一种电力电子软连接开关拓扑及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种电力电子软连接开关拓扑及其控制方法，可以连接两个任意电压等级的电网，电力电子软连接开关拓扑中，依次包括：隔离变压器1、开关1、滤波器1、电力电子软连接开关、滤波器2、开关2、隔离变压器2；所述电力电子软连接开关由变换器1和变换器2构成，两个变换器的直流侧连接在一起构成直流母线，变换器1的交流侧与滤波器1相连，变换器2的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容；本发明的电力电子软连接开关可以独立控制有功功率和无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，稳定直流母线电压。
【专利说明】
一种电力电子软连接开关拓扑及其控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子领域，特别是能够实现局部多个电网的无功补偿、有功功率平衡等功能的电力电子软连接开关拓扑及其控制方法。
【背景技术】
[0002]随着分布式发电及微电网的迅速发展，多个区域局部电网互联是实现资源和能量互补、经济高效利用电能的有效手段。
[0003]背靠背变换器因其直流电压可控、功率双向流动等优点，交流输配电具有十分广泛的应用。与通用变换器相比，背靠背变换器采用脉宽调制(PWM)整流，其直流母线电压可控，功率因数可调节至单位功率因数，使得其控制性能灵活多变，使用背靠背变换器使得电网之间实现互联，并且稳定运行，具有广泛的应用前景;然而，电网有功功率和无功功率控制，动态补偿交流母线的无功功率，稳定直流母线电压等问题，是工程应用中必须解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明解决的技术问题是提供一种电力电子软连接开关拓扑结构及其控制方法。可以独立控制有功功率和无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，稳定直流母线电压等。
[0005]本发明的技术方案为:
提供一种电力电子软连接开关拓扑，可以连接任意两个电压等级的电网，其特征在于，所述电力电子软连接开关拓扑中，依次包括:隔离变压器1、开关1、滤波器1、电力电子软连接开关、滤波器2、开关2、隔离变压器2;所述电力电子软连接开关由变换器I和变换器2构成，两个变换器的直流侧连接在一起构成直流母线，变换器I的交流侧与滤波器I相连，变换器2的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容。
[0006]电网A与滤波器I之间和电网B与滤波器2之间至少一端连接有不同变比的隔离变压器I或隔离变压器2;所述隔离变压器I和/或隔离变压器2采用三角形-星形结构或者采用星形-三角形结构或者星形-星形结构或者三角形-三角形结构。
[0007]所述变换器I和2各自包含3对或4对上下桥臂，输出三相三线制或三相四线制交流电；所述变换器I和变换器2是三相六开关的全桥结构或四相八开关的全桥结构；或者所述变换器I和变换器2是多电平变换器。
[0008]所述直流支撑电容由两只串联的电容构成，串联的中点O作为零线，与变换器输出的三相交流电共同构成三相四线制交流输出。
[0009]所述变换器I和变换器2的三相交流输出端分别连接一只电感，电感的一端与变换器I和2中三相桥臂中某一相的中点连接，电感的另一端通过一只电容，连接到中点O。
[0010]所述变换器I和变换器2分别对电网A和电网B进行静止动态无功补偿(SVG)控制。
[0011]还包括直流母线初始取电电路，单相变压器的两个输入端分别连接三相电网A或B其中的两个相线，单相变压器的输出端连接二极管整流桥，二极管整流桥的输出连接直流母线;单相变压器的输出端与二极管整流桥的连接线上，串联有限流电阻;单相变压器的输入端与电网的连接线上，串联有开关。
[0012]还包括控制电路的取电电路，所述取电电路使用宽输入电压的电源模块，所述电源模块的输入端连接直流母线，所述电源模块的输出端输出24V直流电压，将所述24V直流电压通过电源板进一步转换为+15V，+5V，± 15V电压，以给控制电路和液晶供电。[0〇13] —种电力电子软连接开关拓扑直流母线稳定控制方法，将直流母线给定值Udc*减去当前测量的实际值Udc，得到的电压差值送入PI调节器计算处理后乘以1/2输出作为电流调节信号，将所述电流调节信号减去变换器1和2当前的瞬时反馈电流iaf、ibf，得到的电流差值送入另一 PI调节器，这样两变换器的指令电流信号中就都含有有功电流分量，进而补偿系统的补偿电流中也含有一定的有功电流分量，从而使补偿系统的直流侧与交流侧交换能量，将直流母线电压维持在给定值。变换器工作时，其能量损耗会引起直流侧电容电压的降低，但为了保证PWM变流器的正常工作，直流母线电压必须维持恒定。为此控制方法中增加了一个检测直流电压的PI控制器，以保持直流环节的电压。控制方法定义变换器吸收的有功功率由两相均摊，以维持变换器的正常工作。
[0014]一种电力电子软连接开关拓扑及其控制方法，所述电力电子软连接开关拓扑中， 包含多个电力电子软连接开关、多个开关、多个隔离变压器;所述电力电子软连接开关由多个变换器构成，多个变换器的直流侧连接在一起构成直流母线，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容，通过中央控制器的综合控制，可以实现多个不能电压等级之间电网的互联互通，实现多个电网的无功补偿，有功平衡潮流控制。
[0015]一种有功平衡控制方法，将直流母线电压给定值Udc*减去当前测量的实际值Udc， 得到的电压差值经PI控制器计算处理后输出；将电网A和B的电流利用电网A和B的电压分别锁相并经过低通滤波LPF后分离出电网A和B电流的有功分量，所述电网A和B电流的有功分量和上述PI控制器的输出求和后，乘以1/2,得到变换器指令电流iaref和ibref，将所述电网A和B的电网电流分别减去当前的指令电流iaref?和ibref?，得到的电流差值再分别减去变换器1和变换器2的反馈电流iaf、ibf，得到的差值送入另一 PI控制器，所述另一 PI控制器的输出与载波比较作差，将差值用以调节变换器1和变换器2的输出；为实现两相邻电网负载之间的有功平衡，采取将两个电网有功电流相加之后再平摊的办法，之后对两相负载分别进行补偿。
[0016]本发明的有益效果是:在算法中直流电压的PI调节器结果分别送给两个变换器， 以保持直流环节的电压，相比从一端取能稳定直流母线电压，其优势是取能多一个自由度， 系统更加可靠。在两个变换器之间可以转移有功功率，且可以独立控制有功功率和无功功率，动态补偿交流母线的无功功率，稳定直流母线电压等。本发明可以有效克服配电网中常规开关仅具备通和断两种状态的不足，增强配电网运行控制的灵活性，满足分布式电源消纳、高供电可靠性等定制电力需求。【附图说明】[〇〇17]图1电力电子软连接开关拓扑原理；图2电力电子软连接开关拓扑结构；图3直流母线初始取电电路；图4控制电路供电电路；图5电力电子软连接开关直流母线稳定控制方法；图6电力电子软连接开关有功平衡控制方法。【具体实施方式】[〇〇18]图1-图2为电力电子软连接开关的拓扑原理及其结构图，通过两边的隔离变压器， 针对多种情况，可以连接任意两个电压等级的电网A和B，所述电力电子软连接开关拓扑中， 依次包括:隔离变压器1、开关1、滤波器1、电力电子软连接开关、滤波器2、开关2、隔离变压器2;所述电力电子软连接开关由变换器1和变换器2构成，两个变换器的直流侧连接在一起构成直流母线，变换器1的交流侧与滤波器1相连，变换器2的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容。上述的多种情况比如:1)两边均有变压器;2)两边只有一边有变压器;3 )两边都没有变压器;4)变换器是三相三线变换器;5 )变换器是三相四线变换器;6)变换器是三相四桥臂变换器;7)变换器是三电平;8)变换器是多电平;9)变换器是由模块化多电平变流器(MMC)构成。
[0019]以下将进行详细说明，电网A与滤波器1之间连接有隔离变压器1和/或电网B与滤波器2之间连接有隔离变压器2;所述隔离变压器1和/或隔离变压器2采用三角形-星形结构或者采用星形-三角形结构或者星形-星形结构或者三角形-三角形结构;所述变换器1和2 各自包含3对上下桥臂，输出三相三线制交流电；所述变换器1和2各自包含3对上下桥臂，所述直流支撑电容由两只串联的电容构成，串联的中点0作为零线，与变换器输出的三相交流共同构成三相四线制交流输出；所述变换器1和变换器2的三相交流输出端分别连接一只电感，电感的一端与变换器1和2中三相桥臂中某一相的中点连接，电感的另一端通过一只电容，连接到中点0;所述变换器1和2各自包含3对或4对上下桥臂，输出三相三线制或三相四线制交流电；所述变换器1和变换器2是三相六开关的全桥结构或四相八开关的全桥结构； 或者所述变换器1和变换器2是多电平变换器。
[0020]同时，变换器1和变换器2分别对电网A和电网B进行静止动态无功补偿(SVG)控制， 和/或所述变换器1和变换器2对电网A和电网B进行有功平衡潮流控制。[0021 ]本申请的电力电子软连接开关拓扑，还包括直流母线初始取电电路，如图3所示， 单相变压器的两个输入端分别连接三相电网A或B其中的两相，单相变压器的输出端连接二极管整流桥，二极管整流桥的输出连接直流母线；单相变压器的输出端与二极管整流桥的连接线上，串联有限流电阻;单相变压器的输入端与电网的连接线上，串联有面板开关。 [〇〇22]控制电路供电电路，使用宽输入电压的电源模块，如图4所示，电源模块的输入端连接直流母线，所述电源模块的输出端输出24V直流电压，使用时，从交流侧线电压380V取电，面板开关拨到闭合状态，通过二极管不可控整流至直流母线，母线电压达到537V电压。 控制系统采用宽输入电压的电源模块，把电压转变为24V直流电压，然后24V直流电压进一步转为控制电路板用+15￥，+5￥，±15￥电压;如图4所示，2号电源板将宽输入范围的直流母线电压，转化为24V直流电压，并输出给1号电源板，1号电源板接收到24V直流电压后，对该电压进行变换处理，生成1路15V电压给驱动电路供电，生成1路5V和一路±15V电压给主控电路板供电。
[0023]本发明通过增加一个检测直流电压的PI控制器，以保持直流环节的电压;其控制策略如图5所示，将直流母线电压给定值Udc*减去当前测量的实际值Udc，得到的电压差值送入PI调节器计算处理后乘以1/2输出作为电流调节信号，将所述电流调节信号分别减去变换器1和2当前的瞬时反馈电流iaf、ibf，得到的电流差值分别送入另一 PI调节器，这样两变换器的指令电流信号中就都含有有功电流分量，进而补偿系统的补偿电流中也含有一定的有功电流分量，从而使补偿系统的直流侧与交流侧交换能量，将直流母线电压维持在给定值，所述另一 PI控制器的输出与电力电子软连接开关当前的状态比较作差，将差值用以调节变换器1和变换器2。
[0024]本发明的有功平衡控制方法，其控制策略如图6所示，将直流母线电压给定值Udc* 减去当前测量的实际值Udc，得到的电压差值经PI控制器计算处理后输出；将电网A和B的电流利用电网A和B的电压分别锁相并经过低通滤波LPF后分离出电网A和B电流的有功分量， 所述电网A和B电流的有功分量和上述PI控制器的输出求和后，乘以1/2,得到变换器指令电流iaref和ibref，将所述电网A和B的电网电流分别减去当前的指令电流iaref和ibref，得到的电流差值再分别减去变换器1和变换器2的反馈电流iaf、iM?，得到的差值送入另一 PI 控制器，所述另一 PI控制器的输出与载波比较作差，将差值用以调节变换器1和变换器2的输出；为实现两相邻电网负载之间的有功平衡，采取将两个电网有功电流相加之后再平摊的办法，之后对两相负载分别进行补偿。
[0025]上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。因此实际应用时的任何物理位置均在此专利的保护范围之内。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以用许多方式实施本发明。上述控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种电力电子软连接开关拓扑，用于连接两个任意电压等级的电网A和B，其特征在于，所述电力电子软连接开关拓扑中，依次包括:隔离变压器1、开关1、滤波器1、电力电子软连接开关、滤波器2、开关2、隔离变压器2;所述电力电子软连接开关由变换器I和变换器2构成，两个变换器的直流侧连接在一起构成直流母线，变换器I的交流侧与滤波器I相连，变换器2的交流侧与滤波器2相连，直流母线的正负极之间连接有直流支撑电容。2.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，所述电网A与所述滤波器I之间和所述电网B与所述滤波器2之间连接有不同变比的隔离变压器I和隔离变压器2;所述隔离变压器I和隔离变压器2采用三角形-星形结构或者采用星形-三角形结构或者星形-星形结构或者三角形-三角形结构。3.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，所述变换器I和2各自包含3对或4对上下桥臂，输出三相三线制或三相四线制交流电；所述变换器I和变换器2是三相六开关的全桥结构或四相八开关的全桥结构;或者所述变换器I和变换器2是多电平变换器。4.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，所述直流支撑电容由两只串联的电容构成，串联的中点O作为零线，与变换器输出的三相交流电共同构成三相四线制交流输出。5.根据权利要求4所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，所述变换器I和变换器2的三相交流输出端分别连接一只电感，电感的一端与变换器I和2中三相桥臂中某一相的中点连接，电感的另一端通过一只电容，连接到中点O。6.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，所述变换器I和变换器2分别对电网A和电网B进行静止动态无功补偿(SVG)控制，和/或所述变换器I和变换器2对电网A和电网B进行有功平衡潮流控制。7.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，还包括直流母线初始取电电路，单相变压器的两个输入端分别连接三相电网A或B其中的两个相线，单相变压器的输出端连接二极管整流桥，二极管整流桥的输出连接直流母线；单相变压器的输出端与二极管整流桥的连接线上，串联有限流电阻;单相变压器的输入端与电网的连接线上，串联有开关。8.根据权利要求1所述的电力电子软连接开关拓扑，其特征在于，还包括控制电路的取电电路，所述取电电路使用宽输入电压的电源模块，所述电源模块的输入端连接直流母线，所述电源模块的输出端输出24V直流电压，将所述24V直流电压通过电源板进一步转换为+15V，+5V，± 15V电压，以给控制电路和液晶板供电。9.一种电力电子软连接开关拓扑直流母线稳定控制方法，其特征在于，将直流母线电压给定值Udc*减去当前测量的实际值Udc，得到的电压差值送入PI调节器计算处理后乘以1/2输出作为电流调节信号，将所述电流调节信号分别减去变换器I和2当前的瞬时反馈电流iaf、ibf，得到的电流差值分别送入另一 PI调节器，这样两变换器的指令电流信号中就都含有有功电流分量，进而补偿系统的补偿电流中也含有一定的有功电流分量，从而使补偿系统的直流侧与交流侧交换能量，将直流母线电压维持在给定值。10.—种电力电子软连接开关拓扑有功平衡控制方法，其特征在于，将直流母线电压给定值Udc*减去当前测量的实际值Udc，得到的电压差值经PI控制器计算处理后输出；将电网A和B的电流利用电网A和B的电压分别锁相并经过低通滤波LPF后分离出电网A和B电流的有功分量，所述电网A和B电流的有功分量和上述PI控制器的输出求和后，乘以1/2，得到变换器指令电流iaref和ibr ef，将所述电网A和B的电网电流分别减去当前的指令电流iaref和ibref，得到的电流差值再分别减去变换器I和变换器2的反馈电流iaf、ibf，得到的差值送入另一 PI控制器，所述另一 PI控制器的输出与载波比较作差，将差值用以调节变换器I和变换器2的输出；为实现两相邻电网负载之间的有功平衡，采取将两个电网有功电流相加之后再平摊的办法，之后对两相负载分别进行补偿。
【文档编号】H02J3/36GK106099948SQ201610758866
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月30日
【发明人】王鹏, 霍群海, 冯光, 周宁, 徐铭铭, 王文博, 贺翔, 王黎炜, 吴理心, 胡志红, 牛荣泽
【申请人】国网河南省电力公司电力科学研究院, 中国科学院电工研究所, 河南恩湃电力技术有限公司, 国家电网公司