一种三极式低压直流配电系统的制作方法

1.本发明涉及供电系统技术领域，尤其涉及一种三极式低压直流配电系统。


背景技术：

2.随着人民生活水平的提高，家用负荷日益多样化造成大功率负荷的集中启用使得远距离配电线路压降明显，偏远末端用户电压降落问题突出。此外，各种大功率用电负荷的启用往往具有一定的周期性，使得末端电压偏低问题同样周期出现，并因为其时间集中性而显著加重，影响着居民日常生活、生产用电。
3.为了解决末端的低电压问题，现有解决方案主要包括：
4.(1)增加10kv线路和变压器，即新增电源点，同时进行线路改造，缩短供电半径。这类方法能从根源解决低电压问题，但是该方式投资巨大，实施时间长，且线路跨越山区，山体绿色植被生长迅速，容易引发接地短路故障，加大了后期运维工作。
5.(2)在用户末端配置光伏发电装置和储能装置，相当于在用户侧配置新电源来提升用户的电压，避免功率通过原有的输电线路进行长距离传输，可减少压降。但光伏储能装置成本较高，投资回报周期较长，农村面临征地问题。
6.(3)安装无功补偿装置。在感性负荷密集地区或线路感抗较大场合加装无功补偿，减少无功功率导致的电压降落，建设成本较低。电压提升有限，应用场景受限。
7.(4)串联调压器和有载调压器。在供电半径过长的线路上加装串联调压器，调节末端电压。在线路起始端加装有载调压器，提升起始端电压。调节范围受限，无法解决电压过低场景的低电压问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种三极式低压直流配电系统，以解决现有技术中末端电压偏低造成的投资成本较大以及输送功率的能力受限的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供一种三极式低压直流配电系统，包括：交流电源单元、用于将电能变为直流电压的整流单元、直流输电单元以及逆变单元；
10.所述交流电源单元与所述整流单元连接，所述整流单元的输出侧与所述直流输电单元连接，所述直流输电单元与所述逆变单元的输入侧连接；
11.所述直流输电单元的输电线路为三相线路，所述三相线路分别对应正极线路、负极线路以及调制极线路；
12.所述直流输电单元包括可控开关，所述可控开关用于控制所述调制极线路交替的与所述正极线路和所述负极线路并联。
13.优选地，所述可控开关包括位于所述整流单元的输出侧的第一可控开关和第二可控开关，以及位于所述逆变单元的输入侧的第三可控开关和第四可控开关。
14.优选地，所述第一可控开关和所述第三可控开关闭合，所述第二可控开关和所述第四可控开关断开，系统呈所述调制极线路与所述正极线路并联的工作模式。
15.优选地，所述第二可控开关和所述第四可控开关闭合，所述第一可控开关和所述第三可控开关断开，系统呈所述调制极线路与所述负极线路并联的工作模式。
16.优选地，所述整流单元包括ac/dc整流器，所述逆变单元包括dc/ac逆变器，所述ac/dc整流器和所述dc/ac逆变器采用三相两电平全桥拓扑结构。
17.优选地，所述整流单元包括ac/dc整流器，所述逆变单元包括dc/ac逆变器，所述ac/dc整流器和所述dc/ac逆变器采用三相三电平全桥拓扑结构。
18.优选地，所述调制极线路上还串联有整流器，所述整流器与三相交流源串联构建可控电压源，所述可控电压源用于控制所述调制极线路的功率流向。
19.优选地，所述与调制极串连的整流器为三相双全桥整流变换器，所述三相双全桥整流变换器采用两个单全桥整流器连接，所述三相双全桥整流变换器的输出电压和输出电流根据所述调制极线路的电流极性变化确定正向输出或反向输出。
20.优选地，采用单相交流源连接串联在所述调制极上的单相双全桥整流变换器构建可控电压源，所述可控电压源用于控制所述调制极线路的功率流向。
21.优选地，所述的三极式低压直流配电系统，还包括等效负荷，所述等效负荷与所述逆变单元的输出侧连接。
22.相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
23.本发明通过在交流配电核心区域采用整流器将电能变换为直流电压，在中间直流输电环节，采用可控开关控制调制极线路交替的与正极线路和负极线路并联，三极式低压直流配电由于采用了三根配电线，其输送功率的能力有所提升，且充分利用原交流配电系统输电线路的功率传输能力，有效提高改进直流配电系统的最大功率传输能力，充分考虑了电力电子化的柔直技术。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明某一实施例提供的三极式低压直流配电系统的结构示意图；
26.图2是本发明又一实施例提供的三极式低压直流配电系统的结构示意图。
具体实施方式
27.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
29.应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
30.术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
31.术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
32.请参阅图1，本发明某一实施例提供一种三极式低压直流配电系统，包括：交流电源单元100、用于将电能变为直流电压的整流单元200、直流输电单元300以及逆变单元400，交流电源单元100与整流单元200连接，整流单元200的输出侧与直流输电单元300连接，直流输电单元300与逆变单元400的输入侧连接，直流输电单元300的输电线路为三相线路，三相线路分别对应正极线路、负极线路以及调制极线路，直流输电单元包括可控开关，可控开关用于控制调制极线路交替的与正极线路和负极线路并联。一种三极式低压直流配电系统还包括等效负荷，与逆变单元400的输出侧串联。
33.需要说明的是，输电线路还包括原交流输电线路a、b、c三相，正极线路、负极线路以及调制极线路分别对应采用原交流输电线路a、b、c三根线路中的任一根，不做三条线路的具体规定。可控开关包括第一可控开关s11、第二可控开关s12、第三可控开关s21、第四可控开关s22四个开关器件，可选用全控型的开关器件。其中第一可控开关s11、第二可控开关s12与整流单元200的输出侧连接，第三可控开关s21、第四可控开关s22与逆变单元400的输入侧连接。可控开关用于控制调制极线路交替的与正极线路和负极线路并联，具体的，当第一可控开关s11、第三可控开关s21闭合，第二可控开关s12、第四可控开关s22断开时，调制极线路与正极线路并联，流过正极线路和调制极线路的电流之和等于流过负极线路的电流，此时负极线路相当于流过最大电流；当第二可控开关s12、第四可控开关s22闭合，第一可控开关s11、第三可控开关s21断开时，调制极线路与负极线路并联，流过负极线路和调制极线路的电流之和等于流过正极线路的电流。
34.在本实施例中，可控开关用于控制调制极线路交替的与正极线路和负极线路并联，充分利用原交流配电系统输电线路的功率传输，有效提高系统的最大功率传输能力。
35.在一实施例中，可控开关包括位于整流单元200的输出侧的第一可控开关s11和第二可控开关s12，以及位于逆变单元400的输入侧的第三可控开关s21和第四可控开关s22。
36.具体的，第一可控开关s11和第二可控开关s12位于整流单元200的输出侧，第三可控开关s21和第四可控开关s22位于逆变单元400的输入侧。第一可控开关s11、第二可控开关s12、第三可控开关s21和第四可控开关s22实现正极线路和调制极线路并联与负极线路和调制极并联之间的切换。
37.在一实施例中，第一可控开关s11和第三可控开关s21闭合，第二可控开关s12和第四可控开关s22断开，系统呈调制极线路与正极线路并联的工作模式。
38.调制极线路与正极线路并联，流过正极线路和调制极线路的电流之和等于流过负极线路的电流，此时负极线路相当于流过最大电流。
39.在一实施例中，第二可控开关和第四可控开关闭合，第一可控开关和第三可控开关断开，系统呈调制极线路与负极线路并联的工作模式。
40.调制极线路与负极线路并联，流过负极线路和调制极线路的电流之和等于流过正极线路的电流，此时正极线路相当于流过最大电流。
41.以上两种实施例所示的工作模式，以很低的频率相互转换，完成低压直流配电过
程，在整个系统的工作过程中，正负极线路流过的电流的极性不变，正负极线路直流电压维持不变，整个过程可实现功率的持续输出。第一可控开关s11、第二可控开关s12、第三可控开关s21、第四可控开关s22可选用全控型的开关器件，通过智能控制算法实现开关的通与断，相较于人工操作，更安全可靠。
42.在一实施例中，整流单元200包括ac/dc整流器，逆变单元400包括dc/ac逆变器，ac/dc整流器和dc/ac逆变器采用三相两电平全桥拓扑结构。
43.在一实施例中，整流单元200包括ac/dc整流器，逆变单元400包括dc/ac逆变器，ac/dc整流器和dc/ac逆变器采用三相三电平全桥拓扑结构。
44.具体的，ac/dc整流器和dc/ac逆变器拓扑结构一致，开关器件选型一致，仅控制实现方式不一样，可实现模块化设计，便于维修和组装，降低成本，ac/dc整流器或dc/ac逆变器的拓扑结构可采用但不限于三相两电平全桥、三相三电平全桥结构。
45.在一实施例中，调制极线路上还串联有整流器，整流器与三相交流源串联构建可控电压源，可控电压源用于控制调制极线路的功率流向。
46.在一实施例中，采用单相交流源连接串联在调制极上的单相双全桥整流变换器构建可控电压源，可控电压源用于控制调制极线路的功率流向。
47.与调制极串连的整流器为三相双全桥整流变换器，三相双全桥整流变换器采用两个单全桥整流器连接，三相双全桥整流变换器的输出电压和输出电流根据调制极线路的电流极性变化确定正向输出或反向输出。
48.为了实现流过正负极线路电流有效值相等，调制极线路上的电流在切换不同切断的极性会发生变化，而为了控制调制极线路上的功率流向，需要通过控制调制极线路上串联的可控电压源的电压极性来实现。可控电压源在不同阶段极性会发生变化，故选择采用可控变换器整流输出实现电压的幅值、极性的控制。
49.请参阅图2，可控电压源采用三相交流源连接三相双全桥整流变换器实现，三相双全桥整流变换器采用两个相同的单全桥整流器背靠背连接，输出电压和电流可以正反向输出，能够满足调制极线路的电流极性变化的需求。需要说明的是：调制极这里只是需要提供一个可控的电压源，一种方案是输入三相电源(这里的三相可以是交流配电系统的三相电压源，也可以是可编程源的输出幅值可调节的三相电压源)经三相整流输出，一种方案可直接采用单相交流源和单相双全桥整流输出)。
50.在一具体的实施例中，搭建仿真三条配电线路上的电流换流的过程，正负极上的电压基本维持不变，即保持在
±
350v，只有在切换过程中有细小的波动。对于电流波形，正极的电流从+80a左右在经过切换过程后降低为+20a，而负极电流在经过切换过程后电流从-20a上升到-80a，由于之前的分析已经说明了调制极上的电流为正负极的电流之差，因此调制极的电流在阶段1为-60a，经过切换过程后变为了+60a，同时调制极上的电压源的输出电压的极性也跟随电流的变化而变化。整个切换过程维持时间大约在0.4s，对于切换的周期是根据线路的发热情况而定，一般为4～5分钟，因此切换过程的时间几乎可忽略不计。
51.现有技术采用工频隔离变压器实现逆变侧与用户侧的隔离，首先，当应用于大功率场合时，因为有工频隔离变压器，随着功率等级的增加，工频隔离变压器的体积和重量会成倍增长，成本增加，其次，当线路末端低压用户分散，需要安装多台受端变换器时，需要同时对应安装多台变压器，安装成本增加，经济性进一步降低，最后此系统会造成输送功率较
小，未充分利用交流三相输电线的功率传输能力。
52.因此，本发明充分利用原交流配电系统输电线路的功率传输能力，有效提高改进直流配电系统的最大功率传输能力，充分考虑了电力电子化的柔直技术，相较于现有技术成本较低且传输功率大。提出了一种三极式低压直流配电系统，采用三极式直流配电系统结构，增加调制极线路，用于交替的与正负极并联，充分利用原交流输电线路的三条相线，有效提高直流配电系统的最大功率输送能力，便于实现多端直流扩展。
53.进一步具体的，本发明的送端和受端变换器采用相同的拓扑结构，可实现模块化的设计。
54.进一步具体的，本发明通过四个可控开关及可控电压源，实现调制极线路与正负极线路并联模式切换，实现整个系统工作过程中功率持续输出。
55.进一步具体的，本发明调制极线路采用串联可控电压源的方式改变电流极性，实现调制极线路与正负极线路的并联模式切换。
56.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。