具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表。該智能電表安裝于電網線路與用戶線路之間，包括電力電子變換模塊和綜合控制模塊兩部分。其中電力電子變換模塊由整流級、逆變級、交流電壓補償變壓器三部分串聯構成，（在智能電表實施方式二中應省去交流電壓補償變壓器）；綜合控制模塊由計量控制單元、整流控制單元和逆變控制單元組成。本發明在實現常規智能電表功能之外，還可以補償智能電表的電網線路交流電壓幅值偏差，使得用戶線路電壓滿足供電標準，提高供電電能質量；同時，還可以實現無功功率就地補償、三相有功功率就地平衡等功能，可為分布式電源和儲能裝置提供靈活的直流或交流接口，并實現直流或交流電能計量功能。
【專利說明】具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電力電子技術在配電系統中的應用，具體涉及具有補償用戶線路交流電壓功能的智能電表。
【背景技術】
[0002]隨著農村居民生活水平的提高和經濟的發展，居民生活用電負荷和農村種植業、養殖業、加工業等負荷快速增長，加上農村配電網建設相對滯后，部分地區電網結構不合理，造成末端用戶與臺區變壓器超過合理的供電半徑，導致末端用戶在用電高峰時段電壓偏低，部分用戶在用電低谷時段電壓偏高，其中個別用戶低電壓和過電壓問題十分突出，嚴重影響了農村居民的生產和生活。該問題廣泛存在于全國各個農網供電地區。現階段主要的解決方法包括增設臺區、供電線路改造等方法，但是增設臺區方法存在臺區選址問題，供電線路改造方法會進一步增加線路容載比，造成巨大浪費，而且兩種解決方法投資成本巨大。
[0003]隨著現代電力電子技術的發展、器件成本的降低以及裝置工藝的提高，現代電力電子技術得到了極大的發展，并已經在電力系統中得到了廣泛的應用。使用現代電力電子技術，充分利用現有配電線路資源、深入挖掘線路供電潛力，是較為理想的選擇。所以，融合了現代電力電子技術的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表成為綜合性解決農網低電壓問題有效方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供具有補償用戶線路交流電壓功能的智能電表，在電網線路交流電壓偏低或偏高的情況下，通過調節綜合控制模塊電力電子變換模塊，保證智能電表用戶線路電壓滿足供電標準，提供供電電能質量。
[0005]本發明采用以下方案實現:一種具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:包括電網線路接入端、用戶接入端、電力電子變換模塊和綜合控制模塊；所述的電力電子變換模塊包括整流級、逆變級、電抗、直流電容和電壓補償變壓器；所述的整流級經所述的電抗并接于所述的電網線路接入端，所述的整流級的輸出端連接到所述逆變級輸入端，所述逆變級輸出端經所述的電壓補償變壓器并接于所述的用戶接入端，所述的逆變級和整流級之間并接有一直流電容；所述的綜合控制模塊包括計量控制單元、整流控制單元以及逆變控制單元；所述的計量控制單元用以信號采集、計量、通信、顯示、按鍵以及協調綜合控制模塊各個單元的工作；所述的整流控制單元用于控制整流級的工作；所述的逆變控制單元用于控制逆變級的工作。
[0006]進一步地，所述的電力電子變換模塊的整流級和逆變級部分是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容構成的全橋或半橋型單相或三相結構。
[0007]進一步地，所述的電力電子變換模塊的整流級經所述的并聯直流電容引出一個直流電力接口，所述的直流電力接口為分布式電壓或儲能裝置提供直流接口。
[0008]進一步地，所述的綜合控制模塊的計量控制單元采集包括電網線路、用戶線路以及并聯直流電容在內的元件的電壓和電流信號，完成用戶交流用電計量、分布式電源或儲能裝置的直流或交流電能計量功能；所述的綜合控制模塊的整流控制單元控制整流級維持并聯直流電容的直流母線電壓穩定并且實現無功功率就地補償功能，對于三相結構的整流級來說，整流控制單元還能實現三相有功功率就地平衡的功能；所述的綜合控制模塊的逆變控制單元控制逆變級直接完成補償用戶交流電壓幅值。
[0009]本發明的的另一種實現方案:一種具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:包括電網線路接入端、用戶接入端、電力電子變換模塊和綜合控制模塊；所述的電力電子變換模塊包括整流級、逆變級、直流電容、第一電抗和第二電抗；所述的整流級輸入端經所述的第一電抗連接到所述電網線路接入端，所述整流級輸出端連接到所述逆變級的輸入端，所述逆變級的輸出端經所述的第二電抗連接到所述的用戶接入端，所述逆變級和整流級之間并接有一直流電容；所述的綜合控制模塊包括計量控制單元、整流控制單元以及逆變控制單元；所述的計量控制單元用以信號采集、計量、通信、顯示、按鍵以及協調綜合控制模塊各個單元的工作與控制；所述的整流控制單元用以控制整流級的工作；所述的逆變控制單元用以控制逆變級的工作。
[0010]進一步地，所述的電力電子變換模塊的整流級和逆變級部分是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容構成的全橋或半橋型單相或三相結構。
[0011]進一步地，所述的電力電子變換模塊的整流級經所述的并聯直流電容引出一個直流電力接口，所述的直流電力接口為分布式電壓或儲能裝置提供直流接口。
[0012]進一步地，所述的綜合控制模塊的計量控制單元采集包括電網線路、用戶線路以及并聯直流電容在內的元件的電壓和電流信號，完成用戶交流用電計量、分布式電源或儲能裝置的直流或交流電能計量功能；所述的綜合控制模塊的整流控制單元控制整流級維持并聯直流電容的直流母線電壓穩定并且實現無功功率就地補償功能，對于三相結構的整流級來說，整流控制單元還能實現三相有功功率就地平衡的功能；所述的綜合控制模塊的逆變控制單元控制逆變級直接完成補償用戶交流電壓幅值。
[0013]進一步地，所述的智能電表可以將三相電網線路合并為單相線路為用戶線路供電，也可以將單相電路分為三相線路為用戶線路供電。
[0014]本發明除具有通常智能電表的優點之外，相對于現有技術，還具有以下優點:
補償用戶交流電壓幅值功能。當電網線路交流電壓超出供電電壓限值的國家標準(供電電壓幅值偏差高于7%或低于_10%)，可使用戶線路電壓仍然維持在供電電壓限值的國家標準范圍內，為用戶提供質量合格的電能。
[0015]具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表的電力電子變換模塊使用全控型電力電子開關器件(IGCT、IGBT或POWER MOSFET等開關器件)，該器件不同于可控硅(晶閘管)等半控型電力電子開關器件，具有良好的電氣性能和控制性能，可以快速開通和關斷器件。
[0016]整流級和逆變級是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容構成的全橋或半橋型單相或三相結構。在綜合控制模塊的正弦脈沖寬度調制控制策略下，整流級和逆變級產生的波形非常接近正弦波，開關頻率越高，最低次諧波次數越高，可大幅減小濾波器的體積和容量，可減小電網線路交流電壓和用戶線路交流電壓的諧波含量，同時可降低濾波器上的損耗； 由于使用在整流級和逆變級中的全控型電力電子開關器件和全橋或半橋型結構具有良好的電氣性能和靈活的控制性能，所以可以實現對電網線路、用戶線路以及直流電力接口的交流和直流的電壓和電流進行靈活且精確地控制。一方面，該智能電表可以控制電網線路的交流電壓和電流，進而控制和調整電網線路的無功功率和三相有功功率，實現無功功率就地補償、三相有功功率就地平衡功能，另一方面，該智能電表可以控制整流級的直流電壓，為分布式電源和儲能裝置提供靈活的直流電力接口等功能。
[0017]本方案所設計的智能電表可以補償用戶交流電壓幅值，同時會比常規智能電表擁有更靈活的控制功能和更豐富的接口功能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表的一種【具體實施方式】的結構一示意圖。
[0019]圖2為本發明具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表的一種【具體實施方式】的結構二示意圖。
[0020][主要組件符號說明]
圖1中:100為智能電表，101為電網線路，102為用戶線路，103為電力電子變換模塊，104為綜合控制模塊，105為電抗，106為整流級，107為直流電容，108為逆變級，109為電壓補償變壓器，110為直流電力接口，111為整流控制單元，112為逆變控制單元，113為計量控制單元；
圖2中:200為智能電表，201為電網線路，202為用戶線路，203為電力電子變換模塊，204為綜合控制模塊，205為第一電抗，206為整流級，207為直流電容，208為逆變級，209為第二電抗，210為直流電力接口，211為整流控制單元，212為逆變控制單元，213為計量控制單元。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。為了更好地說明本發明，在下文的【具體實施方式】中給出了眾多的具體細節。本領域的技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外一些實例中，對于大家熟知的方法、手續、兀件和電路未做詳細描述，以便于凸顯本發明的主旨。
[0022]本發明具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表的【具體實施方式】有兩種結構，分為部分功率變換結構和全功率變換結構，分別如圖1和圖2所示。
[0023]實施例一
在本實施例中，以部分功率變換結構為例來進行【具體實施方式】說明，如圖1所示。
[0024]該具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，安裝于電網線路101與用戶線路102之間，其主要部分包括電力電子變換模塊103和綜合控制模塊104兩大部分。
[0025]其中電力電子變換模塊103由整流級106、逆變級108、交流電壓補償變壓器109三部分串聯構成。
[0026]整流級106和逆變級108是是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容107構成的全橋或半橋型單相或三相結構，具體實現結構有單相半橋結構、單相全橋結構、三相半橋結構、三相全橋結構等；全橋與半橋結構相比，全橋結構的電壓利用率更高；
整流級106和逆變級108共用同一組正負直流母線，其并聯直流電容107位于的正負直流母線間，該直流母線可為分布式電源和儲能提供直流接口 ；
整流級106與電網線路101之間需要串聯一個電抗器105 ；
交流電壓補償變壓器109完成電位隔離和能量傳送功能。
[0027]綜合控制模塊104由計量控制單元113、整流控制單元111和逆變控制單元112組成。
[0028]計量控制單元113主要完成信號采集、計量、通信、顯示、按鍵等智能電表的基本功能，同時協調綜合控制模塊104各個單元的工作與控制；
整流控制單元111主要完成維持并聯直流電容的直流母線電壓穩定的功能，還可以完成無功功率就地補償功能；對于三相結構的整流級，整流控制單元111還可以完成三相有功功率就地平衡的功能；
逆變控制單元112直接完成補償用戶交流電壓的控制功能；
整流控制單元111和逆變控制單元112均可采用正弦脈寬調制技術(SPWM)來控制整流級106和逆變級108。
[0029]本發明是具有補償用戶線路電壓功能的智能電表的部分功率變換結構實施方式，如圖1所示，在實現通常智能電表功能的基礎上，實現補償用戶線路交流電壓的功能。
[0030]在當電網線路101交流電壓偏低時，計量控制單元113協調綜合控制模塊104各個單元的工作與控制，整流控制單元111控制整流級106，逆變控制單元112控制逆變級108，實現整流級106向逆變級108傳遞能量，此時，電網交流能量從整流級106流入，轉換為并聯直流電容107兩端的正負直流能量，然后經逆變級108轉換為與用戶線路交流電壓同向的補償電壓，通過交流電壓補償變壓器109的變換和隔離，使用戶線路102交流電壓被補償達到國標要求(供電電壓幅值偏差低于+7%且高于-10%)；
在當電網線路101交流電壓偏高時，計量控制單元113協調綜合控制模塊104各個單元的工作與控制，整流控制單元111控制整流級，逆變控制單元112控制逆變級，實現從逆變級108向整流級106傳遞能量，此時，逆變級108產生與用戶線路交流電壓反向的補償電壓，通過交流電壓補償變壓器109的變換和隔離，使用戶線路102交流電壓被補償達到國標要求(供電電壓幅值偏差低于+7%且高于_10%)，逆變級108吸收的交流能量轉換為并聯直流電容107兩端的正負直流能量，最后通過整流級106回饋交流電網。
[0031]實施例二
在本實施例中，以全功率變換結構為例來進行【具體實施方式】說明，如圖2所示。
[0032]該具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，安裝于電網線路201與用戶線路202之間，其主要部分包括電力電子變換模塊203、綜合控制模塊204兩大部分。
[0033]電力電子變換模塊由整流級206、逆變級208兩部分串聯構成。
[0034]整流級206和逆變級208結構與部分功率變換結構的整流級106和逆變級108相似(如圖1所示)，為簡潔起見，此處不另贅述。不同的是，整流級206與電網線路201之間需要串聯電抗器205，逆變級208與用戶線路202之間需要串聯電抗器209。所述的全功率變換結構的智能電表還可以實現將三相電網線路合并為單相線路為用戶線路202供電、將單相電網線路分成三相線路為用戶線路202供電等功能。
[0035]綜合控制模塊204由計量控制單元213、整流控制單元211和逆變控制單元212組成，其功能與實施例一中部分功率變換結構的綜合控制模塊104功能相似(如圖1所示)，為簡潔起見，此處不另贅述。不同的是，逆變控制單元212完成用戶線路202的交流電壓的全功率逆變控制功能。
[0036]在當電網線路201交流電壓偏低或偏高時，計量控制單元213協調綜合控制模塊204各個單元的工作與控制，整流控制單元211控制整流級206，逆變控制單元212控制逆變級208，實現從整流級206向逆變級208傳遞能量，此時，電網交流能量從整流級206流入，轉換為并聯直流電容207兩端的正負直流能量，逆變級208直接產生符合國標要求(供電電壓幅值偏差低于+7%且高于_10%)，為用戶線路202供電。
[0037]上文【具體實施方式】和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離后附權利要求書所界定的本發明精神和保護范圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、布局、比例、材料、元素、組件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用于說明而非限制，本發明之范圍由后附權利要求及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。
【權利要求】
1.一種具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:包括電網線路接入端、用戶接入端、電力電子變換模塊和綜合控制模塊；所述的電力電子變換模塊包括整流級、逆變級、電抗、直流電容和電壓補償變壓器；所述的整流級經所述的電抗并接于所述的電網線路接入端，所述的整流級的輸出端連接到所述逆變級輸入端，所述逆變級輸出端經所述的電壓補償變壓器并接于所述的用戶接入端，所述的逆變級和整流級之間并接有一直流電容；所述的綜合控制模塊包括計量控制單元、整流控制單元以及逆變控制單元；所述的計量控制單元用以信號采集、計量、通信、顯示、按鍵以及協調綜合控制模塊各個單元的工作；所述的整流控制單元用于控制整流級的工作；所述的逆變控制單元用于控制逆變級的工作。
2.根據權利要求1所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的電力電子變換模塊的整流級和逆變級部分是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容構成的全橋或半橋型單相或三相結構。
3.根據權利要求1所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的電力電子變換模塊的整流級經所述的并聯直流電容引出一個直流電力接口，所述的直流電力接口為分布式電壓或儲能裝置提供直流接口。
4.根據權利要求1所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的綜合控制模塊的計量控制單元采集包括電網線路、用戶線路以及并聯直流電容在內的元件的電壓和電流信號，完成用戶交流用電計量、分布式電源或儲能裝置的直流或交流電能計量工作；所述的綜合控制模塊的整流控制單元控制整流級維持并聯直流電容的直流母線電壓穩定并且實現無功功率就地補償，對于三相結構的整流級來說，整流控制單元還能實現三相有功功率就地平衡；所述的綜合控制模塊的逆變控制單元控制逆變級直接完成補償用戶交流電壓幅值。
5.一種具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:包括電網線路接入端、用戶接入端、電力電子變換模塊和綜合控制模塊；所述的電力電子變換模塊包括整流級、逆變級、直流電容、第一電抗和第二電抗；所述的整流級輸入端經所述的第一電抗連接到所述電網線路接入端，所述整流級輸出端連接到所述逆變級的輸入端，所述逆變級的輸出端經所述的第二電抗連接到所述的用戶接入端，所述逆變級和整流級之間并接有一直流電容；所述的綜合控制模塊包括計量控制單元、整流控制單元以及逆變控制單元；所述的計量控制單元用以信號采集、計量、通信、顯示、按鍵以及協調綜合控制模塊各個單元的工作與控制；所述的整流控制單元用以控制整流級的工作；所述的逆變控制單元用以控制逆變級的工作。
6.根據權利要求5所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的電力電子變換模塊的整流級和逆變級部分是由全控型電力電子開關器件并聯直流電容構成的全橋或半橋型單相或三相結構。
7.根據權利要求5所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的電力電子變換模塊的整流級經所述的并聯直流電容引出一個直流電力接口，所述的直流電力接口為分布式電壓或儲能裝置提供直流接口。
8.根據權利要求5所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的綜合控制模塊的計量控制單元采集包括電網線路、用戶線路以及并聯直流電容在內的元件的電壓和電流信號，完成用戶交流用電計量、分布式電源或儲能裝置的直流或交流電能計量工作；所述的綜合控制模塊的整流控制單元控制整流級維持并聯直流電容的直流母線電壓穩定并且實現無功功率就地補償，對于三相結構的整流級來說，整流控制單元還能實現三相有功功率就地平衡的；所述的綜合控制模塊的逆變控制單元控制逆變級直接完成補償用戶交流電壓幅值。
9.根據權利要求5所述的具有補償用戶交流電壓幅值功能的智能電表，其特征在于:所述的智能電表能將三相電網線路合并為單相線路為用戶線路供電，也能將單相電路分為三相線路為用戶線路供電。
【文檔編號】H02J3/16GK104135012SQ201410408882
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月20日 優先權日:2014年8月20日
【發明者】易楊, 劉林, 葉榮, 邱柳青 申請人:國家電網公司, 國網福建省電力有限公司, 國網福建省電力有限公司經濟技術研究院