CN116345532A - 一种开绕组结构柔性环网控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开绕组结构柔性环网控制器，包括变压器、电力电子变换器和控制电路，其中，变压器的原边绕组包括共磁芯的主绕组和取能绕组，主绕组之间采用Y形连接，与一端电网相连构成主电路，变压器的副边绕组之间采用Y形连接，与另一端电网相连；取能绕组采用开绕组机构，取能绕组的两端与电力电子变换器的两输入端对应相连，电力电子变换器的输出端构成所述电力电子变换器的输出端串联连接至主电路；控制电路用于对电力电子变换器中的开关器件的PWM信号进行调制，控制电力电子变换器输出电压的幅值和相角，从而实现潮流调度。本发明能有效解决传统柔性环网控制器采用全功率AC/DC/AC拓扑结构，存在成本高、效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种开绕组结构柔性环网控制器。
背景技术
配电网处于电力系统的末端，直接面向电力用户，承担着分配电能、服务客户的重任。当前，配电网建设滞后、结构不合理、调控手段有限，制约了配电网运行控制的灵活性，造成了馈线负荷不均衡、供电恢复时间长等问题。另一方面，配电网内非线性、冲击性负荷比重的增加，以及新能源渗透率的不断提高，对配电网电能质量和供电可靠性的保障手段提出了更高要求。现有配电网正面临用电需求定制化和多样化、分布式电源接入规模化、潮流协调控制复杂化等多方面的巨大挑战。这些问题采用常规开关等传统调控手段难以同时得到有效解决。柔性环网控制器采用电力电子新技术，与常规开关相比，不仅具备通和断两种状态，而且增加了功率连续可控状态，兼具运行模式柔性切换、控制方式灵活多样等特点，可避免常规开关倒闸操作引起的供电中断、合环冲击等问题，还能缓解电压骤降、三相不平衡现象，促进馈线负载分配的均衡化和电能质量改善。
然而，通常柔性环网控制器采用的是全功率AC/DC/AC拓扑结构，装置成本高，且需要全功率流过，存在效率低的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种开绕组结构柔性环网控制器，旨在解决传统柔性环网控制器采用全功率AC/DC/AC拓扑结构，存在成本高、效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种开绕组结构柔性环网控制器，包括变压器、电力电子变换器和控制电路，其中，所述变压器的原边绕组包括共磁芯的主绕组和取能绕组，主绕组之间采用Y形连接，与一端电网相连构成主电路，变压器的副边绕组之间采用Y形连接，与另一端电网相连；所述取能绕组采用开绕组结构，所述取能绕组的两端与所述电力电子变换器的两输入端对应相连，所述电力电子变换器的输出端构成所述电力电子变换器的输出端串联连接至所述主电路；所述控制电路用于对所述电力电子变换器中的开关器件的PWM信号进行调制，控制所述电力电子变换器输出电压的幅值和相角，从而实现潮流调度。
本发明提供的开绕组柔性环网控制器，利用变压器和电力电子变换器结合，电力电子变换器仅处理主电路输入的一小部分功率，由于采用具有隔离作用的取能绕组供电，电力电子变换器的额定功率减小，使得本实施例提供的柔性环网控制器引入电力电子变换器在成本上相对于同类装置，成本较低；同时利用变压器取能绕组构成开绕组结构，可实现电力电子变换器串联，可有效提升其输出电压，提高系统效率。
在其中一个实施例中，所述电力电子器件包括两个背靠背连接的AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均由两个电压源型变流器和一电容并联构成；
其中，所述取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一电压源型变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一电压源型变流器的交流端相连构成所述电力电子变换器的输出端。
在其中一个实施例中，所述电力电子变换器由三个电压源型变流器和一电容并联构成；
其中，所述取能绕组的两端与其中两个电压源型变流器的交流端对应相连，所述其中两个电压源型变流器的直流端均与另一电压源型变换器的直流端相连，所述另一电压源型变换器的交流端构成所述电力电子变换器的输出端。
在其中一个实施例中，所述电力电子变换器由两个电压源型变流器、一电容、一二极管箝位式三电平变流器和两串联电容支路并联构成；
其中，所述取能绕组的两端与其中两个电压源型变流器的交流端对应相连，所述其中两个电压源型变流器的直流端分别与所述二极管箝位式三电平变流器的直流端相连，所述二极管箝位式三电平变流器的交流端构成所述电力电子变换器的输出端。
在其中一个实施例中，所述电力电子变换器包括两个背靠背连接的AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均包括两个二极管箝位式三电平变流器和两串联电容支路并联构成；
其中，所述取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一二极管箝位式三电平变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一二极管箝位式三电平变流器的交流端相连构成整个电力电子变换器的输出端。
在其中一个实施例中，每个电压源型变流器中的开关器件均采用一绝缘栅双极型晶体管和一二极管反并联构成。
在其中一个实施例中，每个二极管箝位式三电平变流器中的开关器件均采用一绝缘栅双极型晶体管和一二极管反并联构成。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的开绕组结构柔性环网控制器的结构示意图；
图2是本发明提供的变压器副边绕组侧馈线和主绕组侧馈线间的等效电路图；
图3是本发明提供的开绕组结构柔性环网控制器相量示意图；
图4是本发明实施例1提供的开绕组结构柔性环网控制器的电路原理图；
图5是本发明实施例2提供的开绕组结构柔性环网控制器的电路原理图；
图6是本发明实施例3提供的开绕组结构柔性环网控制器的电路原理图；
图7是本发明实施例4提供的开绕组结构柔性环网控制器的电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为解决传统柔性环网控制器成本高、效率低的问题，本发明提供了一种开绕组结构柔性环网控制器，如图1所示，该柔性环网控制器包括变压器、电力电子变换器和控制电路。
本实施例提供的变压器的原边绕组包括共磁芯的主绕组和取能绕组。其中，主绕组之间采用Y形连接，与一端电网相连构成主电路；变压器的副边绕组之间采用Y形连接，与另一端电网相连；取能绕组采用开绕组结构，两端与电力电子变换器的两输入端对应相连，电力电子变换器的输出端构成电力电子变换器的输出端串联连接至主电路。
本实施例提供的控制电路用于对电力电子变换器中的开关器件的PWM信号进行调制，控制电力电子变换器输出电压的幅值和相角，从而实现潮流调度。
图2是本实施例变压器副边绕组侧馈线和主绕组侧馈线间的等效电路图，如图2所示，Z＝R+jX表示变压器的等效阻抗，α为阻抗角，
表示一端电网的电压矢量，
表述另外一端电网的电压矢量，P2为变压器副边绕组侧对应馈线的有功功率，Q2为其无功功率。本实施例提供的控制电路对电力电子变换器中的开关器件的PWM信号进行调制，控制电力电子变换器输出电压的幅值和相角，如图3所示，相当于调节两条馈线之间功角δ，从而实现对另外一端电网的有功功率和无功功率调节，即实现潮流调度，解决配电网馈线间功率分配问题。
本实施例提供的开绕组柔性环网控制器，利用变压器和电力电子变换器结合，电力电子变换器仅处理主电路输入的一小部分功率，由于采用具有隔离作用的取能绕组供电，电力电子变换器的额定功率减小，使得本实施例提供的柔性环网控制器引入电力电子变换器在成本上相对于同类装置，成本较低；同时利用变压器取能绕组构成开绕组结构，可实现电力电子变换器串联，可有效提升其输出电压，提高系统效率。
在一个实施例中，如图4所示，本发明提供的电力电子变换器可采用两个背靠背连接的AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均由两个电压源型变流器(Voltage SourceConverter，VSC)和一电容并联构成。
其中，取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一电压源型变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一电压源型变流器的交流端相连构成电力电子变换器的输出端。各电压源型变流器中的开关器件均采用一只绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)和一只二极管反并联构成。
在本实施例中，如图4所示，开关器件S1～S6和S13～S18对应构成两个AC/DC/AC电路的整流侧，开关器件S7～S12和S19～S24对应构成两个AC/DC/AC电路的逆变侧，控制电路通过同时对各电压源型变流器中的开关器件施加控制策略，从而控制电力电子变换器输出电压Uan、Ubn、Ucn的幅值和相角。
进一步地，为了提升电力电子变换器的耐压等级，可将电压源型变流器替换为二极管箝位式三电平变流器，二极管箝位式三电平变流器中的每个桥臂均包括两个开关器件，两个开关器件的中点通过箝位二极管与两串联电容支路的中点相连。
具体地，如图5所示，本实施例提供的电力电子变换器包括两个AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均包括两个二极管箝位式三电平变流器和两串联电容支路并联构成。其中，取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一二极管箝位式三电平变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一二极管箝位式三电平变流器的交流端相连构成整个电力电子变换器的输出端。
在本实施例中，如图5所示，INV1和INV4对应为两个AC/DC/AC电路的整流侧，两串联电容用于提供电压支撑和能保证功率的双向流动，INV2和INV3对应为两个AC/DC/AC电路的逆变侧，两者的输出构成整个电力电子变换器的输出并串联连接至主电路，提供幅值、相角可控的输出电压。
在一个实施例中，如图6所示，本发明提供的电力电子变换器可采用三个电压源型变流器和一电容并联构成，其中两个电压源型变流器作为整流侧运行，另外一个电压源型变流器作为逆变侧运行。其中，取能绕组的两端与其中两个整流侧的电压源型变流器的交流端对应相连，其中两个整流侧的电压源型变流器的直流端均与逆变侧的电压源型变换器的直流端相连，逆变侧的电压源型变换器的交流端构成电力电子变换器的输出端。
在本实施例中，取能绕组两端分别接入整流侧的电压源型变流器，经过直流母线汇集后通过逆变侧的电压源型变流器输出相位幅值可调电压。此时输出电压Uan、Ubn和Ucn共N电位，即同一电位，此时电力电子部分耐压由取能绕组和输出电压决定，可进一步减少电力电子变换器电压应力。
同时图6中当取能绕组一侧变换器故障后，其中一个IGBT发生故障，可以通过故障侧变换器下口另外三组IGBT(图6中S1～S3)导通，将取能绕组一侧短接，另外一组变换器继续工作，提高电力电子部分可靠性。
进一步地，为了将图6拓扑取能绕组电压和输出电压进行电压匹配，如图7所示，可以将逆变侧的电压源型变流器替换为二极管箝位式三电平变流器。同样当整流侧的电压源型变流器一侧发生故障后，另外一电压源型变流器依然可以保持系统正常工作。
本实施例提供的开绕组结构柔性环网控制器，采用变压器和电力电子变换器相结合的技术路线，通过小部分功率的电力电子变换器，即可以实现潮流转供和解决电能质量等问题，大幅降低了装置整体成本，为未来智能配电网的实施提供关键技术与设备支撑。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，包括变压器、电力电子变换器和控制电路，其中，所述变压器的原边绕组包括共磁芯的主绕组和取能绕组，主绕组之间采用Y形连接，与一端电网相连构成主电路，变压器的副边绕组之间采用Y形连接，与另一端电网相连；所述取能绕组采用开绕组结构，所述取能绕组的两端与所述电力电子变换器的两输入端对应相连，所述电力电子变换器的输出端构成所述电力电子变换器的输出端串联连接至所述主电路；所述控制电路用于对所述电力电子变换器中的开关器件的PWM信号进行调制，控制所述电力电子变换器输出电压的幅值和相角，从而实现潮流调度。
2.根据权利要求1所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，所述电力电子器件包括两个背靠背连接的AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均由两个电压源型变流器和一电容并联构成；
其中，所述取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一电压源型变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一电压源型变流器的交流端相连构成所述电力电子变换器的输出端。
3.根据权利要求1所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，所述电力电子变换器由三个电压源型变流器和一电容并联构成；
其中，所述取能绕组的两端与其中两个电压源型变流器的交流端对应相连，所述其中两个电压源型变流器的直流端均与另一电压源型变换器的直流端相连，所述另一电压源型变换器的交流端构成所述电力电子变换器的输出端。
4.根据权利要求1所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，所述电力电子变换器由两个电压源型变流器、一电容、一二极管箝位式三电平变流器和两串联电容支路并联构成；
其中，所述取能绕组的两端与其中两个电压源型变流器的交流端对应相连，所述其中两个电压源型变流器的直流端分别与所述二极管箝位式三电平变流器的直流端相连，所述二极管箝位式三电平变流器的交流端构成所述电力电子变换器的输出端。
5.根据权利要求1所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，所述电力电子变换器包括两个背靠背连接的AC/DC/AC电路，每个AC/DC/AC电路均包括两个二极管箝位式三电平变流器和两串联电容支路并联构成；
其中，所述取能绕组的两端对应连接一AC/DC/AC电路中的一二极管箝位式三电平变流器的交流端，两AC/DC/AC电路中的另一二极管箝位式三电平变流器的交流端相连构成整个电力电子变换器的输出端。
6.根据权利要求3或4所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，每个电压源型变流器中的开关器件均采用一绝缘栅双极型晶体管和一二极管反并联构成。
7.根据权利要求4或5所述的开绕组结构柔性环网控制器，其特征在于，每个二极管箝位式三电平变流器中的开关器件均采用一绝缘栅双极型晶体管和一二极管反并联构成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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