一种交流配电网功率平衡装置

1.本发明涉及配电网领域，具体涉及一种交流配电网功率平衡装置。


背景技术：

2.随着我国多种分布式电源的大量接入、用户与配电网双向互动的增多以及电力电子装置的广泛应用，常规的交流配电网结构已经无法满足配电网供电形式多样、能量双向流动、潮流主动调控和可靠性的要求。功率平衡技术可将多条馈线组成闭环，从而实现馈线间的多端合环运行，可以实现多条馈线间的灵活潮流控制，达到均衡负载、优化电网供电能力、提供动态无功支持、提高配电网可靠性和设备利用率的效果，显著提高系统n
‑
1故障时的可靠性和转供能力。
3.现有的功率平衡装置一般通过全容量的背靠背变流器实现功率的平衡，例如图1所示的单相电网中不同电源节点之间的功率平衡，该结构包括ac/dc、dc/ac两级变换，变流器的两端与电源节点之间耦合。但是，这种采用全容量的背靠背变流器的方案中，背靠背变流器需要承受交流电源节点的全部高电压，对电力电子器件耐压能力等要求较高，并且变流器的容量和需要传输的功率相同，难以满足日益增长的功率传输的需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提出了一种交流配电网功率平衡装置。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种交流配电网功率平衡装置，包括：变压器与变流器，所述变流器包括电性耦合的整流器与逆变器；
7.所述变压器至少具有两个同名端与一个公共端，一个所述同名端与公共端构成与配电网级联的原边端口；另一所述同名端与所述公共端形成与所述整流器级联的副边端口；所述原边端口与所述逆变器的输出端耦合形成输出端口；
8.所述整流器控制方法为外环为直流电压内环为输入电流双闭环控制，所述逆变器控制方法为输出电流的闭环控制。
9.进一步地，所述整流器包括整流全桥以及与所述整流全桥的输入端耦合的滤波电感器。
10.进一步地，所述整流器与逆变器直流侧端口相连，直流端口并联滤波电容器。
11.上述的交流配电网功率平衡装置在交流配电网中同电压等级的两节点间的应用。
12.上述的交流配电网功率平衡装置在单相交流电网与三相交流电网中的应用。
附图说明
13.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
14.图1为现有技术的一种配电网的结构示意图；
15.图2为本申请的一个示例中的配电网功率平衡装置示意图；
16.图3为本申请的一个示例中的电力电子变流器的电路原理图；
17.图4为本申请的一个示例中的整体信号采样与控制电路原理图；
18.图5为本申请的一个示例的电力电子变压器中逆变侧dc/ac逆变器的电流闭环控制流程图；
19.图6为本申请的一个示例的功率平衡装置输入输出电流以及电力电子变流器输入电流的相量示意图；
20.图7为本申请的一个示例的电力电子变流器中整流侧ac/dc整流器的双闭环控流程图。
具体实施方式
21.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它实施例，都属于本发明保护的范围。
22.图2为本发明应用于配电网的功率平衡装置的电路原理图。本发明功率平衡装置包含一台自耦变压器t
au
和一台电力电子变流器t
pe
。自耦变压器t
au
具有三个端子x、y、z，其中端子x与y为同名端，z为公共端子，x和z为原边端口，与配电网节点a级联，y和z为副边端口，与变流器t
pe
输入端级联。电力电子变流器t
pe
由整流侧ac/dc整流器和逆变侧dc/ac逆变器级联构成，整流侧ac/dc整流器的输出直流端口与逆变侧dc/ac逆变器的输入直流端口相连，整流器的交流输入端子为a、b，逆变器的交流输出端子为c、d。变流器t
pe
的输入端子a、b分别与变压器t
au
的二次侧端子y、z连接，变流器t
pe
的输出端子d与变压器t
au
的二次侧端子z连接。变流器t
pe
的端子c与自耦变压器t
au
的端子x构成输出端口，与配电网节点b连接。本拓扑通过将自耦变压器与电力电子变压器的结合，使电力电子变流器的两侧只需要承受交流电源节点的部分电压，同时通过控制变流器两端的电流实现功率控制。
23.如图3所示，电力电子变流器中整流侧ac/dc整流器由开关管整流全桥与两台滤波电感器l1和l1′
构成，电感器与整流全桥的输入端串联。所述逆变侧dc/ac逆变器由开关管逆变全桥与两台滤波电感器l2和l2′
构成，电感器与逆变全桥的输出端串联。所述整流器与逆变器直流侧端口相连，直流端口并联一台直流滤波电容器。
24.电力电子变流器中，整流侧ac/dc整流器使用输出直流电压为外环、整流器的输入电流为内环的双闭环控制策略，实现输入侧功率因数校正以及控制直流侧电压的稳定。逆变侧dc/ac逆变器采用输出电流的闭环控制，从而实现对传输功率的控制。
25.如图4所示本发明的详细拓扑，电力电子变流器中整流侧ac/dc整流器使用电压外环电流内环双闭环的控制策略，实现输入侧功率因数校正以及控制直流侧电压的稳定，其中，整流器输入电流i1可由功率平衡装置的输入电流i
in
和输出电流i
out
计算得到，其计算公式为：
26.i1＝n(i
in
‑
i
out
)
27.其中，自耦变压器的原副边变比为n:1。
28.逆变侧dc/ac逆变器采用输出电流i2的闭环控制，从而实现对传输功率的控制。
29.如图5所示，逆变侧dc/ac逆变器采用输出电流i2的闭环控制策略，控制其输出电
流i2的相位与交流电源节点b电压u
sb
相同，输出电流i2的参考幅值根据如下公式计算得到：
30.i
2_ref
＝p
tran
/u
sb
31.其中，i
2_ref
为逆变器输出电流给定值i
2_ref
的有效值，p
tran
为配电网节点a传输至配电网节点b的功率给定值，u
sb
为配电网节点b电压u
sb
的有效值。
32.通过锁相环得到配电网节点b的相位角为θ
b
，由于输出电流i2的相位与交流电源节点b电压u
sb
相反，可得输出电流的参考值i
2_ref
＝i
2_ref
·
cos(ωt+θ
b
)，将输出电流i2与其参考值i
2_ref
比较，经比例积分环节得到pwm的调制波后进行pwm调制产生驱动信号。
33.如图6所示，由于本发明功率平衡装置输入和输出侧均实现功率因数校正，则的相位与相同，的相位与相同。由图4电路可知，电力电子变流器的输入电流可由以下公式求得：
[0034][0035]
进而可以求得的相位θ1。
[0036]
如图7所示，整流侧ac/dc整流器使用双闭环控制策略，其中电压外环控制整流器直流侧的电压稳定，直流侧电压u
dc
与其参考值u
dc_ref
比较后经比例积分环节得到输入电流幅值的参考值i
1_ref
，直流侧电压同时大于a、b端电压u
ab
和c、d端电压u
cd
的峰值。
[0037]
电流内环控制功率因数校正，其输入电流参考值的幅值i
1_ref
由电压外环的输出值给定，输入电流参考值的相位角为θ1，可得输出电流的参考值i
1_ref
＝i
1_ref
·
cos(ωt+θ1)，将输出电流i1与其参考值i
1_ref
比较，经比例积分环节产生pwm调制波后进行pwm调制产生驱动信号。
[0038]
由上述案例可知，本实施方案可以在电力电子变流器的两侧只需要承受交流电源节点的部分电压的情况下，实现交流配电网中两节点之间的功率平衡，也可以实现功率因数校正。
[0039]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0040]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。