一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置及方法与流程

1.本发明属于矿井配电网技术领域，具体涉及一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置及方法。


背景技术：

2.在煤矿开采过程中，采煤、掘进设备等和供电设备之间的距离不断增加，存在一系列的长距离供电问题。在开采的过程中大量冲击性负荷、非线性负荷的存在，导致井下电网、电气设备功率因数降低、线路末端电压低、电压波动、电压和电流波形畸变等一系列的电能质量问题，不仅仅导致大型设备启动困难甚至频繁烧毁、运行期间频繁跳闸，还会降低开采设备的绝缘性，容易导致用电方面的安全事故，严重影响煤矿开采的安全性和效率。同时，长距离电力传输使得矿井送配电线损大，大大增加了电力的使用量和损耗量，给相关的煤矿企业带来很大的经济损失。
3.煤矿井下综采、掘进面的相关设备与配套的供电电源之间的供电距离一般都在1000米以上，在如此长的供电距离上，电机运行时的无功和有功电流导致的电缆压降造成供电电缆末端电压偏低。尤其是电机启动瞬间冲击电流大，线路末端的压降非常大，导致电机无法启动，严重影响生产效率。
4.目前，煤矿井下综采、掘进工作面的设备，存在上述介绍的长距离供电问题时，主要采取以下措施：
5.(1)采取多根电缆并联或者更换较大线径电缆。减少同等传输长度条件下电缆的等效阻抗，进而减少电缆上的电压降，但是会增加电缆成本的投入，增大敷设难度。
6.(2)提高供电首端电源电压，以弥补线路上的损失。但是这样会使得设备停机或空载运行时末端电压偏高，对电缆和设备的绝缘耐压造成一定的威胁，甚至损坏设备。
7.(3)将移动变压器的位置后移。减小相关设备与供电电源之间的供电电缆长度，进而减小电缆上的电压降，但频繁移动变电设备会带来较大不便，增加施工成本。
8.(4)采取无功补偿装置对掘进机设备单独补偿方式解决，例如专利号为“zl2022107012381”的授权公开文本中的无功补偿装置svg，通常将静止无功发生器配置在工作面，并接于负荷设备侧发出无功进行无功补偿，用于提高末端网压，稳定设备运行，节能降耗。针对无功电流在电缆上所引起的电压降问题可以采取近端无功补偿的方案得到解决，而有功电流在电缆上所引起的电压降问题往往是无法避免的。


技术实现要素：

9.针对现有技术的上述不足，本发明提供一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置及方法，以解决上述技术问题。
10.第一方面，本发明提供一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置，包括：所述的电网综合调节装置包括电压补偿回路和旁路供电回路；
11.所述电压补偿回路包括取电模块、串联变压器、电压补偿单元；
12.所述串联变压器为三相升压变压器，所述串联变压器的一次侧的三相绕组分别串联接入三相供电线路，二次侧的三相绕组的同名端连接到一起组成星形连接方式，另一端的三相端子连接所述电压补偿单元；
13.所述旁路供电回路包括输出接触器、旁路接触器、快速旁路设备；供电线路的输出端设置输出接触器；所述旁路接触器并联在串联变压器和输出接触器的两端；所述快速旁路设备并联到所述串联变压器二次侧的两相线路两端；电压补偿单元与快速旁路设备并联连接。
14.进一步的，所述电压补偿单元包括：整流模块和逆变模块，其中，整流模块采用六脉冲整流拓扑，逆变模块采用npc型三电平逆变拓扑结构。
15.进一步的，所述取电模块包括：输入开关、输入接触器、输入电抗器、输入软起接触器、软起电阻，所述输入开关与三相供电线路连接，所述输入接触器与所述输入开关连接，所述输入电抗器的一端与所述输入接触器连接，另一端接入电压补偿单元。
16.进一步的，还包括输出滤波电容和输出电抗器，其中输出电抗器一端与串联变压器二次侧的三相绕组的异名端连接，输出电抗器的另一端与电压补偿单元连接；所述输出滤波电容为三相角接滤波电容，输出滤波电容的三相连接端并联到输出电抗器和串联变压器之间的三相线路中，与输出电抗器组成lc滤波电路。
17.第二方面，本发明提供一种可旁路无缝切换的电网综合调节方法，包括：
18.正常工作时，根据当前负载大小、供电距离、电缆规格自动计算得到所需补偿电压值，通过电压补偿单元产生补偿电压，再经过串联变压器叠加到供电线路中；
19.在确认装置发生故障后，先控制旁路接触器吸合，等待接收到确定旁路接触器吸合的反馈信号后，再控制输出接触器断开；
20.旁路切换时，控制快速旁路设备迅速导通，将变压器二次侧短路，变压器二次侧产生感应电流抵消一次侧的励磁电流，使线路电流通过变压器一次侧继续给负载供电；
21.旁路切换完成后，线路电流由变压器一次侧线圈转移到旁路接触器，实现旁路无缝切换。
22.本发明的有益效果在于：本发明提供的一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置及方法，可动态、实时调控末端的输出电压，补偿因有功电流在电缆上产生的电压降，实现矿井下远距离供电。电网综合调节装置具有距离自动补偿功能，根据工作面距离的延长自动调整补偿电压保证末端负载电压稳定；同时具有旁路无缝切换功能，电压补偿回路一旦出现故障可自动无缝切换为电网直供电，保证供电线路后级负载不间断供电。此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
24.图1为本发明的矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置拓扑原理图；
25.图2为本发明的旁路无缝切换功能控制流程图；
26.图3为本发明的旁路无缝切换前的工作原理图；
27.图4为本发明的旁路无缝切换中间过程的工作原理图；
28.图5为本发明的旁路无缝切换后的工作原理图；
29.其中：1、旁路接触器；2、输出接触器；3、串联变压器；4、快速旁路设备；5、滤波电容；6、输出电抗器；7、电压补偿单元；8、输入隔离开关；9、输入接触器；10、输入软起接触器；11、软起电阻；12、输入电抗器。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
31.本发明实施例提供一种矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置，包括：所述的电网综合调节装置包括电压补偿回路和旁路供电回路；
32.所述电压补偿回路包括取电模块、串联变压器、电压补偿单元；
33.所述串联变压器为三相升压变压器，所述串联变压器的一次侧的三相绕组分别串联接入三相供电线路，二次侧的三相绕组的同名端连接到一起组成星形连接方式，另一端的三相端子连接所述电压补偿单元；
34.所述旁路供电回路包括输出接触器、旁路接触器、快速旁路设备；供电线路的输出端设置输出接触器；所述旁路接触器并联在串联变压器和输出接触器的两端；所述快速旁路设备并联到所述串联变压器二次侧的两相线路两端；电压补偿单元与快速旁路设备并联连接；
35.所述旁路供电回路用于在确认装置发生故障后，先控制旁路接触器吸合，然后控制输出接触器断开；
36.电压补偿单元用于根据当前负载大小、供电距离、电缆规格自动计算得到所需补偿电压值，再经过串联变压器叠加到供电线路中。
37.可选地，作为本发明一个实施例，所述电压补偿单元包括：整流模块和逆变模块，其中，整流模块采用六脉冲整流拓扑，逆变模块采用npc型三电平逆变拓扑结构。
38.可选地，作为本发明一个实施例，所述取电模块包括：输入开关、输入接触器、输入电抗器、输入软起接触器、软起电阻，所述输入开关与三相供电线路连接，所述输入接触器与所述输入开关连接，所述输入电抗器的一端与所述输入接触器连接，另一端接入电压补偿单元。
39.可选地，作为本发明一个实施例，还包括输出滤波电容和输出电抗器，其中输出电抗器一端与串联变压器二次侧的三相绕组的异名端连接，输出电抗器的另一端与电压补偿单元连接；所述输出滤波电容为三相角接滤波电容，输出滤波电容的三相连接端并联到输出电抗器和串联变压器之间的三相线路中，与输出电抗器组成lc滤波电路。
40.如图1所示，本发明实施例提供一种矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置，包括旁路接触器1、输出接触器2、串联变压器3、快速旁路设备4、输出滤波电容5、输出电抗器6、电压补偿单元7、输入隔离开关8、输入接触器9、输入软起接触器10、软起电阻11、输入电
抗器12。
41.本实施例提供的装置主要由电源输入部分、电压补偿回路和旁路切换回路三大部分组成。其中，输入隔离开关8、输入接触器9、输入软起接触器10、软起电阻11、输入电抗器12组成电源输入部分，用于从供电线路取电；电压补偿单元7、输出电抗器6、输出滤波电容5、串联变压器3组成电压补偿回路；旁路接触器1、输出接触器2、快速旁路设备4组成旁路切换回路。
42.所述串联变压器3一侧绕组的两端串联接入供电线路，另一侧绕组连接输出滤波电容5、输出电抗器6、电压补偿单元7；电压补偿单元7与快速旁路设备4并联连接。
43.所述串联变压器3为三相升压变压器，所述串联变压器3的一次侧的三相绕组分别串联接入三相供电线路，二次侧的三相绕组的同名端连接到一起组成星形连接方式，另一端的三相端子连接输出电抗器6和电压补偿单元7；所述输出滤波电容为三相角接输出滤波电容5，三相输出并联到输出电抗器6和串联变压器3之间的三相线路中，与输出电抗器6组成lc滤波电路；所述快速旁路设备4为两组双向可控硅，并联到串联变压器3二次侧的三相线路的ab和bc之间；所述电压补偿单元7包括整流模块和逆变模块，整流模块采用六脉冲整流拓扑，逆变模块采用npc型三电平逆变拓扑结构。
44.装置通过电源输入部分电路完成软起动作，从电网侧取电供给电压补偿回路，输入电抗器12的作用是提高输入端的功率因数，降低谐波，减小对电网的干扰；输出电抗器6的作用是提高输出端的功率因数，降低谐波，减小对电网的干扰；装置通过电压补偿计算和pll锁相功能控制电压补偿回路输出与电网电压同频同相的电压波形，再通过串联变压器3与电网叠加，实现因距离损耗而进行的电压补偿。
45.其中，所述电压补偿回路进行距离自动补偿功能实现方式如下：
46.通过设置线缆规格，得到线缆线径，进而通过计算得到线缆单位电阻值和单位电抗值；再计算线路等效阻抗：z＝l*(r+jωl)，其中，z为线路的等效阻抗，l为线路供电距离，r为当前线路电缆的单位电阻值，jωl为当前线路电缆的单位电抗值；
47.根据等效阻抗计算所需补偿的电压值：δu＝1.732*z*i，其中，δu为当前需要补偿的电压值，z为线路的等效阻抗，i为当前线路上的电流值；
48.确定补偿后后输出的电压值为：u＝uset+δu，其中，u为所需输出的电压值，uset为线路空载所需输出的电压值，δu为当前需要补偿的电压值。
49.装置通过控制电压补偿单元7，使装置输出侧的电压值达到计算的所需输出电压值u，经过线路压降后，末端负载端的电压维持在所需的电压值，保证负载可以正常工作。
50.如图2所示，旁路切换回路用于装置故障时自动无缝切换至电网供电的功能，保证负载不间断供电。设置控制器控制旁路切换回路进行对应接触器的开断，如果上级指令下发了运行负载的指令，则在延时2秒后控制输出接触器2吸合，从而使电压补偿功能自动开启。
51.通过图3-5可以详细的描述旁路切换回路是如何完成无缝切换过程的。
52.正常工作时，如图3所示，输出接触器2吸合，旁路接触器1断开，装置通过电压补偿单元7将输出电压抬升至设定值给后级负载供电；装置一旦出现故障，例如出现交流过欠压、直流过压、同步异常、硬件过压、硬件过流、结压降保护、三相电流不平衡、光纤故障等故障。一旦出现任何故障，如果没有旁路切换功能及电路，电压补偿回路故障后，变压器会因
二次侧开路导致磁芯饱和，输出电压降为0v，造成负载供电中断，影响负载的正常运行。
53.如图4所示，首先旁路接触器1吸合，然后控制电压补偿单元7停止输出，输出接触器2仍保持吸合状态，此时负载电流由输出接触器2转移到旁路接触器1；一开始两个分支都有电流流过，转移完成后电流全部流过旁路接触器，等到旁路接触器1吸合反馈信号确认无误后，如图5所示，输出接触器2断开，负载电流只由旁路接触器1流过。根据以上整个切换过程，从电网输入到串联变压器3输出的线路没有出现中断的情况，因此对负载来说，供电电压的波形不会出现中断情况，也就是实现了故障无缝切换，在满足电压补偿单元停机的前提下，切换到旁路供电保证负载不间断供电。
54.本发明通过创新的有功电流补偿方式，针对线路距离损耗造成的电压损失，进行补偿，提升了供电线路电压，解决了矿井下综采工作面和掘进工作面现存的远距离供电中线路压降大、电机无法启动等诸多问题；实现了矿机下远距离供电，可减小初期线缆投资成本，减少作业过程中设备频繁搬迁的次数，提高工作效率。
55.本发明提供的装置可放置在原理工作面的变电所或配电硐室，改善了设备的工作环境，提高设备的可靠性，满足现代化煤矿对设备的集成化、系统智能化要求，实现减人化、无人化为建设方向。
56.本发明实施例还提供一种可旁路无缝切换的电网综合调节方法，包括：
57.正常工作时，根据当前负载大小、供电距离、电缆规格自动计算得到所需补偿电压值，通过电压补偿单元产生补偿电压，再经过串联变压器叠加到供电线路中；
58.在确认装置发生故障后，先控制旁路接触器吸合，等待接收到确定旁路接触器吸合的反馈信号后，再控制输出接触器断开；
59.旁路切换时，控制快速旁路设备迅速导通，将变压器二次侧短路，变压器二次侧产生感应电流抵消一次侧的励磁电流，使线路电流通过变压器一次侧继续给负载供电；
60.旁路切换完成后，线路电流由变压器一次侧线圈转移到旁路接触器，实现旁路无缝切换。
61.需要说明的是，本发明中控制方法相关控制动作依靠dsp控制器进行实现。
62.尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内或任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置，其特征在于，包括：所述的电网综合调节装置包括电压补偿回路和旁路供电回路；所述电压补偿回路包括取电模块、串联变压器、电压补偿单元；所述串联变压器为三相升压变压器，所述串联变压器的一次侧的三相绕组分别串联接入三相供电线路，二次侧的三相绕组的同名端连接到一起组成星形连接方式，另一端的三相端子连接所述电压补偿单元；所述旁路供电回路包括输出接触器、旁路接触器、快速旁路设备；供电线路的输出端设置输出接触器；所述旁路接触器并联在串联变压器和输出接触器的两端；所述快速旁路设备并联到所述串联变压器二次侧的两相线路两端；电压补偿单元与快速旁路设备并联连接。2.根据权利要求1所述的矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置，其特征在于，所述电压补偿单元包括：整流模块和逆变模块，其中，整流模块采用六脉冲整流拓扑，逆变模块采用npc型三电平逆变拓扑结构。3.根据权利要求1所述的矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置，其特征在于，所述取电模块包括：输入开关、输入接触器、输入电抗器、输入软起接触器、软起电阻，所述输入开关与三相供电线路连接，所述输入接触器与所述输入开关连接，所述输入电抗器的一端与所述输入接触器连接，另一端接入电压补偿单元。4.根据权利要求1所述的矿用带旁路无缝切换的电网综合调节装置，其特征在于，还包括输出滤波电容和输出电抗器，其中输出电抗器一端与串联变压器二次侧的三相绕组的异名端连接，输出电抗器的另一端与电压补偿单元连接；所述输出滤波电容为三相角接滤波电容，输出滤波电容的三相连接端并联到输出电抗器和串联变压器之间的三相线路中，与输出电抗器组成lc滤波电路。5.一种可旁路无缝切换的电网综合调节方法，其特征在于，包括：正常工作时，根据当前负载大小、供电距离、电缆规格自动计算得到所需补偿电压值，通过电压补偿单元产生补偿电压，再经过串联变压器叠加到供电线路中；在确认装置发生故障后，先控制旁路接触器吸合，等待接收到确定旁路接触器吸合的反馈信号后，再控制输出接触器断开；旁路切换时，控制快速旁路设备迅速导通，将变压器二次侧短路，变压器二次侧产生感应电流抵消一次侧的励磁电流，使线路电流通过变压器一次侧继续给负载供电；旁路切换完成后，线路电流由变压器一次侧线圈转移到旁路接触器，实现旁路无缝切换。

技术总结
本发明提供一种可旁路无缝切换的电网综合调节装置，包括：所述的电网综合调节装置包括电压补偿回路和旁路供电回路；所述电压补偿回路包括取电模块、串联变压器、电压补偿单元；所述旁路供电回路包括输出接触器、旁路接触器、快速旁路设备；供电线路的输出端设置输出接触器；所述旁路接触器并联在串联变压器和输出接触器的两端；所述快速旁路设备并联到所述串联变压器二次侧的两相线路两端；电压补偿单元与快速旁路设备并联连接。本发明实现了对线路的供电距离进行电压补偿，保证负载端的电压稳定；如果系统出现异常停机，可自动无缝切换为电网直供电，保证后级负载不间断供电。保证后级负载不间断供电。保证后级负载不间断供电。


技术研发人员：李成亮 高栋 丁宁 朱海梅 徐春红 徐长海 张学运
受保护的技术使用者：新风光电子科技股份有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/23