CN103401467A - 一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，包括一个双向变流模块，双向变流模块的直流侧通过升降压模块连接交直流混合微型电网的直流母线，双向变流模块的交流侧通过滤波器连接交直流混合微型电网的交流母线。本发明的有益效果是：通过在交直流混合微型电网的交流节点与直流节点之间配置本发明所述的双向变流功率控制器，实现了交流部分与直流部分的互联，增强了微型电网的稳定性，令微型电网的功率分配更加平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，属于微型电网自动控制领域。
背景技术
微型电网是将分布式电源与大电网稳定高效耦合的重要手段，是分布式能源利用的最佳途径。微型电网的发展必然推进传统电网结构的变革升级。微型电网，将单向能流分布式电源，双向能流分布式电源，负荷，功率控制等装置统一到一个有机的***，实现电能的高效利用和智能控制。微型电网与电能消耗终端的密切关联，能够极大地提高电力能效，改善客户体验。
微型电网按电力形式一般可分为三种：交流微型电网、直流微型电网，以及交直流混合型微型电网。单一电力形式微型电网各有优缺点：交流微型电网更容易与大电网相互匹配；直流微型电网则能降低***成本，有效抑制各分布式电源之间的环流。而考虑分布式电源的特点、负荷的供电需求以及微网***最佳的应用预期，交直流混合微型电网研究成为电网智能化建设中最前沿的领域。目前，国内的微型电网建设多是探索性项目，且多数研究基于计算机仿真模拟，而交直流混合微型电网的工程应用更是处于空白阶段。交直流混合微型电网中的核心设备就是双向变流功率控制器。在交直流混合型微型电网中，直流母线的电压范围在200V至400V之间。双向变流功率控制设备于交直流混合微型电网的直流-交流节点处，作为微型电网中240V直流母线与400V交流母线一次耦合装置，用于交直流混合微型电网中直流母线和交流母线间的双向变流、功率调节、电能分配、直流侧稳压、交流侧电压频率控制。
微型电网的***保护和控制策略理论上是控制保护一体化结构的，这就要求其关键的电力电子设备能够满足微型电网在能量流径复杂的情况下，仍然能够满足***控制与保护的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，用以解决交直流混合微型电网交流部分与直流部分的功率无法双向流动的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，包括一个双向变流模块，双向变流模块的直流侧通过升降压模块连接交直流混合微型电网的直流母线，双向变流模块的交流侧通过滤波器连接交直流混合微型电网的交流母线。
所述的双向变流模块为三电平全桥双向变流模块。
所述的滤波器为LCL滤波器。
所述的升降压模块为双向DC/DC模块。
本发明的有益效果是：通过在交直流混合微型电网的交流节点与直流节点之间配置本发明所述的双向变流功率控制器，实现了交流部分与直流部分的互联，增强了微型电网的稳定性，令微型电网的功率分配更加平衡。
附图说明
图1是本发明的一种双向变流功率控制器硬件结构；
图2是三相全桥变流电路的等效模型；
图3是三相全桥变流电路矢量图；
图4是本发明的一种可实现直流双向升降压的电路拓扑结构；
图5是本发明的一种可实现双向变流的三电平桥电路拓扑结构；
图6是本发明的模组化双向变流结构；
图7是本发明的双向变流功率变换的控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示是一种适用于交直流混合微型电网的双向变流功率控制器硬件结构，设备位于交直流混合微型电网的直流-交流节点处，用于直流母线和交流母线间的双向变流、功率调节、电能分配、直流侧稳压、交流侧电压频率控制。
本发明设计了一种可实现直流双向升降压的电路拓扑结构，用于完成直流母线向交流侧输送功率时的升压功能和交流侧向直流母线输送功率时的降压功能。双向直流升降压拓扑结构如图4所示，两个分离型IGBT和直流侧电感组成T型结构。直流侧电容为储能滤波电容，用于保持输入直流母线电压稳定，同时具有滤波功能。直流侧电感主要用于电能的周期性存储和释放，维持直流电流的连续稳定。分离型IGBT的容量和工作频率决定了额定功率容量和直流纹波系数的大小。
本发明设计了一种可实现双向变流的三电平全桥双向变流模块，如图5所示，图5左侧用于实现直流侧与交流侧的互连和双向功率变换。拓扑通过采用集成有十二个IGBT的功率电子模块来实现，集成元件内部含有栅极驱动控制、故障检测和保护电路。***要求实现三相全桥变流，直流侧电压要求为
。保留2-3倍的裕量，选用直流耐压为1200V的模块，设计转换功率为10kW。另外，图5右侧为本发明设计的LCL滤波器，通过参数设计，使LCL滤波器与三电平桥电路完全匹配，滤除设备输出的高次谐波，保证纯净的正弦波输出。
图6所示为本发明的双向变流功率控制器多路连接示意图，本发明设计的双向变流功率控制器的最小模组化单位为一个10kW的单元，该单元由一个直流双向升降压的电路和一个双向变流三电平桥电路构成。当直流母线和交流母线间的功率容量变大，可以通过多个单元并联的方式来达到所需容量。这样设计的优点是：母线间功率可以在较大的范围内变化。双向变流功率控制器可以通过对每个单元的协调控制，来提高电力电子元件的利用效率，减少元件的平均工作时间，延长***寿命。
本发明设计了一种用于双向变流功率变换的控制电路。控制电路以微控制器为中心来设计，是整个***的控制核心，输出PWM脉冲信号、处理交直流采样信号、控制继电器开关及通讯，具体硬件连接如图7所示。
以功率为10kW的最小模组化单位为例，说明一种双向变流功率控制器的硬件设计。该设备位于交直流混合微型电网的直流-交流节点处，作为微型电网中240V直流母线与400V交流母线一次耦合装置，完成双向变流、功率调节、电能分配、直流侧稳压、交流侧电压频率控制等功能。双向变流功率控制器由电力电子主电路、控制电路、电源电路和驱动电路四部分构成。双向直流升降压拓扑结构用于完成直流母线向交流侧输送功率时的升压功能和交流侧向直流母线输送功率时的降压功能，该拓扑主要通过两个全可控分离型IGBT来实现。主电路变流部分则由三电平桥式双向功率拓扑来实现，该拓扑采用集成有十二个IGBT的功率电子模块来实现。LCL滤波器的设计与三电平桥电路完全匹配，滤除设备输出的高次谐波，保证纯净的正弦波输出。控制电路是整个***的核心，输出PWM脉冲信号、处理交直流采样信号、控制继电器开关及通讯。根据微型电网的情况：直流母线电压为240V，交流母线电压为400V。对上述设备的参数设计如下：直流侧稳压电容为多电容并联型，纹波电感大小选用20～30mH，两个分离型IGBT的工作开关频率为30～40kHz，400V稳压电容总量为7000～8000uF，三电平全桥电路内IGBT的最高工作频率为10kHz。
通过本发明提出的双向变流功率控制器可以实现逆变与整流功能，具体原理分析如下：
双向变流功率控制器中DC-AC双向变流的实现依托于电力电子电路。其拓扑结构为一个包含了LCL滤波设计的三相全桥电路。当直流母线向交流母线传输功率时，三相全桥电路工作在逆变状态；而当交流母线向直流母线传输功率时，三相全桥电路工作在整流状态。假设交流侧输入电压为v，电流为i，直流侧输入电压为vdc，电流为idc，另外根据电网性质，交流侧电网呈电感性阻抗，直流侧电网呈电阻性阻抗，那么，三相全桥变流电路的等效模型即如图2所示：
根据交流侧的电压关系可得公式v＝e-vL，因此可以知道，通过控制交流电压矢量v即可实现三相全桥电路的四象限运行。如图3所示，交流侧电流矢量i的端点运动轨迹构成了一个以i为半径的圆。
当电流i运行在第一、四象限时，功率流由交流侧指向直流侧，电力电子主电路实现整流功能；当电流i运行在第二、三象限时，功率流由直流侧指向交流侧，电力电子主电路实现逆变功能。
Claims (4)
1.一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，其特征在于，包括一个双向变流模块，双向变流模块的直流侧通过升降压模块连接交直流混合微型电网的直流母线，双向变流模块的交流侧通过滤波器连接交直流混合微型电网的交流母线。
2.根据权利要求1所述的一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，其特征在于，所述的双向变流模块为三电平全桥双向变流模块。
3.根据权利要求1所述的一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，其特征在于，所述的滤波器为LCL滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种交直流混合微型电网的双向变流功率控制器，其特征在于，所述的升降压模块为双向DC/DC模块。
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Publications (1)
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2013
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