一种双向柔性电压调节装置及其控制方法

本申请发明适用于电力系统调压领域中的电力电子设备应用，可应用于配电网场景下的调压装置，是一种基于基于交流斩波电路与晶闸管换向电路的双向柔性电压调节装置及其控制方法。

背景技术：

1、随着全球能源结构的转型和对可持续能源需求的增加，新能源技术如太阳能、风能等可再生能源的开发利用正迅速增长。这些新能源具有间歇性和不稳定性的特点，对电网的稳定性和电能质量提出了新的挑战。而柔性调压装置与传统的调压装置相比，采用数字化的控制与灵活拓扑结构，具有可以主动进行电压自适应调节，响应速度快等优点，因此采用柔性调压装置已成为电压调节的一种重要趋势。

2、当电网中的电压发生不稳定波动时，可能会对供电的设备，尤其是精密设备的正常运行造成干扰，短暂的电压波动甚至可能导致数据的遗失或实验结果的不准确。面对这种情况，传统的调压设备，例如机械调压装置，已不足以满足当前电力系统对于高效率、灵活性和精准控制的需求。为了解决这一问题，一些厂家开始采用柔性调压装置，它们的拓扑通常由前级ac/dc整流变器和后级dc/ac逆变器组成，这种结构虽然能够迅速地对负载电压进行调节，但通常使用大容量的直流母线电容器，这不仅增加了成本，而且可能因为直流母线容量过大而引发系统谐振，增加谐波电流。若直流母线上的电压不稳定，逆变器在转换过程中可能会产生较大的低频谐波，尤其是当这些谐波在前级变换中未被有效滤除时，其含量会显著增加。为了降低这些低频谐波的影响，需要使用更大尺寸和容量的电感和电容元件，从而进一步增加了装置的体积和重量。因此，尽管这种带有大容量直流母线电容器的ac/dc/ac电路拓扑能够满足对电压快速调节的要求，但在体积和成本方面存在明显的不足。

3、此外，这种大容量直流母线电容器的ac/dc/ac电路拓扑需要精确的控制策略来管理直流母线上的电压稳定性和动态响应，这增加了控制系统的设计和实现难度。

技术实现思路

1、本发明提出一种双向柔性电压调节装置及其控制方法，在拓扑结构上省略了大容量的直流母线电容器，控制方法上通过简单的开环控制方式实现电压快速调节。

2、本发明提供的拓扑结构的目的是通过以下技术方案实现的：

3、所述交流斩波电路由4个全控型器件s1～s4组成；

4、所述晶闸管换向电路由2个双向晶闸管构成，在任意时刻，有且仅有一个双向晶闸管导通，所述隔离变压器一次侧的第二端通过所述两个双向晶闸管分别连接配电网的火线与零线；

5、所述交流斩波电路的第一端通过网侧滤波电路与配电网相连；

6、所述交流斩波电路的第二端通过输出滤波器与所述隔离变压器一次侧的第一端相连；

7、所述配电网与所述隔离变压器的二次侧串联；

8、所述控制器的输出分别与所述交流斩波电路的全控型器件和所述晶闸管换向电路的晶闸管相连；

9、所述电压传感器设在配电网与交流斩波电路的连接点；

10、本发明提供的控制方法的目的是通过以下技术方案实现的：

11、根据所述电压传感器，测量得到交流斩波电路输入电压的信息；

12、所述控制器用于采集所述配电网的电压信息，所述控制器基于获得的配电网电压信息计算配电网电压的标幺值eg和相位θg；

13、所述控制器基于获得的配电网电压标幺值eg还确定所需补偿电压的大小vsc及其标幺值esc，所述补偿电压的标幺值用于指示得到晶闸管换向电路的开关信号sth；

14、所述控制器基于获得的补偿电压标幺值esc，通过开环电压控制器得到交流斩波电路的调制波ma；

15、所述控制器基于获得的调制波ma，通过脉宽调制器，得到交流斩波电路的pwm控制信号，实现交流斩波电路电压vout输出；

16、所述控制器基于获得晶闸管换向电路的开关信号sth和交流斩波电路的输出电压vout得到调压装置的输出电压vsc；

17、所述控制器基于获得的配电网电压的相位θg，确定所述pwm控制信号的使能时刻；与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是

18、1.本发明提出的双向柔性电压调节装置，省去了传统拓扑结构中的大容量直流电容器，减小了电力电子调压装置的体积，降低了装置的成本；

19、2.本发明提出的双向柔性电压调节装置，采用两个双向晶闸管控制补偿电压的方向，减少了全控型器件的数量，降低了装置的成本，晶闸管在导通后不需要持续的门极驱动，可提供更好的热稳定性；

20、3.本发明提出的双向柔性电压调节装置，在输出端通过隔离变压器实现对负载电压的调节，可以抑制电力电子装置的高频谐波进入电网，减小了电力电子装置对配电网电能质量的污染，同时可以抑制配电网的短路冲击电流进入电力电子装置，提高整个电力电子调压装置的可靠性和寿命。

21、4.本发明提出的双向柔性调压装置的开环电压调节控制策略，控制方法更为简单，设计和实现相对容易，没有反馈环节的延迟，可以更快地响应输入地动态变化；

技术特征：

1.一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，包括：所述双向柔性电压调节装置包括：控制器、交流斩波电路、晶闸管换向电路、网侧滤波器、输出侧滤波器、电压传感器和隔离变压器；

2.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述交流斩波电路由4个全控型器件s1～s4组成，所述全控型器件s1的发射极与所述全控型器件s2的集电极相连，所述全控型器件s4的发射极与所述全控型器件s3的集电极相连，所述全控型器件s2的发射极与所述全控型器件s3的发射极相连。

3.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述晶闸管换向电路由第一双向晶闸管t1和第二双向晶闸管t2构成，所述第一双向晶闸管t1的第一端与所述配电网的火线相连，所述第二双向晶闸管t2的第一端与所述配电网的零线相连，所述第一双向晶闸管t1的第一端与所述第二双向晶闸管t2的第一端共同构成所述晶闸管换向电路的第一端；所述第一双向晶闸管t1的第二端与所述第二双向晶闸管t2的第二端相连，构成所述晶闸管换向电路的第二端，并连接至所述隔离变压器一次侧的第二端。

4.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述交流斩波电路通过网侧滤波器与配电网相连；所述全控型器件s1的集电极通过滤波电感l1与配电网的火线相连，所述全控型器件s4的集电极与配电网的零线相连，滤波电容c1的第一端与全控型器件s1的集电极相连，第二端与滤波电容c2的第一端相连，滤波电容c2的第二端连接至配电网的零线，滤波电容c1与c2的连接点与全控型器件s2与s3的连接点相连。

5.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述交流斩波电路通过输出侧lc滤波器与所述隔离变压器一次侧的第一端相连，所述全控型器件s1与全控型器件s2的公共连接点与所述lc滤波器滤波电感lf的第一端相连，所述lc滤波器滤波电感lf的第二端与所述隔离变压器一次侧的第一端相连，所述全控型器件s3与全控型器件s4的公共连接点与所述lc滤波器滤波电容cf的第二端相连，所述lc滤波器滤波电容cf的第一端与所述lc滤波器滤波电感lf的第一端相连。

6.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述配电网与所述隔离变压器的二次侧串联，所述配电网的火线与所述隔离变压器二次侧的第二端相连，所述隔离变压器二次侧的第一端和所述配电网的零线与负载相连，为负载供电。

7.根据权利要求1所述的一种双向柔性电压调节装置及其控制方法，其特征在于，所述电压传感器设在配电网与交流斩波电路的连接点。

8.根据权利要求3所述的一种双向柔性电压调节装置，其特征在于，所述控制器的输出分别与所述交流斩波电路的全控型器件和所述晶闸管换向电路的晶闸管相连，所述控制器输出的pwm信号分别与所述交流斩波电路的全控型器件s1～s4的栅极相连，所述控制器输出的开关信号分别与所述晶闸管换向电路的双向晶闸管t1和t2的门极相连。

9.一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器基于获得的配电网电压信息计算配电网电压的标幺值eg和相位θg，包括以下步骤：

11.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器基于获得的配电网电压标幺值eg确定所需补偿电压的大小vsc及其标幺值esc，得到晶闸管换向电路的开关信号sth，包括以下步骤：所述控制器基于获得的配电网电压标幺值，与额定电压标幺值作差获得所需补偿电压的标幺值esc，再乘以额定电压得到所需补偿电压的大小，如下式(6)所示：

12.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器基于获得的补偿电压标幺值esc，通过开环电压控制器得到交流斩波电路的调制波ma，包括以下步骤：

13.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器在得到了交流斩波电路的调制波ma以后，按照脉宽调制，得到所述交流斩波电路全控型器件的pwm信号，从而控制全控型器件的开通与关断，实现交流斩波电路电压vout的开环输出，如下式(9)所示：

14.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器基于获得晶闸管换向电路的开关信号sth和交流斩波电路的输出电压vout，通过晶闸管换向电路改变交流斩波电路输出电压与配电网电压的连接关系，得到调压装置的输出电压vsc，如下式(10)所示：

15.根据权利要求5所述的一种双向柔性电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述控制器基于获得的配电网电压的相位θg，确定所述pwm控制信号的使能时刻，包括以下步骤：通过获得的配电网电压的相位θg，在配电网交流正弦电压靠近波峰时刻使能pwm控制信号，如下式(11)所示：

技术总结
本申请发明适用于电力系统调压领域中的电力电子设备应用，尤其涉及调压装置实现双向柔性电压调节的变流器拓扑结构与控制方法，该拓扑结构与控制方法可应用于配电网等场景下的调压装置，提供了一种双向柔性电压调节装置及其控制方法。拓扑结构包括：交流斩波电路、晶闸管换向电路、滤波器和隔离变压器。控制方法利用交流斩波电路进行电压补偿，利用晶闸管换向电路切换补偿电压方向，利用隔离变压器将补偿电压与电网电压串联，达到调节因配电网电压波动引起负载供电电压偏差的目的。本发明提供的双向柔性电压调节装置及其控制方法节省了直流母线的大容量电容器，通过开环调制的电压调节方法实现电压的精准调节与稳定，简化了控制策略。

技术研发人员：何晋伟,朱世昌
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/21