本發(fā)明涉及一種功率交換裝置，特別涉及一種用于連接同一交流電網(wǎng)中不同交流節(jié)點的非全容量背靠背變流器。

背景技術：

隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，為了在不增加短路容量的前提下增強同一交流電網(wǎng)中不同電源節(jié)點或供電分區(qū)之間有功功率的相互支援能力，有功功率交換技術得到了越來越廣泛的關注?，F(xiàn)有的功率交換裝置一般通過全容量的背靠背變流器實現(xiàn)有功功率的交換，例如單相電網(wǎng)中不同電源節(jié)點之間的有功功率交換，如圖1所示。但是，這種采用全容量的背靠背變流器的方案中，背靠背變流器需要承受交流電源節(jié)點的全部高電壓，并且容量和需要傳輸?shù)墓β氏嗤y以滿足日益增長的功率傳輸?shù)男枨蟆?/p>

發(fā)明專利CN105610167A提出了一種在交換功率的交流電源節(jié)點之間電壓幅值和相位相差不大的情況下降低所需變流器電壓等級和容量，簡化變流器拓撲結構的方案，但是這種方案的性能會隨著交流電源節(jié)點之間電壓不匹配程度的增大急劇惡化，同時也不能控制交流電源節(jié)點的功率因數(shù)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有同一交流電網(wǎng)當中不同交流節(jié)點的有功功率交換裝置中，變流器承受電壓高、所需容量大的缺點，提出一種交流電網(wǎng)用非全容量功率交換裝置。

本發(fā)明用于同一交流電網(wǎng)不同節(jié)點的非全容量功率交換裝置，包含一臺變比為n:1的變壓器T和一臺非全容量背靠背變流器C_P，n為正數(shù)。變壓器T的四個端子為a、b、c、d，其中a與c為同名端，b與d為同名端。非全容量背靠背變流器C_P由整流側AC/DC變流器和逆變側DC/AC變流器組成，整流側AC/DC變流器和逆變側DC/AC變流器的直流側并聯(lián)在一起，整流側AC/DC變流器的交流輸入端子為x、y，逆變側DC/AC變流器的交流輸出端子為r、s。變壓器T的端子a與d都連接到交流電源節(jié)點A的正極，變壓器T的端子b連接到交流電源節(jié)點B的正極，變壓器T的端子c與非全容量的背靠背變流器C_P的整流側AC/DC變流器輸入端子x相連，非全容量的背靠背變流器C_P整流側AC/DC變流器的交流輸入端子x、y分別與變壓器的端子c和交流電源節(jié)點A的負極相連，逆變側DC/AC變流器的交流輸出端子r、s分別與交流電源節(jié)點B的正極和負極相連。

非全容量背靠背變流器C_P整流側AC/DC變流器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，其特征在于直流電壓u_dc閉環(huán)控制作為外環(huán)，交流側輸入電流i₃的閉環(huán)控制作為內(nèi)環(huán)，直流電壓u_dc閉環(huán)控制器的輸出作為交流側輸入電流i₃的幅值給定值，交流電源節(jié)點A電壓u_s1的相位作為整流側AC/DC變流器交流側輸入電流i₃的相位給定值。

非全容量背靠背變流器C_P逆變側DC/AC變流器采用輸出電流閉環(huán)控制，逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的給定值由兩個部分疊加構成：

i_4ref＝i_{4ref_p}+i_{4ref_q}

其中i_4ref為逆變側交流輸出電流i₄的給定值，i_{4ref_p}為有功電流給定值，i_{4ref_q}為無功電流給定值。

非全容量背靠背變流器C_P逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的有功電流給定值i_{4ref_p}的相位與交流電源節(jié)點B的電壓u_s2的相位相同，有功電流給定值i_{4ref_p}的幅值根據(jù)如下公式計算得到：

I_{4ref_p}＝2×P_{exchange_ref}/(U_s2×(1+n))

其中I_{4ref_p}為有功電流給定值i_{4ref_p}的幅值，P_{exchange_ref}為交流電源節(jié)點A與交流電源節(jié)點B之間交換的有功功率給定值，U_s2為交流電源節(jié)點B電壓u_s2的幅值。

非全容量背靠背變流器C_P逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的無功電流給定值i_{4ref_q}的相位相對于交流電源節(jié)點B電壓u_s2滯后90°，i_{4ref_q}的幅值與變壓器T端子b流出的電流i₂相對于交流電源節(jié)點B電壓u_s2的無功電流幅值相等。

根據(jù)變壓器的運行特性可知，流出變壓器T端子b和c的電流相位相同，而流出端子c的電流與交流電源節(jié)點A的電壓u_s1相位相同。因此，交流電源節(jié)點A的電壓u_s1和電流i_s1相位相同。又因為非全容量背靠背變流器C_P逆變側交流輸出電流i₄的無功電流給定值i_{4ref_q}為流出變壓器T端子b的電流i₂相對于交流電源節(jié)點B電壓u_s2的無功電流取反，所以交流電源節(jié)點B的電壓u_s2和電流i_s2相位相同。因此兩個交流電壓源節(jié)點都幾乎不產(chǎn)生無功功率。另外，由于流出變壓器T端子b的電流i₂為流出變壓器T端子c的電流i₃的n倍，而所述的非全容量背靠背變流器C_P整流側AC/DC變流器的交流側輸入端子x，y之間的電壓接近交流電源節(jié)點A的電壓u_s1，因此所述的非全容量背靠背變流器C_P容量約為兩個交流電源節(jié)點之間傳輸功率的1/(n+1)，當n較大時可以顯著降低背靠背變流器的容量。另外，本發(fā)明既適用于單相交流電網(wǎng)，也適用于三相交流電網(wǎng)。

附圖說明

圖1為應用于單相交流電網(wǎng)時現(xiàn)有的采用全容量背靠背變流器的功率交換裝置；

圖2為本發(fā)明用于同一交流電網(wǎng)不同節(jié)點的非全容量功率交換裝置應用于單相交流電網(wǎng)時的電路原理圖；

圖3為非全容量背靠背變流器的一種具體電路拓撲——逆變側帶隔離變壓器的單相兩電平背靠背變流器；

圖4為采用圖3中的非全容量背靠背變流器的功率交換裝置電路的計算機仿真結果。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發(fā)明。

圖2為本發(fā)明用于同一交流電網(wǎng)不同節(jié)點的非全容量背靠背變流器應用于單相交流電網(wǎng)時的電路原理圖。非全容量背靠背變流器C_P可以采用多種形式的背靠背變流器，既可以帶變壓器隔離，也可以不帶變壓器隔離。圖3為非全容量背靠背變流器C_P的一種具體電路拓撲，即逆變側帶隔離變壓器的單相兩電平背靠背變流器。當采用圖3所示的逆變側帶隔離變壓器的單相兩電平背靠背變流器時，本發(fā)明非全容量背靠背變流器C_P的具體連接方式為：變壓器T端子a與d都連接到交流電源節(jié)點A的正極，b連接到交流電源節(jié)點B的正極，c與非全容量的背靠背變流器C_P的整流側AC/DC變流器交流輸入端子x相連，非全容量背靠背變流器C_P整流側AC/DC變流器的交流輸入端子x，y分別與變壓器的端子c和交流電源節(jié)點A的負極相連，逆變側DC/AC變流器的交流輸出端子r、s分別與交流電源節(jié)點B的正負極相連。非全容量背靠背變流器C_P由電容C_btb、開關T₁-T₈、濾波電感L₁和L₂以及隔離變壓器T_iso組成，開關T₁與T₂的公共連接點為J1，開關T₃與T₄的公共連接點為J2，開關T₅與T₆的公共連接點為J3，開關T₇與T₈的公共連接點為J4；濾波電感L1的兩個端子分別連接交流輸出端x和公共連接點J1，公共連接點J2連接到交流輸出端y；濾波電感L2的兩個端子分別連接隔離變壓器T_iso端子P1和公共連接點J3，公共連接點J4連接隔離變壓器T_iso端子P2，隔離變壓器T_iso端子P3作為交流輸出端r，隔離變壓器T_iso端子P4作為交流輸出端s，開關T₁、T₃、T₅和T₇的集電極均連接到電容C_btb的正極，開關T₂、T₄、T₆和T₈的發(fā)射極連接到電容的負極。

本發(fā)明非全容量背靠背變流器C_P整流側AC/DC變流器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，直流電壓u_dc外環(huán)閉環(huán)控制器輸出作為整流側AC/DC變流器交流輸入電流i₃的幅值給定值，交流電源節(jié)點A電壓u_s1的相位作為i₃的相位與給定值。逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的給定值由兩個部分疊加構成：

i_4ref＝i_{4ref_p}+i_{4ref_q}

其中i_4ref為逆變側交流輸出電流i₄的給定值，i_{4ref_p}為有功電流給定值，i_{4ref_q}為無功電流給定值。

逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的有功電流給定值i_{4ref_p}的相位與交流電源節(jié)點B的電壓u_s2相同，幅值根據(jù)如下公式計算得到：

I_{4ref_p}＝2×P_{exchange_ref}/(U_s2×(1+n))

其中I_{4ref_p}為有功電流給定值i_{4ref_p}的幅值，P_{exchange_ref}為交流電源節(jié)點A與交流電源節(jié)點B之間傳輸?shù)挠泄β?，U_s2為交流電源節(jié)點B電壓u_s2的幅值。

逆變側DC/AC變流器交流輸出電流i₄的無功電流給定值i_{4ref_q}的相位相對于交流電源節(jié)點B電壓u_s2的相位滯后90度，幅值與流出變壓器T端子b的電流i₂相對于交流電源節(jié)點B電壓u_s2的無功電流幅值相同。

應用本發(fā)明連接兩個單相220V交流電網(wǎng)的采用非全容量背靠背變流器的功率交換裝置仿真模型參數(shù)如下：

圖4為采用本發(fā)明所述用于同一交流電網(wǎng)不同節(jié)點的非全容量背靠背變流器的計算機仿真結果。其中u_s1為交流電源節(jié)點A的電壓波形，u_s2為交流電源節(jié)點B的電壓波形，u_xy為非全容量變流器整流側AC/DC變流器交流端口的電壓波形，u_rs為非全容量變流器逆變側DC/AC變流器交流端口的電壓波形，i_s1為交流電源節(jié)點A的電流波形，i_s2為交流電源節(jié)點B的電流波形，i₃為非全容量變流器整流側AC/DC變流器交流輸入端的電流波形，i₄為非全容量變流器逆變側DC/AC變流器交流輸出端的電流波形。仿真結果可見，兩個交流電源節(jié)點的電流i_s1與i_s2分別與兩個交流電源節(jié)點電壓u_s1與u_s2相位幾乎完全一致，即兩個交流電源節(jié)點幾乎都不存在無功功率，兩個交流電源節(jié)點交換的有功功率為：P_exchange＝U_s1×I_s1＝U_s2×I_s2≈31.1kW。同時，直流電壓u_dc穩(wěn)定，其平均值為400V。

由于變壓器T的變比為1:1，根據(jù)前文非全容量背靠背變流器容量應為兩個交流電源節(jié)點交換的有功功率的50％。由仿真結果計算可得，非全容量背靠背變流器的視在功率為311V/1.414×100A/1.414＝15.5kVA，即非全容量背靠背變流器容量只有兩個交流電源節(jié)點交換的有功功率的50％，符合理論計算結果。