置来解决，现有技术多为抑制和补偿装置，比如高压(TSC)无功补偿装置、静止无功功率补偿器、有源(无源) 滤波器、稳压(调压)器、电压恢复器等。这些装置只能对电能质量中的某一项电力参数进行抑制或补偿，属于单一功能装置，且现有装置大多由稳定性、抗冲击性及热稳极限较低的电力电子元器件组成，使其自身寿命较短，误动作和不动作问题突出，工作连续性难以保证。
近年，随着电力、电子控制技术的不断发展，出现了统一电能质量控制器同时解决电压、电流质量问题的复合型装置，凭借其串联部分及并联部分的换流器即可以解耦后独立运行，又可以针对配电线路中同时存在电压、电流问题时实现综合补偿的特点。在授权号为CN103618310B的中国专利《一种大容量统一电能质量控制器及其控制方法》使用多绕组变压器副边连接H 桥变换器的结构应用于UPQC并联侧。并联侧三相等效于跨接在线电压上的三个单相整流器模型。由于每个H桥整流器都是独立控制，因此不受三相电压不平衡的影响，利于电网电压波动时UPQC直流侧电压的稳定，并采用基于虚拟正交坐标变换的控制方法，使UPQC并联侧的单相整流装置等效为三相整流器模型，具有三相整流器的功率因数可控和谐波抑制的功能，能够完全实现对称系统电压条件下三相整流器的所有功能。在授权号为 CN104135009B的中国专利《一种并联型统一电能质量控制器及其运行控制方法》公开的统一电能质量控制器由电压源变流器，储能单元，谐振型电子开关及主控制系统组成，该主控制系统由主控制器和多种传感器所组成；其中，谐振型电子开关串联接入电网与受保护敏感负荷之间，谐振型电子开关的两端口分别为PCC1点和PCC2点；电压源变流器交流输出端口并联接入PCC2 点，其直流侧电容端口分别与储能单元的对应输出端口连接；主控制器产生控制门极信号输出与电压源变流器和谐振型电子开关相连接。该方法为将各种电能质量故障进行判断并控制本装置在4种模式之间进行快速切换和运行；本实用新型具备结构简单、成本低廉，抗过载能力强、运行效率高的优点。但在提高输电系统的输送容量、提高输送容量的热稳极限等功能方面并没有实现。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种智能可控动态电压调节柔性配电设备，能够实现对电压、电流质量问题统一补偿、含有储能单元的串、并联组合、降低三相不平衡度、抑制电压波动和闪变的同时，提高电压稳定性、提高输电系统的输送容量、提高输送容量的热稳极限，并延长设备寿命，保障设备工作的连续性。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种智能可控动态电压调节柔性配电设备，包括：变压器、设备进出线连接端、市电旁路开关、设备主体机芯、隔离开关以及设备主体开关；所述设备进出线连接端的进线输入端与所述变压器的二次侧进线连接，所述设备进出线连接端的进线输出端分两个并联的支路；其第一支路与所述市电旁路开关的输入端连接，所述市电旁路开关的输出端与所述设备进出线连接端的出线端连接；第二支路与所述设备主体开关的输入端连接；所述设备主体开关的输出端与所述设备主体机芯的输入端连接，所述设备主体机芯的输出端与所述隔离开关的输入端连接，所述隔离开关的输出端与所述设备进出线连接端的出线端连接。
优选地，上述技术方案中，所述设备主体机芯由磁控电抗器模块、动态电压恢复器模块、直流蓄能器、有源滤波器模块、输出滤波器模块、功能电路模块、电压控制模块、电流控制模块以及主控制器模块组成；所述磁控电抗器模块的输入端与所述设备主体开关的输出端连接，所述磁控电抗器模块的输出端与所述动态电压恢复器模块的输入端连接；所述动态电压恢复器模块的输出端经与静态开关串联的所述直流蓄能器与所述有源滤波器模块的输入端连接；所述有源滤波器模块的输出端与所述电压控制模块的输入端连接，所述电压控制模块与所述主控制器模块连接；所述输出滤波器模块与所述有源滤波器模块并联且共用同一个直流侧，所述输出滤波器模块的输出端与所述电流控制模块的输入端连接；所述电流控制模块与所述主控制器模块连接；所述主控制器模块通过控制直流侧电压、负载电流、电网电压、直流侧电压基准信号和负载侧电压基准信号，得到补偿电流和补偿电压的基准值。
优选地，上述技术方案中，所述磁控电抗器模块其结构采用磁路并联漏磁自屏蔽式。
优选地，上述技术方案中，所述有源滤波器模块和所述输出滤波器模块采用左串右并方式。
优选地，上述技术方案中，所述磁控电抗器模块由滤波支路与磁控电抗器支路组成，其中，所述滤波支路由电容器、电抗器、放电线圈和保护元件串联组成，用于提供容性无功补偿和滤波；所述磁控电抗器支路由磁控电抗器、晶闸管、MCR控制器组成，用于动态调节无功功率。
优选地，上述技术方案中，所述主控制器模块包括限流器、Rv可调电阻、固态限流断路器以及缓冲电路；所述限流器与Rv可调电阻及缓冲电路并联连接，所述限流器的输出端与所述固态限流断路器的输入端连接。
优选地，上述技术方案中，所述功能电路模块，包括接口电路器、检测电路器、定时及复位电路器、门极关断电路器、电气隔离放大器以及晶体管放大器；其中，所述晶体管放大器的输出端与所述接口电路器的输入端串联连接，所述接口电路器的输出端分几个支路分别与所述检测电路器、所述定时及复位电路器、所述门极关断电路器和所述电气隔离放大器的输入端连接；所述定时及复位电路器的输出端与所述检测电路器的输入端连接，所述检测电路器的输出端输出检测信号。
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
1、本实用新型的设备采用模块化设计可以方便地提高装置冗余度和优化产品的机构及体积，增加了装置的运行可靠性；模块化的设计也利于标准化的规模化生产，以便降低生产成本；
2、本实用新型的设备具有对电压、电流质量问题统一补偿、含有储能单元的串、并联组合、降低三相不平衡度、抑制电压波动和闪变、提高电压稳定性、提高输电系统的输送容量、提高输送容量的热稳极限等功能，属于综合的改善电能质量问题的设备。
附图说明
图1是根据本实用新型智能可控动态电压调节柔性配电设备的结构图。
图2是根据本实用新型的设备主体机芯的组成示意图。
图3是根据本实用新型的主控制模块的结构框图。
图4是根据本实用新型的功能电路模块的结构框图。
图5是根据本实用新型智能可控动态电压调节柔性配电设备的控制原理图。
主要附图标记说明：
1-变压器，2-设备进出线连接端，3-市电旁路开关，4-设备主体机芯，5- 隔离开关，6-设备主体开关，7-负载设备；
30-市电进线总开关，101-磁控电抗器模块，102-动态电压恢复器模块， 103-直流蓄能器，104-静态开关，105-有源滤波器模块，106-输出滤波器模块， 107-功能电路模块，108-电压控制模块，109-电流控制模块，110-主控制器模块；
111-限流器，121-Rv可调电阻，131-固态限流断路器，151-缓冲电路；
117-接口电路器，127-检测电路器，137-定时及复位电路器，147-门极关断电路器，157-电气隔离放大器，167-晶体管放大器。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1显示了根据本实用新型优选实施方式的智能可控动态电压调节柔性配电设备的结构示意图。
如图1所示本实用新型的一种智能可控动态电压调节柔性配电设备，包括：变压器1、设备进出线连接端2、市电旁路开关3、设备主体机芯4、隔离开关5以及设备主体开关6；
设备进出线连接端2的进线输入端与变压器1的二次侧进线连接，设备进出线连接端2的进线输出端分两个并联的支路；其第一支路与市电旁路开关3的输入端连接，市电旁路开关3的输出端与设备进出线连接端2的出线端连接；第二支路与设备主体开关6的输入端连接；设备主体开关6的输出端与设备主体机芯4的输入端连接，设备主体机芯4的输出端与隔离开关5 的输入端连接，隔离开关5的输出端与设备进出线连接端2连接负载设备7 的出线端连接。电源电压通过变压器1输入时为解决配电变压器三相负荷不平衡问题，在不平衡三相系统变换成平衡的三相系统时，在变换设备即变压器1中设有能够暂时储积电磁能量的电感线圈和电容器元件。在三相负荷分别适配电抗为的电感和电抗为的电容，即可构成平衡的三相系统。
如图2所示设备主体机芯4由磁控电抗器模块101、动态电压恢复器模块 102、直流蓄能器103、有源滤波器模块105、输出滤波器模块106、功能电路模块107、电压控制模块108、电流控制模块109以及主控制器模块110组成；磁控电抗器模块101的输入端与设备主体开关6的输出端连接，磁控电抗器模块101的输出端与动态电压恢复器模块102的输入端连接；动态电压恢复器模块102的输出端或经与静态开关104串联的直流蓄能器103与有源滤波器模块105的输入端连接；有源滤波器模块105的输出端与电压控制模块108 的输入端连接，电压控制模块108与主控制器模块110连接；输出滤波器模块106与有源滤波器模块105并联且共用同一个直流侧，输出滤波器模块106 的输出端与电流控制模块109的输入端连接；电流控制模块109与主控制器模块110连接；主控制器模块110通过控制直流侧电压、负载电流、电网电压、直流侧电压基准信号和负载侧电压基准信号，得到补偿电流和补偿电压的基准值，在本实施例中为更好控制和管理设备主体机芯4而在其电源接入端设置了市电进线总开关30。
在本实用新型中磁控电抗器模块101其结构采用磁路并联漏磁自屏蔽式，其由滤波支路与磁控电抗器支路组成，其中，滤波支路为公知常识的滤波电路，由电容器、电抗器、放电线圈和保护元件串联组成，用于提供容性无功补偿和滤波，磁控电抗器支路由电抗器、晶闸管、MCR控制器组成，用于动态调节无功功率。其原理是磁控电抗器采用直流助磁原理，利用附加直流，励磁磁化铁芯，改变铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高。进一步的，本实用新型所用的电抗器由一个四柱铁芯和绕组组成，中间设有两个工作铁芯，电压输入端连接的绕组为控制绕组，电压输出端的绕组为工作绕组，在控制绕组上连接可控硅器件以控制绕组的导通角，以改变工作铁芯的磁饱和度，实现输出容量的连续可调。采用这种无功补偿装置具有输出谐波小、免维护、结构简单、可靠性高﹑价格低廉﹑占地面积小等显著优点，并且当工作绕组两端接上交流电压时，控制绕组上就会感应出相应的电压，在绕组上可控硅的作用下，随着交流电压的正弦波形而在电压的正半周导通一个，在电压的负半周另一个可控硅导通，从而实现自动控制晶闸管的导通角，以能有效的解决输电系统的输送容量、提高输送容量的热稳极限问题。另外，由于磁控电抗器模块101采用直流助磁原理，利用附加直流，励磁磁化铁芯，改变铁芯磁导率，实现电抗值的连续可调，其内部为全静态结构，无运动部件，工作可靠性高，有效保障电能传输的质量。
动态电压恢复器模块102，在本实用新型中它是由一个直流蓄能器优选蓄电池组和一组换流阀，与同变压器1的二次侧并联构成的，变压器1的一次侧串入馈电线路，可在馈电电压发生突变时保证用户的合格电压质量，将畸变的波形或电压突变双向补偿为正常电压，动作时间只有几毫秒。为了加强对重要负荷的支持能力，优选将带有增压回路的直流蓄能器103串联静态开关104后并联在动态电压恢复器模块102后。
本实用新型的电能质量控制部分主要集中在设备主体机芯4，其包括有源滤波器模块105、输出滤波器模块106、功能电路模块107、电压控制模块108、电流控制模块109以及主控制器模块110，其中电压控制模块108优选PWM 电压控制器，电流控制模块109优选PWM电流控制器。在本实用新型中，有源滤波器模块105和输出滤波器模块106采用左串右并方式。串联有源滤波器模块105是以串联补偿单元的变流器为控制对象，以使得串联变流器的输出量快速且准确地跟踪信号指令值为目标。首先采集电网电压值，通过补偿量检测算法计算得出电压补偿信号，其次经过设计采用的补偿控制方法，再经过电压控制模块108调制就可以得到控制功率管的触发脉冲信号，隔离驱动电路对这些脉冲信号做完处理工作就可以控制变流器开关管通断，将电压补偿量输出。并联输出滤波器模块106输出的补偿电流为控制目标来间接达到控制电网电流的目的，主控制器模块110在获取到负荷电流中的谐波电流和基波无功分量后，将其都取相反的相位后当成并联输出滤波器模块106的指令值，选择合理的方法控制并联输出滤波器模块106，使其输出的电流对上述取得的指令电流进行快速精确的跟踪，达到调节电网电流为基波正弦电流和解决电流谐波、电压谐波含量偏高问题。
同时给串联PWM电压控制器和并联PWM电流控制器提供电流和电压的参考值，可以使串联型和并联型的有源滤波器模块105和输出滤波器模块106 的功能和动态特性进行协调，而将并联侧置于靠近负载端，这样有利于谐波源的控制，谐波震荡成分不会影响到串联端对电压补偿的影响。
如图3所示，主控制器模块101，包括限流器111、Rv可调电阻121、固态限流断路器131、缓冲电路151；限流器111与Rv可调电阻121及缓冲电路151并联连接。具体是缓冲电路151由3个串联的限流回路组成，用于对过电流和过电压的限流缓冲，为后续电路起到保护作用；固态限流断路器131 串联在限流器111之后，其将固态限流器与固态断路器联合使用，使得其具有快速通断的能力；当系统正常供电时，限流器111对系统电流进行有效控制，对短路电流、冲击电流、启动电流等进行有效拦截。同时，因为实现了对电流的有效控制，从而也可实现对输出端电压大小的调节及控制。当外因过电压时(雷击和系统中的操作过程)，晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后能立刻恢复阻断，正向电流迅速降低，限制和吸收过电压。
如图4所示，功能电路模块107，包括接口电路器117、检测电路器127、定时及复位电路器137、门极关断电路器147、电气隔离放大器157、晶体管放大器167，其中，晶体管放大器167的输出端与接口电路器117的输入端串联连接，接口电路器117的输出端分几个支路分别与检测电路器127、定时及复位电路器137、门极关断电路器147和电气隔离放大器157的输入端连接；定时及复位电路器137的输出端与检测电路器127的输入端连接，检测电路器127的输出端输出检测信号；
当无输入信号时晶体管放大器167输出负电平，接口电路器117导通输出负驱动电压，当有信号时，输出正电平，接口电路器117导通输出正驱动电压。检测电路器127、定时及复位电路器137、门极关断电路器147和电气隔离放大器157组成退饱和检测及保护功能模块，当发生过电流时定时及复位电路器137和门极关断电路器147的组合使用能快速响应但慢速关断并向外部电路给出故障信号。
本实用新型的智能可控动态电压调节柔性配电设备的控制原理如下：
1.智能控制原理
通过控制ΔV(串联电压)的相角在0度，使得幅值在输出端电压的某一值范围内变化，以实现对输出端电压幅值的控制。引入串联电压ΔV的作用相当于在线路中增加了1个电抗用于减少或增大降落在线路电抗上的压降，以对输电线路电抗的补偿，从而提高控制输电线终端负载电压、增加输电线路传输功率的能力，实现输出端电压与串联补偿的综合控制。此外，通过对相角的控制在输出端电压幅值不变的情况下，依据相移的变化对有功功率实施控制，此时智能可控动态电压调节柔性配电设备相当于移相器，通过相角调整对有功功率控制。
2.电能质量的控制原理
采用一个三相三线制的UPQC的电路拓扑结构，如图5所示，它包括一个串联有源滤波器和一个并联混合有源滤波器，串联单元和并联单元共用一个直流侧。串联单元相当于电压源Uc，当电网电压Us发生跌落或含有电压谐波时，用于滤除谐波电压和稳定负载电压UL为正常值；并联单元相当于电流源ic，用于补偿负载电流iL无功和谐波。高频滤波LV-CV用于滤除PWM变换器产生的高频信号。主控制器通过控制直流侧电压、负载电流iL、电网电压Us、直流侧电压基准信号U*DC和负载侧电压基准信号U*L，可以得到补偿电流i*c和补偿电压U*c的基准值。计算过程是在d-q旋转坐标系下实现的。由于高频滤波LV-CV和LI的存在，使d、q轴的变量相互耦合，为了获得良好的动静态性能，采取解耦控制。
3.电路模块说明
本实用新型中除实施例中陈述说明之外，所设计的电路模块、电流/电压控制器、滤波器等均采用公知常识的工作原理及组成。
前述对本实用新型的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。