一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器

本发明属于新能源发电，更为具体地讲，涉及一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器。

背景技术：

1、“碳中和”目标推动了绿色技术和可再生能源领域的创新，目前受到了人们的广泛关注。新能源发电是实现碳中和目标的关键策略之一，它对于减少温室气体排放，推动能源转型，实现更加可持续和环保的能源供应体系起着关键作用。但是，新能源开发利用仍存在电力系统对大规模高比例新能源接网和消纳的适应性不足、土地资源约束明显等制约因素。同时，由于可再生能源电力具有随机性、波动性和间歇性，使得电网安全稳定运行面临新挑战。因此，深入研究高能效、高功率密度、高可靠性的电力装置将对于提高发电系统的整体效率、提升可再生能源的经济可行性以及提供稳定的电能输出具有重大意义。

2、三相并网变换器作为一种用于连接新能源与用电设备的常用电力电子变流装置，在可再生能源发电系统中充当重要角色。它们在电力转换和控制方面起着重要作用，可实现高效、可靠的能量转换。然而，在实际应用中，不平衡电网电压频繁发生。特别是在一些偏远的农村地区或分布式可再生能源微网中，由于电压跌落、非对称传输阻抗、单相负载接地等原因，变换器的控制性能可能严重降低，具体表现为交流侧电网电流失真以及直流侧功率波动。已经有大量的控制策略被开发去提升不平衡工况下三相变换器的性能，它们的控制目标要么是实现恒定的有功功率或者无功功率，要么是获得正弦的电网电流。由于传统的三相变换器控制自由度有限，这些控制策略无法同时实现这些控制目标，只能在无失真的电流和高质量的功率之间获得一个权衡。因此，可以考虑在保证低失真的电网电流的同时为变换器引入额外的功率控制自由度，从而获得期望的控制性能。

3、一种增加功率控制自由度的可行方案是直接在变换器的直流侧并联大体积的电解电容，此方案可以抑制由功率纹波导致的直流侧电压波动。然而，这种电容具有有限的寿命和笨重的质量，降低了系统的功率密度和可靠性。另一种可行的方案是采用可以引入更多功率控制自由度的有源功率解耦型拓扑，它们通过采用功率解耦电路与原始的变换器以并联或级联等方式组合而成。其中，功率解耦电路通常由有源开关、无源器件和解耦元件共同构建，它作为一个功率纹波通道，可以转移功率纹波到解耦元件中，从而避免功率纹波对直流侧用电设备的损害。长寿命且轻质量的薄膜电容常常作为解耦器件吸收功率纹波，可以有效提升系统的功率密度和可靠性。不幸地是，采用有源功率解耦型拓扑的方案存在明显的缺陷：一是额外的器件增加了系统的成本；二是功率纹波会被功率解耦电路和原始的变换器处理两次，这会降低系统的能量传递效率。目前，应用于三相系统的有源功率解耦型拓扑很难避免这两个缺陷。因此，需要开发一种具有低成本和低功率损耗特点的有源功率解耦型拓扑，以经济高效且可靠的方式解决不平衡电网电压对新能源系统稳定运行所带来的一系列挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器，可以有效降低系统的功率损耗和功率解耦方案所需要的成本，此外，通过采用薄膜电容替代大体积的短寿命的电解电容，进一步地提升了系统的功率密度和可靠性。

2、为实现上述发明目的，本发明一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器，其特征在于，包括：三相交流源、l滤波电路、三相桥臂、输出解耦电容、直流母线电容、输出直流负载；

3、所述三相交流源用于模拟可再生电网，它作为供电设备将三相交流电压输入至l滤波电路；

4、所述l滤波电路由三个rl滤波器组成，在三相交流源的每一相输出端分别连接一个rl滤波器，用于滤除电网侧电流的谐波；

5、所述三相桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂，分别连接三相交流源的a、b、c三相；

6、每相桥臂结构相同，均包含四个续流二极管和两个钳位二极管dx1、dx2以及四个有源开关sx1、sx2、sx3、sx4；其中，sx1的发射极与sx2的集电极连接，sx2的发射极与sx3的集电极连接，sx3的发射极与sx4的集电极连接；在每个有源开关的发射极与集电极之间并联一个续流二极管，续流二极管的正极接发射极，其负极接集电极；在sx1的发射极与sx2的集电极的连接中点位置接dx1的负极，sx3的发射极与sx4的集电极的连接中点位置接dx2的正极，dx1的正极与dx2的负极连接；

7、设置端点p、o、n；将每相桥臂中sx1的集电极连接至端点p，将每相桥臂中sx4的发射极连接至端点n，将每相桥臂中dx1与dx2的连接中点位置连接至端点o，从而构成双直流端口并网整流器的高压直流端口pn和低压直流端口on；

8、所述输出解耦电容cd作为解耦元件，用于吸收三相交流源产生的功率纹波；输出解耦电容cd并联在直流侧的o、n两端点，即并联在双直流端口整流器的低压直流端口；

9、所述直流母线电容co并联在直流侧的p、n两端点，即并联在双直流端口整流器的高压直流端口，用于吸收输出解耦电容cd没有完全吸收的其它功率纹波，并履行着支撑直流母线电压的功能；

10、所述输出直流负载rl并联在直流侧的p、n两端点，即并联在双直流端口整流器的高压直流端口。

11、本发明的发明目的是这样实现的：

12、本发明一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器，具有两个直流端口，分别为高压直流端口和低压直流端口；高压直流端口与直流负载相连，用于提供稳定的电压；低压直流端口与解耦电容相连，用于吸收功率纹波；这样不需要添加额外的元件，只需通过内部的三相滤波电感和内嵌的解耦电容就能实现功率纹波的抑制，并且所有的功率都在单个功率转换级内传递，实现了低成本和低功率损耗的有源功率解耦，同时也避免大体积电解电容的使用，特别适合高功率密度、高可靠的交直流发电系统。

13、同时，本发明一种内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器还具有以下有益效果：

14、(1)、本发明提供的内嵌功率解耦功能的单级式双直流端口并网整流器具有两个直流端口，没有引入额外的有源开关或者无源器件就能实现功率纹波和恒定功率分量的解耦，有助于实现低成本的有源功率解耦，避免额外的开关损耗产生，同时有利于系统功率密度的提升。

15、(2)、本发明适用于有双直流输出或者输入的交直流变换需求的应用场合；其次，本发明是通过在整流器内部嵌入额外的直流端口来增加更多的功率控制自由度，大幅度降低了构建有源功率解耦型拓扑所需要的成本。

16、(3)、在本发明提供的双直流端口整流器中，当三相电网电压发生跌落时，电网侧产生的双倍频率的功率纹波会流入直流侧，此时通过控制三相桥臂中的有源开关，利用低压直流端口的解耦电容吸收流入直流侧的功率纹波，从而实现有源功率的解耦；功率纹波流向解耦电容，恒定的功率分量流向直流负载，这为负载的高质量供电提供保障。

17、(4)、在本发明提供的双直流端口整流器中，整流器可以直接将交流侧的交流源和直流侧的用电设备及解耦电容相连，所有的功率都在单个功率转换级内传输，具有能量转换次数少的优势，有利于提升系统整体的能量传输效率。