CN107134780A - 一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，该柔性多状态开关的拓扑由两个降压输入级与一个串联输出级组成，其中降压输入级包括一个多绕组降压变压器与3N个三相AC‑DC变流器；串联输出级包括三相，每相N个单相AC‑DC变流器；两个降压输入级以及串联输出级的各个AC‑DC变流器在直流母线电容处做背靠背连接。这种拓扑能够实现三个中压配电线路的互联与功率流动控制，可以代替并超越传统机械联络开关的功能。仿真结果验证了该拓扑的有效性，为工程应用提供了很好的参考价值。

Description

一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑
技术领域
本发明属于柔性多状态开关领域，涉及一种新型的模块化、中压、三端口的柔性多状态开关拓扑。
背景技术
在未来的智能配电网中，广泛接入的分布式电源加剧了系统运行的不确定性，带来一系列问题，如电压越线、线路过载等。这些问题促使配电网进行实时的网络重构与有功功率管理。目前配电网的网络重构主要依靠传统的机械式联络开关，由于开关损耗与冲击电流等限制，传统的机械开关不可能频繁开断，这限制了配电网网络重构的实时性，难以满足未来智能配电网的需求。
柔性多状态开关是一种连接两个或多个配电线路的电力电子装置，可以实时调节两个或多个配电线路间的传输功率，实时调整通断状态，能够取代传统的机械开关，有助于配电网应对分布式电源接入后带来的一系列问题。
截止到目前，世界范围内对柔性多状态开关的研究还停留在整体概念层面与电网运行层面上，而在具体的电力电子拓扑层面上尚属空白。在不同的电压等级、功率等级、端口数量下，柔性多状态开关可以采用的具体拓扑与不同拓扑之间的优劣分析，还属于研究空白。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型电力电子装置，用以取代中压配电系统中的传统的机械式联络开关，该新型电力电子装置称为柔性多状态开关。利用柔性多状态开关，可对多条中压配电进行线路进行联络/断开控制，以实现配电系统网络的快速重构；可对多个中压配电线路进行功率调节，以实现配电网络中的潮流分布优化。为了达到这一目的，柔性多状态开关需要一种合适的拓扑。本发明中提供了一种模块化的中压三端口柔性多状态开关拓扑。
本发明是通过以下的技术方案来实现：
一种模块化中压三端口柔性多状态开关，包括两个降压输入级(甲、乙)与一个串联输出级(丙)。
两个降压输入级的结构相同，均包括一个工频多绕组降压变压器与3N个三相AC-DC变流器；工频降压变压器的一次侧有一个三相绕组，为中压等级，直接与中压配电线路连接；工频降压变压器的二次侧有3N个三相绕组，3N个三相绕组电压等级相同，为低压等级；每个二次侧绕组通过电抗器与一个三相AC-DC变流器的交流侧连接；
串联输出级每相包括N个串联的单相AC-DC变流器，总共有3N个单相AC-DC变流器；每相的N个AC-DC变流器在交流侧串联后与中压配电线路的一相连接；
降压输入级甲的3N个三相AC-DC变流器、降压输入级乙的3N个三相AC-DC变流器与串联输出级丙的3N个单相AC-DC变流器一一对应；每一个降压输入级甲的三相AC-DC变流器与一个降压输入级乙的三相AC-DC变流器与一个串联输出级丙的单相AC-DC变流器在直流侧连接，构成一个柔性多状态开关基本单元，全系统共有3N个这样的柔性多状态开关单元。
所述三相AC-DC变流器由六个带反并联二极管的IGBT构成的三相全桥可控整流电路；所述单相AC-DC变流器由四个带反并联二极管的IGBT构成的单相全桥可控整流电路。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1、可以实现三个中压配电线路的通/断控制，实现传统机械开关的功能；
2、可以任意控制三个配电线路之间的有功功率流动，超越传统机械开关的功能；
3、可以补偿无功功率与谐波；
4、三级中有一级采用了串联输出结构，可以直接用变流器输出中压，节省了工频升压变压器，与其他拓扑相比，能够实现装置的体积最小。
附图说明
图1为模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑。
图2为模块化中压三端口柔性多状态开关的基本单元图。
图3为降压输入级甲的控制框图。
图4为降压输入级乙的控制框图。
图5为串联输出级丙的控制框图。
图6为串联输出级丙的端口电流波形。
图7为降压输入级乙的端口电流波形。
图8为降压输入级甲的端口电流波形。
图9为各个直流母线电容的直流电压波形。
具体实施方式
本发明提供的中压三端口柔性多状态开关拓扑，采用两个降压输入级与一个串联输出级的结构，降压输入级包括工频多绕组降压变压器与多个三相AC-DC变流器，串联输出级包括多个单相AC-DC变流器，各级中的各个变流器在直流电容处分别做背靠背连接。下面结合具体的实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例：
中压三端口柔性多状态开关拓扑系统如图1所示，本发明由降压变压器、三相AC-DC变流器与串联的单相AC-DC变流器构成，组成了一个10kV，每端口6MW的三端口系统。图1左为降压输入级甲，上为降压输入级乙，右为串联输出级丙。
所有的AC-DC变流器均由阻断电压3.3kV的IGBT构成，变流器的直流侧电压为2000V。
图2为中压三端口柔性多状态开关的基本单元，左侧的两个三相AC-DC变流器分别来自降压输入级甲与降压输入级乙，右侧的单相AC-DC变流器来自串联输出级丙。全系统一共有15个这样的基本单元。
两个降压输入级结构相同，每个降压输入级有一个多绕组工频降压变压器，变比为10kV/850V，一次侧1个10kV绕组，二次侧有15个850V绕组；每个降压输入级有15个三相AC-DC变流器，与多绕组工频降压变压器的二次侧15个绕组分别连接；
串联输出级丙每相有5个单相AC-DC变流器，三相共有15个单相AC-DC变流器；
串联输出级甲的15个三相AC-DC变流器与串联输出级乙的15个三相AC-DC变流器、串联输出级丙的15个单相AC-DC变流器一一对应。每一个降压输入级甲的三相AC-DC变流器与一个降压输入级乙的三相AC-DC变流器与一个串联输出级丙的单相AC-DC变流器在直流侧连接，构成一个柔性多状态开关基本单元，全系统共有15个这样的柔性多状态开关单元。
本发明提出的拓扑可以控制三个交流中压配电线路之间的功率流动，可能的运行模式较多。在不同的运行模式下，系统的控制策略会有所区别，在此无法一一列举。本实施例中，以一种运行模式为例对系统的控制策略进行说明。所述是对本发明的运行模式及其对应的控制策略的举例说明而不是限定。
此运行模式为：甲、乙两个端口共同向丙端口提供有功功率，三个端口均不提供无功功率。
降压输入级甲的控制策略：
高频隔离级的控制策略如图3所示。降压输入级甲的各个变流器各自独立控制。每个变流器的控制器由外环直流电压调节器与内环电流跟踪器构成。采集各个变流器对应的直流电压Vdc，与指令电压Vdc*比较，并通过外环电压调节器的PI调节后，得到有功电流指令id*。为保证输入电流的单位功率因数，无功电流指令iq*取零。内环电流跟踪器控制实际电流对指令电流的跟踪，从而实现降压输入级乙的输入电流波形和相位的控制。内环电流跟踪器控制后得到变流器的指令信号uA*，uB*，uC*。
uA*，uB*，uC*。与三角波比较后生成该变流器的开关信号。降压输入级甲的15个变流器所使用的三角波相位依次错开360/15＝24°，以提高等效开关频率。
降压输入级乙的控制策略：
高频隔离级的控制策略如图4所示。降压输入级乙的各个变流器各自独立控制。每个变流器的控制器由内环电流跟踪器构成。
因为直流电容电压由降压输入级甲直接控制，因此降压输入级丙不需要外环直流电压调节器。各个变流器的有功电流指令id*根据电网的有功功率调度计划直接给定。为保证输入电流的单位功率因数，无功电流指令iq*取零。内环电流跟踪器控制实际电流对指令电流的跟踪，从而实现降压输入级乙的输入电流波形和相位的控制。内环电流跟踪器控制后得到变流器的指令信号uA*，uB*，uC*。uA*，uB*，uC*。与三角波比较后生成该变流器的开关信号。降压输入级乙的15个变流器所使用的三角波相位也依次错开360/15＝24°，以提高等效开关频率。
串联输出级丙的控制策略：
高频隔离级的控制策略如图5所示。串联输出级丙的各个变流器不再视为独立，需要按照三相串联AC-DC变流器做集中控制。其控制器由内环电流跟踪器构成。
因为直流电容电压由降压输入级甲直接控制，因此串联输出级丙不需要外环直流电压调节器。其有功电流指令id*根据电网的有功功率调度计划直接给定。为保证输出电流的单位功率因数，无功电流指令iq*取零。内环电流跟踪器控制实际电流对指令电流的跟踪，从而实现串联输出级丙的输入电流波形和相位的控制。内环电流跟踪器控制后得到串联输出级丙的电压指令信号uA*，uB*，uC*。将uA*，uB*，uC*按模块数平均，即得到每个模块的电压指令信号。各个模块的电压指令信号与三角波比较，以单极性调制方式产生开关信号。每一相内的5个单相AC-DC变流器采用的三角波依次错开180/5＝36°，以提高等效开关频率。
仿真验证：
参照实施例中的系统参数，搭建了三端口柔性多状态开关的仿真。
0.2秒之前，丙端口的输出功率为5.5MW，线电流幅值450A；令乙端口输入功率为0，等效为断开；甲端口完全承担丙端口的输出功率，输入功率自动调节为5.5MW，线电流幅值450A。
0.2秒-0.3秒，丙端口输出功率不变；乙端口的输入功率指令变为2.45MW，线电流幅值200A；甲端口输入功率自动调节为3.05MW，线电流幅值250A。
波形如图6-图9所示。各图中均略去初始启动波形，只显示0.1-0.3秒的波形。
图6显示了丙端的输出电流波形。输出电流幅值始终为450A。
图7显示了乙端的输入电流波形。在0.2秒以前，输入电流为0，等效为断开；0.2秒以后，输入电流幅值为200A。
图8显示了甲端的输入电流波形。在0.2秒以前，输入电流幅值为450A，甲端完全承担丙端的输出功率；在0.2秒以后，随着乙端的投入，甲端的电流幅值经调节后降为250A。
图9显示了各个直流电容电压。可见除调节过程之外，电容电压一直稳定在2000V。

Claims (5)

1.一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，其特征在于，包括两个降压输入级(甲、乙)与一个串联输出级(丙)；两个降压输入级与一个串联输出级在直流侧进行背靠背连接。
2.根据权利要求1所述的一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，其特征在于，所述的降压输入级包括一个工频多绕组降压变压器与3N个三相AC-DC变流器；工频降压变压器的一次侧有一个三相绕组，为中压等级，直接与中压配电线路连接；工频降压变压器的二次侧有3N个三相绕组，3N个三相绕组电压等级相同，为低压等级；每个二次侧绕组通过电抗器与一个三相AC-DC变流器的交流侧连接。
3.根据权利要求1所述的一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，其特征在于，串联输出级为三相，每相包括N个串联的单相AC-DC变流器，总共有3N个单相AC-DC变流器；每相的N个AC-DC变流器在交流侧串联后与中压配电线路的一相连接。
4.根据权利要求1所述的一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，其特征在于，降压输入级甲的3N个三相AC-DC变流器、降压输入级乙的3N个三相AC-DC变流器与串联输出级丙的3N个单相AC-DC变流器一一对应；每一个降压输入级甲的三相AC-DC变流器与一个降压输入级乙的三相AC-DC变流器与一个串联输出级丙的单相AC-DC变流器在直流侧连接，构成一个柔性多状态开关基本单元，全系统共有3N个这样的柔性多状态开关单元。
5.根据权利要求2或3所述的一种模块化中压三端口柔性多状态开关拓扑，其特征在于，其中的三相AC-DC变流器由六个带反并联二极管的IGBT构成的三相全桥可控整流电路；其中的单相AC-DC变流器由四个带反并联二极管的IGBT构成的单相全桥可控整流电路。
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