CN108364549B - 一种用于科研及教学的电力变换综合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于科研及教学的电力变换综合系统，包括电力网络、微型能量路由器和开关装置，所述电力网络用于向所述微型能量路由器提供交流电，所述微型能量路由器用于产生不同类型的电能，所述开关装置用于改变电能的流向；通过将交流源的电能转换为不同类型的电能和/或改变电能的流向以实现至少两种提供电能的模式。本发明的微型能量路由器是电力变换设备资源的整合体，可产生不同类型的电能，而开关装置则对这些电能进行分配，也间接地对电力变换设备资源进行了二次整合，如此，可实现至少两种提供电能的模式，从而向不同的负载提供电能，形成一个综合的电力变换系统，节省了电力变换设备资源，降低成本。

Description

一种用于科研及教学的电力变换综合系统

技术领域

本发明涉及电力实验设备领域，具体涉及一种用于科研及教学的电力变换综合系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展及电力电子应用领域的日益扩大，电力电子变换器的不同组合应用研究越来越热，例如两端/多端的直流输电系统、双馈风力发电背靠背变流器系统、直流微网系统、电池充放电管理系统、电能质量处理系统等，传统的电子拓扑结构是离散的，其控制和应用范围非常局限。不同领域或者课题的研究人员往往需要对多种电力系统开展实验，这就需要搭建多个不同的电力系统，这些电力系统的体积非常庞大，搭建多个功能单一的电力系统不仅仅占用空间，需要购买的设备也很多，需要很多的资金。

发明内容

本发明的目的是为了满足电力系统研究人员的需要，提出一种用于科研及教学的电力变换综合系统。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于科研及教学的电力变换综合系统，其特征在于，包括电力网络、微型能量路由器和开关装置，所述电力网络用于向所述微型能量路由器提供交流电，所述微型能量路由器用于产生不同类型的电能，所述开关装置用于改变电能的流向；通过将交流源的电能转换为不同类型的电能和/或改变电能的流向以实现至少两种提供电能的模式。

在一些优选的实施方式中，所述微型能量路由器包括第一变流器、第二变流器、第三变流器、第四变流器，所述开关装置包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述第一变流器、所述第一开关、所述第二开关、所述第二变流器串联形成第一通路，所述第四变流器、所述第三开关、所述第四开关、所述第三变流器串联形成第二通路，所述第一通路与所述第二通路桥接，所述第一通路的桥接点设在所述第一开关和所述第二开关之间，所述第二通路的桥接点设在所述第三开关和所述第四开关之间。

在一些优选的实施方式中，还包括电能质量处理装置，所述电能质量处理装置用于提高所述电力网络的电能质量。

在进一步优选的实施方式中，所述微型能量路由器包括变流器，所述变流器可执行如下算法：三相PWM整流控制算法、PQ功率控制算法、交流电压幅值相位频率可调控制算法、电机负载驱动控制算法、变频变压控制算法、定直流电压控制算法、双馈风力发电控制算法、定交流电压控制算法、定交流功率控制算法、V/F控制算法、恒压限流充电控制算法。

在进一步优选的实施方式中，所述电能质量处理装置包括电力有源滤波器和/或静止无功发生器，所述电力有源滤波器用于滤除所述电力网络的谐波，所述静止无功发生器用于对所述电力网络进行无功补偿。

在一些优选的实施方式中，所述开关装置包括IGBT固态开关。

在进一步优选的实施方式中，所述变流器设有I/O接口。

在进一步优选的实施方式中，所述变流器的数量为至少一个。

在进一步优选的实施方式中，所述变流器的电路拓扑类型包括三电平拓扑结构和两电平拓扑结构。

在一些优选的实施方式中，还包括控制装置，所述控制装置用于控制所述微型能量路由器和所述开关装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果有：

本发明的微型能量路由器对电力变换设备资源进行整合以产生不同类型的电能，而开关装置则对这些电能进行分配，也间接地对电力变换设备资源进行了二次整合，如此，可实现至少两种提供电能的模式，从而向不同的负载提供电能，形成一个综合的电力变换系统，节省了电力变换设备资源，降低成本。另外，基于微型能量路由器和开关装置搭建的电路拓扑，开关装置在该电路拓扑中起到整合资源的作用，可对新增的电力变换设备输出的电能与原有电力变换设备输出的电能进行整合，使系统具有灵活性，有利于开发新的电路拓扑结构，从而实现更多提供电能的模式。

在优选的实施例中，本发明还具有如下有益效果：

进一步地，微型能量路由器中的变流器可执行不同的控制算法，可切换到不同的工作状态与其它变流器配合，使得微型能量路由器可产生更多不同类型的电能，从而提高了整个系统的灵活性。

进一步地，本发明的开关装置采用了IGBT固态开关，IGBT固态开关的开关速度快，可达纳秒级，体积小、无噪音、无振动、无拉弧并具有过流、过压、过温等保护功能，增强了系统的可靠性。

进一步地，变流器设有输入输出通用的I/O接口，可采集多路交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、温度、开关状态等模拟量信息，有利于科研或教学的数据分析。

附图说明

图1为本发明的实施例的结构示意图；

图2为本发明的实施例的两端直流输电模式的电路结构示意图；

图3为本发明的实施例的双馈风力发电模式的电路结构示意图；

图4为本发明的实施例的三端直流输电模式的电路结构示意图；

图5为本发明的实施例的储能控制模式的电路结构示意图；

图6为本发明的实施例的光伏发电模式的电路结构示意图；

图7为本发明的实施例的二象限变频器模式的电路结构示意图；

图8为本发明的实施例的谐波滤除治理模式的电路结构示意图；

图9为本发明的实施例的无功补偿治理模式的电路结构示意图；

图10为本发明的实施例的总控制面板的结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。实施例中提及到的“第一”并不是指只有一个，比如“第一变流器”可以有多个。

参考图1至图10，本实施例包括上位机(图中未示出)、交流电网101、电力有源滤波器210、静止无功发生器220、三相整流桥230、第一变流器310、第二变流器320、第三变流器330、第四变流器340、第一开关410、第二开关420、第三开关430、第四开关440、第一机械开关510、第四机械开关540、第七机械开关570、第八机械开关580。

上位机用于控制整个系统。

交流电网101用于供电。

电力有源滤波器210利用快速傅里叶变换算法(FFT)或者瞬时无功功率算法实现谐波自动跟踪补偿，对交流电网101的谐波电流进行补偿。电力有源滤波器210包括I型三电平三相拓扑电路、配合控制驱动电路及LCL滤波电路。

静止无功发生器220可实现定功率因数控制或者自动跟踪补偿，对交流电网101的无功电流进行补偿。静止无功发生器220包括I型三电平三相拓扑电路、控制驱动电路及LCL滤波电路。

三相整流桥230用于对交流电网101输出的电流进整流。

第一变流器310用于实现直流电压控制，可执行可四象限能量流动的三相PWM整流控制算法，实现直流电压稳定可控的同时，满足能量四象限传送的要求。第一变流器310包括三相逆变桥电路、直流支撑电路、驱动及控制电路、辅助电源、缓启电路及电感连接滤波电路。

第二变流器320用于实现功率闭环控制。第二变流器320可执行PQ功率控制算法、交流电压幅值相位频率可调控制算法。第二变流器320包括三相逆变桥电路、直流支撑电路、驱动及控制电路、辅助电源、缓启电路及LCL连接滤波电路。第二变流器320与第一变流器310背靠背连接时，当变流器第二变流器320以定交流电压为控制目标连接交流负载或双馈风机时，二者实现四象限变频器功能或者双馈风力发电系统拓扑；当第二变流器320以定交流功率为控制目标连接电网时，二者实现双端直流输电系统控制功能。

第三变流器330用于实现交流电压的变频变压控制。第三变流器330可执行电机负载驱动控制算法、变频变压控制算法。第三变流器330包括三相逆变桥电路、直流支撑电路、驱动及控制电路、辅助电源、LC滤波电路。第三变流器330是基于电压电流双闭环控制的，单独使用时可作为通用逆变器。

第四变流器340为DC/DC变换器，用于实现电池电量的充放电管理。第四变流器340可执行恒压限流充电控制算法。第四变流器340包括双向斩波控制电路、直流滤波及储能电路、IGBT驱动及控制电路。双向斩波控制电路包括三相半桥电路，控制上下管的不同开关组合实现Boost或者Buck电路功能，设计的滤波电感均满足电流连续控制模式(CCM，continuous current mode)。

第一开关410、第二开关420、第三开关430和第四开关440用于接通或断开电路。在本实施中，第一开关410、第二开关420、第三开关430和第四开关440均为基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的双向固态开关，用于实现变流器的直流连接。

第一机械开关510、第四机械开关540、第七机械开关570和第八机械开关580用于接通或断开电路。

第一变流器310、第一开关410、第二开关420、第二变流器320串联形成第一通路，第四变流器340、第三开关430、第四开关440、第三变流器330串联形成第二通路，第一通路与第二通路桥接，第一通路的桥接点11设在第一开关410和第二开关420之间，第二通路的桥接点21设在第三开关430和第四开关440之间。第一通路通过第一机械开关510与交流电网101连接，第二通路的桥接点21通过三相整流桥230连接到第四机械开关540后再与交流电网101连接。静止无功发生器220通过第七机械开关570与交流电网101连接到第一通路的一端连接，电力有源滤波器210通过第八机械开关580与交流电网101连接到第二通路的一端连接。

参考图1，本实施例还包括第二机械开关520、第三机械开关530、第五机械开关550、第六机械开关560和第九机械开关590。第二机械开关520的一端和第三机械开关530的一端与第二变流器320连接，第二机械开关520另一端则与双馈风机610连接。第三机械开关530的另一端则与负载交流电网102连接。第五机械开关550的一端与第三变流器330连接，另一端则与电机620与RLC负载组650的并列电路串联。第六机械开关560的一端与第四变流器340连接，另一端则与蓄电池组630连接，蓄电池组630也可被光伏板640代替。第九机械开关590的一端与双馈风机610连接，另一端与交流电网101连接。

参考图1，在本实施例中，上位机是控制装置，交流电网101是电力网络，微型能量路由器包括第一变流器310、第二变流器320、第三变流器330、第四变流器340和三相整流桥230，开关装置包括第一开关410、第二开关420、第三开关430、第四开关440、第一机械开关510、第二机械开关520、第三机械开关530、第四机械开关540、第五机械开关550、第六机械开关560、第七机械开关570、第八机械开关580和第九机械开关590，电能质量处理装置包括电力有源滤波器210和静止无功发生器220。双馈风机610、负载交流电网102、电机620、蓄电池组630、光伏板640和RLC负载组650是系统的负载。变流器是电力变换设备。开关装置中的不同开关闭合时，电力网络中的电能会流向不同的变流器，使不同的变流器组合在一起工作，各个变流器产生不同类型的电能，使得微型能量路由器最终产生不同类型的电能，以向不同的负载提供电能，实现至少两种提供电能的模式；开关装置还可以改变整个微型能量路由器最终产生的电能的流向，使微型能量路由器最终产生的电能流向不同的负载，这样，也可实现至少两种提供电能的模式。

本实施例通过上位机对系统下发控制指令，控制指令下发由上位机通过通讯协议广播下发实现，即每一台控制对象均设定好一个通讯地址，控制对象包括所有变流器、所有开关、电力有源滤波器和静止无功发生器，指令下发和数据上传均用广播地址实现一一对应控制。上位机控制开关的工作状态、选择每台变流器的算法，可实现如下提供电能的模式：

参考图1和图2，两端直流输电模式，第一变流器310执行三相PWM整流控制算法，可输出电压稳定的直流电能；第二变流器320执行PQ功率控制算法，可输出定交流功率的电能；控制第一开关410、第二开关420接通，同时控制第一机械开关510、第三机械开关530接通，其余开关全部断开，如此，第一变流器310输出的电压稳定的直流电能流向第二变流器320以使第二变流器320向负载交流电网102输出定交流功率的电能，第一开关410、第二开关420都是双向的固态开关，也就实现了有功/无功功率的双向传输，达到模拟两端直流输电系统的控制模式。

参考图1和图3，双馈风力发电模式，第一变流器310执行三相PWM整流控制算法，可输出电压稳定的直流电能；第二变流器320则执行交流电压幅值相位频率可调控制算法，可输出交流电压幅值相位频率可调的电能；控制第一开关410、第二开关420接通，同时控制第一机械开关510、第二机械开关520、第九机械开关590接通，其余开关全部断开，如此，第一变流器310输出的电压稳定的直流电能流向第二变流器320以使第二变流器320输出电能控制双馈风机610，从而使双馈风机610输出定交流电压，其中第二变流器320的控制依据来自于双馈风机610转轴转速及双馈风机610定子绕组并网相位值。

参考图1和图4，三端直流输电模式，第一变流器310执行定直流电压控制算法，可输出电压稳定的直流电能；第二变流器320执行双馈风力发电控制算法，可输出电能控制双馈风机610；第三变流器330执行定交流电压控制算法，可输出定交流电压的电能；控制第一开关410、第二开关420、第四开关440接通，同时控制第一机械开关510、第二机械开关520、第五机械开关550接通和第九机械开关590，其余开关全部断开，从而使各个变流器输出的电能流向用电负载，也就实现三端直流输电的功率潮流控制。

参考图1和图5，储能控制模式，当蓄电池组630需要进行充电控制时，第一变流器310执行定直流电压控制算法，可输出电压稳定的直流电能；第四变流器340执行蓄电池恒压限流充电控制算法，可输出恒压限流的电能；控制第一开关410、第三开关430接通，第一机械开关510、第六机械开关560接通，其余开关全部断开，如此，第一变流器310输出的电压稳定的直流电能流向第四变流器340以使第四变流器340输出恒压限流的电能到蓄电池组630。当蓄电池组630需要进行放电控制时，则控制第三开关430、第四开关440接通，第五机械开关550、第六机械开关560接通，第四变流器340实现功率释放给第三变流器330输出电能拖动耗能负载电机620。

光伏发电模式，蓄电池组630由光伏板640取代；参考图1和图6，如需要模拟光伏离网发电，第三变流器330执行定交流电压控制算法，可输出定交流电压；第四变流器340执行定直流电压控制算法，可输出电压稳定的直流电能；接通第三开关430、第四开关440，接通第五机械开关550、第六机械开关560，其余开关全部断开，第四变流器340输出电压稳定的直流电能到第三变流器330以使第三变流器330向电机620输出定交流电压的电能，如此便实现了光伏离网逆变；如需要模拟光伏并网发电，第二变流器320执行定交流功率控制算法，可输出定交流功率的电能；第四变流器340执行定直流电压控制算法，可输出电压稳定的直流电能；接通固态开关第二开关420、第三开关430，接通第三机械开关530、第六机械开关560，其余开关全部断开，第四变流器340输出电压稳定的直流电能到第二变流器320以使第二变流器320向负载交流电网102输出定交流功率的电能，如此便实现了光伏并网发电。

参考图1和图7，二象限变频器模式，第三变流器330执行V/F控制算法(改变输出频率和输出电压的比例关系的一种控制方式)，可输出频率和电压有比例关系的电能；第四开关440接通，第四机械开关540、第五机械开关550接通，其余开关全部断开，三相整流桥230为第三变流器330提供单向直流电能，第三变流器330输出频率和电压有比例关系的电能流向电机620和RLC负载组650，如此便实现了二象限变频器控制功能。

参考图1和图8，谐波滤除治理模式，当系统工作在二象限变频器模式时，交流电网101会产生谐波，此时接通第八机械开关580，运行电力有源滤波器210，可实现交流系统谐波滤除功能。

参考图1和图9，无功补偿治理模式，当系统工作在两端或三端直流输电模式时，由第二变流器320产生的无功功率会经过第一变流器310传送至交流电网101中，此时接通第七机械开关570，运行静止无功发生器220，可现实交流系统无功补偿功能，提高交流电网101的功率因数。

参考图1，整体功能模式，系统中所有的开关闭合，各个部件根据各自的控制算法及指令进行工作，整体功能模式可实现上述所有模式。

在本实施例中，所有的变流器的控制均由统一的数字控制器实现，即基于双DSP+FPGA的数字控制核心，高速实现多种控制算法和复杂逻辑运算，满足不同控制需求，具有容量大、运算速度快、集成度高、可编程性强等特点。

在本实施例中，所有的变流器对外设计有大量的输入输出通用I/O口，可采集多路交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、温度、开关状态等模拟量信息，满足科研或教学分析数据的需求。

在本实施例中，所有的变流器集成完善的故障保护系统，分为软件保护和硬件保护。软件保护主要为故障锁定和逻辑故障处理，硬件保护包括过欠压、过流、过温的底层硬件保护、各路电源及芯片的硬件检测保护、IGBT驱动器集成的短路保护、有源钳位保护。

在本实施例中，系统中所有的开关(固态开关及机械开关)及所有的变流器控制指令均由上位机进行通讯控制下发，在一个屏幕即可实现控制、切换、显示。

参考图10，在本实施例中，设有总控制面板900，其上设有九个按钮，分别对应两端直流输电模式1、双馈风力发电模式2、三端直流输电模式3、储能控制模式4、光伏发电模式5、二象限变频器模式6、谐波滤除治理模式7、无功补偿治理模式8和整体功能模式9，按下相应的按钮即可实现相应的模式。

根据上述内容可知：

本实施例的电力变换综合系统，微型能量路由器是不同变流器的整合体，开关装置可使不同的变流器组合在一起工作，使微型能量路由器最终产生不同类型的电能，而开关装置还可改变微型能量路由器最终产生的电能的流向，使这些电能流向不同的负载，这样就相当于对变流器进行了两次整合，如此便实现了九种提供电能的模式，从而向不同的负载提供电能，形成一个综合的电力变换系统，节省了电力变换设备资源，降低成本。另外，控制装置、微型能量路由器与开关装置构成的电路拓扑，既有控制装置的集成化控制，也不失微型能量路由器中单个变流器的独立性控制，对于新加入的变流器或者负载，在控制装置进行配置即可实现兼容，操作简单，具有很好的灵活性，有利于开发新的电路拓扑结构及控制算法研究，从而实现更多提供电能的模式。开关装置在该电路拓扑中起到整合资源的作用，可使新增的变流器输出的电能与原有变流器输出的电能进行整合，也可实现更多提供电能的模式。

整个系统进行不同功能模式的切换时，无需重新接线，只需在总控制面板进行重新选择模式即可。

微型能量路由器中的变流器可执行不同的控制算法，可切换到不同的工作状态与其它变流器配合，使得微型能量路由器可产生更多不同类型的电能，从而进一步提高了整个系统的灵活性，也节省了电力变换设备资源，降低成本。微型能量路由器中的变流器采用统一化控制器结构，给变流器的二次开发带来可移植性等诸多便利。

开关装置采用了IGBT固态开关，IGBT固态开关的开关速度快，可达纳秒级，体积小、无噪音、无振动、无拉弧并具有过流、过压、过温等保护功能，增强了系统的可靠性。

单个变流器拓扑包括三电平和两电平结构，满足不同拓扑间的差异性研究。

以上对第一实施例进行了说明，但本实施例还可以有一些变型的形式，比如：

开关装置采用机械开关；

微型能量路由器中的变流器的数量为两个、三个、或者五个以上。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于科研及教学的电力变换综合系统，其特征在于，包括电力网络、微型能量路由器和开关装置，所述电力网络用于向所述微型能量路由器提供交流电，所述微型能量路由器用于对电力变换设备资源进行整合以产生不同类型的电能，所述开关装置用于对这些电能进行分配、改变电能的流向；通过将交流源的电能转换为不同类型的电能和/或改变电能的流向以实现至少两种提供电能的模式；所述微型能量路由器包括变流器，所述变流器可执行如下控制算法：三相PWM整流控制算法、PQ功率控制算法、交流电压幅值相位频率可调控制算法、电机负载驱动控制算法、变频变压控制算法、定直流电压控制算法、双馈风力发电控制算法、定交流电压控制算法、定交流功率控制算法、V/F控制算法、恒压限流充电控制算法；所述开关装置包括开关，所述开关与所述变流器组合连接以使微型能量路由器产生不同类型的电能。

2.如权利要求1所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述微型能量路由器包括第一变流器、第二变流器、第三变流器、第四变流器，所述开关装置包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关，所述第一变流器、所述第一开关、所述第二开关、所述第二变流器串联形成第一通路，所述第四变流器、所述第三开关、所述第四开关、所述第三变流器串联形成第二通路，所述第一通路与所述第二通路桥接，所述第一通路的桥接点设在所述第一开关和所述第二开关之间，所述第二通路的桥接点设在所述第三开关和所述第四开关之间。

3.如权利要求1或2所述的电力变换综合系统，其特征在于，还包括电能质量处理装置，所述电能质量处理装置用于提高所述电力网络的电能质量。

4.如权利要求3所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述电能质量处理装置包括电力有源滤波器和/或静止无功发生器，所述电力有源滤波器用于滤除所述电力网络的谐波，所述静止无功发生器用于对所述电力网络进行无功补偿。

5.如权利要求1所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述开关装置包括IGBT固态开关。

6.如权利要求1所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述变流器设有I/O接口。

7.如权利要求1所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述变流器的数量为至少一个。

8.如权利要求1所述的电力变换综合系统，其特征在于，所述变流器的电路拓扑类型包括三电平拓扑结构和两电平拓扑结构。

9.如权利要求1-2、4-8任一项所述的电力变换综合系统，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置用于控制所述微型能量路由器和所述开关装置。