一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲及其控制方法，可以連接兩個任意電壓等級的電網(wǎng)，電力電子軟連接開關(guān)拓撲中，依次包括：隔離變壓器1、開關(guān)1、濾波器1、電力電子軟連接開關(guān)、濾波器2、開關(guān)2、隔離變壓器2；所述電力電子軟連接開關(guān)由變換器1和變換器2構(gòu)成，兩個變換器的直流側(cè)連接在一起構(gòu)成直流母線，變換器1的交流側(cè)與濾波器1相連，變換器2的交流側(cè)與濾波器2相連，直流母線的正負極之間連接有直流支撐電容；本發(fā)明的電力電子軟連接開關(guān)可以獨立控制有功功率和無功功率，動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定直流母線電壓。
【專利說明】
一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及電力電子領(lǐng)域，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)局部多個電網(wǎng)的無功補償、有功功率平衡等功能的電力電子軟連接開關(guān)拓撲及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著分布式發(fā)電及微電網(wǎng)的迅速發(fā)展，多個區(qū)域局部電網(wǎng)互聯(lián)是實現(xiàn)資源和能量互補、經(jīng)濟高效利用電能的有效手段。
[0003]背靠背變換器因其直流電壓可控、功率雙向流動等優(yōu)點，交流輸配電具有十分廣泛的應(yīng)用。與通用變換器相比，背靠背變換器采用脈寬調(diào)制(PWM)整流，其直流母線電壓可控，功率因數(shù)可調(diào)節(jié)至單位功率因數(shù)，使得其控制性能靈活多變，使用背靠背變換器使得電網(wǎng)之間實現(xiàn)互聯(lián)，并且穩(wěn)定運行，具有廣泛的應(yīng)用前景;然而，電網(wǎng)有功功率和無功功率控制，動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定直流母線電壓等問題，是工程應(yīng)用中必須解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法?？梢元毩⒖刂朴泄β屎蜔o功功率，動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定直流母線電壓等。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
提供一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲，可以連接任意兩個電壓等級的電網(wǎng)，其特征在于，所述電力電子軟連接開關(guān)拓撲中，依次包括:隔離變壓器1、開關(guān)1、濾波器1、電力電子軟連接開關(guān)、濾波器2、開關(guān)2、隔離變壓器2;所述電力電子軟連接開關(guān)由變換器I和變換器2構(gòu)成，兩個變換器的直流側(cè)連接在一起構(gòu)成直流母線，變換器I的交流側(cè)與濾波器I相連，變換器2的交流側(cè)與濾波器2相連，直流母線的正負極之間連接有直流支撐電容。
[0006]電網(wǎng)A與濾波器I之間和電網(wǎng)B與濾波器2之間至少一端連接有不同變比的隔離變壓器I或隔離變壓器2;所述隔離變壓器I和/或隔離變壓器2采用三角形-星形結(jié)構(gòu)或者采用星形-三角形結(jié)構(gòu)或者星形-星形結(jié)構(gòu)或者三角形-三角形結(jié)構(gòu)。
[0007]所述變換器I和2各自包含3對或4對上下橋臂，輸出三相三線制或三相四線制交流電；所述變換器I和變換器2是三相六開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu)或四相八開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu)；或者所述變換器I和變換器2是多電平變換器。
[0008]所述直流支撐電容由兩只串聯(lián)的電容構(gòu)成，串聯(lián)的中點O作為零線，與變換器輸出的三相交流電共同構(gòu)成三相四線制交流輸出。
[0009]所述變換器I和變換器2的三相交流輸出端分別連接一只電感，電感的一端與變換器I和2中三相橋臂中某一相的中點連接，電感的另一端通過一只電容，連接到中點O。
[0010]所述變換器I和變換器2分別對電網(wǎng)A和電網(wǎng)B進行靜止動態(tài)無功補償(SVG)控制。
[0011]還包括直流母線初始取電電路，單相變壓器的兩個輸入端分別連接三相電網(wǎng)A或B其中的兩個相線，單相變壓器的輸出端連接二極管整流橋，二極管整流橋的輸出連接直流母線;單相變壓器的輸出端與二極管整流橋的連接線上，串聯(lián)有限流電阻;單相變壓器的輸入端與電網(wǎng)的連接線上，串聯(lián)有開關(guān)。
[0012]還包括控制電路的取電電路，所述取電電路使用寬輸入電壓的電源模塊，所述電源模塊的輸入端連接直流母線，所述電源模塊的輸出端輸出24V直流電壓，將所述24V直流電壓通過電源板進一步轉(zhuǎn)換為+15V，+5V，± 15V電壓，以給控制電路和液晶供電。[0〇13] —種電力電子軟連接開關(guān)拓撲直流母線穩(wěn)定控制方法，將直流母線給定值Udc*減去當前測量的實際值Udc，得到的電壓差值送入PI調(diào)節(jié)器計算處理后乘以1/2輸出作為電流調(diào)節(jié)信號，將所述電流調(diào)節(jié)信號減去變換器1和2當前的瞬時反饋電流iaf、ibf，得到的電流差值送入另一 PI調(diào)節(jié)器，這樣兩變換器的指令電流信號中就都含有有功電流分量，進而補償系統(tǒng)的補償電流中也含有一定的有功電流分量，從而使補償系統(tǒng)的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將直流母線電壓維持在給定值。變換器工作時，其能量損耗會引起直流側(cè)電容電壓的降低，但為了保證PWM變流器的正常工作，直流母線電壓必須維持恒定。為此控制方法中增加了一個檢測直流電壓的PI控制器，以保持直流環(huán)節(jié)的電壓?？刂品椒ǘx變換器吸收的有功功率由兩相均攤，以維持變換器的正常工作。
[0014]一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲及其控制方法，所述電力電子軟連接開關(guān)拓撲中， 包含多個電力電子軟連接開關(guān)、多個開關(guān)、多個隔離變壓器;所述電力電子軟連接開關(guān)由多個變換器構(gòu)成，多個變換器的直流側(cè)連接在一起構(gòu)成直流母線，直流母線的正負極之間連接有直流支撐電容，通過中央控制器的綜合控制，可以實現(xiàn)多個不能電壓等級之間電網(wǎng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)多個電網(wǎng)的無功補償，有功平衡潮流控制。
[0015]一種有功平衡控制方法，將直流母線電壓給定值Udc*減去當前測量的實際值Udc， 得到的電壓差值經(jīng)PI控制器計算處理后輸出；將電網(wǎng)A和B的電流利用電網(wǎng)A和B的電壓分別鎖相并經(jīng)過低通濾波LPF后分離出電網(wǎng)A和B電流的有功分量，所述電網(wǎng)A和B電流的有功分量和上述PI控制器的輸出求和后，乘以1/2,得到變換器指令電流iaref和ibref，將所述電網(wǎng)A和B的電網(wǎng)電流分別減去當前的指令電流iaref?和ibref?，得到的電流差值再分別減去變換器1和變換器2的反饋電流iaf、ibf，得到的差值送入另一 PI控制器，所述另一 PI控制器的輸出與載波比較作差，將差值用以調(diào)節(jié)變換器1和變換器2的輸出；為實現(xiàn)兩相鄰電網(wǎng)負載之間的有功平衡，采取將兩個電網(wǎng)有功電流相加之后再平攤的辦法，之后對兩相負載分別進行補償。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:在算法中直流電壓的PI調(diào)節(jié)器結(jié)果分別送給兩個變換器， 以保持直流環(huán)節(jié)的電壓，相比從一端取能穩(wěn)定直流母線電壓，其優(yōu)勢是取能多一個自由度， 系統(tǒng)更加可靠。在兩個變換器之間可以轉(zhuǎn)移有功功率，且可以獨立控制有功功率和無功功率，動態(tài)補償交流母線的無功功率，穩(wěn)定直流母線電壓等。本發(fā)明可以有效克服配電網(wǎng)中常規(guī)開關(guān)僅具備通和斷兩種狀態(tài)的不足，增強配電網(wǎng)運行控制的靈活性，滿足分布式電源消納、高供電可靠性等定制電力需求。【附圖說明】[〇〇17]圖1電力電子軟連接開關(guān)拓撲原理；圖2電力電子軟連接開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)；圖3直流母線初始取電電路；圖4控制電路供電電路；圖5電力電子軟連接開關(guān)直流母線穩(wěn)定控制方法；圖6電力電子軟連接開關(guān)有功平衡控制方法。【具體實施方式】[〇〇18]圖1-圖2為電力電子軟連接開關(guān)的拓撲原理及其結(jié)構(gòu)圖，通過兩邊的隔離變壓器， 針對多種情況，可以連接任意兩個電壓等級的電網(wǎng)A和B，所述電力電子軟連接開關(guān)拓撲中， 依次包括:隔離變壓器1、開關(guān)1、濾波器1、電力電子軟連接開關(guān)、濾波器2、開關(guān)2、隔離變壓器2;所述電力電子軟連接開關(guān)由變換器1和變換器2構(gòu)成，兩個變換器的直流側(cè)連接在一起構(gòu)成直流母線，變換器1的交流側(cè)與濾波器1相連，變換器2的交流側(cè)與濾波器2相連，直流母線的正負極之間連接有直流支撐電容。上述的多種情況比如:1)兩邊均有變壓器;2)兩邊只有一邊有變壓器;3 )兩邊都沒有變壓器;4)變換器是三相三線變換器;5 )變換器是三相四線變換器;6)變換器是三相四橋臂變換器;7)變換器是三電平;8)變換器是多電平;9)變換器是由模塊化多電平變流器(MMC)構(gòu)成。
[0019]以下將進行詳細說明，電網(wǎng)A與濾波器1之間連接有隔離變壓器1和/或電網(wǎng)B與濾波器2之間連接有隔離變壓器2;所述隔離變壓器1和/或隔離變壓器2采用三角形-星形結(jié)構(gòu)或者采用星形-三角形結(jié)構(gòu)或者星形-星形結(jié)構(gòu)或者三角形-三角形結(jié)構(gòu);所述變換器1和2 各自包含3對上下橋臂，輸出三相三線制交流電；所述變換器1和2各自包含3對上下橋臂，所述直流支撐電容由兩只串聯(lián)的電容構(gòu)成，串聯(lián)的中點0作為零線，與變換器輸出的三相交流共同構(gòu)成三相四線制交流輸出；所述變換器1和變換器2的三相交流輸出端分別連接一只電感，電感的一端與變換器1和2中三相橋臂中某一相的中點連接，電感的另一端通過一只電容，連接到中點0;所述變換器1和2各自包含3對或4對上下橋臂，輸出三相三線制或三相四線制交流電；所述變換器1和變換器2是三相六開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu)或四相八開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu)； 或者所述變換器1和變換器2是多電平變換器。
[0020]同時，變換器1和變換器2分別對電網(wǎng)A和電網(wǎng)B進行靜止動態(tài)無功補償(SVG)控制， 和/或所述變換器1和變換器2對電網(wǎng)A和電網(wǎng)B進行有功平衡潮流控制。[0021 ]本申請的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，還包括直流母線初始取電電路，如圖3所示， 單相變壓器的兩個輸入端分別連接三相電網(wǎng)A或B其中的兩相，單相變壓器的輸出端連接二極管整流橋，二極管整流橋的輸出連接直流母線；單相變壓器的輸出端與二極管整流橋的連接線上，串聯(lián)有限流電阻;單相變壓器的輸入端與電網(wǎng)的連接線上，串聯(lián)有面板開關(guān)。 [〇〇22]控制電路供電電路，使用寬輸入電壓的電源模塊，如圖4所示，電源模塊的輸入端連接直流母線，所述電源模塊的輸出端輸出24V直流電壓，使用時，從交流側(cè)線電壓380V取電，面板開關(guān)撥到閉合狀態(tài)，通過二極管不可控整流至直流母線，母線電壓達到537V電壓。 控制系統(tǒng)采用寬輸入電壓的電源模塊，把電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?4V直流電壓，然后24V直流電壓進一步轉(zhuǎn)為控制電路板用+15￥，+5￥，±15￥電壓;如圖4所示，2號電源板將寬輸入范圍的直流母線電壓，轉(zhuǎn)化為24V直流電壓，并輸出給1號電源板，1號電源板接收到24V直流電壓后，對該電壓進行變換處理，生成1路15V電壓給驅(qū)動電路供電，生成1路5V和一路±15V電壓給主控電路板供電。
[0023]本發(fā)明通過增加一個檢測直流電壓的PI控制器，以保持直流環(huán)節(jié)的電壓;其控制策略如圖5所示，將直流母線電壓給定值Udc*減去當前測量的實際值Udc，得到的電壓差值送入PI調(diào)節(jié)器計算處理后乘以1/2輸出作為電流調(diào)節(jié)信號，將所述電流調(diào)節(jié)信號分別減去變換器1和2當前的瞬時反饋電流iaf、ibf，得到的電流差值分別送入另一 PI調(diào)節(jié)器，這樣兩變換器的指令電流信號中就都含有有功電流分量，進而補償系統(tǒng)的補償電流中也含有一定的有功電流分量，從而使補償系統(tǒng)的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將直流母線電壓維持在給定值，所述另一 PI控制器的輸出與電力電子軟連接開關(guān)當前的狀態(tài)比較作差，將差值用以調(diào)節(jié)變換器1和變換器2。
[0024]本發(fā)明的有功平衡控制方法，其控制策略如圖6所示，將直流母線電壓給定值Udc* 減去當前測量的實際值Udc，得到的電壓差值經(jīng)PI控制器計算處理后輸出；將電網(wǎng)A和B的電流利用電網(wǎng)A和B的電壓分別鎖相并經(jīng)過低通濾波LPF后分離出電網(wǎng)A和B電流的有功分量， 所述電網(wǎng)A和B電流的有功分量和上述PI控制器的輸出求和后，乘以1/2,得到變換器指令電流iaref和ibref，將所述電網(wǎng)A和B的電網(wǎng)電流分別減去當前的指令電流iaref和ibref，得到的電流差值再分別減去變換器1和變換器2的反饋電流iaf、iM?，得到的差值送入另一 PI 控制器，所述另一 PI控制器的輸出與載波比較作差，將差值用以調(diào)節(jié)變換器1和變換器2的輸出；為實現(xiàn)兩相鄰電網(wǎng)負載之間的有功平衡，采取將兩個電網(wǎng)有功電流相加之后再平攤的辦法，之后對兩相負載分別進行補償。
[0025]上述具體實施例只是為了說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思和應(yīng)用特點，其目的在于讓熟悉此領(lǐng)域的工程設(shè)計人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)涵實質(zhì)并加以應(yīng)用，但并不能因此而限制本發(fā)明的保護范圍。因此實際應(yīng)用時的任何物理位置均在此專利的保護范圍之內(nèi)。無論在上文中出現(xiàn)了如何詳細的說明，也可以用許多方式實施本發(fā)明。上述控制方式的細節(jié)在其執(zhí)行細節(jié)中可以進行相當多的變化，然而其仍然包含在這里所公開的本發(fā)明中。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變換或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲，用于連接兩個任意電壓等級的電網(wǎng)A和B，其特征在于，所述電力電子軟連接開關(guān)拓撲中，依次包括:隔離變壓器1、開關(guān)1、濾波器1、電力電子軟連接開關(guān)、濾波器2、開關(guān)2、隔離變壓器2;所述電力電子軟連接開關(guān)由變換器I和變換器2構(gòu)成，兩個變換器的直流側(cè)連接在一起構(gòu)成直流母線，變換器I的交流側(cè)與濾波器I相連，變換器2的交流側(cè)與濾波器2相連，直流母線的正負極之間連接有直流支撐電容。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，所述電網(wǎng)A與所述濾波器I之間和所述電網(wǎng)B與所述濾波器2之間連接有不同變比的隔離變壓器I和隔離變壓器2;所述隔離變壓器I和隔離變壓器2采用三角形-星形結(jié)構(gòu)或者采用星形-三角形結(jié)構(gòu)或者星形-星形結(jié)構(gòu)或者三角形-三角形結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，所述變換器I和2各自包含3對或4對上下橋臂，輸出三相三線制或三相四線制交流電；所述變換器I和變換器2是三相六開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu)或四相八開關(guān)的全橋結(jié)構(gòu);或者所述變換器I和變換器2是多電平變換器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，所述直流支撐電容由兩只串聯(lián)的電容構(gòu)成，串聯(lián)的中點O作為零線，與變換器輸出的三相交流電共同構(gòu)成三相四線制交流輸出。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，所述變換器I和變換器2的三相交流輸出端分別連接一只電感，電感的一端與變換器I和2中三相橋臂中某一相的中點連接，電感的另一端通過一只電容，連接到中點O。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，所述變換器I和變換器2分別對電網(wǎng)A和電網(wǎng)B進行靜止動態(tài)無功補償(SVG)控制，和/或所述變換器I和變換器2對電網(wǎng)A和電網(wǎng)B進行有功平衡潮流控制。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，還包括直流母線初始取電電路，單相變壓器的兩個輸入端分別連接三相電網(wǎng)A或B其中的兩個相線，單相變壓器的輸出端連接二極管整流橋，二極管整流橋的輸出連接直流母線；單相變壓器的輸出端與二極管整流橋的連接線上，串聯(lián)有限流電阻;單相變壓器的輸入端與電網(wǎng)的連接線上，串聯(lián)有開關(guān)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子軟連接開關(guān)拓撲，其特征在于，還包括控制電路的取電電路，所述取電電路使用寬輸入電壓的電源模塊，所述電源模塊的輸入端連接直流母線，所述電源模塊的輸出端輸出24V直流電壓，將所述24V直流電壓通過電源板進一步轉(zhuǎn)換為+15V，+5V，± 15V電壓，以給控制電路和液晶板供電。9.一種電力電子軟連接開關(guān)拓撲直流母線穩(wěn)定控制方法，其特征在于，將直流母線電壓給定值Udc*減去當前測量的實際值Udc，得到的電壓差值送入PI調(diào)節(jié)器計算處理后乘以1/2輸出作為電流調(diào)節(jié)信號，將所述電流調(diào)節(jié)信號分別減去變換器I和2當前的瞬時反饋電流iaf、ibf，得到的電流差值分別送入另一 PI調(diào)節(jié)器，這樣兩變換器的指令電流信號中就都含有有功電流分量，進而補償系統(tǒng)的補償電流中也含有一定的有功電流分量，從而使補償系統(tǒng)的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將直流母線電壓維持在給定值。10.—種電力電子軟連接開關(guān)拓撲有功平衡控制方法，其特征在于，將直流母線電壓給定值Udc*減去當前測量的實際值Udc，得到的電壓差值經(jīng)PI控制器計算處理后輸出；將電網(wǎng)A和B的電流利用電網(wǎng)A和B的電壓分別鎖相并經(jīng)過低通濾波LPF后分離出電網(wǎng)A和B電流的有功分量，所述電網(wǎng)A和B電流的有功分量和上述PI控制器的輸出求和后，乘以1/2，得到變換器指令電流iaref和ibr ef，將所述電網(wǎng)A和B的電網(wǎng)電流分別減去當前的指令電流iaref和ibref，得到的電流差值再分別減去變換器I和變換器2的反饋電流iaf、ibf，得到的差值送入另一 PI控制器，所述另一 PI控制器的輸出與載波比較作差，將差值用以調(diào)節(jié)變換器I和變換器2的輸出；為實現(xiàn)兩相鄰電網(wǎng)負載之間的有功平衡，采取將兩個電網(wǎng)有功電流相加之后再平攤的辦法，之后對兩相負載分別進行補償。
【文檔編號】H02J3/36GK106099948SQ201610758866
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月30日
【發(fā)明人】王鵬, 霍群海, 馮光, 周寧, 徐銘銘, 王文博, 賀翔, 王黎煒, 吳理心, 胡志紅, 牛榮澤
【申請人】國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院, 中國科學(xué)院電工研究所, 河南恩湃電力技術(shù)有限公司, 國家電網(wǎng)公司