CN111106754B - 一种高压输电线路取电功率变换系统 - Google Patents

一种高压输电线路取电功率变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压输电线路取电功率变换系统，所述系统包括单相模块化多电平变换器、高频隔离变压器、单相桥式整流器、三相全桥逆变器、LC滤波器、电流电压采集模块以及控制模块，通过高频隔离变压器进行降压和隔离，保证了系统安全可靠，避免了工频变压器所导致的体积大、设备笨重的问题，提高了整个系统的功率密度；对单相模块化多电平变换器、单相桥式整流器以及三相全桥逆变器输出的精确跟踪和控制，保证了整个系统输出波形的高精度；所述系统，从高压输电线上取电，同时支持交流与直流，交流和直流线路不同时，单相模块化多电平变换器的控制有所区别，而且实现能源的充分利用，节省了成本，避免了资源浪费。

Description

一种高压输电线路取电功率变换系统
技术领域
本发明属于电力电子变换控制应用领域，尤其涉及一种高压输电线路取电功率变换系统。
背景技术
随着特定场合的特殊装备的不断发展与应用，不断提高核心装备的隐蔽性、机动性是应对特定要求的重要途径。根据要求提出“关键核心设备车载机动、基础设施多点固定布置”的思路，但是，利用输电系统构建发信系统时，因为高压输电线路及变电站多是位于偏远山区，发信系统取电存在一定的困难。
中国偏远地区地理环境复杂，在这些地区开展电力建设工程，其施工难度、成本都远远超出预期值，供电的可靠性也不能得到保障，且对已有电力工程资源未进行充分利用，可能还会涉及到一些民族风俗以及宗教信仰等问题。
现有部分高压输电线路电源变换装置采用工频变压器，会导致体积大、笨重等问题，成本造价以及运输等因素也将严重制约其发展；部分输电线路配套电源装置仅考虑将输电线路的能量通过电力设备单向供给用电端，这将导致能量转换与利用率不高，也未利用当地环境优势，导致资源浪费。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压输电线路取电功率变换系统，以解决现有电源变换装置体积大、笨重，以及能量转换与利用率不高导致的资源浪费等问题。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种高压输电线路取电功率变换系统，包括：
单相模块化多电平变换器，用于将高压输电线路的单相交流高电压转换成高频高压方波；
高频隔离变压器，用于将单相模块化多电平变换器输出的高频高压方波转换成高频低压方波；
第一LC滤波器，用于将高频隔离变压器输出的高频低压方波转换为正弦交流电；
单相桥式整流器，用于将第一LC滤波器输出的正弦交流电转换成直流电压；
三相全桥逆变器，用于将单相桥式整流器输出的直流电压转换成三相交流电压；
第二LC滤波器，用于滤除三相全桥逆变器输出的三相交流电压中的谐波；所述LC滤波器的输出端输出稳定的380V三相交流电，以供给用电端；
电流电压采集模块，用于采集单相模块化多电平变换器桥臂的模块电压和流入桥臂的电流、单相桥式整流器输出的直流电压、第二LC滤波器输出端的三相交流电压和三相交流电流；
控制模块，用于根据电流电压采集模块采集的电压和电流控制单相模块化多电平变换器、单相桥式整流器以及三相全桥逆变器中的开关器件，以实现输出电压电流的精确跟踪。
本发明的取电功率变换系统，采用高频隔离变压器进行降压和隔离，保证了系统安全可靠，避免了工频变压器所导致的体积大、设备笨重的问题，提高了整个系统的功率密度；单相模块化多电平变换器、单相桥式整流器以及三相全桥逆变器均根据采集的电压和电流来进行控制，实现了输出电流的快速、精确地跟踪，保证了输出波形的高精度，大大提高了整个系统的性能；在已有的输电线路的基础上，增加本发明的取电变换系统，从高压输电线上取电，同时支持交流与直流，交流和直流线路不同时，单相模块化多电平变换器的控制有所区别，而且实现能源的充分利用，节省了成本，避免了资源浪费。
进一步地，所述单相模块化多电平变换器包括两个桥臂，每个所述桥臂包括上桥臂和下桥臂，每个所述上桥臂和下桥臂均由N个子模块串联构成，其中N为整数；每个所述子模块均由第一电容器和全桥逆变器并联构成。
每个桥臂的电抗器可以抑制每个桥臂对应的上桥臂和下桥臂直流电压不相等时造成的环流，且还可以抑制直流侧过大的冲击电流；上桥臂和下桥臂由N个子模块依次串联，子模块直流侧电容电压组成直流母线电压，使单相模块化多电平变换器具有良好的拓展性。
进一步地，所述单相模块化多电平变换器采用PI、PR控制以及准方波调制，具体的过程为：对单相模块化多电平变换器桥臂的模块电压u c 求和后与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出即为有功电流的幅值ΔIdc，输电线路的单相交流高电压u b 经锁相环PLL处理得到同步信号，将两者相乘后得到单相全桥模块化多电平变换器的直流侧电压调节信号，并与检测环节求得的负序补偿电流指令i * cb 叠加，得到单相全桥模块化多电平变换器的综合电流指令ibr，再经过一系列比较运算后输入至PR控制器，PR控制器输出的调制信号m b 和经高频高压方波u a 转换后的调制信号m a 利用于准方波调制，既可产生方波，也可减小电压应力，适合大功率场合，最后对单相模块化多电平变换器桥臂上的功率开关管进行控制，以实现单相模块化多电平变换器输入输出电流的精确跟踪。
进一步地，所述单相桥式整流器包括两个桥臂，每个所述桥臂由两个功率开关管串联构成。
进一步地，所述单相桥式整流器采用电压外环电流无差拍内环的双环PI控制和PWM调制，具体的控制过程为：单相桥式整流器的输出直流电压u dc 与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，并与同步信号相乘，经过与输出电流比较计算和离散化（L/T）后，再经过相应模型对应的运算以及PWM调制后输出的信号控制单相桥式整流器桥臂上的功率开关管，以实现单相桥式整流器输出电压的快速调节。
进一步地，所述单相桥式整流器的输出端通过第二电容器与所述三相全桥逆变器的输入端连接；所述第二电容器的第一端为储能接口，第二端为光伏接口；所述储能接口用于连接储能系统，所述光伏接口用于连接光伏发电系统。
通过第二电容器引出储能接口和光伏接口，可以实现从输电线路流向居民用电端与从储能接口和/或光伏接口流回输电线路的双向流动控制，能够进行能量回馈和无功补偿，提高了输电线路供电质量，同时提高了能量的转换与利用效率，为电网系统未来的分布式发展方向打下基础。
进一步地，所述三相全桥逆变器采用电压外环电流无差拍内环的双环PI控制和PWM调制，具体的控制过程为：三相全桥逆变器的输入直流电压u dc 与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，并与各相同步信号相乘，经过与输出电流i sa 、i sb 、i sc 比较计算和离散化（L/T）后，再经过相应模型对应的运算以及PWM调制后输出的开关信号控制三相全桥逆变器桥臂上的功率开关管，以实现三相全桥逆变器输出电压和输出电流的精确跟踪。
相应的，一种基于输电线路的分布式取电功率变换装置，包括上述取电功率变换系统、储能系统以及光伏发电系统；所述储能系统与所述取电功率变换系统中第二电容器的第一端连接，所述光伏发电系统与第二电容器的第二端连接。
该装置可以吸收和释放输电线路中的电能，又可以从储能接口与光伏接口流回输电线路，进行能量回馈与无功补偿，提高了输电线路的供电质量，提高了能量的转换与利用效率。
有益效果
与现有技术相比，本发明提出一种高压输电线路取电功率变换系统，包括单相模块化多电平变换器、高频隔离变压器、单相桥式整流器、三相全桥逆变器、LC滤波器、电流电压采集模块以及控制模块，通过高频隔离变压器进行降压和隔离，保证了系统安全可靠，避免了工频变压器所导致的体积大、设备笨重的问题，提高了整个系统的功率密度；对单相模块化多电平变换器、单相桥式整流器以及三相全桥逆变器输出的精确跟踪和控制，保证了整个系统输出波形的高精度，大大提高了整个系统的性能；在已有的输电线路的基础上，增加本发明的取电变换系统，从高压输电线上取电，同时支持交流与直流，交流和直流线路不同时，单相模块化多电平变换器的控制有所区别，而且实现能源的充分利用，节省了成本，避免了资源浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中高压输电线路取电功率变换系统的结构和控制示意图；
图2是本发明实施例中单相模块化多电平变换器的结构示意图；
图3是本发明实施例中高频隔离变压器T原副边波形图；
图4是本发明实施例中单相桥式整流器、三相全桥逆变器以及第二LC滤波器的结构示意图；
其中，1-单相模块化多电平变换器，2-单相桥式整流器，3-三相全桥逆变器，4-对单相模块化多电平变换器的控制图，5-对单相桥式整流器的控制图，6-对三相全桥逆变器的控制图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的一种高压输电线路取电功率变换系统，包括：单相模块化多电平变换器1、高频隔离变压器T、单相桥式整流器2、三相全桥逆变器3、LC滤波器、电流电压采集模块以及控制模块。
如图2所示，单相模块化多电平变换器1包括两个桥臂，每个桥臂包括上桥臂和下桥臂，每个上桥臂和下桥臂均由N个子模块串联构成，其中N为整数；每个子模块均由第一电容器C2和全桥逆变器并联构成。每个桥臂的电抗器可以抑制每个桥臂对应的上桥臂和下桥臂直流电压不相等时造成的环流，且还可以抑制直流侧过大的冲击电流；上桥臂和下桥臂由N个子模块依次串联，子模块直流侧电容电压组成直流母线电压，使单相模块化多电平变换器1具有良好的拓展性。单相模块化多电平变换器1两个桥臂的中点分别与高频隔离变压器T原边侧的两端连接。N的值由输出电压等级来确定，输出电压等级除以单个子模块直流侧电容电压即为N的值，为了留有裕量，N的值一般在此基础上再增加2~6。
如图1所示，单相模块化多电平变换器1采用PI、PR控制以及准方波调制，具体的过程为：对单相模块化多电平变换器1桥臂的模块电压u c 求和后与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出即为有功电流的幅值ΔIdc，输电线路的单相交流高电压u b 经锁相环PLL处理得到同步信号，将两者相乘后得到单相全桥模块化多电平变换器的直流侧电压调节信号，并与检测环节求得的负序补偿电流指令i * cb 叠加，得到单相全桥模块化多电平变换器的综合电流指令ibr，再经过一系列比较运算后输入至PR控制器，PR控制器输出的调制信号m b 和经高频高压方波u a 转换后的调制信号m a 利用于准方波调制，既可产生方波，也可减小电压应力，适合大功率场合，最后对单相模块化多电平变换器1桥臂上的功率开关管进行控制，以实现单相模块化多电平变换器输入电流i cb 的精确跟踪。单相模块化多电平变换器1将输电线路的单相交流高电压u b 转换成高频高压方波u a ，可实现不同交流之间的变换以及实现能量双向流动。i cb 为单相交流高电压u b 流入单相模块化多电平变换器1的电流，i ca 为高频隔离变压器的输入电压u a 流入单相模块化多电平变换器1的电流，i * cb 分别为i cb 的参考值。
如图3所示，高频隔离变压器T用于将单相模块化多电平变换器1输出的高频高压方波u a 转换成高频低压方波u’ s ，实现降压和隔离，确保系统安全可靠，避免了工频变压器所导致的体积大、设备笨重的问题，提高了整个系统的功率密度。u a 为高频隔离变压器的输入电压，u’ s 为高频隔离变压器的输出电压。
第一LC滤波器由电感L 4 和电容C 4 构成，第一LC滤波器的输入端与高频隔离变压器的输出端连接，第一LC滤波器的输出端与单相桥式整流器2的输入端连接，用于将高频隔离变压器输出的高频低压方波转换为正弦交流电；
如图4所示，单相桥式整流器2为单相全桥整流器，用于将第一LC滤波器输出的正弦交流电u s 转换成直流电压u dc ，单相桥式整流器2包括两个桥臂，每个桥臂由两个功率开关管串联构成，每个桥臂的中点分别与高频隔离变压器副边侧的两端连接，i s 为单相桥式整流器2流入第一LC滤波器的电流。单相桥式整流器2采用电压外环电流无差拍内环的双环PI控制和PWM调制，具体的控制过程为：单相桥式整流器2的输出直流电压u dc 与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，并与同步信号相乘，经过与输出电流比较计算和离散化（L/T）后，再经过相应模型对应的运算以及PWM调制后输出的信号控制单相桥式整流器2桥臂上的功率开关管，以实现单相桥式整流器输出电压u dc 的快速调节，d为PWM调制的占空比，如图1所示。
单相桥式整流器2的输出端通过第二电容器C1与三相全桥逆变器3的输入端连接；第二电容器C1的第一端A为储能接口，第二端B为光伏接口；储能接口用于连接储能系统，光伏接口用于连接光伏发电系统。通过第二电容器C1引出储能接口和光伏接口，可以实现从输电线路流向居民用电端与从储能接口和/或光伏接口流回输电线路的双向流动控制，能够进行能量回馈和无功补偿，提高了输电线路供电质量，同时提高了能量的转换与利用效率，为电网系统未来的分布式发展方向打下基础。
如图1和4所示，三相全桥逆变器3采用电压外环电流无差拍内环的双环PI和PWM调制，具体的控制过程为：三相全桥逆变器3的输入直流电压u dc 与参考电压值u ref 的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，并与各相同步信号相乘，经过与输出电流i sa 、i sb 、i sc 比较计算和离散化（L/T）后，再经过相应模型对应的运算以及PWM调制后输出的开关信号控制三相全桥逆变器3桥臂上的功率开关管，以实现三相全桥逆变器输出电压u sa 、u sb 、u sc 和输出电流i sa 、i sb 、i sc 的精确跟踪，d a 、d b 、d c 分别为A/B/C相PWM调制的占空比。
三相全桥逆变器3每个桥臂的中点与第二LC滤波器（由电感L 3 和电容C 3 构成）连接，以滤除三相全桥逆变器3输出的交流电压中的谐波，并输出稳定的380V三相交流电，以供用电端。u sa 、u sb 、u sc 分别为第二LC滤波器输出端的A/B/C相交流电压，i sa 、i sb 、i sc 分别为第二LC滤波器输出端的A/B/C相交流电流，sinwt、sin(wt-2π/3)、sin(wt+2π/3)用以构造三相交流电。
电流电压采集模块用于采集控制所需的电压和电流，具体采集的电压和电流包括单相桥式整流器2输出的直流电压u dc ，第二LC滤波器输出端的三相交流电压u sa 、u sb 、u sc 和三相交流电流i sa 、i sb 、i sc ，以及单相模块化多电平变换器1桥臂的模块电压u c 和流入桥臂的电流i cb 、i ca 。控制模块包括PI控制器、PR控制器、PLL以及PWM调制器等等，控制模块根据电流电压采集模块采集的电压和电流控制单相模块化多电平变换器1、单相桥式整流器2以及三相全桥逆变器3中的功率开关管，以实现输出电流快速、精确地跟踪，大大提高了整个系统的性能；在已有的输电线路的基础上，增加本发明的取电变换系统，从高压输电线上取电，同时支持交流与直流，交流和直流线路不同时，单相模块化多电平变换器的控制有所区别，而且实现能源的充分利用，节省了成本，避免了资源浪费。该取电变换系统的输入为输电线路单相交流电，输出为稳定的居民用电380V三相交流电。
相应的，一种基于输电线路的分布式取电变换装置，包括上述取电变换系统、储能系统以及光伏发电系统；储能系统与取电变换系统中第二电容器C1的第一端A连接，光伏发电系统与第二电容器C1的第二端B连接。
储能系统和光伏发电系统为现有技术，该装置可以吸收和释放输电线路中的电能，又可以从储能接口与光伏接口流回输电线路，进行能量回馈与无功补偿，提高了输电线路的供电质量，提高了能量的转换与利用效率。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于，包括：
单相模块化多电平变换器，用于将高压输电线路的单相交流高电压转换成高频高压方波；
所述单相模块化多电平变换器采用PI、PR控制以及准方波调制，具体的过程为：
对单相模块化多电平变换器桥臂的模块电压uc求和后与参考电压值uref的差值作为PI控制器的输入，控制器输出即为有功电流的幅值ΔIdc，输电线路的单相交流高电压ub经锁相环PLL处理得到同步信号，将幅值ΔIdc与同步信号相乘后得到单相全桥模块化多电平变换器的直流侧电压调节信号，并与检测环节求得的负序补偿电流指令i* cb叠加，得到单相全桥模块化多电平变换器的综合电流指令ibr，综合电流指令ibr与输入电流icb进行比较运算得到eb后输入至PR控制器，PR控制器输出的调制信号mb和经高频高压方波ua转换后的调制信号ma经相加及相减运算后得到mb+a和mb-a，mb+a和mb-a利用于准方波调制，最后对单相模块化多电平变换器桥臂上的功率开关管进行控制；
高频隔离变压器，用于将单相模块化多电平变换器输出的高频高压方波转换成高频低压方波；
第一LC滤波器，用于将高频隔离变压器输出的高频低压方波转换为正弦交流电；
单相桥式整流器，用于将第一LC滤波器输出的正弦交流电转换成直流电压；三相全桥逆变器，用于将单相桥式整流器输出的直流电压转换成三相交流电压；
第二LC滤波器，用于滤除三相全桥逆变器输出的三相交流电压中的谐波；所述第二LC滤波器的输出端输出稳定的380V三相交流电；
电流电压采集模块，用于采集单相模块化多电平变换器桥臂的模块电压和流入桥臂的电流、单相桥式整流器输出的直流电压、第二LC滤波器输出端的三相交流电压和三相交流电流；
控制模块，用于根据电流电压采集模块采集的电压和电流控制单相模块化多电平变换器、单相桥式整流器以及三相全桥逆变器中的开关器件，以实现输出电压电流的精确跟踪。
2.如权利要求1所述的一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于：所述单相模块化多电平变换器包括两个桥臂，每个所述桥臂包括上桥臂和下桥臂，每个所述上桥臂和下桥臂均由N个子模块串联构成，其中N为整数；每个所述子模块均由第一电容器和全桥逆变器并联构成。
3.如权利要求1所述的一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于：所述单相桥式整流器包括两个桥臂，每个所述桥臂由两个功率开关管串联构成。
4.如权利要求1所述的一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于：所述单相桥式整流器采用电压外环电流无差拍内环的双环PI控制和PWM调制，具体的控制过程为：
单相桥式整流器的输出直流电压udc与参考电压值uref的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，先将输出电流幅值Iout与同步信号sinwt相乘，并将该相乘结果与电流is叠加得到电流id，电流id经过离散化后与us进行比较运算后再与k/udc相乘，该相乘结果与0.5叠加得到d，最后d经过PWM调制后输出的信号控制单相桥式整流器桥臂上的功率开关管。
5.如权利要求1或4所述的一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于：所述单相桥式整流器的输出端通过第二电容器与所述三相全桥逆变器的输入端连接；所述第二电容器的第一端为储能接口，第二端为光伏接口；所述储能接口用于连接储能系统，所述光伏接口用于连接光伏发电系统。
6.如权利要求1所述的一种高压输电线路取电功率变换系统，其特征在于：所述三相全桥逆变器采用电压外环电流无差拍内环的双环PI控制和PWM调制，具体的控制过程为：
三相全桥逆变器的输入直流电压udc与参考电压值uref的差值作为PI控制器的输入，控制器输出为输出电流幅值Iout，先将输出电流幅值Iout分别与A相同步信号sinwt、B相同步信号sin(wt-2π/3)以及C相同步信号sin(wt+2π/3)相乘，分别得到电流ida、idb、idc，电流ida、idb、idc分别与输出电流isa、isb、isc进行比较计算和离散化后，再分别与输出电压usa、usb、usc进行比较运算，并与k/udc相乘，该相乘结果与0.5叠加得到A/B/C相PWM调制的占空比da、db、dc，最后da、db、dc经过PWM调制后输出的开关信号Ta1、Ta2、Tb1、Tb2、Tc1和Tc2控制三相全桥逆变器桥臂上的功率开关管。
7.一种基于高压输电线路的分布式取电变换装置，其特征在于，包括权利要求5所述的取电功率变换系统、储能系统以及光伏发电系统；所述储能系统与所述取电功率变换系统中第二电容器的第一端连接，所述光伏发电系统与第二电容器的第二端连接。
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