CN106992546A - 一种柔性直流配电网的自适应功率控制*** - Google Patents

一种柔性直流配电网的自适应功率控制*** Download PDF

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Abstract

一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，包括输入级、中间隔离级、输出级。所述输入级包括三相高频电压源整流器、升降压斩波电路，用于将光伏电板发出的直流电变换成可直接接入直流配电网络的电压等级。所述中间隔离级由2个与输入级联接的H型逆变器、2个原方单绕组、副方4绕组的中/高频变压器和4个H型单相整流器构成。所述输出级的交流电输出由3个单相电压源逆变器组成，输出端接成YN型，形成三相四线输出，供交流电机使用；或将输入级来的直流调制成中频方波，经变压器耦合到副方1个绕组后整成所需直流电，供用户侧的电动汽车等直流负荷使用。本发明可根据当下的配电***运行环境实时的改善、调节配电线路的能流、电压以及功率参数。

Description

一种柔性直流配电网的自适应功率控制***
技术领域
本发明属于微电网控制领域，具体涉及一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，用来改善微电网电能质量。
背景技术
随着分布式能源、电动汽车等直流负荷的飞速发展，其大规模并网后与传统电力***产生的冲突日益明显，直流配电网应运而生，并以低功耗、低成本和自组织的特点，在船舶、工业、家居等领域得到了广泛的应用。由于分布式能源、电动汽车出力的随机性和不确定性，依然会给直流配电***带来诸多问题，如：***负荷预测问题、***规划问题、***电压质量及稳定问题、保护问题、电力孤岛问题等。以及现阶段我国缺乏分布式能源、电动汽车并网和直流配电网方面的统一标准和相关政策支持，大部分分布式能源都处于备用电源或独立供电状态，电动汽车等新型直流负荷都处于小规模独立运行。而另一方面，各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备不断普及，使得人们对电能的品质要求越来越高。因而配电***电能质量控制问题一直是近年来研究的热点，找出一种能改善、提升电力***配电环境的方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有控制方法存在的不足，针对大规模分布式能源、电动汽车接入的直流配电***提供一种能够自行调节、改善的柔性直流配电网的自适应功率控制方法。实现电力电子接口处的能流自适应，可以在保证负荷正常供电的前提下，从源头自适应解决直流配电网电能质量问题。提高电压稳定水平、改善电能质量、提升现有线路的传输效率，以及实现分布式能源、电动汽车的平滑无扰接入。
本发明采取的技术方案为：
一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，包括输入级、中间隔离级、输出级。
所述输入级包括一个三相高频电压源整流器，用于将风机发出的交流电整成直流，实现输入电流正弦和输入功率因数可控；所述输入级包括一个升降压斩波电路，用于将光伏电板发出的直流电变换成可直接接入直流配电网络的电压等级。
所述中间隔离级由2个与输入级联接的H型逆变器、2个原方单绕组、副方4绕组的中/高频变压器和4个H型单相整流器构成，中间隔离级将输入级来的直流调制成中/高频方波，被加载至中/高频变压器，经变压器升降压后，在变压器副边，高频方波经单相PWM全桥整流电路被经还原为直流电压后，再经单相PWM全桥逆变电路变换为所需的工频交流输出；
所述输出级的交流电输出由3个单相电压源逆变器组成，输出端接成YN型，形成三相四线输出，供交流电机使用；或将输入级来的直流调制成中频方波，经变压器耦合到副方1个绕组后整成所需直流电，供用户侧的电动汽车等直流负荷使用。
采用开环控制将直流调制成占空比为50％的高频方波，变压并耦合到高频变压器的副方3个绕组后再同步整流还原成直流。
所述中间隔离级输入侧将直流电压信号调制成中/高频电压信号；中间隔离级输出侧将中/高频电压信号解调成直流电压信号，中间隔离级用于实现电压等级变换、电气隔离、功率传输。
该控制***通过控制模块向监控终端发送配电网网络参数和运行工作状态，同时也接收监控站发送的调度指令，故该控制***可工作在自适应模式和遥控模式，两种模式可人为切换。
本发明一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，优点在于：
目前的电能质量控制装置的实时性较差，通常都存在过补偿或欠补偿问题，本申请的自适应调节功率控制可根据当下的配电***运行环境实时的改善、调节配电线路的能流、电压以及功率参数。
附图说明
图1为本发明的控制结构框图。
图2为本发明的控制主电路结构。
具体实施方式
柔性直流配电网中主要运用到的电力电子器件是DC/DC变换器、AC/DC变换器中、DC/AC变换器，其中，分布式能源中的光伏发电通过DC/DC变换器并入直流电网，风机发电通过AC/DC变换器并入直流电网；用户侧的电动汽车等一系列直流负荷通过DC/DC变换器从直流电网中获取电能，交流负荷通过DC/AC变换器从直流电网中获取电能。由此，可将配电线路结构设计为这是本发明中采用的自适应功率控制***采用的结构。
一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，包括输入级、中间隔离级、输出级三个部分。输入级和输出级主要由开关器件和滤波单元组成，中间隔离级输入侧将直流电压信号调制成中/高频电压信号；中间隔离级输出侧将中频/或高频电压信号解调成直流电压信号，中间隔离级主要是用于实现电压等级变换、电气隔离以及功率传输等功能。
本发明控制***也可以通过控制模块向监控终端发送配电网网络参数和运行工作状态，同时也可以接收监控站发送的调度指令，故本发明控制***可工作在自适应模式和遥控模式，两种模式可人为切换。其中，功率控制器可以实现功率的双向流动，甚至实现多端口网络间功率互动，故输入级与输出级间没有绝对的高压侧和低压侧之分，高压侧和低压侧的应用取决于功率控制器的具体应用场合。
本发明控制***不仅要保证其副方提供给用户侧的电压恒定和波形正弦，而且还应该尽量减小输入侧电流谐波，减小对电网造成的谐波污染。
本发明控制***的主拓扑结构中，输入级有一个三相高频电压源整流器，不但可以实现输入电流正弦，而且还能够实现原方输入功率因数可控。风机产生的工频交流输入经三相高频全控整流电路转换为直流，再通过一个单相PWM全桥逆变电路被调制成为中/高频方波后加载至中/高频变压器，经变压器升降压后，在变压器副边，高频方波经单相PWM全桥整流电路被经还原为直流电压后在经单相PWM全桥逆变电路变换为所需的工频交流输出，供交流电机使用。输入级还有一升降压斩波电路(buck-boost chopper)，它一方面将光伏电板发出的直流电变换成可直接接入直流配电网络的电压等级，另一方面实现输入电压的平稳少纹波。再通过一个单相PWM全桥逆变电路被调制成为中/高频方波后加载至高频变压器，经变压器耦合到副方1个绕组后被还原成直流电，供用户侧的电动汽车等直流负荷使用。
电力电子变换器的每一相输出都会产生谐波，在单相电压源型PWM整流器的直流侧含有2次谐波。因此在反馈信号中也存在2倍频电压纹波脉动，该信号输入到调节器后，会使整流器的交流输入电流中含有3次谐波成分。由于存在输入电流闭环，因此5,7,……等奇次谐波都会在输入电流中出现，为了抑制基频附近的低次谐波。
本发明控制***主电路图中采用了较多的H型电路：单相PWM全桥逆变电路、单相PWM全桥整流电路，以滤掉电路变换过程中的多次谐波，从而最大限度地减小低频谐波的影响提高电能质量。该结构要求高压侧功率器件有较高的电压等级并且需串联，可以实现输入端功率因数校正，同时可以抑制谐波的双向流动。这种方案由于采用了整体变换结构，所以结构比较简明，功率器件数相对较少。
本发明控制***核心部分集中在中间隔离级和输出级2部分，下面对这两部分做更详尽的介绍：
一、中间隔离级控制：
中间隔离级控制的主要功能有:功率传输、电压等级变换和电气隔离。由主电路结构分析可知，自适应功率控制的中间级控制是在直流配电线路中，相当于DC/DC变换模块。中间级包含两种工作模式:正向潮流模式和反向潮流模式，两种工作模式下等效主电路结构基本相同，且控制策略具有对偶性，
中间隔离级需要将输入级来的直流调制成高频方波信号，并耦合到中/高频变压器的副方后，再还原成直流信号。中/高频变压器的作用有两个:一是实现原方***和副方***的隔离，二是实现电压等级变换。本发明控制***中采用开环控制将直流调制成占空比为50％的高频方波，变压并耦合到高频变压器的副方3个绕组后再同步整流还原成直流。这种控制方式的优点是控制***简单，同步问题容易解决。
二、输出级控制：
输出级控制的交流电输出目标，是无论在对称负载还是不对称负载的情况下实现相电压有效值恒定和波形正弦。由于是3个单相逆变器组合成三相四线逆变器作为输出，所以可以实现三相独立控制，从而任何一相负载都不会对其它相造成不利的影响。在实现三相独立控制时应保证三相输出电压幅值相等和相位对称，彼此相差120°。在输出级，可以把a、b、c三相各自独立的作为一个含LC滤波器的单相逆变器对待。当逆变器的开关频率远大于调制波的频率时，逆变器可以当作一个比例环节。
图1是柔性直流配电网的自适应功率控制结构框图，自适应功率控制的具体步骤如下：它包括输入级、中间隔离级和输出级3个部分。输入级和输出级主要由开关器件和滤波器组成，中间级输入侧将直流电压信号调制成中/高频电压信号；中间级输出侧将中/高频电压信号解调成直流电压信号，中间级主要是用于实现电压等级变换、电气隔离以及功率传输等功能。本发明控制***也可以通过控制模块向监控终端发送配电网网络参数和运行工作状态，同时也可以接收监控站发送的调度指令，故本发明控制***可工作在自适应模式和遥控模式，两种模式可人为切换。其中，功率控制器可以实现功率的双向流动，甚至实现多端口网络间功率互动，故输入级与输出级间没有绝对的高压侧和低压侧之分，高压侧和低压侧的应用取决于功率控制器的具体应用场合。
图2柔性直流配电网的自适应功率控制主电路结构。
具体地，本发明控制***的主拓扑结构中，输入级有一个三相高频电压源整流器，它一方面将风机发出的交流电整成直流，另一方面实现输入电流正弦和输入功率因数可控；输入级还有一个升降压斩波电路(buck-boost chopper)，它一方面将光伏电板发出的直流电变换成可直接接入直流配电网络的电压等级，另一方面实现输入电压的平稳少纹波。
中间隔离级由2个与输入级联接的H型逆变器、2个原方单绕组，副方4绕组的中/高频变压器和4个H型单相整流器构成。它将输入级来的直流调制成中/高频方波，被加载至中/高频变压器，经变压器升降压后，在变压器副边，高频方波经单相PWM全桥整流电路被经还原为直流电压后再经单相PWM全桥逆变电路变换为所需的工频交流输出。
本发明控制***中是具体的经变压器耦合到副方3个绕组后分别整成直流。输出级的交流电输出由3个单相电压源逆变器组成，输出端接成YN型，形成三相四线输出，供交流电机使用；或将输入级来的直流调制成中频方波，经变压器耦合到副方1个绕组后整成所需直流电，供用户侧的电动汽车等直流负荷使用。

Claims (4)

1.一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，包括输入级、中间隔离级、输出级，其特征在于：所述输入级包括一个三相高频电压源整流器，用于将风机发出的交流电整成直流，实现输入电流正弦和输入功率因数可控；所述输入级包括一个升降压斩波电路，用于将光伏电板发出的直流电变换成可直接接入直流配电网络的电压等级；
所述中间隔离级由2个与输入级联接的H型逆变器、2个原方单绕组、副方4绕组的中/高频变压器和4个H型单相整流器构成，中间隔离级将输入级来的直流调制成中/高频方波，被加载至中/高频变压器，经变压器升降压后，在变压器副边，高频方波经单相PWM全桥整流电路被经还原为直流电压后，再经单相PWM全桥逆变电路变换为所需的工频交流输出；
所述输出级的交流电输出由3个单相电压源逆变器组成，输出端接成YN型，形成三相四线输出，供交流电机使用；或将输入级来的直流调制成中频方波，经变压器耦合到副方1个绕组后整成所需直流电，供用户侧的电动汽车等直流负荷使用。
2.根据权利要求1所述一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，其特征在于：采用开环控制将直流调制成占空比为50%的高频方波，变压并耦合到高频变压器的副方3个绕组后再同步整流还原成直流。
3.根据权利要求1所述一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，其特征在于：所述中间隔离级输入侧将直流电压信号调制成中/高频电压信号；中间隔离级输出侧将中/高频电压信号解调成直流电压信号，中间隔离级用于实现电压等级变换、电气隔离、功率传输。
4.根据权利要求1所述一种柔性直流配电网的自适应功率控制***，其特征在于：该控制***通过控制模块向监控终端发送配电网网络参数和运行工作状态，同时也接收监控站发送的调度指令，该控制***工作在自适应模式和遥控模式，两种模式可人为切换。
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