局端电源及交流远供电源系统的制作方法

本实用新型涉及电路设计领域，特别是涉及一种局端电源及交流远供电源系统。

背景技术：

高速公路机电系统由通讯、收费、监控和供电4项系统所组成，随着交通智能化的高速发展，交通智能系统设备不断增加，沿线分布、远近不一、功率各异、电子设备对电源要求各异，用电困局也越来越明显。

在低压供电系统中，线电压为380伏/50赫兹，由于存在线路阻抗，输电线路会存在线路压降，按照现行电力标准，在供电线路的末端电压降不应超过5％。为了克服这种缺点，一般采用交流远供电源系统来提高用户端的电压，整个系统主要由局端电源，长电缆和若干个远端电源组成。局端电源中的电力电子变流器将三相交流380v电源转成单相交流800v～1000v的电源，通过长电缆输送至各个远处用电设备端；由于通过高电压传送，远端的输入电压也基本维持在800v以上；再通过远端电源将单相交流800v～1000v电源转换成交流220v供给负载；以此确保负载侧稳定的供电。

此远供电源系统中，所有负载的供电均由局端电源输出，局端电源中的电力电子变流器功率大，制造成本高，损耗占总损耗的比重也最大，经济效益不高。

因此，如何减小远供电源系统功率传输过程中的损耗，同时减小体积及成本，已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种局端电源及交流远供电源系统，用于解决现有技术中交流远供电源系统损耗大、成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种局端电源，所述局端电源至少包括：

三相交流转直流模块，直流转交流模块及第一变压器；

所述三相交流转直流模块接收三相交流电源，将所述三相交流电源转换为直流电源；

所述直流转交流模块连接于所述三相交流转直流模块的输出端，将所述直流电源转换为交流电源；

所述第一变压器的原边连接所述直流转交流模块输出的交流电源，副边与单相交流电源串联后得到单相交流输出电压。

可选地，所述第一变压器的副边包括两组副边绕组，其中，第一副边绕组的一端连接所述单相交流电源的一端，所述第一副边绕组的另一端作为所述局端电源的第一输出端；第二副边绕组的一端连接所述单相交流电源的另一端，所述第二副边绕组的另一端作为所述局端电源的第二输出端。

可选地，所述局端电源还包括第一开关；所述第一开关的第一副触点串联于所述直流转交流模块的第一输出端与所述第一变压器原边绕组的第一端之间；所述第一开关的第二副触点串联于所述直流转交流模块的第二输出端与所述第一变压器原边绕组的第二端之间；所述第一开关的第三副触点串联于所述第一变压器原边绕组的第一端与所述单相交流电源的第一端之间；所述第一开关的第四副触点串联于所述第一变压器原边绕组的第二端与所述单相交流电源的第二端之间。

可选地，所述局端电源还包括第二变压器，所述第二变压器的原边连接于串联后的所述第一变压器的副边及所述单相交流电源的两端，以将串联后的所述第一变压器的副边及所述单相交流电源两端的电压升压后得到所述单相交流输出电压。

可选地，所述局端电源还包括第五开关，所述第五开关并联于所述第一变压器的副边。

可选地，所述第二变压器的原边包括两组原边绕组，其中，所述第二变压器的第一原边绕组与所述第一变压器的副边及所述单相交流电源串联，所述第二变压器的第二原边绕组连接供电装置。

可选地，各局端电源接收同一三相交流电源，并分别连接同一电网的各相作为对应的单相交流电源，以分别输出相应的单相交流输出电压。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型还提供一种交流远供电源系统，所述交流远供电源系统至少包括：

上述局端电源以及通过长电缆连接于所述局端电源的输出端的远端电源。

如上所述，本实用新型的局端电源及交流远供电源系统，具有以下有益效果：

1、本实用新型的局端电源及交流远供电源系统中电子变流器功率远远小于系统功率，从而有效降低了功率传输中的损耗，提高了系统效率，同时减小了局端电源电力电子变流器、变压器的体积、重量及成本。

2、本实用新型的局端电源及交流远供电源系统中，当电网电压在额定值的80～120％范围波动时，仍然能稳定可靠地输出额定电压以及功率。

3、本实用新型的局端电源及交流远供电源系统中电网电压发生单相接地故障时，仍能输出部分有效的电压及功率以供负载使用，大大提高了系统可靠性。

4、本申请的局端电源既可以升压也可以用作有源电力滤波器，使得电网的thd满足相应的国家标准。

5、本实用新型的局端电源及交流远供电源系统通过两个受控电压源的设置使得输出电压两端的对地电压相等，进而减小对输出电缆的绝缘要求，降低成本。

6、本实用新型的局端电源及交流远供电源系统通过开关选择第一变压器的供电电源，以此提高系统灵活性。

附图说明

图1显示为本实用新型的局端电源的实施例一的结构示意图。

图2显示为本实用新型的局端电源的实施例二的结构示意图。

图3显示为本实用新型的局端电源的实施例三的结构示意图。

图4显示为本实用新型的局端电源的实施例四的结构示意图。

图5显示为本实用新型的局端电源的实施例四的输出电压时序示意图。

图6显示为本实用新型的局端电源的实施例五的结构示意图。

图7显示为本实用新型的局端电源的实施例六的结构示意图。

图8显示为本实用新型的局端电源的实施例七的结构示意图。

图9显示为本实用新型的交流远供电源系统的结构示意图。

图10显示为本实用新型的带apf功能的局端电源补偿等效电路示意图。

元件标号说明

1局端电源

1a、1b第一、第二局端电源

11、111、112三相交流转直流模块

12、121、122直流转交流模块

131储能单元

132直流转交流单元

2电网电源

3远端电源

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种局端电源1，所述局端电源1包括：

三相交流转直流模块11，直流转交流模块12及第一变压器t1。

如图1所示，所述三相交流转直流模块11接收三相交流电源vin3，将所述三相交流电源vin3转换为直流电源vdc。

具体地，所述三相交流电源vin3为电网电源输出的三相信号，所述三相交流转直流模块11接收三相信号，并转化为直流电源vdc输出。作为示例，所述三相交流电源vin3为380v交流电，在实际使用中，所述三相交流电源vin3可根据需要选择不同电压的交流电源获取，不以本实施为限。

如图1所示，所述直流转交流模块12连接于所述三相交流转直流模块11的输出端，将所述直流电源vdc转换为交流电源vac。

具体地，任意结构的直流转交流电路均适用于本实用新型的所述直流转交流模块12，在此不一一列举。

如图1所示，所述第一变压器t1的原边连接所述直流转交流模块12输出的交流电源vac，副边与单相交流电源vin串联后得到单相交流输出电压vout，所述单相交流输出电压vout为远端供电。

具体地，在本实施例中，所述第一变压器t1的原边及副边均包括一组绕组，所述第一变压器t1的原边绕组连接所述交流电源vac，所述第一变压器t1的副边绕组与所述单相交流电源vin串联，串联后的所述第一变压器t1的副边绕组及所述单相交流电源vin的两端作为所述局端电源1的输出端。所述第一变压器t1作为隔离变压器。

具体地，所述交流电源vac基于所述第一变压器t1在副边转换为电压源vac_c，所述电压源vac_c作为一受控电压源与所述单相交流电源vin1串联叠加得到所述单相交流输出电压vout，并通过长电缆输出至远端。作为示例，所述单相交流电源vin1设置为380v或220v交流电，则所述单相交流输出电压vout为800v～1000v交流电。在本实施例中，所述单相交流电源vin1从电网电源获取。

需要说明的是，由于所述电压源vac_c与所述单相交流电源vin1是串联关系，流过的电流相等，以所述单相交流电源vin1为380v，所述单相交流输出电压vout为800v为例，则所述电压源vac_c为420v，从而所述三相交流转直流模块11、所述直流转交流模块12及所述第一变压器t1的功率均只需为系统额定功率的50％左右。所述局端电源1中电力电子变流器(所述三相交流转直流模块11及所述直流转交流模块12)功率的减小可有效降低功率传输中的损耗，提高系统效率；同时可减小局端电源中电力电子变流器、变压器的重量、体积及成本。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种局端电源1，与实施例一的不同之处在于，所述第一变压器t1包括两组副边绕组，其它模块与实施例一相同，在此不一一赘述。

具体地，所述第一变压器t1的第一副边绕组的一端连接所述单相交流电源vin1的一端，所述第一副边绕组的另一端作为所述局端电源1的第一输出端；所述第一变压器t1的第二副边绕组的一端连接所述单相交流电源vin1的另一端，所述第二副边绕组的另一端作为所述局端电源1的第二输出端；即所述第一副边绕组及所述第二副边绕组分别串联于所述单相交流电源vin1的两端。

具体地，所述交流电源vac基于所述第一变压器t1在第一副边绕组转换为第一电压源vac_c1，在第二副边绕组转换为第二电压源vac_c2；所述第一电压源vac_c1及所述第二电压源vac_c2作为受控电压源与所述单相交流电源vin1串联叠加得到所述单相交流输出电压vout，并通过长电缆输出至远端。

需要说明的是，本实施中的所述单相交流输出电压vout与实施例一相同，但是实施例一的所述单相交流输出电压vout中串联所述电压源vac_c的那一端对地电压较高，而未串联所述电压源vac_c的那端对地电压较低；作为示例，所述单相交流电源vin1为380v，所述单相交流输出电压vout为800v，则所述电压源vac_c为420v，那么所述单相交流输出电压vout一端对地电压为640v(220v+420v)，而另一端对地电压为220v；由此导致实施例一中对输出端长电缆的绝缘要求变高。而本实施例的所述单相交流输出电压vout中的两端分别串入了所述第一电压源vac_c1和所述第二电压源vac_c2，则所述单相交流输出电压vout两端对地电压相差不大；仍以所述单相交流电源vin1为380v，所述单相交流输出电压vout为800v为例，则所述第一电压源vac_c1和所述第二电压源vac_c2为210v，那么所述单相交流输出电压vout两端的对地电压均为430v(220v+210v)；因此，实施例二中对电缆的绝缘要求相对减小。

实施例三

如图3所示，本实施例提供一种局端电源1，与实施例一的不同之处在于，所述局端电源1还包括第一开关，其它模块与实施例一相同，在此不一一赘述。

具体地，所述第一开关k1的第一副触点串联于所述直流转交流模块12的第一输出端与所述第一变压器t1原边绕组的第一端之间；所述第一开关k1的第二副触点串联于所述直流转交流模块12的第二输出端与所述第一变压器t1原边绕组的第二端之间；所述第一开关k1的第三副触点串联于所述第一变压器t1原边绕组的第一端与所述单相交流电源vin1的第一端之间；所述第一开关k1的第四副触点串联于所述第一变压器t1原边绕组的第二端与所述单相交流电源vin1的第二端之间；所述第一开关k1的第一副触点及第二副触点的开关状态保持一致，所述第二开关k1的第三副触点及第四副触点的开关状态保持一致，作为示例，所述第一副触点与所述第二副触点设置为常闭触点，所述第三副触点与所述第四副触点设置为常开触点；或者所述第一副触点与所述第二副触点设置为常开触点，所述第三副触点与所述第四副触点设置为常闭触点。

具体地，所述第一开关k1包括但不限于按钮、旋钮、接触器、继电器，任意可实现上述开关功能的器件和装置均适用于本实用新型。

需要说明的是，正常情况下，所述第一开关k1的第一副触点与第二副触点导通，所述第一开关k1的第三副触点与第四副触点断开，使得所述三相交流电源vin3给所述第一变压器t1供电，而将所述单相交流电源vin1旁路；一旦所述三相交流转直流模块11、所述直流转交流模块12中任一模块发生故障时，所述三相交流转直流模块11与所述直流转交流模块12均应该停止工作，此时断开所述第一开关k1的第一副触点与第二副触点，导通所述第一开关k1的第三副触点与第四副触点，使得所述单相交流电源vin1给所述变压器t1供电，而将所述三相交流电源vin3旁路；以此增大所述局端电源1的灵活性。

需要说明的是，各开关同样适用于实施例二的局端电源结构，在此不一一赘述。

实施例四

如图4所示，本实施例提供一种局端电源1，与实施例一的不同之处在于，所述局端电源1还包括第二变压器t2，其它模块与实施例一相同，在此不一一赘述。

具体地，在本实施例中，所述第二变压器t2的原边及副边均包括一组饶组，所述第二变压器t2的原边绕组连接于串联后的所述第一变压器t1的副边及所述单相交流电源vin1的两端，所述第二变压器t2的副边绕组输出串联后的所述第一变压器t1的副边及所述单相交流电源vin1两端电压的升压电压，作为所述单相交流输出电压vout。所述第二变压器t2作为升压变压器。

具体地，所述第二变压器t2将所述电压源vac_c与所述单相交流电源vin1的叠加电压升压至所述单相交流输出电压vout(800v～1000v)，并通过长电缆输出至远端。

需要说明的是，当所述单相交流电源vin1的幅值在电网额定值的80％～120％之间波动时，只要控制所述电压源vac_c的电压为电网同频率且为额定值的0％～20％，就可以使得所述第二变压器t2的输出仍然维持在额定值的100％～120％，如图5所示。或者，当负载变大导致所述第二变压器t2副边的电压变低时，也可以控制所述电压源vac_c的电压变大以补偿由于长电缆引起的电压损失。在本实施例中，所述电压源vac_c的电压在电网额定值的0％～20％之间波动，则所述三相交流转直流模块11及所述直流转交流模块12的功率均只需为系统额定功率的20％，进一步减小了局端电源中电力电子变流器的功率，从而进一步降低了功率传输中的损耗，提高了系统效率。

实施例五

如图6所示，本实施例提供一种局端电源1，与实施例四的不同之处在于，所述局端电源1还包括第二开关，其它模块与实施例四相同，在此不一一赘述。

具体地，所述第二开关k2并联于所述第一变压器t1的副边。当所述三相交流转直流模块11及所述直流转交流模块12中任一模块发生故障时，所述三相交流转直流模块11与所述直流转交流模块12均应该停止工作，此时，可以通过导通所述第二开关k2将所述电压源vac_c旁路，而不影响所述单相交流电源vin1的正常供电。当所述单相交流电源vin1过高(例如超过电网额定值的120％)时，此时所述三相交流转直流模块11与所述直流转交流模块12可以停止工作，同样通过导通所述第二开关k2将所述电压源vac_c旁路，从而减小局端电源的损耗。

需要说明的是，如果所述单相交流电源vin1为相电压ac220v，当发生单相对地短路故障时，所述单相交流电源vin1降为0v；则所述第二变压器t2的输出电压降为额定电压的20％左右。如果所述单相交流电源vin1为线电压ac380v，则单相对地短路时的所述单相交流电源vin1降为ac220v，考虑到所述第一变压器t1的补偿电压，则所述第二变压器t2的输出电压仍可以为额定电压的78％左右。尽管线路电压损失稍大，但由于远端电源通常有pfc(功率因数校正)电路及逆变电路，仍然可以保证远端电源输出正常的ac220v给负载使用。因此，在系统发生短路故障时，本实用新型的局端电源仍能输出部分有效的电压及功率以供远端负载使用，大大提高了系统可靠性。

实施例六

如图7所示，本实施例提供一种局端电源1，与实施例四的不同之处在于，所述第二变压器t2的原边包括两组原边绕组，其它模块与实施例四相同，在此不一一赘述。

具体地，所述第二变压器t2的第一原边绕组连接于串联后的所述第一变压器t1的副边及所述单相交流电源vin1的两端，以输出所述单相交流输出电压vout。所述第二变压器t2的第二原边绕组连接供电装置，以引入新的供电电源。其中，所述供电装置为由储能装置或新能源发电装置；在本实施例中，所述供电装置包括储能单元131及直流转交流单元132，所述储能单元131连接所述直流转交流单元132的输入端，所述直流转交流单元132的输出端连接所述第二变压器t2的第二原边绕组；在实际使用中，所述储能单元131可根据需要替换为新能源发电单元。

需要说明的是，应用储能电力的情况下，当电网在额定电压的80％以上工作时，所述储能单元131不输出电压；而当电网掉电在额定电压的80％以下工作时，可由所述储能单元131继续为负载供电。应用新能源发电电力的情况下(如太阳能发电板及太阳能逆变器)，则可以控制主要负载功率由新能源发电单元提供。

实施例七

如图8所示，本实施例包括至少两个局端电源，各局端电源接收同一三相交流电源，且分别连接同一电网的各相作为对应的单相交流电源，以分别输出相应的单相交流输出电压为各组用户供电。其中，所述局端电源采用实施例一或实施例四的结构。

具体地，在本实施例中，采用两个实施例四的局端电源，分别为第一局端电源1a及第二局端电源1b。所述第一局端电源1a接收电网电源2输出的所述三相交流电源vin3，并通过三相交流转直流模块111输出直流电源vdc1，直流电源vdc1通过直流转交流模块121转化为交流电源vac1，交流电源vac1在第一变压器t11的副边转化为电压源vac1_c，电压源vac1_c与单相交流电源vin11叠加后的信号通过第二变压器t21升压后得到所述第一局端电源1a的单相交流输出电压vout1；其中，单相交流电源vin11由电网电源2(作为示例，所述电网电源2为三相四线电网)提供，包括但不限于电网电源2的ac相或cn相。所述第二局端电源1b接收电网电源2输出的所述三相交流电源vin3，并通过三相交流转直流模块112输出直流电源vdc2，直流电源vdc2通过直流转交流模块122转化为交流电源vac2，交流电源vac2在第一变压器t12的副边转化为电压源vac2_c，电压源vac2_c与单相交流电源vin12叠加后的信号通过第二变压器t22升压后得到所述第二局端电源1b的单相交流输出电压vout2；其中，单相交流电源vin12由电网电源2提供，包括但不限于电网电源2的ab相或bn相。

本实施例的电网电源2中abc三相的负载更平衡，且各个局端电源互相独立。

实施例八

如图9所示，本实施例提供一种交流远供电源系统，所述交流远供电源系统包括实施例一～实施例七中任意一种局端电源1，以及与所述局端电源1连接的远端电源3。

具体的，在本实施例中，采用实施例一的局端电源1，所述局端电源1的输出端通过长电缆连接两个远端电源3的输入端，各远端电源3将所述局端电源1提供的电源转换为设定电压(作为示例，设定电压为220v)的交流电以为对应负载(第一负载、第二负载)供电。作为示例，所述远端电源3包括降压变换器31(包括但不限于变压器)、交流转直流模块32及直流转交流模块33。

需要说明的是，所述远端电源3的数量可根据需要进行设定，不以本实施例为限。

如图9所示，所述交流转直流模块32一般由pfc模块或者不控整流模块组成。若由不控整流模块构成，则势必产生3、5、7等低次谐波电流从而污染电网。本实用新型中的局端电源1也可以作用为一串联型的apf(有源电力滤波器)，阻止远端电源3产生的谐波流入电网。此时，局端电源1中的直流转交流模块12及第一变压器t1一起既产生与电网同频率的基波电压补偿电网电压，从而使得远端电源3的输入电压的幅值在一定的范围内；同时还产生电网的低次的谐波电压以抵消负载产生的谐波电压，从而使得电网电流的thd(总谐波失真)满足相关的要求。

如图10所示为带apf功能的局端电源补偿等效电路，其中，zs为电网等效内阻抗，is为电网电流，ish为电网电流的谐波，isf为电网电流的基波，is＝ish+isf；uc为第一变压器t1副边的输出电压，ul为负载电压，ulh为负载电压的谐波，ulf为负载电压的基波，ul＝ulh+ulf；us为电网电压，ush为电网电压的谐波，usf为电网电压的基波，us＝ush+usf。当控制uc＝-ulh时，ish＝ush/zs。那么当电网电压没有畸变时，ish＝0。结合远端电源的应用，可以将uc＝-ulh+k*usf；则可以既补偿输出电压的基波，又可以抵消负载电压的谐波。其中，k为基波的补偿分量。

综上所述，本实用新型提供一种局端电源及交流远供电源系统，包括：三相交流转直流模块，直流转交流模块及第一变压器；所述三相交流转直流模块接收三相交流电源，将所述三相交流电源转换为直流电源；所述直流转交流模块连接于所述三相交流转直流模块的输出端，将所述直流电源转换为交流电源；所述第一变压器的原边连接所述直流转交流模块的输出端，副边与单相交流电源串联后得到单相交流输出电压。本实用新型的局端电源及交流远供电源系统可有效减小远供电源系统功率传输过程中的损耗，减小体积及成本。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。