一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构的制作方法

本发明属于配电网柔性互联
技术领域：
，具体涉及一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构。
背景技术：
：分布式可再生能源发电并网容量的急剧增大，以电动汽车为代表的新型负荷的大规模接入，电源结构与种类的不断变化，负荷特性的日益多样化，已经对当前的配电网产生了广泛而深远的影响。主要表现为：功率流向日趋复杂，负荷波动加剧，单电源辐射状结构变成有源网络结构，电压越限等电能质量问题日益突出，供电可靠性降低。以光伏与风电为代表的可再生能源发电具有典型的间歇性、随机性，其发电出力随时间尺度和地理范围的变化率相对较高，同一条馈线上可再生能源出力与负荷的时序特性决定了可再生能源高出力时段与重负荷时段的错位，这对配电网的电能质量和可再生能源消纳均产生不利的影响。此外，配电网的运行也面临着电磁环网的解环与合环、提高负载率的均衡度、无功电压的优化控制以及避免短时供电中断等问题。围绕这些问题，国内外的研究者提出了实时重构、主动配电网分层分布式控制以及需求侧响应等多种解决方案。然而，配电网的柔性互联是实现上述解决方案的重要基础，传统的互联方式缺乏足够的可控性和灵活性。当前配电网的联络通常依靠分段和联络开关以及变压器分接头。分段和联络开关仅仅有开、合两种状态，响应速度一般为秒级，开合动作次数也有明确的限制，不具备调节能力并且会增大短路电流。配电变压器增加分接头是一种具备调节能力的方案，但是采用分接头调节灵活度有限，并且调节范围比较窄、调节精度也比较低。因此目前配电网的这些传统装备，已经不能满足当前配电网对智能化、精细化以及实时化的运行要求。随着电力电子变换技术的快速发展，基于电力电子技术的配电网柔性互联装备受到广泛的关注和研究，与传统的联络开关相比，基于电力电子技术的柔性互联装备，不仅具备开和合两种状态，而且不存在机械式开关动作次数的限制，增加了功率连续可控状态，兼具运行柔性切换、控制方式灵活多样等特点。引起关注最终多的是柔性直流输电系统，2003年前后，研究者就考虑是否可以将vsc-hvdc用于城市配电网，但是由于必须采用igbt串联型换流器，其研制难度大，造价昂贵、损耗较高，因此相关研究仅仅停留在了概念层面。英国帝国理工大学提出了软常开点(softnormally-openpoint,snop)的概念，snop能够准确的控制其所连接两侧馈线的有功与无功功率，改变了传统配电网闭环设计、开环运行的供电方式，提高了配电网的供电可靠性，改善了负载率的均衡度。目前基于模块化多电平换流器(mmc)拓扑结构的snop装备成为主流技术，mmc因其能够模块化生产的优点，已在国内外多个工程中用于新能源并网或输电网分区互联。然而，mmc型vsc-hvdc存在的一些特点可能会不利于它在配电网中的应用。mmc采用了基于全控型器件(比如igbt)的ac/dc/ac的两级功率变换，降低了变换器的效率，增加了直流侧故障保护的难度。此外，mmc拓扑结构中必须要使用大量的直流侧电容器，这会导致装备的体积过大、成本过高。基于mmc的snop装备拥有一个巨大的优势就是能够实现异步互联，然而在配电网中几乎对这方面没有需求。技术实现要素：本发明的目的是提供一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构，该拓扑能够控制互联馈线之间的潮流，实现配电网馈线的柔性互联。本发明所采用的技术方案是，一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构，包括三相交流电源、3个功率调节单元、3个buck型直接式ac-ac变换器ut-ac、三相多绕组隔离变压器、3个lc低通滤波器；其中，每个功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器bt-ac组成；一条馈线末端节点a、b、c三相交流电源接入三相多绕组隔离变压器的一次侧；三相多绕组隔离变压器的二次侧共9个绕组，每个单相3个绕组，每个单相的3个绕组分别对应为1个ut-ac、2个bt-ac供电；a相ut-ac变换器输出端口的负极与b相bt-ac变换器输出端口的正极相连；b相bt-ac变换器输出端口的负极与c相bt-ac变换器输出端口的正极相连；a相ut-ac变换器输出端口的正极与c相bt-ac变换器输出端口的负极构成输出二端口，输出二端口的正极连接于另一条馈线的末端，负极与其它两相输出二端口的负极连接于一点n2；所述b、c相的接法同a相。本发明的特点还在于：a相的功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器bt-ac组成；b相变压器二次侧绕组tb2为bt-ac变换器ba的交流输入；c相变压器二次侧绕组tc2为bt-ac变换器ca的交流输入；变换器ba输出二端口的负极与变换器ca输出二端口的正极相连，构成应用于a相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ba输出二端口的正极，负极为变换器ca输出二端口的负极；b相的功率调节单元由两双极性直接式ac-ac变换器组成；a相变压器二次侧绕组ta3为bt-ac变换器ab的交流输入；c相变压器二次侧绕组tc3为bt-ac变换器cb的交流输入；变换器ab输出二端口的负极与变换器cb输出二端口的正极相连，构成应用于b相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ab输出二端口的正极，负极为变换器cb输出二端口的负极；c相的功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器组成；a相变压器二次侧绕组ta4为bt-ac变换器ac的交流输入；b相变压器二次侧绕组tb4为bt-ac变换器bc的交流输入；变换器ac输出二端口的负极与变换器bc输出二端口的正极相连，构成应用于c相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ac输出二端口的正极，负极为变换器bc输出二端口的负极。双极性直接式ac-ac变换器bt-ac由输入滤波电容、h桥、信号控制单元组成；其中，h桥由正、负桥臂构成；输入滤波电容为高频薄膜电容；输入滤波电容一端与单相交流输入的正极连接，另一端与单相交流输入的负极连接；h桥的每个桥臂由4个全控型功率开关管、1个箝位电容构组成；正、负极性桥臂的一端与单相交流电源的正极连接，另一端与负极连接；正、负极性桥臂对地各有一个输出端口，两个桥臂构成二端输出端口。正极性桥臂的全控型功率开关管由上到下依次为s2、s1、s1c、s2c；s2的发射极与单相交流电源的正极连接，集电极与s1的集电极连接；s1的发射极与s1c的集电极连接，s1c的发射极与s2c的发射极连接；s2c的集电极与单相交流电源的负极连接；箝位电容c3一端与s1的集电极相连，另一端与s1c的发射极相连；正极性桥臂的输出端由开关管s1的发射极与s1c的集电极之间引出。构成负极性桥臂的全控型功率开关管由上到下依次为s2p、s1p、s1cp、s2cp；s2p的发射极与单相交流电源的正极连接，集电极与s1p的集电极连接；s1p的发射极与s1cp的集电极连接；s1cp的发射极与s2cp的发射极连接；s2cp的集电极与单相交流电源的负极连接；箝位电容c2箝位在开关管s1p的集电极与s1cp的发射极之间引出。buck型直接式ac-ac变换器ut-ac每相一个；buck型直接式ac-ac变换器ut-ac由交流输入电源、两个输入电容、四个全控型功率开关管igbt组成；电容c1的负极与电容c2的正极相连；电容c1的正极与电源的正极相连；电容c2的负极与电源的负极相连；四个igbt从上到下依次为t1、t2、t3、t4；t1的集电极与c1的正极相连，发射极与t2的集电极连接；t2的发射极连接至t3的发射极；t3的集电极与t4的发射极连接；t4的集电极与电容c2的负极相连；c1的负极与t2的发射极连接；t1的发射极为桥臂的正极输出，t3的集电极为桥臂的负极输出，这两个端口构成buck型直接式ac-ac变换器ut-ac的输出二端口。三相多绕组隔离变压器的a相输入绕组为ta1，a相输出绕组为ta2、ta3、ta4，变比为ta1：ta2：ta3：ta4＝2：2：1：1；b相输入绕组为tb1，b相输出绕组为tb2、tb3、tb4，变比为tb1：tb2：tb3：tb4＝2：2：1：1；c相输入绕组为tc1，c相输出绕组为tc2、tc3、tc4，变比为tc1：tc2：tc3：tc4＝2：2：1：1；变压器的所有绕组之间均隔离。lc低通滤波器每相一个；lc低通滤波器由输出滤波电感、输出滤波电容组成；电感l与电容c组成二端口；lc低通滤波器的输入二端口与每相各模块级联后的输出二端口连接，输出端口即为各相电压出端口。一条馈线末端节点a、b、c三相交流电源分别对应接入三相多绕组隔离变压器的输入绕组ta1、tb1、tc1；a相接绕组ta1的正极，b相接绕组tb1的正极，c相接绕组tc1的正极；绕组ta1、tb1、tc1的负极连接在一起，连接点为n1；a相变压器的二次侧绕组ta2接buck型直接式ac-ac变换器aa的输入端，绕组ta3接bt-ac变换器ab的输入端，绕组ta4接bt-ac变换器ac的输入端；b相变压器的二次侧绕组tb2接bt-ac变换器ba的输入端，绕组tb3接buck型直接式ac-ac变换器bb的输入端，绕组tb4接bt-ac变换器bc的输入端；c相变压器的二次侧绕组tc2接bt-ac变换器ca的输入端，绕组tc3接bt-ac变换器cb的输入端，绕组tc4接buck型直接式ac-ac变换器cc的输入端；aa变换器输出端口的负极接ba变换器输出端口的正极，ba变换器输出端口的负极极与ca变换器输出端口的正极相连；ab变换器输出端口的负极接bb变换器输出端口的正极，bb变换器输出端口的负极极与cb变换器输出端口的正极相连；ac变换器输出端口的负极接bc变换器输出端口的正极，bc变换器输出端口的负极极与cc变换器输出端口的正极相连；ca变换器输出端口的负极、cb变换器输出端口的负极、cc变换器输出端口的负极连在一起，连接点为n2；aa、ba、ca共用一个lc滤波器；ab、bb、cb共用一个lc滤波器；ac、bc、cc共用一个lc滤波器；各相滤波器的输入二端口与各自相所有模块级联后的输出二端口连接；aa变换器输出端口的正极、ab变换器输出端口的正极、ac变换器输出端口的正极分别对应为a、b、c三相电压输出，且均连接于另一条馈线的末端。本发明的有益效果是：(1)与传统ac-ac变换器拓扑结构相比，本结构所采用的bt-ac变换器无需有损耗的rc缓冲电路，也不需要采用专门的换流策略就能够实现安全换流，提高了变换器的可靠性；(2)本发明的功率变换单元无论是是输出什么角度和幅值的电压，都工作在buck/boost模式，除了闭锁模式外，输出电流不会出现断续；同时输出电压范围广，其相角范围为360度，幅值范围随变压器变比任意可调；(3)与采用sssc的sop相比，本发明可连续灵活的调节馈线之间的有功和无功功率，并且功率调节范围可随着变压器的改变而提高；除此之外在一定范围内有功功率和无功功率的调节是解耦的，可实现有功功率和无功功率的独立控制；(4)在发生故障时，可利用buck型直接式ac-ac变换器将两条馈线断开，实现对电网和负载的保护，还可对负载提供不间断供电；(5)与其他类型的sop相比，本发明没有直流环节，也没有储能设备，不需要对电能进行多次变换，拥有更好的稳定性，提高了装置的效率和可靠性，有效的减小了装置的体积和成本；(6)本发明的拓扑结构能够控制互联馈线之间的潮流，实现配电网馈线的柔性互联故障情况下，可以实现对于隔离负载的恢复供电；通过对配电网中馈线的柔性互联，能够提高分布式发电在配电网中的渗透率，提高配电网的电能质量和供电可靠性。附图说明图1是本发明变换器拓扑结构的电性连接示意图；图2是本发明变换器拓扑结构在馈线中的连接示意图；图3是本发明变换器拓扑结构中功率调节单元的电性连接示意图；图4是本发明变换器拓扑结构中bt-ac变换器的拓扑结构图；图5是本发明变换器拓扑结构中bt-ac变换器的控制原理图；图6是本发明变换器拓扑结构中ut-ac变换器的拓扑结构图；图7是本发明变换器拓扑结构的电压调节原理图；图8是本发明变换器拓扑结构中变压器变比为1：1：1：1时的电压补偿范围图；图9是本发明变换器拓扑结构中lc低通滤波器原理图；图10是本发明变换器拓扑结构的调幅值模式输出正极性补偿电压波形图；图11是本发明变换器拓扑结构的调幅值模式输出负极性补偿电压波形图；图12是本发明变换器拓扑结构的调相位模式滞后补偿输出电压波形图；图13是本发明变换器拓扑结构的调相位模式超前补偿输出电压波形图；图14是本发明变换器拓扑结构的移相调压模式输出电压波形图；图15是本发明变换器拓扑结构的带阻性负载时的输出波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。如图1、图2所示，本发明一种级联型灵活交流链变换器拓扑结构，包括三相交流电源、3个功率调节单元、3个buck型直接式ac-ac变换器ut-ac、三相多绕组隔离变压器、3个lc低通滤波器；其中，每个功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器bt-ac组成；一条馈线末端节点a、b、c三相交流电源接入三相多绕组隔离变压器的一次侧；三相多绕组隔离变压器的二次侧共9个绕组，每个单相3个绕组，每个单相的3个绕组分别对应为1个ut-ac、2个bt-ac供电；a相ut-ac变换器输出端口的负极与b相bt-ac变换器输出端口的正极相连；b相bt-ac变换器输出端口的负极与c相bt-ac变换器输出端口的正极相连；a相ut-ac变换器输出端口的正极与c相bt-ac变换器输出端口的负极构成输出二端口，输出二端口的正极连接于另一条馈线的末端，负极与其它两相输出二端口的负极连接于一点n2；b、c相的接法同a相。如图3所示，a相的功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器bt-ac组成；b相变压器二次侧绕组tb2为bt-ac变换器ba的交流输入；c相变压器二次侧绕组tc2为bt-ac变换器ca的交流输入；变换器ba输出二端口的负极与变换器ca输出二端口的正极相连，构成应用于a相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ba输出二端口的正极，负极为变换器ca输出二端口的负极；b相的功率调节单元由两双极性直接式ac-ac变换器组成；a相变压器二次侧绕组ta3为bt-ac变换器ab的交流输入；c相变压器二次侧绕组tc3为bt-ac变换器cb的交流输入；变换器ab输出二端口的负极与变换器cb输出二端口的正极相连，构成应用于b相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ab输出二端口的正极，负极为变换器cb输出二端口的负极；c相的功率调节单元由两个双极性直接式ac-ac变换器组成；a相变压器二次侧绕组ta4为bt-ac变换器ac的交流输入；b相变压器二次侧绕组tb4为bt-ac变换器bc的交流输入；变换器ac输出二端口的负极与变换器bc输出二端口的正极相连，构成应用于c相的功率变换单元；功率变换单元的输出为二端口，其正极为变换器ac输出二端口的正极，负极为变换器bc输出二端口的负极。双极性直接式ac-ac变换器bt-ac由输入滤波电容、h桥、信号控制单元组成；其中，h桥由正、负桥臂构成；输入滤波电容为高频薄膜电容；输入滤波电容一端与单相交流输入的正极连接，另一端与单相交流输入的负极连接；h桥的每个桥臂由4个全控型功率开关管、1个箝位电容构组成；正、负极性桥臂的一端与单相交流电源的正极连接，另一端与负极连接；正、负极性桥臂对地各有一个输出端口，两个桥臂构成二端输出端口。正极性桥臂的全控型功率开关管由上到下依次为s2、s1、s1c、s2c；s2的发射极与单相交流电源的正极连接，集电极与s1的集电极连接；s1的发射极与s1c的集电极连接，s1c的发射极与s2c的发射极连接；s2c的集电极与单相交流电源的负极连接；箝位电容c3一端与s1的集电极相连，另一端与s1c的发射极相连；正极性桥臂的输出端由开关管s1的发射极与s1c的集电极之间引出。构成负极性桥臂的全控型功率开关管由上到下依次为s2p、s1p、s1cp、s2cp；s2p的发射极与单相交流电源的正极连接，集电极与s1p的集电极连接；s1p的发射极与s1cp的集电极连接；s1cp的发射极与s2cp的发射极连接；s2cp的集电极与单相交流电源的负极连接；箝位电容c2箝位在开关管s1p的集电极与s1cp的发射极之间引出。图4为双极性直接式ac-ac变换器bt-ac拓扑结构；由图7可知，bt-ac变换器的输入端与单相交流电源连接，变换器从电源获得50hz正弦交流电能vin，经过bt-ac变换器变换，然后将电能送到lc低通滤波器的输入端，经过滤波后得到50hz正弦交流电。图5为双极性直接式ac-ac变换器bt-ac的控制原理图；其中，vin为单相工频交流电源的输入电压，d1和d2分别为ac-ac变换器正、负极性桥臂的调制比；uc为频率12khz；峰值0到1的三角载波；输入电压vin与0电位比较产生50hz的方波信号，调制波与三角载波比较产生另一个方波信号，两个方波信号做逻辑运算产生驱动对应开关管的pwm驱动信号，当驱动信号为高电平时，对应的开关管开通，当驱动信号为0电平时，对应的开关管关断。如图6所示，buck型直接式ac-ac变换器ut-ac每相一个；buck型直接式ac-ac变换器ut-ac由交流输入电源、两个输入电容、四个全控型功率开关管igbt组成；电容c1的负极与电容c2的正极相连；电容c1的正极与电源的正极相连；电容c2的负极与电源的负极相连；四个igbt从上到下依次为t1、t2、t3、t4；t1的集电极与c1的正极相连，发射极与t2的集电极连接；t2的发射极连接至t3的发射极；t3的集电极与t4的发射极连接；t4的集电极与电容c2的负极相连；c1的负极与t2的发射极连接；t1的发射极为桥臂的正极输出，t3的集电极为桥臂的负极输出，这两个端口构成buck型直接式ac-ac变换器ut-ac的输出二端口。三相多绕组隔离变压器的a相输入绕组为ta1，a相输出绕组为ta2、ta3、ta4，变比为ta1：ta2：ta3：ta4＝2：2：1：1；b相输入绕组为tb1，b相输出绕组为tb2、tb3、tb4，变比为tb1：tb2：tb3：tb4＝2：2：1：1；c相输入绕组为tc1，c相输出绕组为tc2、tc3、tc4，变比为tc1：tc2：tc3：tc4＝2：2：1：1；变压器的所有绕组之间均隔离。lc低通滤波器每相一个；lc低通滤波器由输出滤波电感、输出滤波电容组成；电感l与电容c组成二端口；lc低通滤波器的输入二端口与每相各模块级联后的输出二端口连接，输出端口即为各相电压出端口。如图1、图2所示，一条馈线末端节点a、b、c三相交流电源分别对应接入三相多绕组隔离变压器的输入绕组ta1、tb1、tc1；a相接绕组ta1的正极，b相接绕组tb1的正极，c相接绕组tc1的正极；绕组ta1、tb1、tc1的负极连接在一起，连接点为n1；a相变压器的二次侧绕组ta2接buck型直接式ac-ac变换器aa的输入端，绕组ta3接bt-ac变换器ab的输入端，绕组ta4接bt-ac变换器ac的输入端；b相变压器的二次侧绕组tb2接bt-ac变换器ba的输入端，绕组tb3接buck型直接式ac-ac变换器bb的输入端，绕组tb4接bt-ac变换器bc的输入端；c相变压器的二次侧绕组tc2接bt-ac变换器ca的输入端，绕组tc3接bt-ac变换器cb的输入端，绕组tc4接buck型直接式ac-ac变换器cc的输入端；aa变换器输出端口的负极接ba变换器输出端口的正极，ba变换器输出端口的负极极与ca变换器输出端口的正极相连；ab变换器输出端口的负极接bb变换器输出端口的正极，bb变换器输出端口的负极极与cb变换器输出端口的正极相连；ac变换器输出端口的负极接bc变换器输出端口的正极，bc变换器输出端口的负极极与cc变换器输出端口的正极相连；ca变换器输出端口的负极、cb变换器输出端口的负极、cc变换器输出端口的负极连在一起，连接点为n2；aa、ba、ca共用一个lc滤波器；ab、bb、cb共用一个lc滤波器；ac、bc、cc共用一个lc滤波器；各相滤波器的输入二端口与各自相所有模块级联后的输出二端口连接；aa变换器输出端口的正极、ab变换器输出端口的正极、ac变换器输出端口的正极分别对应为a、b、c三相电压输出，且均连接于另一条馈线的末端。(一)根据负载侧期望得到的电压，本发明可以有多种组合的pwm调制方式，具体如表1所示：表1pwm调制方式(二)图4为本发明的电压调节的示意图；以a相为例，在平面相量坐标系下展示；ua1、ub1、uc1为三相电压相量量；-ua1、-ub1、-uc1为方向相反的三相电压相量；d1*ub1，d2*uc1为两个bt-ac变换器的输出电压相量；uout为功率变换单元输出的电压相量，即为d1*ub1，d2*uc1的矢量合成；ua2为a相总的电压输出，它由uout和ua1矢量合成得；图(a)为装置工作在负极性调压器模式，实现输入输出电压相位不变，幅值减小；图(b)为装置工作在正极性调压器模式，实现输入输出电压相位不变，幅值减小；图(c)为装置工作在移相器模式，实现输入输出电压幅值不变，相位改变；图(d)为装置工作在移相调压模式，实现输入输出电压和幅值均改变。(三)图5(a)展示了当变压器变比为ta1：ta2：ta3：ta4＝1：1：1：1时的a相电压补偿范围；vcn和-vcn为c相的输入电压相量；vbn和-vbn为b相的输入电压相量；功率变换单元的输出电压相量即补偿到a相的电压相量从原点出发，终点在菱形内(包含菱形边界)；图(b)展示了三相电压补偿范围，同样各相变压器变比均为1：1：1：1。(四)图9为lc低通滤波器的电路原理图；其中，对于电感lf可以流过直流阻碍交流，特别是高频的交流；电容cf可以流通交流阻碍直流，通过设计lc的参数最终达到滤除高频谐波，保证输出高质量的50hz正弦交流电压的目的。其中lf和cf的参数设计，参照下式：其中，ωl为lc滤波器的截止角频率，v0为输出电压，ω1为输入交流电源的角频率。(五)为了更好的验证本发明的优越性，搭建了一台单相应用功能样机，样机的参数如下表2所示：表2样机参数名称数值变压器变比2∶2∶1∶1bt-ac变换器数量2buck型直接式ac-ac变换器数量1输入电压有效值范围[180v，240v]/50hz单相输出相电压目标有效值220v额定功率5kw开关管频率12khzigbtff300r12ks4；ff600r12ks4单个交流变换器输出滤波电感lf0.3mh输出滤波电容cf20uf电容c1，c220uf(六)图10为调幅值模式输出正极性补偿电压波形图；uao、ubu、uo分别为输入电压，补偿电压，总的输出电压；图11-15中相同参数代表相同意义，图15中io为总的输出电流；由图10、图11可以看出，装置可以实现不变相位，调节电压；由图12、图13可以看出装置可以实现不变电压，调节相位；由图14、图15可以看出装置可以实现移相调压，并且带负载正常工作；综上，本发明可以实现节点电压和功率的柔性调节并具有一定的保护功能。当前第1页12