一种电网扰动装置的制作方法

本发明涉及一种电网扰动装置。

背景技术：

近年来，由于风力发电快速发展，风力发电的测试技术日益受到重视。电网扰动装置是风力发电测试装置中的重要一种，在风电测试领域占有重要地位。已有的电网扰动装置多采用多绕组隔离变压器进行隔离，其主要特点是采用多绕组变压器进行隔离、分相输出、输入侧采用lc滤波器和输出升压变压器，电网连接多绕组变压器的原边绕组，多绕组变压器具有多个副边绕组，用于分相输出，然后由输出升压变压器输出。由于输入侧多绕组变压器体积大、效率低，需要滤波器和升级变压器才能连接至电网，因此，总体来看，这种电网扰动装置存在着效率低、体积大的缺点。

授权公告号为cn103078316b的中国专利文件中公开了一种电网电压扰动发生装置，包括三相桥式pwm整流器和h桥三相四线制pwm逆变器，整流器的交流侧与电网相连，整流侧的直流侧与逆变器直流侧连接，lc滤波器在逆变器交流侧，lc滤波器的输出端接一个隔离变压器，隔离变压器的二次侧与负载连接。该装置能够实现电网电压幅值和频率扰动以及电网谐波现象的模拟，并能够实现能量的双向流动，准确模拟电网扰动。但是，该电网电压扰动发生装置中整流器和逆变器只有一个，那么，整流器和逆变器的承受电压较大，相应地，整流器和逆变器中的功率器件承受的电压也较大，不但需要电压等级较高的功率器件，而且高电压会影响功率器件的正常运行，降低功率器件的运行可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电网扰动装置，用以解决高电压会影响功率器件的正常运行，造成其运行可靠性低的问题。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案。

装置方案一：本方案提供一种电网扰动装置，包括三条桥臂，各条桥臂分别对应三相交流电中的其中一相，各条桥臂上级联设置有至少两个ac/ac变换模块，各桥臂上的第一个ac/ac变换模块的用于连接外部设备的一端星型连接，构成电网扰动装置的第一端口，用于连接三相电网；各桥臂上的最后一个ac/ac变换模块的用于连接外部设备的一端星型连接，构成电网扰动装置的第二端口，用于连接分布式发电系统。

各条桥臂分别对应三相交流电中的其中一相，而且，各条桥臂上级联设置有至少两个ac/ac变换模块，桥臂上的所有的ac/ac变换模块共同承担桥臂两端的电压，因此，每个ac/ac变换模块只分担一部分电压，而且，桥臂上的ac/ac变换模块的个数越多，分担的电压越低，因此，各ac/ac变换模块中的功率器件的承受电压很低，相应地，就不需要电压等级较高的功率器件，而且在低电压下，功率器件的运行可靠性较高。并且，利用桥臂结构以及桥臂中的ac/ac变换模块，取消了输入和输出的工频变压器，因此，电网扰动装置具有体积小和效率高的特点，同时将输入和输出变压器改为ac/ac变换模块，在体积小和效率高的基础上，还能够实现能量的双向流动。

装置方案二：在装置方案一的基础上，电网扰动装置中的至少一个ac/ac变换模块为高频链ac/ac变换器，所述高频链ac/ac变换器包括依次连接的整流单元、逆变单元、隔离变压器和ac/ac变换单元。

装置方案三：在装置方案二的基础上，所述逆变单元为全桥逆变电路，所述ac/ac变换单元为全桥式周波变换电路，所述全桥式周波变换电路包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由第一功率器件组和第二功率器件组串联构成，所述第二桥臂由第三功率器件组和第四功率器件组串联构成，所述第一功率器件组、第二功率器件组、第三功率器件组和第四功率器件组均由两个反向串联的功率器件构成。

装置方案四：在装置方案三的基础上，所述全桥式周波变换电路中的远离隔离变压器的一侧连接有lc滤波电路。

装置方案五：在装置方案二或三或四的基础上，所述整流单元为全桥整流电路。

装置方案六：在装置方案二或三或四的基础上，所述整流单元和逆变单元之间设置有母线电容。

附图说明

图1是电网扰动装置整体拓扑结构图；

图2是高频链ac/ac变换器的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，电网扰动装置包括三条桥臂，各条桥臂分别对应三相交流电中的其中一相，设定第一桥臂对应三相交流电中的u相，第二桥臂对应三相交流电中的v相，第三桥臂对应三相交流电中的w相。

各条桥臂上级联设置有n个ac/ac变换模块，n的具体数值根据实际需要设定。各桥臂上的ac/ac变换模块中，定义第一个ac/ac变换模块有两端，其中一端为对应桥臂的一端，用于连接外部其他相关设备，另一端用于与第二个ac/ac变换模块级联，同理，定义第n个ac/ac变换模块有两端，其中一端为对应桥臂的另一端，用于连接外部其他相关设备，另一端用于与第n-1个ac/ac变换模块级联。而第二个ac/ac变换模块至第n-1个ac/ac变换模块的两端均与相邻的ac/ac变换模块级联。那么，这三条桥臂上的第一个ac/ac变换模块的用于连接外部其他相关设备的一端星型连接，构成电网扰动装置的第一端口；这三条桥臂上的第n个ac/ac变换模块的用于连接外部其他相关设备的一端星型连接，构成电网扰动装置的第二端口，如图1所示。本实施例中，电网扰动装置的第一端口用于连接三相电网，第二端口用于连接扰动侧，即分布式发电系统，比如：风力发电系统。

本实施例中，电网扰动装置中，至少有一个ac/ac变换模块为高频链ac/ac变换器，进一步地，电网扰动装置中的所有的ac/ac变换模块均为高频链ac/ac变换器。本实施例提供高频链ac/ac变换器的一种具体电路结构，如图2所示，高频链ac/ac变换器包括依次连接的整流单元、母线电容、逆变单元、隔离变压器和ac/ac变换单元。

其中，逆变单元为高频逆变器，可以采用推挽式、半桥式或者全桥式，ac/ac变换单元为全桥式周波变换电路，可以采用全波式或者全桥式。考虑到输出电压和功率的设计要求，最终确定的电路结构如图2所示，逆变单元为全桥逆变电路。图2中，ci两端的直流电压为输入直流电压，q1、q2、q3和q4组成全桥逆变电路，tr为高频隔离变压器。

全桥式周波变换电路包括第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂由第一功率器件组和第二功率器件组串联构成，第二桥臂由第三功率器件组和第四功率器件组串联构成，这四个功率器件组均由两个反向串联的功率器件构成，本实施例中，这些功率器件以mosfet为例，其中，第一功率器件组由反向串联的mosfet器件q5和q5’构成，组成双向开关；第二功率器件组由反向串联的mosfet器件q6和q6’构成，组成双向开关；第三功率器件组由反向串联的mosfet器件q7和q7’构成，组成双向开关；第四功率器件组由反向串联的mosfet器件q8和q8’构成，组成双向开关。并且，该全桥式周波变换电路中的远离隔离变压器的一侧连接有由lo和co构成的lc滤波电路。

本文的高频链周波变换型采用移相控制方案(q1、q2、q3和q4开关管)，移相控制的基本工作原理为，全桥变换电路每一个桥臂的两个开关管互补导通，两个桥臂的开关管导通之间相差一个相位，即所谓的移相角，通过调节此移相角的大小，来调节输出电压脉冲宽度，达到调节相应的输出电压的目的。因此，输入直流电压经过全桥逆变器的高频逆变之后输出高频相邻脉冲互为反极性的spwpm(正弦脉宽脉位调制)波，该波形含有spwm波的全部信息，适合于高频变压器传输。spwpm波通过高频变压器隔离后，由全桥式周波变换电路同步整流，把正半周时间内的负脉冲翻转成正脉冲，把负半周时间内的正脉冲翻转成负脉冲之后，将得到交流单极性spwm波，spwm波通过lc滤波之后输出光滑的正弦交流电压。由于全桥式周波变换电路属于现有技术，本实施例就不再对该变换电路的工作原理进行具体说明。

另外，本实施例中，整流单元为全桥变换电路。

那么，整流单元的交流侧的其中一个端口与ac/ac变换单元的其中一个端口构成上述定义的ac/ac变换模块的其中一端；整流单元的交流侧的另一个端口与ac/ac变换单元的另一个端口构成上述定义的ac/ac变换模块的另一端。那么，任意一个桥臂中的第一个高频链ac/ac变换器中，整流单元的交流侧的其中一个端口与ac/ac变换单元的其中一个端口为该桥臂的一端；整流单元的交流侧的另一个端口与ac/ac变换单元的另一个端口用于连接第二个高频链ac/ac变换器。任意一个桥臂中的第n个高频链ac/ac变换器中，整流单元的交流侧的其中一个端口与ac/ac变换单元的其中一个端口用于连接第n-1个高频链ac/ac变换器；整流单元的交流侧的另一个端口与ac/ac变换单元的另一个端口为该桥臂的另一端。对于这三个桥臂中的第一个高频链ac/ac变换器，对应的三个整流单元的交流侧的其中一个端口对应连接三相电网，对应的三个ac/ac变换单元的其中一个端口星型连接；对于这三个桥臂中的第n个高频链ac/ac变换器，对应的三个整流单元的交流侧的另一个端口星型连接，对应的三个ac/ac变换单元的另一个端口对应连接风力发电系统。

高频链ac/ac变换器中的高频链逆变级的工作原理为移相式高频链逆变器，其中d1-d4采用移相spwm控制模式，d5-d8采用周波调制。

能量从电网侧向扰动侧流动时，输入侧工作在spwm整流模式，输出级工作在高频链逆变模式，输入和输出形成级联结构，中间通过高频变压器隔离。节省了输入和输出的工频变压器，采用高频变压器进行隔离，具有体积小和效率高的特点。同时将输入和输出改为mmc整流和逆变拓扑，实现能量的双向流动。

以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。