CN105162351A - 一种直流配电网的限流型双向变流装置 - Google Patents

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刘召杰
陆健
陈冉
庄黎明
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Abstract

本发明涉及一种直流配电网的限流型双向变流装置，用以在直流配电网和交流电网之间实现能量的双向传输，该装置包括变压器和三相电压源变换器，该装置还包括限流电路、双向DC/DC变换器和滤波电路，所述的交流电网、三相电压源变换器、双向DC/DC变换器、滤波电路和直流配电网依次连接，所述的限流电路与变压器连接。与现有技术相比，本发明具有安全可靠、电压变换范围大、抑制电流变化率等优点。

Description

一种直流配电网的限流型双向变流装置
技术领域
本发明涉及电力电子、配网以及电能质量领域，尤其是涉及一种直流配电网的限流型双向变流装置。
背景技术
电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。各种电力电子装置广泛应用于电能质量治理、高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动等之中。
在配电领域，灵活、简单的交流配电技术仍然是主要的应用模式。由于易于变压、便于长距离传输及其内在特性使得交流网络一直是电力传输领域的首选。随着日益增长的电能需求，传统的交流电网也不能满足生活和生产的需要，而投资新的大型电厂和建设新的传输线路也需要大量的资金。于是一种能节省投资、提高输电能力、更适合现代电力需求的直流配电网络应运而生。同时，国家正大力发展光伏、风能、微型燃气轮机、燃料电池等多种分布式电源，这些电源都要经过逆变器逆变成交流，接入交流电网，这样的转换环节对能源也会造成一定的浪费。在用户终端方面，但随着技术的进步，以及生产生活质量的不断提高，越来越多的生产生活用电设备，最终采用直流供电方式。特别是智能化的IT用电设备(如计算机等)，其最终用电形式几乎完全采用直流供电；另外，与人民生活密切相关的空调设备、制冷设备(如冰箱等)、甚至电气化机车也越来越多的采用了先进的直流变频电动机作为动力，电动汽车的充电装置也需要将交流电源转换成直流电源供电。而大量的直流用电设备将会产生大量的谐波，对交流系统造成严重的影响。
滤波电路常用于滤去逆变输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件(如电容、电感)组成的滤波电路来滤除输出电压中的高频谐波。
目前交流配电系统面临着线路损耗大、电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题，迫切需要改变现有的配网结构，从而引入了直流配电网概念。直流配电网具有以下优势：
(1)使得电力电子通信设备、照明负荷等直流用电设备直接或通过一级DC/DC就可接入直流母线，省去了AC/DC环节。
(2)如果选定合适的直流母线电压等级，光伏电池等直流分布式电源就可直接接入母线，而不必通过大量复杂的DC/AC逆变等装置。而对于风力发电等交流分布式电源则也只需一级较为简单的整流环节，再通过DC/DC转换成给定的直流电压即可。
(3)可在直流母线处引入大容量的蓄电池组和超级电容器作为系统备用，一方面可作为电动汽车的动力电池，另一方面也可从一定程度上提高配电系统自身的可靠性。而对于传统交流配电系统，蓄电池组备用电源需要逆变装置才能并网，无疑增加了成本、降低了效率。
三相电压源变换器(VSC)具有直流侧电压可控、功率因数可控以及能量双向流动的特点,是目前运用最为广泛的直流配网的换流器。但是，VSC也存在自身的局限性，首先由三相全桥电路特性可知，它的直流侧电压存在下限，较低压的直流母线无法直接与并网借口相连。其次，当微网内部负荷变化较大时，微网与交流微网之间的交换功率会出现差额，从而导致母线电压突变。最后，当外部交流电网电三相失衡时，VSC调节能力不足，会引起直流侧电压波动。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全可靠、电压变换范围大、抑制电流变化率的直流配电网的限流型双向变流装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种直流配电网的限流型双向变流装置，用以在直流配电网和交流电网之间实现能量的双向传输，该装置包括变压器和三相电压源变换器，该装置还包括限流电路、双向DC/DC变换器和滤波电路，所述的交流电网、三相电压源变换器、双向DC/DC变换器、滤波电路和直流配电网依次连接，所述的限流电路与变压器连接。
所述的双向DC/DC变换器包括第一IGBT、第二IGBT、第一电感、第一电容和第二电容，所述的三相电压源变换器的直流母线正极、第二IGBT、第一电容、第二电容和三相电压源变换器的直流母线负极依次连接，所述的第一电容正极板与第二IGBT的集电极连接，另一端与直流母线负极连接，所述的第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射级连接，另一端与直流母线负极连接。
所述的限流电路为三相桥式限流器。
所述的双向DC/DC变换器包括两种工作方式，所述的两种工作方式为Buck电路方式和Boost电路方式。
所述的滤波电路为LCCR滤波器，包括第二电感、第三电容、第四电容和电阻，所述的双向DC/DC变换器的输出端正极、第二电感、第四电容电阻和双向DC/DC变换器的输出端负极依次连接，所述的第三电容正极板与第四电容的正极板连接，负极板与双向DC/DC变换器的输出端负极连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、安全可靠：限流器模块能够限制交流配电网短路电流，也能效避免交流故障对直流配网的影响。
二、电压变换范围大：两级变换器大大提高了输出电压变换范围，可以减少直流母线上的电容容量，同时当微网内部负短路时，关断DC/DC变换器，可以起到短路保护的作用。
三、抑制电流变化率：新型滤波电路可以有效滤除换流器产生电压的高频谐波，同时有效抑制电流变化率。
附图说明
图1为本系统的结构示意图。
图2为限流电路的结构示意图。
图3为双向DC/DC变换器的结构示意图。
图4为滤波电路的结构示意图。
其中，1、变压器，2、三相电压源变换器，3、限流电路，4、双向DC/DC变换器，5、滤波电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种直流配电网的限流型双向变流装置，用以在直流配电网和交流电网之间实现能量的双向传输，其特征在于，该装置包括变压器1、三相电压源变换器2、限流电路3、双向DC/DC变换器4和滤波电路5，所述的交流电网、三相电压源变换器2、双向DC/DC变换器4、滤波电路5和直流配电网依次连接，所述的限流电路3与变压器1连接。
在三相电压源变换器2(VSC)后端接入一个具有双向能量流动的双向DC/DC变换器4。两级变换器理论上大大提高了输出电压变换范围，可以减少直流母线上的电容容量，同时当微网内部负短路时，关断双向DC/DC变换器4，可以起到短路保护的作用。同时，将限流电路3与VSC通过串联变压器相连。在正常工况下，变压器1二次侧短路，限流电路3不会对系统运行产生影响。而在故障条件下，直流限流电感快速切入变压器1副边，等效于在变压器1原边线路中插入一个限流电感，从而将短路电流限制在一定水平，并且在输出端采用滤波电路5，保证配网的电能质量。
二级变换电路方案：
如图3所示，双向DC/DC变换器4并网接口变换电路需要实现能量双向流动，采用升降压斩波电路。其中，U1为第一级VSC输出的直流电压，Udc为输出的直流母线电压。当S1工作，S2不工作时，能量从U1侧流向Udc侧，为buck变换器模式，交流电网向直流配电网供电；当S2工作，S1不工作时，系统相当于一个boost变换器，能量由Udc流向U1，直流配电网向交流电网供电。
限流电路方案：
如图2所示，系统正常工况时，给晶闸管T1～T6和续流管T7、T8常开通信号，三相全桥上的晶闸管分别在各相电压的过零点开通。T7和T8常导通是为直流电感厶提供续流回路，使电流保持在变压器副边绕组负载电流的峰值；T7、T8常导通，变压器副边等效于短接(T7、T8两管压降可以忽略)，系统等效于两级变换器单独工作，对线路潮流进行调节。
短路故障时，系统电压将全部降落在串联变压器的原边，并耦合至桥路上，迫使续流管迅速关断，直流电感就自动串入系统，限制了短路电流迅速上升。同时封锁T1～T6管的触发脉冲与SSSC模块中的脉冲，SSSC模块退出工作，令其不受到短路故障的影响，使短路故障不扩散到直流配网中。几个周波之后晶闸管将全部关断，串联变压器副边等同于开路，短路电流将被彻底切断，即能达到限制交流配电网短路电流的目标，也有效避免了交流故障对直流配网的影响。
滤波电路方案：
如图4所示，LCCR滤波器就是在LC滤波器的基础上，再并联一个C(CR)支路，可以更有效地滤去LC滤波电路后留下的残余的高频率纹波。在补偿期间，会产生长达一个周波时间的高频振荡分量，会影响输出电压的效果，因此需要采取限制措施。
新型滤波器的接线基本上和普通LC滤波一样。阻尼电阻R的作用是抑制滤波电感L和滤波电容2C之间可能出现的串连谐振。和常规的LC滤波相比较，该接线方式基本上保持了LC滤波器的二阶滤波特性，同时也阻尼了LC之间的串联谐振，因此其性能优于普通LC滤波器。

Claims (5)

1.一种直流配电网的限流型双向变流装置，用以在直流配电网和交流电网之间实现能量的双向传输，该装置包括变压器(1)和三相电压源变换器(2)，其特征在于，该装置还包括限流电路(3)、双向DC/DC变换器(4)和滤波电路(5)，所述的交流电网、三相电压源变换器(2)、双向DC/DC变换器(4)、滤波电路(5)和直流配电网依次连接，所述的限流电路(3)与变压器(1)连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流配电网的限流型双向变流装置，其特征在于，所述的双向DC/DC变换器(4)包括第一IGBT(T9)、第二IGBT(T10)、第一电感(L1)、第一电容(C1)和第二电容(C2)，所述的三相电压源变换器(2)的直流母线正极、第二IGBT(T10)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和三相电压源变换器(2)的直流母线负极依次连接，所述的第一电容(C1)正极板与第二IGBT(T10)的集电极连接，另一端与直流母线负极连接，所述的第一IGBT(T9)的集电极与第二IGBT(T10)的发射级连接，另一端与直流母线负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种直流配电网的限流型双向变流装置，其特征在于，所述的限流电路(3)为三相桥式限流器。
4.根据权利要求2所述的一种直流配电网的限流型双向变流装置，其特征在于，所述的双向DC/DC变换器(4)包括两种工作方式，所述的两种工作方式为Buck电路方式和Boost电路方式。
5.根据权利要求1所述的一种直流配电网的限流型双向变流装置，其特征在于，所述的滤波电路(5)为LCCR滤波器，包括第二电感(L2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和电阻(R)，所述的双向DC/DC变换器(4)的输出端正极、第二电感(L2)、第四电容(C4)电阻(R)和双向DC/DC变换器(4)的输出端负极依次连接，所述的第三电容(C3)正极板与第四电容(C4)的正极板连接，负极板与双向DC/DC变换器(4)的输出端负极连接。
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