一种相位360°正交型直接潮流控制器及其工作方法与流程

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种相位360°正交型直接潮流控制器(directpowerflowcontroller，dpfc)及其工作方法。

背景技术

电力作为基础能源，是国民经济健康发展的重要保障。电力系统中的潮流包含有功潮流和无功潮流，总体上由电源、负荷和供电网络三者共同决定。在基础建设投资不足且周期过长、以及现有电力系统设施相对滞后的情况下，提高对电网的潮流控制能力，从而增强电力系统的稳定性，提高其利用率和电网的电能传输能力，具有重要的经济效益和社会意义。

在传统放射状电网系统中，控制电压幅值即可控制电网中的电能传输，其有效方法是采用抽头变压器和并联无功补偿。但对于网状电网系统，该方法不适用，因为它不能控制各条支路的电流。而且，在多条传输线并联的电网系统或网状电网系统中，首条达到热极限(对应最大传输电流)的传输线限制了整个电网的电能传输能力，即使此时其它传输线的载流能力还未得到充分利用。

为了有效地控制线路潮流、提高电网的电能传输能力和电力系统的稳定性，柔性交流传输系统(flexibleactransmissionsystem，facts)技术被广泛研究和应用。但大多数facts装置只有一个控制自由度，不能对电网中的有功潮流和无功潮流同时进行分别控制，或由于采用大容量直流储能元件而导致设备故障率高、寿命周期短、维护费用高等诸多问题。

技术实现要素：

本发明的发明目的是提供一种相位360°正交型直接潮流控制器及其工作方法，只包含简单的buck交流单元电路，仅通过一级功率变换，可以同时控制电网传送端的电压相位和幅值，能够分别控制线路中的有功潮流和无功潮流，并实现输出电压相位角的360°调节。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种相位360°正交型直接潮流控制器，该直接潮流控制器包括三相输入变压模块、输入选择开关、单相buck交流单元电路模块、三相滤波器、输出选择开关、以及三相输出变压模块；

所述直接潮流控制器的输入端并联接入高压电网，所述直接潮流控制器的输出端串联接入高压电网；

所述输入选择开关连接到三相输入变压模块的一次侧或二次侧，所述输出选择开关连接到三相输出变压模块的一次侧或二次侧；

所述单相buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的a相buck交流单元电路、b相buck交流单元电路和c相buck交流单元电路。

上述技术方案中，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为三角形连接，二次侧为引出中性线的星形连接。

上述技术方案中，当所述输入选择开关连接到三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧时；

所述三相输入变压器或三相输入变压器组的二次侧包括a相输出绕组、b相输出绕组和c相输出绕组，所述a相输出绕组、b相输出绕组和c相输出绕组分别连接到输入选择开关的输入端，所述输入选择开关的a相输出端连接到a相buck交流单元电路的输入端，所述输入选择开关的b相输出端连接到b相buck交流单元电路的输入端,所述输入选择开关的c相输出端连接到c相buck交流单元电路的输入端。

上述技术方案中，所述三相输出变压模块为三相输出变压器或三相输出变压器组，所述三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧为三角形连接，二次侧为类似星形连接。

上述技术方案中，当所述输出选择开关连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧时；

所述三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、b相输入端和c相输入端分别连接到输出选择开关的输出端，所述输出选择开关的输入端分别连接到三相滤波器的a相输出端，b相输出端和c相输出端。

上述技术方案中，所述a相buck交流单元电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管的发射极和第二开关管的发射极相连，所述第三开关管的发射极和第四开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极相连，所述第一开关管的集电极连接到输入选择开关的a相输出端，所述第四开关管的集电极连接到输入选择开关的输出公共端，所述第二开关管的集电极和第三开关管的集电极连接到三相滤波器的a相输入端；

所述b相buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到输入选择开关的b相输出端，所述第八开关管的集电极连接到输入选择开关的输出公共端，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极连接到三相滤波器的b相输入端；

所述c相buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到输入选择开关的c相输出端，所述第十二开关管的集电极连接到输入选择开关的输出公共端，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极连接到三相滤波器的c相输入端。

上述技术方案中，所述三相滤波器包括第一输出滤波电感、第一输出滤波电容、第二输出滤波电感、第二输出滤波电容、第三输出滤波电感和第三输出滤波电容；

所述第一输出滤波电容、第二输出滤波电容和第三输出滤波电容为三角形连接。

一种相位360°正交型直接潮流控制器的工作方法，通过调整三相输入变压模块的匝比来调节三相交流输入电压的幅值，调整三相输出变压模块的匝比和开关管的占空比来调节该直接潮流控制器的输出电压的幅值，并通过调整开关管的占空比来调节该直接潮流控制器的输出电压相对于原高压电网输入电压的相位差；

通过输入选择开关和输出选择开关等效改变三相输入变压模块和三相输出变压模块的联结组号，使得输出电压相位角有360°调节范围。

上述技术方案中，所述输入选择开关和输出选择开关等效改变三相输入变压模块和三相输出变压模块的联结组号至少有6种组合，包括：

(1)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端；

(2)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端；

(3)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端；

(4)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端；

(5)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端；

(6)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端。

上文中，所列6种组合为实现相位360°调节的其中一种组合，而能够实现相位360°调节的组合有很多，在此就不一一赘述。

本发明的工作原理为：当a相buck交流单元电路的输入电压为正时，第一开关管、第三开关管高频互补导通，第二开关管、第四开关管恒导通，而当a相buck交流单元电路的输入电压为负时，第一开关管、第三开关管恒导通，第二开关管、第四开关管高频互补导通；当b相buck交流单元电路的输入电压为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当b相buck交流单元电路的输入电压为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当c相buck交流单元电路的输入电压为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当c相buck交流单元电路的输入电压为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。

a相、b相、c相三个单相buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量；每个单相buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量和三次谐波电压分量；其中三次谐波电压分量相互抵消，而三相滤波器滤除高频电压分量，在三相输出变压器或三相输出变压器组输入端得到三相交流基波输出电压；相对于直接潮流控制器的三相交流输入电压，其三相交流输出电压的幅值由三相输入变压器或三相输入变压器组的匝比、三相输出变压器或三相输出变压器组的匝比和开关管的占空比确定，而其三相交流输出电压的相位则由三相输入变压器或三相输入变压器组的联结组号、三相输出变压器或三相输出变压器组的联结组号和开关管占空比确定。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过在三相输入变压模块之前或之后增加输入选择开关、以及在三相输出变压模块之前或之后增加输出选择开关，对应不同的三相输入变压器或三相输入变压器组的联结组号和三相输出变压器或三相输出变压器组的联结组号，可实现输出电压相位角的360°调节；

2.本发明的输入选择开关设置在三相输入变压模块与单相buck交流单元电路模块之间，以及输出选择开关设置在三相滤波器与三相输出变压模块之间，降低了对选择开关的绝缘要求，降低了设备造价，提高了安全性；

3.本发明可分别地对输出电压的幅值和相位进行连续调节，且其结构只有一级，从而使得电路拓扑结构简单、控制策略容易实现，并提高了变换器的效率和可靠性，由于不含有高故障率的中间直流储能元件(电容)，极大地降低了设备的故障率，延长设备的生命周期，以及降低维修费用；

4.本发明采用三相输入变压器或三相输入变压器组和三相输出变压器或三相输出变压器组，使得潮流控制器能够方便地接入高压电网，从而可对高压电网中的电能进行传输控制。

附图说明

图1是本发明实施例一的相位360°正交型直接潮流控制器的拓扑图

其中：1、三相输入变压模块；2、输入选择开关；3、单相buck交流单元电路模块；4、三相滤波器；5、输出选择开关；6、三相输出变压模块；7、a相buck交流单元电路；8、b相buck交流单元电路；9、c相buck交流单元电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：

参见图1所示，一种相位360°正交型直接潮流控制器，该直接潮流控制器包括依次连接的三相输入变压模块1、输入选择开关hi2、单相buck交流单元电路模块3、三相滤波器4、输出选择开关5、以及三相输出变压模块6，

所述直接潮流控制器的输入端并联接入高压电网，所述直接潮流控制器的输出端串联接入高压电网；

所述单相buck交流单元电路模块包括三个电路结构一致的a相buck交流单元电路7、b相buck交流单元电路8和c相buck交流单元电路9。

本实施例中，所述输入选择开关位于三相输入变压模块和单相buck交流单元电路模块之间，所述输出选择开关位于三相滤波器和三相输出变压模块之间，为其中一种连接方式。还可以为，所述输入选择开关连接到三相输入变压模块的一次侧，所述输出选择开关连接到三相输出变压模块的二次侧。

本实施例中，所述三相输入变压模块为三相输入变压器或三相输入变压器组ti，所述三相输入变压器或三相输入变压器组的一次侧为三角形连接，二次侧为引出中性线的星形连接。

本实施例中，所述三相输入变压器或三相输入变压器组ti的二次侧包括a相输出绕组、b相输出绕组和c相输出绕组，所述a相输出绕组、b相输出绕组和c相输出绕组分别连接到输入选择开关hi的输入端，所述输入选择开关hi的a相输出端连接到a相buck交流单元电路的输入端，所述输入选择开关hi的b相输出端连接到b相buck交流单元电路的输入端,所述输入选择开关hi的c相输出端连接到c相buck交流单元电路的输入端。

本实施例中，所述三相输出变压模块为三相输出变压器或三相输出变压器组to，所述三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧为三角形连接，二次侧为类似星形连接。

本实施例中，所述三相输出变压器或三相输出变压器组to的一次侧的a相输入端、b相输入端和c相输入端分别连接到输出选择开关ho的输出端，所述输出选择开关ho的输入端分别连接到三相滤波器的a相输出端，b相输出端和c相输出端。

本实施例中，所述a相buck交流单元电路包括第一开关管s1a_a、第二开关管s1b_a、第三开关管s2a_a和第四开关管s2b_a，所述第一开关管s1a_a的发射极和第二开关管s1b_a的发射极相连，所述第三开关管s2a_a的发射极和第四开关管s2b_a的发射极相连，所述第二开关管s1b_a的集电极和第三开关管s2a_a的集电极相连，所述第一开关管s1a_a的集电极连接到输入选择开关hi的a相输出端，所述第四开关管s2b_a的集电极连接到输入选择开关hi的输出公共端，所述第二开关管s1b_a的集电极和第三开关管s2a_a的集电极连接到三相滤波器的a相输入端，即，与所述三相滤波器的第一输出滤波电感lfa相连；

所述b相buck交流单元电路包括第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管(图1中用框图表示)，所述第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连，所述第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极相连，所述第五开关管的集电极连接到输入选择开关hi的b相输出端，所述第八开关管的集电极连接到输入选择开关hi的输出公共端，所述第六开关管的集电极和第七开关管的集电极连接到三相滤波器的b相输入端，即，与所述三相滤波器的第二输出滤波电感lfb相连；

所述c相buck交流单元电路包括第九开关管、第十开关管、第十一开关管和第十二开关管(图1中用框图表示)，所述第九开关管的发射极和第十开关管的发射极相连，所述第十一开关管的发射极和第十二开关管的发射极相连，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极相连，所述第九开关管的集电极连接到输入选择开关hi的c相输出端，所述第十二开关管的集电极连接到输入选择开关hi的输出公共端，所述第十开关管的集电极和第十一开关管的集电极连接到三相滤波器的c相输入端，即，与所述三相滤波器的第三输出滤波电感lfc相连。

本实施例中所用开关管均为igbt开关管，然而本发明并不仅限于使用igbt开关管，还可以用mosfet开关管等进行替换，以mosfet开关管为例，此时，mosfet开关管的源极对应igbt开关管的发射极，mosfet开关管的漏极对应igbt开关管的集电极。

本实施例中，所述三相滤波器用于滤除单相buck交流单元电路模块中因开关管高频通断产生的高频谐波分量，经三相输出变压器或三相输出变压器组to输出三相交流输出电压，所述三相滤波器包括第一输出滤波电感lfa、第一输出滤波电容cf1、第二输出滤波电感lfb、第二输出滤波电容cf2、第三输出滤波电感lfc和第三输出滤波电容cf3。

所述第一输出滤波电容cf1、第二输出滤波电容cf2和第三输出滤波电容cf3为三角形连接，即输出滤波电容和三相输出变压器或三相输出变压器组to原边采用三角形接法相连，这是因为每一相buck交流单元电路的输出电压中含有三次谐波电压，而三角形接法可利用三相对称性将其相互抵消，得到正弦的输出线电压。

一种相位360°正交型直接潮流控制器的工作方法，通过调整三相输入变压模块的匝比来调节三相交流输入电压的幅值，调整三相输出变压模块的匝比和开关管的占空比来调节该直接潮流控制器的输出电压的幅值，并通过调整开关管的占空比来调节该直接潮流控制器的输出电压相对于原高压电网输入电压的相位差；通过输入选择开关和输出选择开关等效改变三相输入变压模块和三相输出变压模块的联结组号，至少需要6种组合，每种组合相位角调节宽度都是60°，使得输出电压相位角有360°调节范围。

本实施例中，所述输入选择开关和输出选择开关等效改变三相输入变压模块和三相输出变压模块的联结组号列举了6种组合，包括：

(1)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端；

(2)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端；

(3)输入选择开关控制a相输出绕组正向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组正向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组正向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端；

(4)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端；

(5)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端；

(6)输入选择开关控制a相输出绕组反向连接到a相buck交流单元电路的输入端、b相输出绕组反向连接到b相buck交流单元电路的输入端、c相输出绕组反向连接到c相buck交流单元电路的输入端，输出选择开关控制三相滤波器的a相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的c相输入端、b相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的a相输入端、c相输出端连接到三相输出变压器或三相输出变压器组的一次侧的b相输入端。

本发明在使用时，以a相buck交流单元电路为例，给出了一个基波电压周期内a相各开关管驱动信号时序。当a相buck交流单元电路的输入电压uia1为正时，第一开关管s1a_a、第三开关管s2a_a高频互补导通，第二开关管s1b_a、第四开关管s2b_a恒导通，而当a相buck交流单元电路的输入电压uia1为负时，第一开关管s1a_a、第三开关管s2a_a恒导通，第二开关管s1b_a、第四开关管s2b_a高频互补导通。类似的，当b相buck交流单元电路的输入电压uib1为正时，第五开关管、第七开关管高频互补导通，第六开关管、第八开关管恒导通，而当b相buck交流单元电路的输入电压uib1为负时，第五开关管、第七开关管恒导通，第六开关管、第八开关管高频互补导通；当c相buck交流单元电路的输入电压uic1为正时，第九开关管、第十一开关管高频互补导通，第十开关管、第十二开关管恒导通，而当c相buck交流单元电路的输入电压uic1为负时，第九开关管、第十一开关管恒导通，第十开关管、第十二开关管高频互补导通。

a相、b相、c相三个单相buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量；每个单相buck交流单元电路的输出电压中均包含高频电压分量、基波电压分量和三次谐波电压分量；其中三次谐波电压分量相互抵消，而三相滤波器滤除高频电压分量，在三相输出变压器或三相输出变压器组to输出端得到三相交流基波输出电压；相对于直接潮流控制器的三相交流输入电压，其三相交流输出电压的幅值由三相输入变压器或三相输入变压器组ti的匝比、三相输出变压器或三相输出变压器组to的匝比和占空比确定，而其三相交流输出电压的相位则由三相输入变压器或三相输入变压器组ti的联结组号、三相输出变压器或三相输出变压器组to的联结组号和开关管的占空比确定。

本实施例中，使a相、b相、c相三个单相buck交流单元电路的占空比中包含直流分量和2倍频交流分量，其中，a相占空比为da＝k0+k2sin(2ωt+β2)，b相占空比为db＝k0+k2sin(2ωt+β2+120°)，c相占空比为dc＝k0+k2sin(2ωt+β2-120°)，k0为占空比中直流分量，k2和β2分别为占空比中2倍频交流分量的幅值和初相角,ω为输入电压角频率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。