CN115549122A - 一种z源统一潮流控制器 - Google Patents

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颜景斌
朱强
王怡斐
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Harbin University of Science and Technology
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Harbin University of Science and Technology
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1807—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using series compensators
    • H02J3/1814—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using series compensators wherein al least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. unified power flow controllers [UPFC]

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Abstract

本发明提供一种Z源统一潮流控制器，涉及柔性输电技术领域。本发明中采用Z源变换器的统一潮流控制器，主要包括：并联侧变换器、串联侧Z源变换器、滤波电感组成。并联和串联两侧变换器均通过变压器耦合接入交流线路中。Z源变换器由电感、电容、二极管组成并连接三相逆变桥。本发明相比两侧均采用传统变换器的统一潮流控制器直流侧电容电压值的选取更为灵活，串联侧的输出电压范围更广。同时Z源变换器允许直通，提升了统一潮流控制器的可靠性。

Description

一种Z源统一潮流控制器
技术领域
本发明属于柔性输电技术领域，具体涉及的是一种Z源统一潮流控制器。
背景技术
随着现代电网互联建设的推进，电网基础建设和转型升级面临的形势愈加严峻。统一潮流控制器作为当前柔性交流输电技术的先进代表装置，具有灵活而强大的串、并联补偿与潮流调节控制功能，能够充分挖掘和利用现有电网的传输能力。
现有的统一潮流控制器大多采用电压源型变换器，只能作为升压型或者降压型，可得到的输出电压范围有限，对输入电压的限制也比较大，在统一潮流控制器中也就对直流侧电容的性能有比较高的要求。同时为了防止同一桥臂上管直通，在换流过程中插入死区会导致输出交流电压波形发生畸变；而且电磁干扰造成的误触发易导致的开关管直通，对逆变器的可靠性是较大的挑战。
发明内容
为解决上述现有技术所存在的缺陷，本发明提出一种Z源统一潮流控制器。
一种Z源统一潮流控制器，包括：并联侧变换器、串联侧Z源变换器、滤波电感组成；并联和串联两侧变换器均通过变压器耦合接入交流线路中；
优选地，所述并联侧变换器由二极管、开关器件组成三相逆变桥；
优选地，所述串联侧Z源变换器由电感、电容、二极管三相逆变桥组成。
优选地，所述Z源统一潮流控制器由并联侧变换器与串联侧Z源变换器背靠背连接组成，两侧变换器之间还并联了直流侧电容，串联侧与并联侧变换器均通过滤波电感再与变压器连接，通过变压器耦合接入交流线路中。
优选地，所述的三相逆变桥第一个桥臂包括开关管S1和S2，每个开关管均并联一个续流二极管，开关管S1的发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S1和S2之间引出A相输出端；其他两个桥臂连接方式相同，分别引出B、C相输出端。
优选地，所述的串联侧Z源变换器由Z源网络连接三相逆变桥组成。
优选地，所述的Z源网络中二极管的阳极与直流侧电容连接，电感L1的一端连接电容C1和二极管D的阴极，电感L1的另一端连接电容C2和三相逆变桥；电容C1的另一端连接三相逆变桥和电感L2的一端，电感L2的另一端连接C2的另一端和直流侧电容的另一端。
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
现有的统一潮流控制器大多采用电压型逆变器，由于逆变桥有三个桥臂即六个开关器件，因此传统三相电压型逆变器有六个有效状态和两个零状态。传统逆变器为避免短路，禁止逆变桥直通，而 Z 源逆变器由于有 Z 阻抗网络的存在,允许逆变桥发生直通。根据系统设计需要，通过在一个开关周期内适当地加入直通状态，可以得到所需的直流链电压，该所需直流链电压可以大于直流输入电压也可小于直流输入电压，所以能够扩大电压的调节范围。由于统一潮流控制器的并联侧主要功能是维持直流侧电容电压的稳定，本发明仅在串联侧采用Z源变换器，在扩大串联侧输入与输出电压范围的同时尽可能节省了电路器件，成本较低。
附图说明
图1为统一潮流控制器的普遍结构。
图2为采用Z源变换器的统一潮流控制器。
图3为Z源网络在直通状态下的等效电路图。
图4为Z源网络在非直通状态下的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。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
图1是通用的统一潮流控制器的拓扑结构图。图1中，Usa , Usb和Usc分别表示系统电源交流侧三相电压。
图2是采用Z源变换器的统一潮流控制器的结构图。图2中，Usa , Usb和Usc分别表示系统电源交流侧三相电压。
一种Z源统一潮流控制器，包括：并联侧变换器、串联侧Z源变换器、滤波电感组成；并联和串联两侧变换器均通过变压器耦合接入交流线路中；
进一步，所述并联侧变换器由二极管、开关器件组成三相逆变桥；
进一步，所述串联侧Z源变换器由电感、电容、二极管三相逆变桥组成。
进一步，所述Z源统一潮流控制器由并联侧变换器与串联侧Z源变换器背靠背连接组成，两侧变换器之间还并联了直流侧电容，串联侧与并联侧变换器均通过滤波电感再与变压器连接，通过变压器耦合接入交流线路中。
进一步，所述的三相逆变桥第一个桥臂包括开关管S1和S2，每个开关管均并联一个续流二极管，开关管S1的发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S1和S2之间引出A相输出端；其他两个桥臂连接方式相同，分别引出B、C相输出端。
进一步，所述的串联侧Z源变换器由Z源网络连接三相逆变桥组成。
进一步，所述的Z源网络中二极管的阳极与直流侧电容连接，电感L1的一端连接电容C1和二极管D的阴极，电感L1的另一端连接电容C2和三相逆变桥；电容C1的另一端连接三相逆变桥和电感L2的一端，电感L2的另一端连接C2的另一端和直流侧电容的另一端。
进一步，所述的整流管或开关管为晶闸管、可控型功率管、门极可关断的电力电子器件或全控型电力电子器件。
本发明在具体实施时，Z源变换器工作原理如下：
图3和图4分别为Z源逆变器工作在直通状态和非直通状态时的等效电路。由于Z源网络结构对称，为简化分析，令C1=C2=C，L1=L2==L。
如图3所示，Z源逆变器工作在直通状态，二极管D因承受反向偏置电压而截至，此时直流侧被隔离，电容器将向电感充电。根据直通状态下的等效电路可得：
Figure 69047DEST_PATH_IMAGE001
Figure 813012DEST_PATH_IMAGE001
(1)
当逆变桥处于有效状态下时，直流侧到交流侧形成一个通路。当逆变桥处于零状态作用下，逆变桥断路，而二极管D仍然承受正向偏置电压导通。上述两种情况下Z源逆变器均工作在非直通状态。此时直流侧向电容充电。根据非直通状态的等效电路可得：
Figure 925325DEST_PATH_IMAGE002
Figure 260491DEST_PATH_IMAGE002
(2)
根据伏秒平衡原理，一个开关周期内电感两端的平均电压为0。假设一个开关周期为T，Z源逆变器工作在直通状态的时间为T1，结合式(1)和式(2)得到电感电压得平均值：
Figure 707522DEST_PATH_IMAGE003
Figure 786336DEST_PATH_IMAGE003
(3)
定义占空比D1=T1/T，为一个开关周期内直通时间占总时间得比例。
则可得电容电压与直流电源电压得关系：
Figure 753155DEST_PATH_IMAGE005
Figure 993644DEST_PATH_IMAGE005
(4)
同理可得：
Figure 944282DEST_PATH_IMAGE006
三相逆变桥得到的直流侧电压峰值为：
Figure 295629DEST_PATH_IMAGE007
Z源逆变器输出相电压峰值表示为:
Figure 366222DEST_PATH_IMAGE008
其中M为三相逆变桥的调制比。
对传统电压源型三相变换器来说，其输出相电压峰值为M•Vin/2，其线性调制范围为0到1，因此其输出电压不能高于输入电压。而Z源变换器由于其输出升压因子大于等于1，因此对于达到相同的电压增益，Z源变换器开关管两端所受的电压应力比传统电压型变换器更小。
Z源变换器有直通和非直通两种工作状态，当变换器工作于直通状态时，Z源变换器中二极管D承受反向电压而截止，三相逆变桥中第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂单相桥臂直通或三相桥臂直通，直流母线电压为0，此时三相逆变桥不输出功率，Z源变换器中电容C1和C2放电，电感L1和L2充电储能。直通状态下的等效电路如图3所示，电感L1、L2电容C1、C2两端电压有以下关系：
VL1＝Vin+VC2,VL2＝VC1 (1)
非直通状态下所述Z源逆变器工作模式和传统电压型逆变器一样，所述三相逆变桥中第一桥臂、第一桥臂、第三桥臂上下管互补导通，输出功率，Z源变换器中二极管D导通，电容C1和C2充电，电感L1和L2放电，非直通状态下的等效电路如图4所示，电感L1、L2和电容C1、C2两端电压有以下关系:
VL1＝Vin-VC1,VL2＝-VC2 (2)
在一个开关周期T中，直通状态与非直通状态交替进行，作用时间分别为T1、T2。由伏秒平衡原理，稳态时一个开关周期内两电感的平均电压为0，由式(1)和式(2)可得：
Figure 308770DEST_PATH_IMAGE009
Figure 215546DEST_PATH_IMAGE009
(3)
令占空比D1=T1/T，两电容两端电压为
Figure 105005DEST_PATH_IMAGE010
Figure 577575DEST_PATH_IMAGE010
(4)
由基尔霍夫电压定律得，Vout=VC1+VC2,所以
Figure 159866DEST_PATH_IMAGE011
其中T/(T2-T1)恒大于等于1，可见通过调节直通占空比即可等效实现对统一潮流控制器的直流侧电压的调节。
采用传统的电压源型变换器的统一潮流控制器，可得到的串联侧的输出电压范围有限。为了扩大输出电压的范围常需要一个DC-DC变流器，这样不仅增加了电路和控制的复杂性，提高了系统成本，还降低了变换效率。由于统一潮流控制器的并联侧主要功能是维持直流侧电容电压的稳定，本发明仅在串联侧采用Z源变换器，在扩大串联侧输出电压范围的同时尽可能节省了电路器件，成本较低。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (5)

1.一种Z源统一潮流控制器，其特征在于，包括：并联侧变换器、串联侧Z源变换器、滤波电感组成；并联和串联两侧变换器均通过变压器耦合接入交流线路中；
所述并联侧变换器由二极管、开关器件组成三相逆变桥；
所述串联侧Z源变换器由电感、电容、二极管、三相逆变桥组成。
2.根据权利要求1所述的一种Z源统一潮流控制器，其特征在于：所述Z源统一潮流控制器由并联侧变换器与串联侧Z源变换器背靠背连接组成，两侧变换器之间还并联了直流侧电容，串联侧与并联侧变换器均通过滤波电感再与变压器连接，通过变压器耦合接入交流线路中。
3.根据权利要求1所述的一种Z源统一潮流控制器，其特征在于：所述的三相逆变桥第一个桥臂包括开关管S1和S2，每个开关管均并联一个续流二极管，开关管S1的发射极与开关管S2的集电极相连，开关管S1和S2之间引出A相输出端；其他两个桥臂连接方式相同，分别引出B、C相输出端。
4.根据权利要求1所述的一种Z源统一潮流控制器，其特征在于：所述的串联侧Z源变换器由Z源网络连接三相逆变桥组成。
5.根据权利要求1所述的一种Z源统一潮流控制器，其特征在于：所述的Z源网络中二极管D的阳极与直流侧电容连接，电感L1的一端连接电容C1和二极管D的阴极，电感L1的另一端连接电容C2和三相逆变桥；电容C1的另一端连接三相逆变桥和电感L2的一端，电感L2的另一端连接C2的另一端和直流侧电容的另一端。
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