CN112564121B - 面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法 - Google Patents

面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法，拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备采用三单相背靠背结构，稳压电容Cdc的左侧连接脉冲宽度调制并联型变换器部分，稳压电容Cdc的右侧连接脉冲宽度调制串联型变换器部分。解决了现有技术中串联型变换器通过额外增加限流模块、构造限流支路等方式实现对短路电流抑制而造成电力电子设备复杂、投入成本高、限流模块闲置率较高且功能集成化低的问题。

Description

面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法
技术领域
本发明属于电力技术领域，涉及一种面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法。
背景技术
随着新能源发电占比不断提高，以及大量非线性、不对称负载的接入，电网中电能质量问题日益突出。其中，电压暂降已成为影响电力负荷稳定运行的最突出问题之一。串联型变换器(如动态电压恢复器、统一电能质量控制器等)较多应用于电能质量调节，但往往存在设备功能单一、利用率低等问题。同时，随着电力系统电压等级不断提高，短路容量也在不断增大，当发生短路故障时，巨大的短路电流对电力设备和用户安全造成严重威胁。传统的短路故障限流技术是在母线上串联电抗器，但电抗器长期串在电网内不仅会带来附加损耗，而且有效运行时间极短。因此，研究一种具有限流能力的电力电子设备具有重要意义。
现已提出的多功能串联型变换器在实现电能质量调节的功能外，通过额外增加限流模块、构造限流支路等方式实现对短路电流的抑制。这些方式虽拓宽了设备功能，但一定程度上增加了电力电子设备复杂度和投入成本，且限流模块的闲置率较高。因此，若既能实现多功能的集成，又能够减少模块投入和降低运行损耗，这将对串联型电力电子设备的性能提升与应用推广具有重要意义。
发明内容
本发明实施例提供一种面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备，解决现有技术中串联型变换器通过额外增加限流模块、构造限流支路等方式实现对短路电流抑制而造成电力电子设备复杂、投入成本高、限流模块闲置率较高且功能集成化低的问题。
本发明实施例的另一目的是提供一种面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备，拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备采用三单相背靠背结构，稳压电容Cdc的左侧连接脉冲宽度调制并联型变换器部分，稳压电容Cdc的右侧连接脉冲宽度调制串联型变换器部分。
进一步的，所述脉冲宽度调制并联型变换器部分每相包括并联型变压器T2、滤波电感L2、4个绝缘栅双极型晶体管模块V3、V4、V5、V6，其中每个绝缘栅双极型晶体管模块中包括反并联二极管；脉冲宽度调制并联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接滤波电感L2，滤波电感L2连接并联变压器T2二次侧，并联变压器T2一次侧并联接入在电网和负载之间；
所述脉冲宽度调制串联型变压器部分每相包括串联变压器T1、由滤波电感L1和滤波电容C1组成的LC滤波器、2个门极可关断晶闸管模块G1、G2、2个绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2，其中，每个门极可关断晶闸管模块G1、G2均包括反并联二极管、每个绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2也均包括反并联二极管；脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接LC滤波器，LC滤波器连接串联变压器T1二次侧，串联变压器T1一次侧串联接入在电网和负载之间；脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥采用单极性调制策略，单相全桥工频支路由G1、G2组成，单相全桥高频支路由V1、V2组成。
进一步的，电网正常运行时，脉冲宽度调制并联型变换器控制为：设定直流侧需要稳定到的电压值为U* dc，直流侧实际检测到的电压值为Udc，将直流侧实际检测到的电压值Udc与直流侧需要稳定到的电压值U* dc作差经PI控制器处理，得到内环电流幅值参考值I* m，并通过检测获得电网电压相位角θ，由I* m与sinθ相乘的正弦量作为内环电流的指令值I* L2；内环电流的指令值I* L2与检测到的电感L2电流值IL2作差经PI控制器得到调制波，将得到的调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块V3、V4、V5、V6的驱动信号；
脉冲宽度调制串联型变换器控制过程为：检测到的电网电压为Us，期望得到的负载电压为UL，将期望得到的负载电压UL与检测到的电网电压Us作差得到脉冲宽度调制串联型变换器一次侧电压参考值U* T11，脉冲宽度调制串联型变换器一次侧实际检测到的电压为UT11，U* T11与UT11作差经PI控制器，得到内环电流指令I* L1，检测到的电感L1的电流值为IL1，将I* L1与IL1作差经PI控制器得到调制波，将调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2的驱动信号，对门极可关断晶闸管模块G1、G2加工频脉冲驱动信号。
进一步的，电网发生短路故障时，电网电压会通过串联型变压器作用到脉冲宽度调制串联型变换器T1交流侧，在交流侧将会产生巨大的短路电流，检测到电网电流时，门极可关断晶闸管模块G1、G2加常通驱动信号，封锁绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2的驱动信号，门极可关断晶闸管模块G1、G2、绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2反并联二极管、滤波电感L1、串联变压器绕组构成限流回路，当电路故障消除后，控制电路产生驱动信号使电路恢复到电网正常工作状态。
进一步的，所述脉冲宽度调制串联型变换器控制具体为对脉冲宽度调制串联型变换器单相全桥采用单极性正弦脉宽调制方式来生成功率器件的驱动信号；
(1)在ur的正半轴
G1保持通态，G2保持断态：当ur>uc时V2导通，V1关断，此时u0＝Ud；当ur<uc时V2关断，V1导通，此时u0＝0；
(2)在ur的负半轴
G1保持断态，G2保持通态：当ur<uc时V1导通，V2关断，此时u0＝－Ud；当ur>uc时V1关断，V2导通，此时u0＝0；
其中，Ud为直流侧电压，u0为单相全桥桥臂输出电压，u0f表示u0经SPWM调制得到交流基波分量，ur为工频正弦波调制信号，uc为三角波载波信号。
进一步的，所述限流回路当扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流正方向流通时，由门极可关断晶闸管G1、绝缘栅双极型晶体管模块V1的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成；当扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流负方向流通时，由门极可关断晶闸管G2、绝缘栅双极型晶体管模块V2的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成。
本发明的有益效果是：本发明所提供的一种面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备及控制方法，为拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备的优化设计与运行开辟了新途径；电网正常运行时，拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备采用单极性调制策略，并根据各支路电气特性进行器件选型，提高拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备工作效率；电网发生短路故障时，利用拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备内部承载过电流能力强的可关断晶闸管构成限流回路，复用滤波电感对过电流进行抑制，无需额外增加限流原件，降低设备成本。并且拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备可以补偿电压暂升、跌落，抑制三相电压不平衡、电压型谐波，抑制过电流等，有效提高了为负载侧供电的电能品质，为提高电网安全、经济、高效运行提供了技术指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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(a)是基于滤波电感限流的串联型变换器拓扑示意图。
图1(b)是基于桥式结构限流的串联型变换器拓扑示意图。
图2是本发明拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备拓扑结构示意图。
图3是脉冲宽度调制并联型变换器控制原理图。
图4是单极性正弦波脉宽调制原理图。
图5(a)是限流状态时拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流正方向流通图。
图5(b)是限流状态时扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流负方向流通图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做出创造性劳动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。
传统串联型变换器结构主要由直流储能电容Cdc、4个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模块(V1、V2、V3、V4，IGBT模块中包括反并联二极管)构成的逆变桥、LC滤波器(包括滤波电感L1、滤波电容C1)构成，并通过串联变压器接入电网。图1(a)是基于滤波电感限流的多功能串联型变换器拓扑电路，相对于传统串联型变换器拓扑结构，在逆变桥出口靠近LC滤波器侧增加由双向晶闸管S构成的短路控制支路。电网电压发生暂升、跌落等故障时，S断开，实现电压补偿功能；电网发生短路故障时，封锁所有桥臂绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的驱动信号、S闭合，由串联变压器、滤波电感、双向晶闸管构成限流回路，实现短路限流功能。图1(b)是基于桥式结构限流的多功能串联型变换器拓扑结构，相对传统串联型变换器拓扑结构，在直流储能电容和逆变桥之间增加了限流支路(包括限流电感Lx、限流电阻Rx、卸能回路二极管Dx)。电网电压发生暂升、暂降等故障时，双向晶闸管S闭合、控制开关T断开，实现电压补偿功能；电网发生短路故障时，封锁所有桥臂IGBT的驱动信号、S断开、控制开关T闭合，由串联变压器、滤波电感、IGBT的反并联二极管、限流支路构成限流回路，实现短路限流功能。
可以看出，现有多功能串联型变换器结构都是通过增加耐流能力更强的限流元件构成限流回路实现限流功能，一定程度上增加了设备的功能，但同时也造成设备结构更加复杂、生产成本增加。因此，若能够根据串联型变换器自身结构特点，仅通过有针对性的器件选型，在不额外增加限流元件的情况下构造出限流回路，在提高装置器件复用率、降低设备成本等方面具有重要意义。
针对现有技术中多功能串联型变换器存在的问题，本发明在不额外增加限流元件的情况下，利用滤波电感、逆变桥、串联变压器构成限流回路实现限流功能。采用单极性正弦波脉宽调制(Sine Wave Pulse Width Modulation，SPWM)生成功率器件的驱动信号；逆变桥由工频支路和高频支路组成，工频支路主要用于低频开断和短路限流，因此选用开关频率低、传输耗损小、流通能力强的器件，如门极可关断晶闸管(Gate Turn-OffThyristor，GTO)。高频支路主要用于高频开断，因此选用开关频率高、开关损耗小的功率器件，如绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。
本发明拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备拓扑电路如图2所示，采用三单相背靠背结构，稳压电容Cdc的左侧连接脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)并联型变换器部分，稳压电容Cdc的右侧连接脉冲宽度调制(Pulse width modulation，PWM)串联型变换器部分；其中，三单相并联型变换器部分每相包括并联型变压器T2、滤波电感L2、4个绝缘栅双极型晶体管模块(V3、V4、V5、V6)，其中绝缘栅双极型晶体管模块中包括反并联二极管；三单相串联型变压器部分每相包括串联变压器T1、由滤波电感L1和滤波电容C1组成的LC滤波器、2个门极可关断晶闸管模块(G1、G2)、2个绝缘栅双极型晶体管模块(V1、V2)，其中，门极可关断晶闸管模块中包括反并联二极管、绝缘栅双极型晶体管模块中包括反并联二极管；稳压电容Cdc将脉冲宽度调制并联型变换器和脉冲宽度调制串联型变换器连接起来，实现能量双向交换；电网线路阻抗表示为Zs；由于电网电流为交流量，is表示电网电流矢量，存在正负方向。
具体来说，脉冲宽度调制并联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接滤波电感L2，滤波电感L2连接并联变压器T2二次侧；并联变压器T2一次侧并联接入在电网和负载之间；主要为直流侧提供电压和有功支撑。脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接LC滤波器，LC滤波器连接串联变压器T1二次侧，串联变压器T1一次侧串联接入在电网和负载之间；脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥采用单极性调制策略，单相全桥工频支路由G1、G2组成，单相全桥高频支路由V1、V2组成；主要通过检测电网电压暂升、跌落、不平衡及谐波电压实现补偿功能。脉冲宽度调制并联型变换器和脉冲宽度调制串联型变换器通过共用稳压电容Cdc实现能量双向交换，电网电压Us暂升时，能量由脉冲宽度调制串联型变换器流向脉冲宽度调制并联型变换器；电网电压Us跌落时，能量由脉冲宽度调制并联型变换器流向脉冲宽度调制串联型变换器。
本发明所述的拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备可实现在电网正常运行时实现电能质量调节和电网运行中发生短路故障时实现短路限流的两种功能。由于三相完全对称，现以单相为例对其工作原理进行详细阐述。
1)电网正常运行时
脉冲宽度调制并联型变换器控制过程如图3所示。设定直流侧需要稳定到的电压值为U* dc，直流侧实际检测到的电压值为Udc，将直流侧实际检测到的电压值Udc与直流侧需要稳定到的电压值U* dc作差经PI控制器处理，得到内环电流幅值参考值I* m，并通过检测获得电网电压相位角θ，由I* m与sinθ相乘的正弦量作为内环电流的指令值I* L2；内环电流的指令值I* L2与检测到的电感L2电流值IL2作差经PI控制器得到调制波，将得到的调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块(V3、V4、V5、V6)的驱动信号。
脉冲宽度调制串联型变换器控制过程。检测到的电网电压为Us，期望得到的负载电压为UL，将期望得到的负载电压UL与检测到的电网电压Us作差得到脉冲宽度调制串联型变换器一次侧电压参考值U* T11，脉冲宽度调制串联型变换器一次侧实际检测到的电压为UT11，U* T11与UT11作差经PI控制器，得到内环电流指令I* L1，检测到的电感L1的电流值为IL1，将I* L1与IL1作差经PI控制器得到调制波，将调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块(V1、V2)的驱动信号，对门极可关断晶闸管模块(G1、G2)加工频脉冲驱动信号。
本发明主要是对脉冲宽度调制串联型变换器进行拓扑重构和功能复用，如图4所示单极性正弦波脉宽调制原理图，对脉冲宽度调制串联型变换器单相全桥采用单极性正弦脉宽调制方式来生成功率器件的驱动信号，其中，Ud为直流侧电压，u0为单相全桥桥臂输出电压，u0f表示u0经SPWM调制得到交流基波分量，ur为工频正弦波调制信号，uc为三角波载波信号。
(1)在ur的正半轴
G1保持通态，G2保持断态：当ur>uc时V2导通，V1关断，此时u0＝Ud；当ur<uc时V2关断，V1导通，此时u0＝0。
(2)在ur的负半轴
G1保持断态，G2保持通态：当ur<uc时V1导通，V2关断，此时u0＝－Ud；当ur>uc时V1关断，V2导通，此时u0＝0。
通过单极性正弦波脉宽调制(SPWM)原理可以得出：因对门极可关断晶闸管模块(G1、G2)采用工频波信号调制，对绝缘栅双极型晶体管模块(V1、V2)的采用开关频率调制，所以单相全桥在采用单极性正弦波脉宽调制(SPWM)调制时出现了工频支路与高频支路。在工频支路，电力电子器件的主要损耗为传输损耗，相对于门极可关断晶闸管，绝缘栅双极型晶体管具有通态阻抗小、传输损耗低的优点，且规避了绝缘栅双极型晶体管开关频率低、开关损耗大的不足；在高频支路，电力电子器件的主要损耗为开关损耗，且门极可关断晶闸管具有开关频率高、开关损耗小的优点。因此，本发明通过将单极性调制的特点与绝缘栅双极型晶体管和门极可关断晶闸管器件自身优点紧密结合，可有效提高扑重构与功能复用的串联型电力电子设备工作效率。
2)电网发生短路故障时
电网发生短路故障时，电网电压会通过串联型变压器作用到脉冲宽度调制串联型变换器T1交流侧，在交流侧将会产生巨大的短路电流。检测到电网电流时，门极可关断晶闸管模块(G1、G2)加常通驱动信号，封锁绝缘栅双极型晶体管模块(V1、V2)的驱动信号，门极可关断晶闸管模块(G1、G2)、绝缘栅双极型晶体管模块(V1、V2)反并联二极管、滤波电感L1、串联变压器绕组构成限流回路。如图5(a)为限流状态时多扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流正方向流通图，由门极可关断晶闸管G1、绝缘栅双极型晶体管模块V1的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成限流回路，利用滤波电感L1和串联型变压器T1二次侧绕组的等效阻抗实现限流；如图5(b)是限流状态时扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电路电流负方向流通图，门极可关断晶闸管G2、绝缘栅双极型晶体管模块V2的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成限流回路，同样利用滤波电感L1和串联型变压器T1二次侧绕组的等效阻抗实现限流。当电路故障消除后，控制电路产生驱动信号使电路恢复到电网正常工作状态。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备，其特征在于，拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备采用三单相背靠背结构，稳压电容Cdc的左侧连接脉冲宽度调制并联型变换器部分，稳压电容Cdc的右侧连接脉冲宽度调制串联型变换器部分；
所述脉冲宽度调制并联型变换器部分每相包括并联型变压器T2、滤波电感L2、4个绝缘栅双极型晶体管模块V3、V4、V5、V6，其中每个绝缘栅双极型晶体管模块中包括反并联二极管；脉冲宽度调制并联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接滤波电感L2，滤波电感L2连接并联变压器T2二次侧，并联变压器T2一次侧并联接入在电网和负载之间；
所述脉冲宽度调制串联型变压器部分每相包括串联变压器T1、由滤波电感L1和滤波电容C1组成的LC滤波器、2个门极可关断晶闸管模块G1、G2、2个绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2，其中，每个门极可关断晶闸管模块G1、G2均包括反并联二极管、每个绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2也均包括反并联二极管；脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥直流端连接稳压电容Cdc，单相全桥的交流端连接LC滤波器，LC滤波器连接串联变压器T1二次侧，串联变压器T1一次侧串联接入在电网和负载之间；脉冲宽度调制串联型变换器部分单相全桥采用单极性调制策略，单相全桥工频支路由G1、G2组成，单相全桥高频支路由V1、V2组成；
电网发生短路故障时，电网电压会通过串联型变压器作用到脉冲宽度调制串联型变换器T1交流侧，在交流侧将会产生巨大的短路电流，检测到电网电流时，门极可关断晶闸管模块G1、G2加常通驱动信号，封锁绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2的驱动信号，门极可关断晶闸管模块G1、G2、绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2反并联二极管、滤波电感L1、串联变压器绕组构成限流回路，当电路故障消除后，控制电路产生驱动信号使电路恢复到电网正常工作状态。
2.采用权利要求1所述面向拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备的控制方法，其特征在于，电网正常运行时，脉冲宽度调制并联型变换器控制为：设定直流侧需要稳定到的电压值为U* dc，直流侧实际检测到的电压值为Udc，将直流侧实际检测到的电压值Udc与直流侧需要稳定到的电压值U* dc作差经PI控制器处理，得到内环电流幅值参考值I* m，并通过检测获得电网电压相位角θ，由I* m与sinθ相乘的正弦量作为内环电流的指令值I* L2；内环电流的指令值I* L2与检测到的电感L2电流值IL2作差经PI控制器得到调制波，将得到的调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块V3、V4、V5、V6的驱动信号；
脉冲宽度调制串联型变换器控制过程为：检测到的电网电压为Us，期望得到的负载电压为UL，将期望得到的负载电压UL与检测到的电网电压Us作差得到脉冲宽度调制串联型变换器一次侧电压参考值U* T11，脉冲宽度调制串联型变换器一次侧实际检测到的电压为UT11，U* T11与UT11作差经PI控制器，得到内环电流指令I* L1，检测到的电感L1的电流值为IL1，将I* L1与IL1作差经PI控制器得到调制波，将调制波与三角波作比得到绝缘栅双极型晶体管模块V1、V2的驱动信号，对门极可关断晶闸管模块G1、G2加工频脉冲驱动信号。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述脉冲宽度调制串联型变换器控制具体为对脉冲宽度调制串联型变换器单相全桥采用单极性正弦脉宽调制方式来生成功率器件的驱动信号；
(1)在ur的正半轴
G1保持通态，G2保持断态：当ur>uc时V2导通，V1关断，此时u0＝Ud；当ur<uc时V2关断，V1导通，此时u0＝0；
(2)在ur的负半轴
G1保持断态，G2保持通态：当ur<uc时V1导通，V2关断，此时u0＝－Ud；当ur>uc时V1关断，V2导通，此时u0＝0；
其中，Ud为直流侧电压，u0为单相全桥桥臂输出电压，u0f表示u0经SPWM调制得到交流基波分量，ur为工频正弦波调制信号，uc为三角波载波信号。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述限流回路拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流正方向流通时，由门极可关断晶闸管G1、绝缘栅双极型晶体管模块V1的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成；拓扑重构与功能复用的串联型电力电子设备电网电流负方向流通时，由门极可关断晶闸管G2、绝缘栅双极型晶体管模块V2的反并联二极管、滤波电感L1、串联型变压器T1构成。
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