用于同一交流电网不同节点的非全容量功率交换装置的制作方法

本发明涉及一种功率交换装置，特别涉及一种用于连接同一交流电网中不同交流节点的非全容量背靠背变流器。

背景技术：

随着智能电网和能源互联网技术的发展，为了在不增加短路容量的前提下增强同一交流电网中不同电源节点或供电分区之间有功功率的相互支援能力，有功功率交换技术得到了越来越广泛的关注。现有的功率交换装置一般通过全容量的背靠背变流器实现有功功率的交换，例如单相电网中不同电源节点之间的有功功率交换，如图1所示。但是，这种采用全容量的背靠背变流器的方案中，背靠背变流器需要承受交流电源节点的全部高电压，并且容量和需要传输的功率相同，难以满足日益增长的功率传输的需求。

发明专利CN105610167A提出了一种在交换功率的交流电源节点之间电压幅值和相位相差不大的情况下降低所需变流器电压等级和容量，简化变流器拓扑结构的方案，但是这种方案的性能会随着交流电源节点之间电压不匹配程度的增大急剧恶化，同时也不能控制交流电源节点的功率因数。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有同一交流电网当中不同交流节点的有功功率交换装置中，变流器承受电压高、所需容量大的缺点，提出一种交流电网用非全容量功率交换装置。

本发明用于同一交流电网不同节点的非全容量功率交换装置，包含一台变比为n:1的变压器T和一台非全容量背靠背变流器C_P，n为正数。变压器T的四个端子为a、b、c、d，其中a与c为同名端，b与d为同名端。非全容量背靠背变流器C_P由整流侧AC/DC变流器和逆变侧DC/AC变流器组成，整流侧AC/DC变流器和逆变侧DC/AC变流器的直流侧并联在一起，整流侧AC/DC变流器的交流输入端子为x、y，逆变侧DC/AC变流器的交流输出端子为r、s。变压器T的端子a与d都连接到交流电源节点A的正极，变压器T的端子b连接到交流电源节点B的正极，变压器T的端子c与非全容量的背靠背变流器C_P的整流侧AC/DC变流器输入端子x相连，非全容量的背靠背变流器C_P整流侧AC/DC变流器的交流输入端子x、y分别与变压器的端子c和交流电源节点A的负极相连，逆变侧DC/AC变流器的交流输出端子r、s分别与交流电源节点B的正极和负极相连。

非全容量背靠背变流器C_P整流侧AC/DC变流器采用电压电流双闭环控制，其特征在于直流电压u_dc闭环控制作为外环，交流侧输入电流i₃的闭环控制作为内环，直流电压u_dc闭环控制器的输出作为交流侧输入电流i₃的幅值给定值，交流电源节点A电压u_s1的相位作为整流侧AC/DC变流器交流侧输入电流i₃的相位给定值。

非全容量背靠背变流器C_P逆变侧DC/AC变流器采用输出电流闭环控制，逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的给定值由两个部分叠加构成：

i_4ref＝i_{4ref_p}+i_{4ref_q}

其中i_4ref为逆变侧交流输出电流i₄的给定值，i_{4ref_p}为有功电流给定值，i_{4ref_q}为无功电流给定值。

非全容量背靠背变流器C_P逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的有功电流给定值i_{4ref_p}的相位与交流电源节点B的电压u_s2的相位相同，有功电流给定值i_{4ref_p}的幅值根据如下公式计算得到：

I_{4ref_p}＝2×P_{exchange_ref}/(U_s2×(1+n))

其中I_{4ref_p}为有功电流给定值i_{4ref_p}的幅值，P_{exchange_ref}为交流电源节点A与交流电源节点B之间交换的有功功率给定值，U_s2为交流电源节点B电压u_s2的幅值。

非全容量背靠背变流器C_P逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的无功电流给定值i_{4ref_q}的相位相对于交流电源节点B电压u_s2滞后90°，i_{4ref_q}的幅值与变压器T端子b流出的电流i₂相对于交流电源节点B电压u_s2的无功电流幅值相等。

根据变压器的运行特性可知，流出变压器T端子b和c的电流相位相同，而流出端子c的电流与交流电源节点A的电压u_s1相位相同。因此，交流电源节点A的电压u_s1和电流i_s1相位相同。又因为非全容量背靠背变流器C_P逆变侧交流输出电流i₄的无功电流给定值i_{4ref_q}为流出变压器T端子b的电流i₂相对于交流电源节点B电压u_s2的无功电流取反，所以交流电源节点B的电压u_s2和电流i_s2相位相同。因此两个交流电压源节点都几乎不产生无功功率。另外，由于流出变压器T端子b的电流i₂为流出变压器T端子c的电流i₃的n倍，而所述的非全容量背靠背变流器C_P整流侧AC/DC变流器的交流侧输入端子x，y之间的电压接近交流电源节点A的电压u_s1，因此所述的非全容量背靠背变流器C_P容量约为两个交流电源节点之间传输功率的1/(n+1)，当n较大时可以显著降低背靠背变流器的容量。另外，本发明既适用于单相交流电网，也适用于三相交流电网。

附图说明

图1为应用于单相交流电网时现有的采用全容量背靠背变流器的功率交换装置；

图2为本发明用于同一交流电网不同节点的非全容量功率交换装置应用于单相交流电网时的电路原理图；

图3为非全容量背靠背变流器的一种具体电路拓扑——逆变侧带隔离变压器的单相两电平背靠背变流器；

图4为采用图3中的非全容量背靠背变流器的功率交换装置电路的计算机仿真结果。

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。

图2为本发明用于同一交流电网不同节点的非全容量背靠背变流器应用于单相交流电网时的电路原理图。非全容量背靠背变流器C_P可以采用多种形式的背靠背变流器，既可以带变压器隔离，也可以不带变压器隔离。图3为非全容量背靠背变流器C_P的一种具体电路拓扑，即逆变侧带隔离变压器的单相两电平背靠背变流器。当采用图3所示的逆变侧带隔离变压器的单相两电平背靠背变流器时，本发明非全容量背靠背变流器C_P的具体连接方式为：变压器T端子a与d都连接到交流电源节点A的正极，b连接到交流电源节点B的正极，c与非全容量的背靠背变流器C_P的整流侧AC/DC变流器交流输入端子x相连，非全容量背靠背变流器C_P整流侧AC/DC变流器的交流输入端子x，y分别与变压器的端子c和交流电源节点A的负极相连，逆变侧DC/AC变流器的交流输出端子r、s分别与交流电源节点B的正负极相连。非全容量背靠背变流器C_P由电容C_btb、开关T₁-T₈、滤波电感L₁和L₂以及隔离变压器T_iso组成，开关T₁与T₂的公共连接点为J1，开关T₃与T₄的公共连接点为J2，开关T₅与T₆的公共连接点为J3，开关T₇与T₈的公共连接点为J4；滤波电感L1的两个端子分别连接交流输出端x和公共连接点J1，公共连接点J2连接到交流输出端y；滤波电感L2的两个端子分别连接隔离变压器T_iso端子P1和公共连接点J3，公共连接点J4连接隔离变压器T_iso端子P2，隔离变压器T_iso端子P3作为交流输出端r，隔离变压器T_iso端子P4作为交流输出端s，开关T₁、T₃、T₅和T₇的集电极均连接到电容C_btb的正极，开关T₂、T₄、T₆和T₈的发射极连接到电容的负极。

本发明非全容量背靠背变流器C_P整流侧AC/DC变流器采用电压、电流双闭环控制，直流电压u_dc外环闭环控制器输出作为整流侧AC/DC变流器交流输入电流i₃的幅值给定值，交流电源节点A电压u_s1的相位作为i₃的相位与给定值。逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的给定值由两个部分叠加构成：

i_4ref＝i_{4ref_p}+i_{4ref_q}

其中i_4ref为逆变侧交流输出电流i₄的给定值，i_{4ref_p}为有功电流给定值，i_{4ref_q}为无功电流给定值。

逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的有功电流给定值i_{4ref_p}的相位与交流电源节点B的电压u_s2相同，幅值根据如下公式计算得到：

I_{4ref_p}＝2×P_{exchange_ref}/(U_s2×(1+n))

其中I_{4ref_p}为有功电流给定值i_{4ref_p}的幅值，P_{exchange_ref}为交流电源节点A与交流电源节点B之间传输的有功功率，U_s2为交流电源节点B电压u_s2的幅值。

逆变侧DC/AC变流器交流输出电流i₄的无功电流给定值i_{4ref_q}的相位相对于交流电源节点B电压u_s2的相位滞后90度，幅值与流出变压器T端子b的电流i₂相对于交流电源节点B电压u_s2的无功电流幅值相同。

应用本发明连接两个单相220V交流电网的采用非全容量背靠背变流器的功率交换装置仿真模型参数如下：

图4为采用本发明所述用于同一交流电网不同节点的非全容量背靠背变流器的计算机仿真结果。其中u_s1为交流电源节点A的电压波形，u_s2为交流电源节点B的电压波形，u_xy为非全容量变流器整流侧AC/DC变流器交流端口的电压波形，u_rs为非全容量变流器逆变侧DC/AC变流器交流端口的电压波形，i_s1为交流电源节点A的电流波形，i_s2为交流电源节点B的电流波形，i₃为非全容量变流器整流侧AC/DC变流器交流输入端的电流波形，i₄为非全容量变流器逆变侧DC/AC变流器交流输出端的电流波形。仿真结果可见，两个交流电源节点的电流i_s1与i_s2分别与两个交流电源节点电压u_s1与u_s2相位几乎完全一致，即两个交流电源节点几乎都不存在无功功率，两个交流电源节点交换的有功功率为：P_exchange＝U_s1×I_s1＝U_s2×I_s2≈31.1kW。同时，直流电压u_dc稳定，其平均值为400V。

由于变压器T的变比为1:1，根据前文非全容量背靠背变流器容量应为两个交流电源节点交换的有功功率的50％。由仿真结果计算可得，非全容量背靠背变流器的视在功率为311V/1.414×100A/1.414＝15.5kVA，即非全容量背靠背变流器容量只有两个交流电源节点交换的有功功率的50％，符合理论计算结果。