交流电网用双端口柔性合环装置的制作方法

本发明涉及一种交流电网用双端口柔性合环装置。

背景技术：

相对于现有的基于机械式开关的交流电网合环方式，基于电力电子技术的柔性合环装置可在不增大原有电网短路容量的同时，实现有功功率和无功功率的精确灵活控制，在配电网中具有广泛用途。

现有的柔性合环装置主要采用模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，mmc)以及高频隔离的电力电子变流器技术实现。例如专利cn201511001333、cn201510844540均采用了mmc的方案，使用工频变压器进行隔离；另外，专利cn201710012054经过了ac(工频)/dc、dc/ac(高频)和ac(高频)/dc三级电能变换器，并采用高频变压器实现不同端口之间的电气隔离。但是，无论是mmc或者高频隔离的方案，均存在功率半导体器件数量多、储能电容需求高、占地面积大等问题，限制了柔性合环装置的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有柔性合环装置中元器件数量多、系统复杂、占地面积大、造价高等缺点，提出一种高功率密度型交流电网用双端口柔性合环装置。

本发明交流电网用双端口柔性合环装置由第一加法联接变压器1、第二加法联接变压器2、第一双向变流器1、第二双向变流器2、第三双向变流器3和第四双向变流器4组成。所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧绕组的a相连接端子为ta、tx，b相连接端子为tb、ty，c相连接端子为tc、tz。第一加法联接变压器1的高压侧绕组a相连接端子ta、b相连接端子tb、c相连接端子tc连接一个三相交流系统，第二加法联接变压器2的高压侧绕组a相连接端子ta、b相连接端子tb、c相连接端子tc也连接一个三相交流系统；第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧绕组的a相连接端子tx、b相连接端子ty、c相连接端子tz均连接到m点，形成星形连接结构。所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧绕组均包括第一三相开绕组和第二三相开绕组，第一三相开绕组的a相绕组连接端子为a1、x1，第一三相开绕组的b相绕组连接端子为b1、y1，第一三相开绕组的c相绕组连接端子为c1、z1，第二三相开绕组的a相绕组连接端子为a2、x2，第二三相开绕组的b相绕组连接端子为b2、y2，第二三相开绕组的c相绕组连接端子为c2、z2。第一双向变流器1的直流侧与第二双向变流器2的直流侧并联连接在一起，第三双向变流器3的直流侧与第四双向变流器4的直流侧并联连接在一起。第一双向变流器1的交流侧端子t1、t2分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组a相端子a1、x1连接，第一双向变流器1的交流侧端子t3、t4分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组b相端子b1、y1连接，第一双向变流器1的交流侧端子t5、t6分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组c相端子c1、z1连接。第二双向变流器2的交流侧端子t1、t2分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组a相端子a1、x1连接，第二双向变流器2的交流侧端子t3、t4分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组b相端子b1、y1连接，第二双向变流器2的交流侧端子t5、t6分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组c相端子c1、z1连接。第三双向变流器3的交流侧端子t1、t2分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组a相端子a2、x2连接，第三双向变流器3的交流侧端子t3、t4分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组b相端子b2、y2连接，第三双向变流器3的交流侧端子t5、t6分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组c相端子c2、z2连接。第四双向变流器4的交流侧端子t1、t2分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组a相端子a2、x2连接，第四双向变流器4的交流侧端子t3、t4分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组b相端子b2、y2连接，第四双向变流器4的交流侧端子t5、t6分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组c相端子c2、z2连接。

所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的铁芯结构相同，均由顶部铁芯、底部铁芯、am铁芯、a1铁芯、a2铁芯、bm铁芯、b1铁芯、b2铁芯、cm铁芯、c1铁芯和c2铁芯组成。顶部铁芯位于上部，底部铁芯位于下部，且顶部铁芯和底部铁芯水平平行放置，am铁芯、a1铁芯、a2铁芯、bm铁芯、b1铁芯、b2铁芯、cm铁芯、c1铁芯和c2铁芯放置的位置均与顶部铁芯和底部铁芯垂直；am铁芯位于最左侧，bm铁芯位于中间，cm铁芯位于最右侧，且bm铁芯与am铁芯、cm铁芯的距离相等；a1铁芯和a2铁芯位于am铁芯的下方，且a1铁芯在左侧，a2铁芯在右侧；b1铁芯和b2铁芯位于bm铁芯的下方，且b1铁芯在左侧，b2铁芯在右侧；c1铁芯和c2铁芯位于cm铁芯的下方，且c1铁芯在左侧，c2铁芯在右侧；a1铁芯的一端和a2铁芯的一端连接到am铁芯的一端，a1铁芯的另一端、a2铁芯的另外一端连接到底部铁芯，am铁芯不与a1铁芯、a2铁芯连接的一端连接到顶部铁芯。b1铁芯的一端、b2铁芯的一端连接到bm铁芯的一端，b1铁芯的另一端、b2铁芯的另一端连接到底部铁芯，bm铁芯不与b1铁芯、b2铁芯连接的一端连接到顶部铁芯。c1铁芯、c2铁芯的一端连接到cm铁芯的一端，c1铁芯、c2铁芯的另外一端连接到底部铁芯，cm铁芯不与c1铁芯、c2铁芯连接的另外一端连接到顶部铁芯。

所述第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧a相绕组绕制在am铁芯上，高压侧b相绕组绕制在bm铁芯上，高压侧c相绕组绕制在cm铁芯上。

所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧第一开绕组a相绕组绕制在a1铁芯上，低压侧第一开绕组b相绕组绕制在b1铁芯上，低压侧第一开绕组c相绕组绕制在c1铁芯上，低压侧第二开绕组a相绕组绕制在a2铁芯上，低压侧第二开绕组b相绕组绕制在b2铁芯上，低压侧第二开绕组c相绕组绕制在c2铁芯上。

所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧三相绕组的磁阻均相等，且绕组匝数相等。所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组和第二三相开绕组的每相绕组的磁阻均相等，且绕组匝数相等。

所述的第一双向变流器1、第二双向变流器2、第三双向变流器3和第四双向变流器4向第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组和第二三相开绕组输出的每相电压最多为n个电平，n≥3。通过第二加法联接变压器2对电压的叠加作用，第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧绕组每相输出电压最多可以输出2n-1个电平。

相对于现有的柔性合环装置，本发明具有所需元器件数量少、占地小、造价低的特点，且可以扩展应用到多端交流端口。

附图说明

图1为本发明交流电网用双端口柔性合环装置的电路原理图；

图2为本发明交流电网用双端口柔性合环装置的加法联接变压器1和加法联接变压器2的电路及磁路原理图；

图3为本发明交流电网用双端口柔性合环装置的双向变流器1-4的一个实施例的电路拓扑原理图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明交流电网用双端口柔性合环装置由第一加法联接变压器1、第二加法联接变压器2、第一双向变流器1、第二双向变流器2、第三双向变流器3和第四双向变流器4组成。所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧绕组的a相连接端子为ta、tx，b相连接端子为tb、ty，c相连接端子为tc、tz。第一加法联接变压器1的高压侧绕组a相连接端子ta、b相连接端子tb、c相连接端子tc连接一个三相交流系统，第二加法联接变压器2的高压侧绕组a相连接端子ta、b相连接端子tb、c相连接端子tc也连接一个三相交流系统，第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧绕组的a相连接端子tx、b相连接端子ty、c相连接端子tz均连接到m点，形成星形连接结构。所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧绕组均包括第一三相开绕组和第二三相开绕组，第一三相开绕组的a相绕组连接端子为a1、x1，第一三相开绕组的b相绕组连接端子为b1、y1，第一三相开绕组的c相绕组连接端子为c1、z1，第二三相开绕组的a相绕组连接端子为a2、x2，第二三相开绕组的b相绕组连接端子为b2、y2，第二三相开绕组的c相绕组连接端子为c2、z2。第一双向变流器1的直流侧与第二双向变流器2的直流侧并联连接在一起，第三双向变流器3的直流侧与第四双向变流器4的直流侧并联连接在一起。第双向变流器1的交流侧端子t1、t2分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组a相端子a1、x1连接，第一双向变流器1的交流侧端子t3、t4分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组b相端子b1、y1连接，第一双向变流器1的交流侧端子t5、t6分别与第一加法联接变压器1的低压侧第一三相开绕组c相端子c1、z1连接。第二双向变流器2的交流侧端子t1、t2分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组a相端子a1、x1连接，第二双向变流器2的交流侧端子t3、t4分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组b相端子b1、y1连接，第二双向变流器2的交流侧端子t5、t6分别与第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组c相端子c1、z1连接。第三双向变流器3的交流侧端子t1、t2分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组a相端子a2、x2连接，第三双向变流器3的交流侧端子t3、t4分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组b相端子b2、y2连接，第三双向变流器3的交流侧端子t5、t6分别与第一加法联接变压器1的低压侧第二三相开绕组c相端子c2、z2连接。第四双向变流器4的交流侧端子t1、t2分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组a相端子a2、x2连接，第四双向变流器4的交流侧端子t3、t4分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组b相端子b2、y2连接，第四双向变流器4的交流侧端子t5、t6分别与第二加法联接变压器2的低压侧第二三相开绕组c相端子c2、z2连接。

所述的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧a相绕组绕制在am铁芯上，高压侧b相绕组绕制在bm铁芯上，高压侧c相绕组绕制在cm铁芯上。第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧第一开绕组a相绕组绕制在a1铁芯上，低压侧第一开绕组b相绕组绕制在b1铁芯上，低压侧第一开绕组c相绕组绕制在c1铁芯上，低压侧第二开绕组a相绕组绕制在a2铁芯上，低压侧第二开绕组b相绕组绕制在b2铁芯上，低压侧第二开绕组c相绕组绕制在c2铁芯上。第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的高压侧三相绕组磁阻均相等，且绕组匝数相等。第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的低压侧第一三相开绕组和第二三相开绕组的每相绕组磁阻均相等，且绕组匝数相等。

图2为本发明交流电网用双端口柔性合环装置的第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2的电路及磁路原理图。如图2所示，第一加法联接变压器1和第二加法联接变压器2均由顶部铁芯、底部铁芯、am铁芯、a1铁芯、a2铁芯、bm铁芯、b1铁芯、b2铁芯、cm铁芯、c1铁芯和c2铁芯组成。顶部铁芯位于上部，底部铁芯位于下部，且顶部铁芯和底部铁芯水平平行放置，am铁芯、a1铁芯、a2铁芯、bm铁芯、b1铁芯、b2铁芯、cm铁芯、c1铁芯和c2铁芯放置的位置均与顶部铁芯和底部铁芯垂直；am铁芯位于最左侧，bm铁芯位于中间，cm铁芯位于最右侧，且bm铁芯与am铁芯、cm铁芯的距离相等；a1铁芯和a2铁芯位于am铁芯的下方，且a1铁芯在左侧，a2铁芯在右侧；b1铁芯和b2铁芯位于bm铁芯的下方，且b1铁芯在左侧，b2铁芯在右侧；c1铁芯和c2铁芯位于cm铁芯的下方，且c1铁芯在左侧，c2铁芯在右侧；a1铁芯的一端和a2铁芯的一端连接到am铁芯的一端，a1铁芯的另一端、a2铁芯的另外一端连接到底部铁芯，am铁芯不与a1铁芯、a2铁芯连接的一端连接到顶部铁芯。b1铁芯的一端、b2铁芯的一端连接到bm铁芯的一端，b1铁芯的另一端、b2铁芯的另一端连接到底部铁芯，bm铁芯不与b1铁芯、b2铁芯连接的一端连接到顶部铁芯。c1铁芯、c2铁芯的一端连接到cm铁芯的一端，c1铁芯、c2铁芯的另外一端连接到底部铁芯，cm铁芯不与c1铁芯、c2铁芯连接的另外一端连接到顶部铁芯。

图3为所述的双向变流器1-4的一种具体的电路拓扑原理图。所述的双向变流器采用如图3所示的三相六桥臂逆变器，所述的三相六桥臂逆变器由直流电容cd、开关sx1-sx4和二极管dx1-dx4构成，此处的x＝a，b，c；开关sa1与sa2的公共连接点为t1，开关sa3与sa4的公共连接点为t2，开关sb1与开关sb2的公共连接点为t3，开关sb3与开关sb4的公共连接点为t4，开关sc1与开关sc2的公共连接点为t5，开关sc3与开关sc4的公共连接点为t6；开关sa1、开关sa3、开关sb1、开关sb3、开关sc1和开关sc3的集电极均连接到直流电容cd的正极，开关sa2、开关sa4、开关sb2、开关sb4、开关sc2和开关sc4的发射极均连接到直流电容cd的负极；开关sxy的集电极与二极管dxy阴极连接在一起，开关sxy的发射极与二极管dxy阳极连接在一起，此处的x＝a，b，c；y＝1，2，3，4。直流电容cd的正极作为三相六桥臂逆变器的直流端口正极端子p，直流电容cd的负极作为三相六桥臂逆变器的直流端口负极端子n。