一种应用于智能微网的SVPWM固态变压器的制作方法

本发明涉及一种固态变压器，尤其涉及一种应用于智能微网的SVPWM固态变压器。

背景技术：

为了解决人类所面临的能源危机，大规模利用分布式能源和可再生能源发电，一种新的电网运行模式——微型电网近年来在国外发展十分迅速。未来可再生电能传输和管理（Future Renewable ElectricEnergy Delivery and Management，FREEDM）网络，是由美国北卡州立大学提出的新型智能微型电网模型，目前正在兴建1MW 的试验性示范电网。

FREEDM是一个革命性的绿色低碳电力网络，它基于高带宽数字通信、分布式控制和电力电子器件。在结构上，它是一个特殊的微型环形网络，回路由电缆或传输线连接，电压设计为10kV，与本地供电系统并网的电压可为35kV或110kV（美国这两项数据分别为12.47kV、69kV）。各种可再生分布式电源、储能设备和负载通过固态变压器（Solid State Transformer，SST）提供的接口接入系统。分布式电源可以采用太阳能光伏电池、风力发电机、燃料电池和微型燃气轮机等。储能设备包括蓄电池、超级电容等，用于维持网络中的功率平衡，实现负荷的削峰填谷。各电源、储能设备和负载之间并联。FREEDM 既可以并入当地主电网运行，也可以与主电网解列孤岛运行。

在FREEDM 中，SST用于替代传统的工频变压器。与传统变压器相比，固态变压器提供的四象限功率控制允许分布式发电设备即插即用，任意将储能设施和负载接入FREEDM 而不影响附近其他用户，为用户提供高品质的供电。电能在SST 中可以双向流动，因此FREEDM中电能的流动可以是多向的，它是一个能源的因特网，每个电力用户不仅是能源的消费者，也是能源的供应者。用户可以根据自身的需求将分布式电源产生的多余电能卖回给电力公司。

技术实现要素：

为了克服古台变压器控制方法中存在的难题，本发明提出一种应用于智能微网的SVPWM固态变压器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于智能微网的SVPWM固态变压器，包括三相交直交拓扑结构、空间矢量调制技术、双环解耦控制三个部分。

所述三相交直交拓扑结构由输入侧三相全控整流器、中间DC-DC直流变换单元和输出侧三相全控逆变器三部分组成。

所述空间矢量调制技术利用空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，其开关频率在1~3kHz之间。

所述双环解耦控制把电网电压作为前馈补偿，实现d轴电流回路和q轴电流回路的解耦控制。

本发明的有益效果是：固态变压器通过电力电子变换技术实现电力系统中电压变换和能量传递，具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点。它不仅具有变压功能，而且兼具限制故障电流、平衡有功功率、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等多种功能。

附图说明

图1 三相交直交拓扑结构。

图2 电压空间矢量合成图。

图3 双环解耦控制。

图4 逆变单元控制框图。

具体实施方案

如图1所示，该结构由输入侧三相全控整流器、中间DC-DC直流变换单元和输出侧三相全控逆变器三部分组成，其中，中间DC-DC 直流变换单元又由一个单相全桥逆变器、高频变压器和一个单相全桥整流器三部分组成。高压工频交流输入首先通过输入AC-DC 整流器变换为高压直流电；再通过一个单相全桥变换器被调制成高频高压交流电，然后通过高频变压器降压变换为高频低压交流电，该低压交流电经单相全控整流器被还原为直流；最后经过输出DC-AC 逆变单元变换为所需的低压工频交流输出。

本发明采用一种输入侧串联、输出侧并联的大容量SST 实现方案。其特点是，通过输入模块的串联提高了输入电压等级，通过输出模块的并联提高了输出电流等级。非常适用于高压大功率应用场合

如图2所示，空间电压矢量控制用三相电压矢量去逼近矢量电压圆，输入端会得到等效三相正弦电压波形。三相变流器空间电压矢量共有8 个，除2 个零矢量外，其余6 个非零矢量对称均匀分布在复平面上。对任一给定的空间电压矢量Ur，均可由相邻的两个基本电压矢量和零电压矢量来合成。

空间电压矢量合成的计算步骤如下：

（1）判断参考电压矢量所在扇区，选择参与矢量合成的基本空间矢量。

（2）计算每个空间矢量的作用时间（占空比）。

（3）确定空间矢量序列。

如图3所示，d轴电流和q轴电流之间存在耦合，在d轴控制回路中增加一项：它刚好抵消d轴等效电路模型中来自q轴的影响；对q轴电流控制器进行同样改造，即可实现d轴电流回路和q轴电流回路的解耦控制。为了提高系统的抗干扰能力和动态性能，把电网电压作为前馈补偿，于是得到SVPWM整流器的双环解耦控制。

中间DC-DC变换单元由单相全桥逆变电路、高频隔离变压器和单相桥式全控整流电路组成。由整流单元输出的高压直流电首先通过逆变器调制成高频方波，再通过高频变压器耦合到二次侧，最后通过一个由同步信号控制的整流器还原成低压直流。

输出单元由三相半桥逆变器和LC 滤波器组成，其功能为输出恒定幅值的三相工频正弦交流电。三相半桥电路采用中性点引出接线，三相之间没有耦合关系，每一相都是独立的，可以看成是三个输出电压相位互差120°的单相半桥逆变器的组合，因此可以应用单相逆变器的控制方法。

如图4所示，输出电压经整流滤波后得到直流量与给定参考信号的有效值进行比较，得到的误差信号经外环调节器后的输出作为内环参考正弦波的幅值，这个幅值与单位正弦波相乘后作为内环给定信号。内环给定信号与输出电压瞬时值比较，得到的误差信号经PI调节器运算，作为内环的控制信号送入SVPWM 发生器。