一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统

1.本实用新型属于供电或配电的电路装置或系统，具体涉及交流输电线或交流配电网络供电半径延伸的系统。


背景技术：

2.负荷分散地区的电网建设经济效益差、投入产出比低是全世界电网公司普遍面对的问题，如何以较经济的方式为负荷分散地区的人口提供适合的供电服务，成为世界性的热点议题。研究表明，传统的发电—配电系统仅适用于人口密度较高的居民区，对于用户密度较低(低于70户//km2)的农村偏远地区，由于供电半径较大，容易出现线路末端供电电压偏低，电能质量不合格的问题。此外，随着用户负荷的不断增大，单点大负荷的不断增多，昼夜电网波峰波谷的波动，位于线路尾部的用户的供电质量会受到更大的影响。
3.负荷分散，变配电站供电半径有限，往往需要较长的中压线路和分散的变配电站才能实现整个区域的供电。而分散的变电站主变压器的利用率低，一大部分的功率损失在了线路传输的过程中，且主要是因有功电流流经较长的输电线路造成的损耗，无法通过简单地并联无功补偿设备来改善末端电压特性。为确保末端用户的用电质量，亟需通过技术手段来延伸负荷稀疏地区供电服务半径，在不新建变电站的情况下，确保远距离传输的输电质量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型公开了一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统，该系统包括：补偿变压器系统、储能与能量变换系统以及传感与控制单元三部分。本实用新型的储能与能量变换系统不仅能够实现昼夜峰谷负荷的调节，在负荷高峰时段线路末端电压严重跌落时还可作为电流源供给补偿变压器系统，在尽量不造成额外线损的情况下实现末端电压的提升，有效延伸供电服务半径。同时，在储能系统充放电的过程也可实现对电网无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿。本实用新型将补偿变压器与储能技术、电力电子变换技术相结合，对解决西部地区电压跌落严重、线路损耗大等供电难题具有重要意义。
5.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统，包括三相相线、中性线、补偿变压器系统，储能与能量变换系统和传感与控制单元；
7.所述补偿变压器系统的输入端包括三相相线输入端和中性线输入端，输出端包括三相相线输出端和中性线输出端，所述补偿变压器系统用于补偿输电线路远距离传输跌落的电压，分段提升线路电压使得线路末端电压符合标准；
8.所述储能与能量变换系统的输入端包括三相相线输入端和中性线输入端，输出端包括三相相线输出端和中性线输出端，当输电线路的电压跌落至电网允许波动范围之下时，所述储能与能量变换系统可视为电流源，用于为所述补偿变压器系统提供补偿所需的电流，同时在放电过程中完成对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿，当输电线路的
电压幅值在正常范围内无需补偿时，所述储能与能量变换系统可视为负荷，用于储存电网回馈的能量，实现峰谷负荷调节，同时在充电过程中完成对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿；
9.所述传感与控制单元的输入端为三相相线输入端，输出端与所述补偿变压器系统以及所述储能与能量变换系统相连，所述传感与控制单元用于检测、分析输电线路的电压电流信息，确定系统的工作模式并输出相关控制指令至上述两个子系统，
10.所述补偿变压器系统与所述储能与能量变换系统的具体连接关系包括两种拓扑：左连式结构与右连式结构，其中，所述左连式结构为所述储能与能量变换系统靠近所述三相相线输入端和中性线输入端，所述补偿变压器系统靠近所述三相相线输出端和中性线输出端，即所述储能与能量变换系统经所述补偿变压器系统后连接至三相相线输出端和中性线输出端，其中，所述右连式结构为所述补偿变压器系统靠近所述三相相线输入端和中性线输入端，所述储能与能量变换系统靠近所述三相相线输出端和中性线输出端，即所述补偿变压器系统经所述储能与能量变换系统后连接至三相相线输出端和中性线输出端。
11.在本实用新型的一些具体实例中，所述补偿变压器系统，包括：取电单元、补偿变压器、交流调压变换器、调压控制单元，其中，所述取电单元的输入端连接所述储能与能量变换系统的输出端，共同并联接至三相相线与中性线之间，输出端与所述交流调压变换器相连，用于从供电线路中获取电压补偿过程所需能量(包括电压、电流)；所述补偿变压器的二次侧绕组串联于供电线路中，一次侧绕组与所述交流调压变换器交流侧输出端相连，用于将所述交流调压变换器输出的补偿电压耦合至供电线路中，以实现线路电压调节；所述交流调压变换器交流侧输入端与所述取电单元的输出端相连，交流侧输出端与所述补偿变压器的一次侧绕组相连，用于根据所述调压控制单元输出的控制信号进行功率变换，在线路需要电压补偿时产生所需的补偿电压输出至所述补偿变压器，实现相应的电压补偿；所述调压控制单元的输出端与所述交流调压变换器相连，输入端接收所述传感与控制单元输出的控制信号，用于根据上述控制信号，确定所述补偿变压器系统的工作状态，当线路需要电压补偿时，生成相应的器件通断控制信号输出给所述交流调压变换器，控制其产生相应的补偿电压，在线路无需电压补偿时，控制相应器件关断，不产生补偿电压。
12.在本实用新型的一些具体实例中，所述储能与能量变换系统，包括：ac/dc双向变换器、dc/dc升压变换器、储能电池及其管理系统、功率变换控制单元以及电抗器，其中，所述ac/dc双向变换器的交流侧经所述电抗器并联至输电线路的三相相线与中性线之间，用于实现所述储能与能量变换系统与输电线路(电网)之间能量的双向流动，当所述储能与能量变换系统处于放电模式下，所述ac/dc双向变换器工作在逆变器状态，可视为电流源，通过向电网注入电流的方式为所述补偿变压器系统提供补偿所需电流，并在放电过程中实现对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿，当所述储能与能量变换系统处于充电模式下，所述ac/dc双向变换器工作在整流器状态，用于吸收电网回馈的电流，同时在充电过程中实现对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿；所述dc/dc升压变换器的高压直流侧与所述ac/dc双向变换器的直流侧端口相连，低压直流侧与所述储能电池及其管理系统的输出端相连，用于将储能电池输出的直流电以及电网整流得到的直流电进行双向变换；所述储能电池及其管理系统的输出端口与所述dc/dc升压变换器的低压直流侧相连，当工作于放电模式时，用于为整个系统提供能量来源，当工作于充电模式时，用于吸收并存储电网
回馈的能量；所述功率变换控制单元的输出端与所述ac/dc双向变换器、dc/dc升压变换器以及储能电池及其管理系统相连，其输入端接收所述传感与控制单元输出的控制信号，用于根据上述控制信号，确定所述储能与能量变换系统的工作状态，生成相应的器件通断控制信号输出给所述三个子模块，控制其完成充电或放电工作模式下相应的功率变换。
13.在本实用新型的一些具体实例中，所述传感与控制单元，包括：电网电压电流数据采集单元、潮流分析模块、工作模式决策模块、补偿变压器系统工作模式决策输出模块以及储能与能量变换系统工作模式决策输出模块，其中，所述电网电压电流数据采集单元输入端与电网相连，用于实时采集电网的电压、电流数据信息并将其输出至所述潮流分析模块；所述潮流分析模块的输入端与所述电网电压电流数据采集单元的输出端相连，用于对输电线路(电网)中的电压、电流数据信息进行分析，获取其幅值、相位并求解出当前线路所需的补偿电压幅值、电流幅值、三相不平衡度、谐波、线路功率因数等信息并将其输出至工作模式决策模块；所述工作模式决策模块的输入端与潮流分析模块的输出端相连，用于根据所述潮流分析模块的分析结果确定系统的整体工作模式，并将这一工作模式分别输出至所述补偿变压器系统工作模式决策输出模块以及储能与能量变换系统工作模式决策输出模块；所述补偿变压器系统工作模式决策输出模块与所述工作模式决策模块输出端相连，接收其输出的控制指令，并将所需的补偿电压幅值作为设定信号输出至所述补偿变压器系统；所述储能与能量变换系统工作模式决策输出模块与所述工作模式决策模块输出端相连，接收其输出的控制指令，并将所需补偿的电流幅值作为设定信号输出至所述储能与能量变换系统。
14.在本实用新型的一些具体实例中，上述整体实现系统可根据线路情况，沿线路进行分布式配置，分段提升电压、减小线路损耗从而确保末端用户电能质量，有效延伸供电半径。
15.在本实用新型的一些具体实例中，上述补偿变压器系统中取电单元采用隔离变压器，其一次侧绕组为所述取电单元的输入端，并联在三相相线与中性线之间，二次侧绕组为所述取电单元的输出端，与所述交流调压变换器相连。
16.在本实用新型的一些具体实例中，上述补偿变压器系统中取电单元不采用隔离变压器，直接通过导线将所述交流调压变换器接至三相相线与中性线之间。
17.在本实用新型的一些具体实例中，上述补偿变压器系统中所述取电单元与所述补偿变压器的具体连接关系具有两种拓扑：左取电式补偿变压器系统结构及右取电式补偿变压器系统结构，其中，所述左取电式补偿变压器系统结构的所述取电单元位于所述补偿变压器的前端，即所述取电单元靠近三相相线输入端与中性线输入端，所述右取电式补偿变压器系统结构的所述补偿变压器位于所述取电单元的前端，即所述补偿变压器靠近三相相线输入端与中性线输入端，所述补偿变压器系统采用左取电式补偿变压器系统结构或右取电式补偿变压器系统结构由所述补偿变压器系统与所述储能与能量变换系统的具体连接关系决定。
18.在本实用新型的一些具体实例中，本适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统采用左连式结构，补偿变压器系统采用左取电式补偿变压器系统结构。
19.在本实用新型的一些具体实例中，本适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统采用右连式结构，补偿变压器系统采用右取电式补偿变压器系统结构。
20.在本实用新型的一些具体实例中，上述工作模式决策模块的工作模式判断步骤如下：
21.步骤一：判断电压是否需要进行补偿，若无需补偿，补偿变压器系统不进行补偿，储能与能量变换系统进入充电模式，接收电网回馈能量并将其储存；若需要补偿，则进入步骤二进行判断；
22.步骤二：判断电网是否处于高峰时段，若电网不处于高峰时段，即负荷在补偿变压器系统可独立补偿的负荷范围内，则补偿变压器系统单独进行电压补偿，所需补偿电流由电网提供；若电网处于高峰时段，则进入步骤三进行判断；
23.步骤三：判断储能与能量变换系统中储存的电能是否足够满足补偿变压器系统所需电流，若满足补偿变压器系统电压补偿所需补偿电流，则由储能与能量变换系统独自提供补偿所需电流；若不满足补偿变压器系统电压补偿所需补偿电流，则由储能与能量变换系统与电网共同提供补偿所需电流，优先使用储能与能量变换系统输出的电流，不足部分所需电流由电网提供。
24.与现有技术相比，本实用新型公开的一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统具有以下有益的技术效果：
25.(1)本实用新型的一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统将补偿变压器技术与储能技术、电力电子变换技术相结合，在不新建变电站的情况下，通过在线路上分布式配置本系统，可分段抬升电压，确保末端用户的用电质量，大幅减少线路传输损耗，有效地解决了西部地区负荷分散、电压跌落大、损耗大等供电难题；
26.(2)本实用新型的一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统中的储能与能量变换系统不仅能够实现电网昼夜峰谷负荷的调节，且在电网高峰时段末端电压跌落严重的时候，可以作为电流源供给补偿变压器，为其提供因补偿所需额外增加的电流。现有技术中的调压手段例如在输电线路中安装自耦变压器、有载调压等设备，若能量来源于电网，这些装置在抬升电压的同时本身会作为负荷，导致电网额外增加一部分电流，且随着所需补偿电压幅值的增大而增大。当这一电流由电网供电电源提供时，在流经长距离输电线路的过程中会额外造成大量的功率损耗，线路上跌落的电压也会随之增大，这一正反馈作用使得末端电压经补偿后电压跌落更严重。本发明提出通过储能与能量变换系统来提供此补偿所需增加的电流成功地避免了其流经远距离的输电线而造成的额外的损耗，避免了上述正反馈效应使得末端电压跌落更严重、补偿装置失效现象的出现。
附图说明
27.图1为本实用新型的系统左连式结构示意图。
28.图2为本实用新型的系统右连式结构示意图。
29.图3为本实用新型的补偿变压器系统的左取电式结构示意图。
30.图4为本实用新型的补偿变压器系统的右取电式结构示意图。
31.图5为本实用新型的储能与能量变换系统的结构示意图。
32.图6为本实用新型的传感与控制单元结构示意图。
33.图7为本实用新型的运行模式判别流程示意图。
具体实施方式
34.为了更好地说明本实用新型，以便于理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本实用新型，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
35.实施例一：
36.如图1所示，本适合负荷稀疏地区供电半径延伸实现系统，包括三相相线、中性线、补偿变压器系统1，储能与能量变换系统2和传感与控制单元3，其中，
37.补偿变压器系统1的输入端包括三相相线输入端和中性线输入端，输出端包括三相相线输出端和中性线输出端，用于补偿输供电线路跌落的电压，分段提升线路电压使得线路末端电压符合标准；
38.储能与能量变换系统2的输入端包括三相相线输入端和中性线输入端，输出端包括三相相线输出端和中性线输出端，当输电线路的电压跌落至电网允许波动范围之下时，储能与能量变换系统可视为电流源，通过向电网注入电流的方式为补偿变压器系统提供补偿所需能量，同时在放电过程中完成对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿，当输电线路的电压幅值在正常范围内无需补偿时，储能与能量变换系统可视为负荷，用于储存电网能量，实现负荷峰谷调节，同时在充电过程中完成对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿；
39.传感与控制单元3的输入端为三相相线输入端，输出端与补偿变压器系统以及储能与能量变换系统相连，用于检测输、分析电线路的电压电流信息，确定系统的工作模式并输出相关控制指令至上述两个子系统。
40.图1所示的系统结构图为一种左连式系统结构示意图，本适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统根据补偿变压器系统1与储能与能量变换系统2的具体连接关系包括两种拓扑：左连式结构与右连式结构。其中，右连式系统结构示意图如图2所示。
41.实施例二：
42.本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
43.上述的补偿变压器系统1采用左取电式系统结构，如图3所示，包括取电单元11、补偿变压器12、交流调压变换器13、调压控制单元14；取电单元11采用隔离变压器，其一次侧绕组为所述取电单元的输入端，并联在三相相线与中性线之间，二次侧绕组为所述取电单元的输出端，与所述交流调压变换器13相连，用于获取电压补偿过程所需能量(包括电压、电流)，且通过隔离变压器实现电网电压等级与交流调压变换器电压等级的匹配；补偿变压器12的二次侧绕组串联于供电线路中，一次侧绕组与交流调压变换器13交流侧输出端相连，用于将交流调压变换器13输出的补偿电压耦合至供电线路中，以实现线路电压调节；交流调压变换器13采用双向可控硅交流调压电路，控制方式包括：通断控制、相位控制以及斩波控制，交流侧输入端与取电单元11的输出端相连，交流侧输出端与补偿变压器12的一次侧绕组相连，用于根据调压控制单元 14输出的控制信号进行功率变换，在线路需要电压补偿时产生所需的补偿电压输出至补偿变压器一次侧绕组，实现线路相应的电压补偿；调压控制单元14的输出端与所述交流调压变换器13相连，输入端接收传感与控制单元输出的控制信号，并根据该控制信号，确定补偿变压器系统的工作状态，即当线路需要电压补偿时，
生成相应的器件通断控制信号输出给交流调压变换器，控制其产生相应的补偿电压，而在线路无需电压补偿时，控制相应器件关断，不产生补偿电压。
44.上述的补偿变压器系统1也采用右取电式系统结构，如图4所示。补偿变压器系统1采用左取电式补偿变压器系统结构或右取电式补偿变压器系统结构由所述补偿变压器系统1与所述储能与能量变换系统2的具体连接关系决定。
45.上述的交流调压变换器13采用任何现有技术中能够实现交流调压功能的电路拓扑，例如变频器(仅做调压使用)，交流调压器等。
46.上述的储能与能量变换系统2，如图5所示，包括：ac/dc双向变换器21、dc/dc 升压变换器22、储能电池及其管理系统23、功率变换控制单元24以及电抗器25，其中，ac/dc双向变换器21采用三相桥式pwm整流电路拓扑，交流侧经电抗器25并联至输电线路的三相相线与中性线之间，用于实现储能与能量变换系统与输电线路(电网)之间能量的双向流动，当储能与能量变换系统处于放电模式下，ac/dc双向变换器21工作在逆变器状态，可视为电流源，为补偿变压器系统提供补偿所需电流，并在放电过程中实现对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿，当储能与能量变换系统处于充电模式下，ac/dc双向变换器21工作在整流器状态，吸收电网回馈的电流，同时在充电过程中实现对线路无功、谐波、三相不平衡等问题的补偿；dc/dc 升压变换器22用双向buck
‑
boost电路拓扑，高压直流侧与ac/dc双向变换器21 的直流侧端口相连，低压直流侧与储能电池及其管理系统23的输出端相连，将储能电池输出的直流电以及电网整流得到的直流电进行双向变换；储能电池及其管理系统23 的输出端口与dc/dc升压变换器22的低压直流侧相连，当工作于放电模式时，为整个系统提供能量来源，当工作于充电模式时，吸收并存储电网回馈的能量；功率变换控制单元24的输出端与ac/dc双向变换器21、dc/dc升压变换器22以及储能电池及其管理系统23相连，其输入端接收传感与控制单元输出的控制信号，并根据上述控制信号，确定储能与能量变换系统的工作状态，生成相应的器件通断控制信号输出给上述三个子模块，控制其完成充电或放电工作模式下相应的功率变换。
47.上述ac/dc双向变换器21采用现有技术中任何其他具有能量双向流动特性的交
‑ꢀ
直流变换电路拓扑，能够实现交流直流的双向变换即可。
48.上述dc/dc升压变换器22采用现有技术中任何具有能量双向流动特性的直
‑
直流变换电路拓扑，能够实现直流
‑
直流的双向变换即可。
49.上述的传感与控制单元3，如图6所示，包括：电网电压电流数据采集单元31、潮流分析模块32、工作模式决策模块33、补偿变压器系统工作模式决策输出模块34、储能与能量变换系统工作模式决策输出模块35；电网电压电流数据采集单元31输入端与电网相连，实时采集电网的电压、电流数据信息并将其输出至潮流分析模块32；潮流分析模块32的输入端与电网电压电流数据采集单元31的输出端相连，对获取的输电线路(电网)中的电压、电流数据信息进行分析，获取其幅值、相位并求解出当前线路所需的补偿电压幅值、电流幅值、三相不平衡度、谐波、线路功率因数等信息后，将其输出至工作模式决策模块33；工作模式决策模块33的输入端与潮流分析模块的输出端相连，该模块根据所述潮流分析模块32的分析计算结果确定系统的整体工作模式，并将这一工作模式以及相应的控制指令分别输出至补偿变压器系统工作模式决策输出模块34以及储能与能量变换系统工作模式决策输出模块35；补偿变压器系统工作模式决策输出模块34与所述工作模式决策模块33输出端相
连，接收其输出的控制指令，并将所需的补偿电压幅值作为设定信号输出至补偿变压器系统中的调压控制单元14，为其提供调压电压给定信号；储能与能量变换系统工作模式决策输出模块35与工作模式决策模块33输出端相连，接收其输出的控制指令，并将所需补偿的电流幅值作为设定信号输出至所述储能与能量变换系统的功率变换控制单元24进行控制。在本实施例中，上述电网电压电流数据采集单元采用深圳健思研jsy
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141系列采样模块，该模块能够准确采集电力线路交流电压、电流、功率因数、频率、电量等参数，也可以采取现有技术中其他的采样模块，能实现相电压数据采集和输出即可。在本实施例中上述潮流分析模块、工作模式决策模块、补偿变压器系统工作模式决策输出模块、储能与能量变换系统工作模式决策输出模块通过在现有控制器模块，例如： dsp、单片机等嵌入式处理器中编写程序模块实现，但均为比较简单的程序段。其模式判别具体原理如图7所示，具体流程包括以下三个步骤：
50.步骤一：依据电压信息，判断电压是否需要进行补偿，若无需补偿，补偿变压器系统不进行补偿，储能与能量变换系统进入充电模式，接收电网回馈能量并将其储存；若需要补偿，则进入步骤二进行判断；
51.步骤二：依据电压电流估算负荷信息，判断电网是否处于高峰时段，若电网不处于高峰时段，即负荷在补偿变压器系统可独立补偿的负荷范围内，则补偿变压器系统单独进行电压补偿，所需补偿电流由电网提供；若电网处于高峰时段，则进入步骤三进行判断；
52.步骤三：依据储能系统电量存储信息以及所需补偿电流信息，判断储能与能量变换系统中储存的电能是否足够满足补偿变压器系统所需电流，若满足补偿变压器系统电压补偿所需补偿电流，则由储能与能量变换系统独自提供补偿所需电流；若不满足补偿变压器系统电压补偿所需补偿电流，则由储能与能量变换系统与电网共同提供补偿所需电流，优先使用储能与能量变换系统输出的电流，不足部分所需电流由电网提供。
53.本实用新型的一种适合负荷稀疏地区供电半径延伸的系统，通过储能与能量变换系统不仅能够实现昼夜峰谷负荷的调节，在负荷高峰时段线路末端电压严重跌落时还可作为电流源供给补偿变压器系统，在尽量不造成额外线损的情况下实现末端电压的提升，有效延伸供电服务半径。同时，在储能系统充放电的过程也可实现对电网谐波、三相不平衡、功率因数等问题的补偿。由于补偿所需电流尽量不取自于电网，因此并不会产生串联补偿装置失效造成末端电压跌落更严重等问题，对解决西部地区电压跌落严重、线路损耗大等供电难题具有重要意义。
54.由此可见，本实用新型的目的已经完整并有效的予以实现。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本实用新型包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。