CN106972759A - 一种模拟电网扰动的电源 - Google Patents

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CN106972759A CN201710385568.3A CN201710385568A CN106972759A CN 106972759 A CN106972759 A CN 106972759A CN 201710385568 A CN201710385568 A CN 201710385568A CN 106972759 A CN106972759 A CN 106972759A
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李胜男
吴水军
何廷
何廷一
彭俊臻
陈勇
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Abstract

本申请公开了一种模拟电网扰动的电源，包括：35KV输入断路器、35KV输出断路器、35KV四象限变流器和35KV旁路断路器；并且35KV四象限变流器包括：移相变压器和与移相变压器相连的三相级联电路；三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；每一个功率变换单元包括：三相可控整流桥电路、平波电容和H桥式逆变电路；由于本申请提供的电源中采用35KV四象限变流器，简化了现有技术中的LCL型滤波器，并且去掉了现有技术中的升压变压器，不仅提高光伏逆变器和风机对电网的适应性,还解决了现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器造成的电网转换效率低和电能利用率不高的问题。

Description

一种模拟电网扰动的电源
技术领域
本申请涉及电气设备领域，尤其涉及一种模拟电网扰动的电源。
背景技术
随着我国新能源的快速发展，光伏发电和风力发电的装机容量越来越大，并网点电压等级也越来越高。目前我国光伏发电和风力发电装机最多的地方主要分布于我国新疆、西藏、内蒙古等西部或者北部地区。这些地区太阳能和风能资源丰富，但是经济不发达，电网自身的稳定性和鲁棒性不够，电能质量不佳，以至于会有电压暂降、闪变、频率波动和低次谐波含量较高等异常情况发生。电网出现上述扰动时，光伏逆变器和风机都会触发自身的保护机制，从而脱网停止发电，不仅会造成资源的浪费和设备的闲置，还会增加维护的成本。
为解决上述问题，现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器，以帮助提高光伏逆变器和风机对电网的适应性。
然而，采用LCL型滤波器和升压变压器，势必会造成转换效率较低，电能利用率不高的现象。并且，目前的大容量光伏逆变器和风机的电压等级很多达到了35KV，容量都是在MW级，采用LCL型滤波器和升压变压器的还会造成较大的能量损耗。
发明内容
本申请提供了一种模拟电网扰动的电源，以解决现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器造成的电网转换效率低和电能利用率不高的问题。
本申请提供了一种模拟电网扰动的电源，包括：35KV输入断路器、35KV输出断路器、35KV四象限变流器和35KV旁路断路器；
所述35KV输入断路器的一端连接所述35KV旁路断路器，所述35KV输入断路器的另一端连接所述35KV四象限变流器的输入端；
所述35KV输出断路器的一端连接所述35KV四象限变流器的输出端，所述35KV输出断路器的另一端连接所述35KV旁路断路器；
所述35KV四象限变流器包括：移相变压器和与所述移相变压器相连的三相级联电路；
所述三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；
每一个所述功率变换单元包括：三相可控整流桥电路、平波电容和H桥式逆变电路；
所述三相可控整流桥电路、所述平波电容和所述H桥式逆变电路并联；
第一个所述功率变换单元还包括：滤波电感；所述滤波电感的一端与所述H桥式逆变电路的一个桥臂连接，另一端与电压输出端口连接；
每一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路的桥臂与下一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路的桥臂连接。
可选的，所述三相可控整流桥电路包括：第一整体式功率单元、第二整体式功率单元、第三整体式功率单元、第四整体式功率单元、第五整体式功率单元和第六整体式功率单元；
所述第一整体式功率单元的发射极与所述第二整体式功率单元的集电极连接；
所述第三整体式功率单元的发射极与所述第四整体式功率单元的集电极连接；
所述第五整体式功率单元的发射极与所述第六整体式功率单元的集电极连接；
所述第一整体式功率单元与所述第二整体式功率单元组成的电路、所述第三整体式功率单元与所述第四整体式功率单元组成的电路和所述第五整体式功率单元与所述第六整体式功率单元组成的电路并联。
可选的，所述第一整体式功率单元、所述第二整体式功率单元、所述第三整体式功率单元、所述第四整体式功率单元、所述第五整体式功率单元和所述第六整体式功率单元分别是由两个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
可选的，所述H桥式逆变电路包括：第七整体式功率单元、第八整体式功率单元、第九整体式功率单元和第十整体式功率单元；
所述第七整体式功率单元的发射极与所述第八整体式功率单元的集电极连接；
所述第九整体式功率单元的发射极与所述第十整体式功率单元的集电极连接；
所述第七整体式功率单元与所述第八整体式功率单元组成的电路和所述第九整体式功率单元与所述第十整体式功率单元组成的电路并联。
可选的，所述第七整体式功率单元、所述第八整体式功率单元、所述第九整体式功率单元和所述第十整体式功率单元分别是由三个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
可选的，每一个所述H桥式逆变电路中的所述第九整体式功率单元和所述第十整体式功率单元组成的桥臂中点与下一个所述H桥式逆变电路中的所述第七整体式功率单元和所述第八整体式功率单元组成的桥臂中点连接。
可选的，所述电源还包括：主控器；所述主控器与所述功率变换单元连接。
由以上技术方案可知，本申请提供了一种模拟电网扰动的电源，包括：35KV输入断路器、35KV输出断路器、35KV四象限变流器和35KV旁路断路器；并且35KV四象限变流器包括：移相变压器和与移相变压器相连的三相级联电路；三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；每一个功率变换单元包括：三相可控整流桥电路、平波电容和H桥式逆变电路；由于本申请提供的电源中采用35KV四象限变流器，简化了现有技术中的LCL型滤波器并且去掉了现有技术中的升压变压器，不仅提高光伏逆变器和风机对电网的适应性,还解决了现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器造成的电网转换效率低和电能利用率不高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种模拟电网扰动的电源的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的功率变换单元的电路图；
图3为本申请实施例提供的35KV四象限变流器的电路图；
图4为本申请实施例提供的a相功率传递向量图；
图5为本申请实施例提供的两相旋转坐标系中的矢量关系图。
图示说明：
其中，1-35KV输入断路器；2-35KV输出断路器；3-35KV四象限变流器；4-35KV旁路断路器；5-移相变压器；6-三相可控整流桥电路；7-平波电容；8-H桥式逆变电路；9-滤波电感；10-第一整体式功率单元；11-第二整体式功率单元；12-第三整体式功率单元；13-第四整体式功率单元；14-第五整体式功率单元；15-第六整体式功率单元；16-第七整体式功率单元；17-第八整体式功率单元；18-第九整体式功率单元；19-第十整体式功率单元。
具体实施方式
参见图1，为本申请实施例提供的一种模拟电网扰动的电源的结构示意图。包括：35KV输入断路器1、35KV输出断路器2、35KV四象限变流器3和35KV旁路断路器4。
所述35KV输入断路器1的一端连接所述35KV旁路断路器4，所述35KV输入断路器1的另一端连接所述35KV四象限变流器3的输入端。
所述35KV输出断路器2的一端连接所述35KV四象限变流器3的输出端，所述35KV输出断路器2的另一端连接所述35KV旁路断路器4。
35KV输入断路器1作为本申请实施例中的电网能量输入开关；35KV输出断路器2用于分合本申请实施例中的电源能量输出；35KV旁路断路器4用于分合本申请接入的电网，当光伏逆变器和风机进行常规测试时，直接引入电网能量，当需要进行电网扰动性试验时，再将电网能量旁路掉，转而采用35KV四象限变流器3输出的电能，可以降低设备测试的能耗。
参见图3，为本申请实施例提供的35KV四象限变流器3的电路图。所述35KV四象限变流器3包括：移相变压器5和与所述移相变压器5相连的三相级联电路。
所述三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元。
三十个功率变换单元级联后，由于级联数量较多，等效开关频率很高，这时输出的电压波形已经接近与正弦波，因此，不需要采用传统的LCL型滤波器，只采用电感滤波即可。
参见图2，为本申请实施例提供的功率变换单元的电路图。每一个所述功率变换单元包括：三相可控整流桥电路6、平波电容7和H桥式逆变电路8。
所述三相可控整流桥电路6、所述平波电容7和所述H桥式逆变电路8并联。
第一个功率变换单元还包括：滤波电感9；所述滤波电感9的一端与所述H桥式逆变电路8的一个桥臂连接，另一端与电压输出端口连接。
每一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路8的桥臂与下一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路8的桥臂连接。
H桥式逆变电路8可以将三相可控整流桥电路6整流变换后的直流电逆变为交流电。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种模拟电网扰动的电源，包括：35KV输入断路器1、35KV输出断路器2、35KV四象限变流器3和35KV旁路断路器4；并且35KV四象限变流器3包括：移相变压器5和与移相变压器5相连的三相级联电路；三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；每一个功率变换单元包括：三相可控整流桥电路6、平波电容7和H桥式逆变电路8；由于本申请提供的电源中采用35KV四象限变流器3，简化了现有技术中的LCL型滤波器并且去掉了现有技术中的升压变压器，不仅提高光伏逆变器和风机对电网的适应性,还解决了现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器造成的电网转换效率低和电能利用率不高的问题。
可选的，所述三相可控整流桥电路6包括：第一整体式功率单元10、第二整体式功率单元11、第三整体式功率单元12、第四整体式功率单元13、第五整体式功率单元14和第六整体式功率单元15；
所述第一整体式功率单元10的发射极与所述第二整体式功率单元11的集电极连接；
所述第三整体式功率单元12的发射极与所述第四整体式功率单元13的集电极连接；
所述第五整体式功率单元14的发射极与所述第六整体式功率单元15的集电极连接；
所述第一整体式功率单元10与所述第二整体式功率单元11组成的电路、所述第三整体式功率单元12与所述第四整体式功率单元13组成的电路和所述第五整体式功率单元14与所述第六整体式功率单元15组成的电路并联。
进一步地，如图3所示，所述第一整体式功率单元10与所述第二整体式功率单元11组成的电路中点引出线连接到移相变压器5的一个端口上；所述第三整体式功率单元12与所述第四整体式功率单元13组成的电路中点引出线连接到移相变压器5的一个端口上；所述第五整体式功率单元14与所述第六整体式功率单元15组成的电路中点引出线连接到移相变压器5的一个端口上。上述端口均为移相变压器5多绕组的副边输出。
可选的，所述第一整体式功率单元10、所述第二整体式功率单元11、所述第三整体式功率单元12、所述第四整体式功率单元13、所述第五整体式功率单元14和所述第六整体式功率单元15分别是由两个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
可选的，所述H桥式逆变电路8包括：第七整体式功率单元16、第八整体式功率单元17、第九整体式功率单元18和第十整体式功率单元19；
所述第七整体式功率单元16的发射极与所述第八整体式功率单元17的集电极连接；
所述第九整体式功率单元18的发射极与所述第十整体式功率单元19的集电极连接；
所述第七整体式功率单元16与所述第八整体式功率单元17组成的电路和所述第九整体式功率单元18与所述第十整体式功率单元19组成的电路并联。
可选的，所述第七整体式功率单元16、所述第八整体式功率单元17、所述第九整体式功率单元18和所述第十整体式功率单元19分别是由三个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
可选的，每一个所述H桥式逆变电路8中的所述第九整体式功率单元18和所述第十整体式功率单元19组成的桥臂中点与下一个所述H桥式逆变电路8中的所述第七整体式功率单元16和所述第八整体式功率单元17组成的桥臂中点连接。
进一步地，第三十个功率变换单元中H桥式逆变电路8中第九整体式功率单元18和第十整体式功率单元19组成的桥臂中点引出到中性点上。
可选的，所述电源还包括：主控器；所述主控器与所述功率变换单元连接。主控器中采用TI2407芯片，实时采集单元电压和输入电流，再通过矢量分解技术，将输入电流分流为有功电流和无功电流，直流电压闭环输出有功电流指令，无功电流指令设置为0，最后进行单位功率因数控制。
进一步地，以三相级联电路的a相为例：
控制系统采用双闭环控制。外环控制直流母线电压，实际直流母线电压和给定直流母线电压的差值作为直流电压PI调节器的输入，其输出作为对应有功功率的d轴电流参考值，通过调节变流器传送到电网的有功功率，使直流母线电压工作在给定参考电压。内环为电流控制环，在与电网电压矢量同步旋转的d-q坐标系统下，利用两个PI调节器对变流器输出电流的d轴分量和q轴分量进行解耦控制。
其中，运用脉冲宽度调制整流器(简称PWM整流器)对H桥式逆变电路8的开关器件通断进行控制。
上述有功无功解耦控制的原理如下：能量回馈时，PWM整流器与电网之间的a相功率传递向量图如图4所示，其中，是电网a相电压向量，是滤波电感9两端电压的基波成分，是H桥式逆变电路8输出电压的基波成分，是H桥式逆变电路8输出电流的基波成分，δ为电网电压矢量旋转角速度，θ为电网电压与H桥式逆变电路8输出电流的夹角。可以得到PWM整流器传递到电网a相的有功功率和无功功率表达式如下：
由式(1)可知，当滤波电感9和电网电压E确定后，要调节输送到电网的有功功率P和无功功率Q，可通过调节H桥式逆变电路8输出电压Uan1、Ubn1和Ucn1的幅值和相位来实现。
记[ia,ib,ic]T为H桥式逆变电路8的输出电流状态量，[Ua,Ub,Uc]T为H桥式逆变电路8输出电压状态量，[ea,eb,ec]T为电网相电压状态量，L为各相滤波电感值，并且忽略其内阻。则在静止三相a-b-c坐标系下，三相H桥式逆变电路8的状态方程如式(2)：
为有利于PI调节器对电网电流进行变换控制，将基于静止三相坐标系a-b-c的状态方程式(2)变换为同步d-q坐标系下的状态方程，将H桥式逆变电路8的交流量变换为直流量，记为:
式(2)两端同时乘[C1,C2]T，可以得到如下的表达式：
用ω、id和iq表示式(4)左边，可以进一步得到如式(5)的表达式，该表达式即为三相H桥式逆变电路8在同步旋转d-q坐标系下的状态方程：
所以，在同步旋转d-q坐标系下，PWM整流器输出的电压和功率表达式为：
当电网电压三相对称时，并进行Park变换，可得到式(8)的结论，其中U是电网相电压的峰值。
所以，式(7)可以化简为如下的表达式：
由公式(9)可知，在与电网电压矢量同步旋转的d-q坐标系下，调节电流的d轴分量id可以控制有功功率P，调节电流的q轴分量iq来控制无功功率Q，实现有功功率和无功功率解耦控制。若设置q轴参考电流为0，PWM整流器输出的功率因数就为单位功率因数。
进一步地，本申请实施例还采用SPLL锁相控制。其原理为：在两相旋转坐标系中电压合成矢量与其d、q轴电压分量的关系如图5所示，对于三相电网，电压合成矢量的幅值是不变的，则q轴电压分量反映了d轴电压分量与电网电压合成矢量的相位关系。特别地，当q轴分量为的时候，d轴和同向。这就是说，可以通过控制电网电压q轴分量使电网电压合成矢量定向于d轴电压分量，实现两者同相位。
三相对称相电压的瞬时值可以表示为：
公式(10)中，θ1＝ω1t，为电网A相电压相位，Um为电网电压幅值。
三相对称电压变换到两相静止坐标系α、β轴电压分量Usα、Usβ，两相静止α-β坐标系再经过两相旋转坐标系变换后得到的dq轴电压分量Usd、Usq可以表示为：
公式(11)中，θ为三相电压SPLL的输出相位角。
进一步地，功率变换单元的H桥式逆变电路8采用输出电压与频率解耦控制，输出电压目标值由基准电压、基频电压差值、谐波指令电压三者合成，频率独立设置。给定基准电压值后，分别独立检测和计算A、B、C三相电压的实际偏差量后，再与基准电压值叠加得到A、B、C三相输出电压基准值。若是需要进行谐波补偿，则在计算基准电压与三相电压的实际偏差量叠加的同时，再叠加需要补偿次数谐波的调制量以输出三相电压基准值。
进一步地，对H桥式逆变电路8输出电压闭环控制，电压环以合成的输入电压基准值为目标指令进行PI变换调节，输出电压指令补偿值与输出电压基准相加作为输出电压指令。
由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种模拟电网扰动的电源，包括：35KV输入断路器1、35KV输出断路器2、35KV四象限变流器3和35KV旁路断路器4；并且35KV四象限变流器3包括：移相变压器5和与移相变压器5相连的三相级联电路；三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；每一个功率变换单元包括：三相可控整流桥电路6、平波电容7和H桥式逆变电路8；由于本申请提供的电源中采用35KV四象限变流器3，简化了现有技术中的LCL型滤波器并且去掉了现有技术中的升压变压器，不仅提高光伏逆变器和风机对电网的适应性,还解决了现有技术采用LCL型滤波器和升压变压器造成的电网转换效率低和电能利用率不高的问题。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由上面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种模拟电网扰动的电源，其特征在于，包括：35KV输入断路器(1)、35KV输出断路器(2)、35KV四象限变流器(3)和35KV旁路断路器(4)；
所述35KV输入断路器(1)的一端连接所述35KV旁路断路器(4)，所述35KV输入断路器(1)的另一端连接所述35KV四象限变流器(3)的输入端；
所述35KV输出断路器(2)的一端连接所述35KV四象限变流器(3)的输出端，所述35KV输出断路器(2)的另一端连接所述35KV旁路断路器(4)；
所述35KV四象限变流器(3)包括：移相变压器(5)和与所述移相变压器(5)相连的三相级联电路；
所述三相级联电路的每一相都包括三十个功率变换单元；
每一个所述功率变换单元包括：三相可控整流桥电路(6)、平波电容(7)和H桥式逆变电路(8)；
所述三相可控整流桥电路(6)、所述平波电容(7)和所述H桥式逆变电路(8)并联；
第一个所述功率变换单元还包括：滤波电感(9)；所述滤波电感(9)的一端与所述H桥式逆变电路(8)的一个桥臂连接，另一端与电压输出端口连接；
每一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路(8)的桥臂与下一个所述功率变换单元中的所述H桥式逆变电路(8)的桥臂连接。
2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述三相可控整流桥电路(6)包括：第一整体式功率单元(10)、第二整体式功率单元(11)、第三整体式功率单元(12)、第四整体式功率单元(13)、第五整体式功率单元(14)和第六整体式功率单元(15)；
所述第一整体式功率单元(10)的发射极与所述第二整体式功率单元(11)的集电极连接；
所述第三整体式功率单元(12)的发射极与所述第四整体式功率单元(13)的集电极连接；
所述第五整体式功率单元(14)的发射极与所述第六整体式功率单元(15)的集电极连接；
所述第一整体式功率单元(10)与所述第二整体式功率单元(11)组成的电路、所述第三整体式功率单元(12)与所述第四整体式功率单元(13)组成的电路和所述第五整体式功率单元(14)与所述第六整体式功率单元(15)组成的电路并联。
3.根据权利要求2所述的电源，其特征在于，所述第一整体式功率单元(10)、所述第二整体式功率单元(11)、所述第三整体式功率单元(12)、所述第四整体式功率单元(13)、所述第五整体式功率单元(14)和所述第六整体式功率单元(15)分别是由两个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
4.根据权利要求3所述的电源，其特征在于，所述H桥式逆变电路(8)包括：第七整体式功率单元(16)、第八整体式功率单元(17)、第九整体式功率单元(18)和第十整体式功率单元(19)；
所述第七整体式功率单元(16)的发射极与所述第八整体式功率单元(17)的集电极连接；
所述第九整体式功率单元(18)的发射极与所述第十整体式功率单元(19)的集电极连接；
所述第七整体式功率单元(16)与所述第八整体式功率单元(17)组成的电路和所述第九整体式功率单元(18)与所述第十整体式功率单元(19)组成的电路并联。
5.根据权利要求4所述的电源，其特征在于，所述第七整体式功率单元(16)、所述第八整体式功率单元(17)、所述第九整体式功率单元(18)和所述第十整体式功率单元(19)分别是由三个IGBT单元并联组成的整体式功率单元。
6.根据权利要求5所述的电源，其特征在于，每一个所述H桥式逆变电路(8)中的所述第九整体式功率单元(18)和所述第十整体式功率单元(19)组成的桥臂中点与下一个所述H桥式逆变电路(8)中的所述第七整体式功率单元(16)和所述第八整体式功率单元(17)组成的桥臂中点连接。
7.根据权利要求6所述的电源，其特征在于，所述电源还包括：主控器；所述主控器与所述功率变换单元连接。
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