一种多端口柔性合环开关及其控制方法与流程

本发明涉及电力系统，尤其涉及一种多端口柔性合环开关及其控制方法。

背景技术：

1、传统配电网在相邻馈线间大部分采用机械开关，然而，机械开关无法自由调控端口间的功率流动，在端口拓展性、响应速度、寿命等方面都存在明显缺陷。柔性合环开关（flexible closed-loop switch）是一种用以替代传统联络开关的电力电子装置，能够准确控制其两侧所连馈线间传输的有功与无功功率，并提供一定的电压无功支撑。在单侧馈线发生故障时，柔性合环开关还能快速隔离故障从而减小故障影响范围，故障消除后能重新并网实现灵活供电。柔性合环开关作为一种新型的电力电子开关，具有响应速度快、调控灵活度高等优点，克服了传统机械开关的劣势，给电网的可靠运行带来了曙光。

2、在中低压配电网中，大部分柔性合环开关只能连接相邻馈线端口，端口数受到限制，且传统的柔性合环开关采用非隔离型的背靠背拓扑，故障隔离能力弱，级联模式的开关控制复杂，各相直流侧相互独立，存在二倍频波动。因此，突破柔性合环开关的二端口限制、提高柔性合环开关的故障隔离能力，以及稳定功率控制侧的直流电压波动，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供了一种多端口柔性合环开关及其控制方法，用于解决传统的柔性合环开关采用非隔离型的背靠背拓扑方式，存在二端口限制，以及故障隔离能力弱和功率控制侧的直流电压不稳定的技术问题。

2、有鉴于此，本发明第一方面提供了一种多端口柔性合环开关，包括三电平中点钳位型整流模块、多向有源桥dc-dc隔离模块和两个三电平中点钳位型逆变模块；

3、多向有源桥dc-dc隔离模块包括三绕组变压器、第一全桥电路、第二全桥电路和第三全桥电路，第一全桥电路连接三绕组变压器的一次侧，第二全桥电路和第三全桥电路分别连接三绕组变压器的二次侧；

4、三电平中点钳位型整流模块的交流侧连接第一交流电网，三电平中点钳位型整流模块的直流侧连接多向有源桥dc-dc隔离模块的第一全桥电路；

5、两个三电平中点钳位型逆变模块的交流侧分别连接第二交流电网和第三交流电网，两个三电平中点钳位型逆变模块的直流侧分别连接多向有源桥dc-dc隔离模块的第二全桥电路和第三全桥电路；

6、三电平中点钳位型整流模块与第一全桥电路之间并联直流电容，三电平中点钳位型逆变模块与第二全桥电路和第三全桥电路之间均并联直流电容。

7、可选地，第一交流电网、第二交流电网和第三交流电网为电压幅值、频率和/或相位不同的低压交流系统。

8、可选地，三电平中点钳位型整流模块采用定直流电压控制策略，多向有源桥dc-dc隔离模块采用单电压闭环控制策略，两个三电平中点钳位型逆变模块采用恒定有功无功控制策略。

9、可选地，三电平中点钳位型整流模块和两个三电平中点钳位型逆变模块的交流侧变流器均采用载波层叠pwm调制方式，直流侧变流器采用单移相控制调制方式。

10、可选地，三电平中点钳位型整流模块的定直流电压控制策略包括：

11、采集三电平中点钳位型整流模块直流侧上下电容电压，将直流侧上下电容电压相加得到直流侧总电压，将直流侧总电压与直流电压参考值作差的结果输入第一内环pi控制器，得到第一内环pi控制器输出的第一电流内环参考值；

12、采集第一交流电网侧的第一电压和第一电流，对第一电压进行锁相，得到第一电压相位，并将第一电压和第一电流进行park变换，得到第一电压和第一电流的dq轴分量，将第一电流的dq轴分量与第一电流内环参考值作差的结果作为第二内环pi控制器的输入；

13、将第二内环pi控制器的输出加上第一电压的dq轴分量，得到第一输出电压基波，将第一输出电压基波除以直流侧总电压，得到第一输出结果，以第一电压相位为参考相位，经dq/abc模块对第一输出结果进行反park变换，得到第一输出占空比；

14、将采集三电平中点钳位型整流模块直流侧上下电容电压作差的结果作为外环pi控制器的输入，得到外环pi控制器输出的第一占空比补偿值；

15、将第一输出占空比叠加第一占空比补偿值，得到第一调制波占空比，根据第一调制波占空比对第一输出电压基波进行载波层叠pwm调制，得到第一pwm信号。

16、可选地，三电平中点钳位型逆变模块的恒定有功无功控制策略包括：

17、采集第二交流电网侧或第三交流电网侧的第二电压和第二电流，对第二电压进行锁相，得到第二电压相位，并对第二电流和第二电压进行park变换，得到第二电流和第二电压的dq轴分量，根据给定有功功率参考值和无功功率参考值计算第二电流内环参考值；

18、将第二电流的dq轴分量与第二电流内环参考值的作差结果作为电流内环pi控制器的输入，将电流内环pi控制器的输出加上第二电压，得到第二输出电压基波，将第二输出电压基波除以第二交流电网侧或第三交流电网侧的直流侧总电压，得到第二输出结果，以第二电压相位为参考相位，经dq/abc模块对第二输出结果进行反park变换，得到第二输出占空比；

19、根据第二输出占空比对第二输出电压基波进行载波层叠pwm调制，得到第二pwm信号。

20、可选地，根据给定有功功率参考值和无功功率参考值计算第二电流内环参考值的计算公式为：

21、；

22、其中，为给定有功功率参考值，为给定无功功率参考值，和分别为第二电压的d轴分量和q轴分量，和分别为第二电流内环参考值的d轴分量和q轴分量。

23、多向有源桥dc-dc隔离模块的单电压闭环控制策略包括：

24、将第一全桥电路的触发信号设为占空比为0.5的方波；

25、采集第二全桥电路或第三全桥电路直流侧的电容电压总和，将电容电压总和与给定的直流侧电压参考值作差，将作差结果输出给pi控制器；

26、将pi控制器的输出结果乘以第一全桥电路的触发信号的方波周期，得到三绕组变压器二次侧第二全桥电路或第三全桥电路的移相角，将移相角与第一全桥电路的触发信号方波相加，得到三绕组变压器二次侧第二全桥电路或第三全桥电路的触发信号。

27、本发明第二方面提供了一种应用于第一方面任一种所述的多端口柔性合环开关的控制方法，包括：

28、三电平中点钳位型整流模块采用定直流电压控制策略进行电压控制；

29、两个三电平中点钳位型逆变模块采用恒定有功无功控制策略进行潮流控制；

30、多向有源桥dc-dc隔离模块采用单电压闭环控制策略进行电压控制。

31、可选地，三电平中点钳位型整流模块采用定直流电压控制策略进行电压控制，包括：

32、采集三电平中点钳位型整流模块直流侧上下电容电压，将直流侧上下电容电压相加得到直流侧总电压，将直流侧总电压与直流电压参考值作差的结果输入第一内环pi控制器，得到第一内环pi控制器输出的第一电流内环参考值；

33、采集第一交流电网侧的第一电压和第一电流，对第一电压进行锁相，得到第一电压相位，并将第一电压和第一电流进行park变换，得到第一电压和第一电流的dq轴分量，将第一电流的dq轴分量与第一电流内环参考值作差的结果作为第二内环pi控制器的输入；

34、将第二内环pi控制器的输出加上第一电压的dq轴分量，得到第一输出电压基波，将第一输出电压基波除以直流侧总电压，得到第一输出结果，以第一电压相位为参考相位，经dq/abc模块对第一输出结果进行反park变换，得到第一输出占空比；

35、将采集三电平中点钳位型整流模块直流侧上下电容电压作差的结果作为外环pi控制器的输入，得到外环pi控制器输出的第一占空比补偿值；

36、将第一输出占空比叠加第一占空比补偿值，得到第一调制波占空比，根据第一调制波占空比对第一输出电压基波进行载波层叠pwm调制，得到第一pwm信号。

37、可选地，两个三电平中点钳位型逆变模块采用恒定有功无功控制策略进行潮流控制，包括：

38、采集第二交流电网侧或第三交流电网侧的第二电压和第二电流，对第二电压进行锁相，得到第二电压相位，并对第一电流和第二电压进行park变换，得到第二电流和第二电压的dq轴分量，根据给定有功功率参考值和无功功率参考值计算第二电流内环参考值；

39、将第二电流的dq轴分量与第二电流内环参考值的作差结果作为电流内环pi控制器的输入，将电流内环pi控制器的输出加上第二电压，得到第二输出电压基波，将第二输出电压基波除以第二交流电网侧或第三交流电网侧的直流侧总电压，得到第二输出结果，以第二电压相位为参考相位，经dq/abc模块对第二输出结果进行反park变换，得到第二输出占空比；

40、根据第二输出占空比对第二输出电压基波进行载波层叠pwm调制，得到第二pwm信号。

41、可选地，多向有源桥dc-dc隔离模块采用单电压闭环控制策略进行电压控制，包括：

42、将第一全桥电路的触发信号设为占空比为0.5的方波；

43、采集第二全桥电路或第三全桥电路直流侧的电容电压总和，将电容电压总和与给定的直流侧电压参考值作差，将作差结果输出给pi控制器；

44、将pi控制器的输出结果乘以方波周期，得到三绕组变压器二次侧第二全桥电路或第三全桥电路的移相角，将移相角与第一全桥电路的触发信号方波相加，得到三绕组变压器二次侧第二全桥电路或第三全桥电路的触发信号。

45、从以上技术方案可以看出，本发明提供的多端口柔性合环开关及其控制方法具有以下优点：

46、本发明提供的多端口柔性合环开关，在交流侧采用三电平中点钳位型变流器，相比两电平变流器的输出谐波更少，耐压等级更高，相比三电平级联h桥型变流器，单个igbt管承受的电压更低，器件电压应力更高；中间采用多向有源桥dc-dc隔离模块，可以实现三个交流系统的异步互联，并且能够有效地滤除对侧传来的高频电压电流波动并进行单侧故障下的故障隔离，稳定功率侧的直流电压，提高配电网的稳定性和可靠性，解决了传统的柔性合环开关采用非隔离型的背靠背拓扑方式，存在二端口限制，以及故障隔离能力弱和功率控制侧的直流电压不稳定的技术问题。

47、同时，本发明提供的多端口柔性合环开关，三电平中点钳位型整流模块采用定直流电压控制策略，保证了多端口柔性合环开关的功率平衡传输；多向有源桥dc-dc隔离模块采用单电压闭环控制策略，保证了二次侧直流侧电容电压的稳定；两个三电平中点钳位型逆变模块采用恒定有功无功控制策略，实现了潮流控制。通过对多端口柔性合环开关的控制策略设计，实现了对不同端口的功率调控和无功补偿，可应用于多种工作模式，可以选择任一端口作为主端口控制直流侧电压，其余端口控制功率流动。

48、本发明提供的多端口柔性合环开关的控制方法，应用于本发明提供的多端口柔性合环开关，在稳定功率侧的直流电压、提高配电网的稳定性和可靠性的同时，实现了对不同端口的功率调控和无功补偿，可应用于多种工作模式，可以选择任一端口作为主端口控制直流侧电压，其余端口控制功率流动。