本發(fā)明屬于柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)領(lǐng)域，涉及一種模塊化、中壓、三端口的柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)洹?/p>

背景技術(shù)：

在未來(lái)的智能配電網(wǎng)中，廣泛接入的分布式電源加劇了系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性，帶來(lái)一系列問(wèn)題，如電壓越線(xiàn)、線(xiàn)路過(guò)載等。這些問(wèn)題促使配電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與有功功率管理。目前配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)主要依靠傳統(tǒng)的機(jī)械式聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，由于開(kāi)關(guān)損耗與沖擊電流等限制，傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)不可能頻繁開(kāi)斷，這限制了配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的實(shí)時(shí)性，難以滿(mǎn)足未來(lái)智能配電網(wǎng)的需求。

柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)是一種連接兩個(gè)或多個(gè)配電線(xiàn)路的電力電子裝置，可以實(shí)時(shí)改變兩個(gè)配電線(xiàn)路間的傳輸功率，實(shí)時(shí)調(diào)整通斷狀態(tài)，能夠取代傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)，有助于配電網(wǎng)應(yīng)對(duì)分布式電源接入后帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

截止到目前，世界范圍內(nèi)對(duì)柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的研究還停留在整體概念層面與電網(wǎng)運(yùn)行層面上。在具體的電力電子裝置層面上尚屬空白。在不同的電壓等級(jí)、功率等級(jí)、端口數(shù)量下，柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)可以采用的具體拓?fù)渑c不同拓?fù)渲g的優(yōu)劣分析，還屬于研究空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于電力電子變壓器的中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)洌靡匀〈袎号潆娤到y(tǒng)中的傳統(tǒng)的機(jī)械式聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，稱(chēng)為柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)。利用柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)，可對(duì)多條中壓配電進(jìn)行線(xiàn)路進(jìn)行聯(lián)絡(luò)/斷開(kāi)控制，以實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的快速重構(gòu)；可對(duì)多個(gè)中壓配電線(xiàn)路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)中的潮流分布優(yōu)化。為了達(dá)到這一目的，柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)需要一種合適的拓?fù)洹?/p>

本發(fā)明是通過(guò)以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于電力電子變壓器的中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)洌ㄈ齻€(gè)串聯(lián)輸出級(jí)甲、乙、丙與一個(gè)高頻隔離級(jí)，高頻隔離級(jí)與三個(gè)串聯(lián)輸出級(jí)分別連接。

串聯(lián)輸出級(jí)為三相，每相包括n個(gè)相同的串聯(lián)的ac-dc變流器，n為自然數(shù)；每個(gè)ac-dc變流器的直流端之間并聯(lián)有電容；每相串聯(lián)的ac-dc變流器總的交流側(cè)連接有電抗器，再與輸入配電線(xiàn)路的一相相連接；相與相之間三角形連接或星形連接；

隔離級(jí)包括3n個(gè)三端口高頻變壓器與9n個(gè)ac-dc變流器；每3個(gè)ac-dc變流器通過(guò)一個(gè)高頻變壓器連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)隔離級(jí)單元，隔離級(jí)一共有3n個(gè)隔離級(jí)單元。

高頻隔離級(jí)的每個(gè)ac-dc變流器均與某一個(gè)串聯(lián)輸入級(jí)的一個(gè)ac-dc變流器在直流端口連接。

串聯(lián)輸出級(jí)甲的a相的n個(gè)ac-dc變流器通過(guò)n個(gè)高頻隔離級(jí)單元與串聯(lián)輸出級(jí)乙的a相的n個(gè)ac-dc變流器、串聯(lián)輸出級(jí)丙的a相的n個(gè)ac-dc變流器連接。

串聯(lián)輸出級(jí)甲的b相的n個(gè)ac-dc變流器通過(guò)n個(gè)高頻隔離級(jí)單元與串聯(lián)輸出級(jí)乙的b相的n個(gè)ac-dc變流器、串聯(lián)輸出級(jí)丙的b相的n個(gè)ac-dc變流器連接。

串聯(lián)輸出級(jí)甲的c相的n個(gè)ac-dc變流器通過(guò)n個(gè)高頻隔離級(jí)單元與串聯(lián)輸出級(jí)乙的c相的n個(gè)ac-dc變流器、串聯(lián)輸出級(jí)丙的c相的n個(gè)ac-dc變流器連接。

每一個(gè)高頻隔離級(jí)單元及與其連接的來(lái)自三個(gè)串聯(lián)輸出級(jí)的三個(gè)ac-dc變流器組成一個(gè)柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元，全系統(tǒng)包括3n個(gè)這樣的柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)單元。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：

1、可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)中壓配電線(xiàn)路的通/斷控制，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的功能；

2、可以任意控制三個(gè)配電線(xiàn)路之間的有功功率流動(dòng)，超越傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的功能；

3、可以補(bǔ)償無(wú)功功率與諧波；

4、采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)各個(gè)三個(gè)串聯(lián)輸出級(jí)的電氣隔離，省去了多繞組工頻隔離變壓器，體積較小。

附圖說(shuō)明

圖1為基于電力電子變壓器的中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)洹?/p>

圖2為三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的基本單元圖。

圖3為高頻隔離級(jí)單元的電壓波形圖；圖中的電壓u甲、u乙、u丙與圖2對(duì)應(yīng)；φ乙和φ丙分別是某一個(gè)高頻變壓器乙、丙端對(duì)應(yīng)的兩個(gè)ac-dc變流器所產(chǎn)生的交流方波電壓相對(duì)于甲端對(duì)應(yīng)的ac-dc變流器所產(chǎn)生的交流方波電壓的相位差；。

圖4為串聯(lián)輸出級(jí)甲的控制策略。

圖5為高頻隔離級(jí)的控制策略。

圖6為串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的控制策略。

圖7為串聯(lián)輸出級(jí)丙的端口電流波形。

圖8為串聯(lián)輸出級(jí)乙的端口電流波形。

圖9為串聯(lián)輸出級(jí)甲的端口電流波形。

圖10為串聯(lián)輸出級(jí)丙的各ac-dc變流器的直流電壓。

圖11為串聯(lián)輸出級(jí)乙的各ac-dc變流器的直流電壓。

圖12為串聯(lián)輸出級(jí)甲的各ac-dc變流器的直流電壓。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供的中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)?，采用三個(gè)串聯(lián)輸出級(jí)與一個(gè)高頻隔離級(jí)的結(jié)構(gòu)。下面結(jié)合具體的實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

實(shí)施例：

中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)淙鐖D1所示，本發(fā)明由ac-dc變流器與三端口高頻變壓器構(gòu)成，組成了一個(gè)10kv，每端口6mw的三端口系統(tǒng)。圖1左為串聯(lián)輸出級(jí)甲，上為串聯(lián)輸出級(jí)乙，右為串聯(lián)輸出級(jí)丙，中間為高頻隔離級(jí)。

所有的ac-dc變流器均由阻斷電壓3.3kv的igbt構(gòu)成，變流器的直流側(cè)電壓為2000v。高頻變壓器的工作頻率為2000hz。

圖2中壓三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)拓?fù)涞幕締卧?。全系統(tǒng)一共有15個(gè)這樣的基本單元。

串聯(lián)輸出級(jí)甲、乙、丙結(jié)構(gòu)相同，以甲為例，每相包括5個(gè)ac-dc變流器，一共15個(gè)ac-dc變流器。每個(gè)ac-dc變流器的直流端之間并聯(lián)有電容；每相中的5個(gè)ac-dc變流器在交流端口串聯(lián)，并通過(guò)電抗器與中壓配電線(xiàn)路甲的某一相連接；相與相之間星形連接。串聯(lián)輸出級(jí)乙與中壓配電線(xiàn)路乙連接；串聯(lián)輸出級(jí)丙與中壓配電線(xiàn)路丙連接。

高頻隔離級(jí)有15個(gè)三端口高頻變壓器與45個(gè)單相ac-dc變流器。每一個(gè)三端口高頻變壓器的三個(gè)線(xiàn)圈分別與三個(gè)ac-dc變流器的交流端口連接。高頻隔離級(jí)的45個(gè)ac-dc變流器中，15個(gè)與串聯(lián)輸出級(jí)甲的15個(gè)ac-dc變流器在直流端口一一對(duì)應(yīng)連接，15個(gè)與串聯(lián)輸出級(jí)乙的15個(gè)ac-dc變流器在直流端口一一對(duì)應(yīng)連接，15個(gè)與串聯(lián)輸出級(jí)丙的15個(gè)ac-dc變流器在直流端口一一對(duì)應(yīng)連接。

本發(fā)明提出的拓?fù)淇梢钥刂迫齻€(gè)交流中壓系統(tǒng)之間的功率流動(dòng)，可能的運(yùn)行模式較多。在不同的運(yùn)行模式下，系統(tǒng)的控制策略會(huì)有所區(qū)別，在此無(wú)法一一列舉。本實(shí)施例中，以一種運(yùn)行模式為例對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行說(shuō)明。所述是對(duì)本發(fā)明的運(yùn)行模式及其對(duì)應(yīng)的控制策略的舉例說(shuō)明而不是限定。

此運(yùn)行模式為：甲、乙兩個(gè)端口共同向丙端口提供有功功率，三個(gè)端口均不提供無(wú)功功率。

串聯(lián)輸出級(jí)甲的控制策略：

串聯(lián)輸出級(jí)甲的控制策略如圖4所示。串聯(lián)輸出級(jí)甲的控制目標(biāo)有兩個(gè)，其一為實(shí)現(xiàn)電流單位功率因數(shù)，其二為所有的ac-dc變流器的電容電壓相等且等于參考值。所述串聯(lián)輸出級(jí)甲的控制包括平均直流電壓控制、相間直流電壓均衡控制以及相內(nèi)各ac-dc變流器的直流電壓均衡控制三個(gè)層面。平均直流電壓控制用dq電壓電流雙閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)；相間直流電壓均衡控制采用用于平衡三相間的功率的零序電壓注入來(lái)實(shí)現(xiàn)；相內(nèi)各ac-dc變流器的直流電壓均衡控制是通過(guò)用pi控制器調(diào)節(jié)各ac-dc變流器的的調(diào)制波幅值實(shí)現(xiàn)。

所述平均直流電壓控制具體包括以下步驟：對(duì)串聯(lián)輸出級(jí)甲的全部ac-dc變流器的直流電壓進(jìn)行采樣，平均直流電壓即反映了串聯(lián)輸出級(jí)甲需要的有功功率。將平均直流電壓與參考值比較，通過(guò)pi控制器得到d軸指令電流。因?yàn)楸纠写?lián)輸出級(jí)甲不提供無(wú)功功率，因此q軸指令電流設(shè)定為0。

所述相間直流電壓均衡控制具體包括以下步驟：對(duì)輸入級(jí)a、b、c三相的直流電壓進(jìn)行采樣，各相直流電壓與平均直流電壓的比較結(jié)果即反映了各相所需要的零序功率值，根據(jù)三相的零序功率值之和為0，將a、b兩相各自的平均直流電壓與三相總的平均直流電壓比較，通過(guò)pi控制器得到a、b兩相所需要的零序功率值的大小p0a、p0b，然后通過(guò)以下公式計(jì)算得到零序電壓指令值：

其中，u0*為零序電壓的幅值，θ為零序電壓相對(duì)于配電線(xiàn)路甲的電流的相位差，is為配電線(xiàn)路甲的電流幅值。

相內(nèi)各ac-dc變流器的直流電壓均衡控制具體包括以下步驟：以a相為例，對(duì)a相所有ac-dc變流器的的直流電壓進(jìn)行采樣，并得到a相所有ac-dc變流器的的平均直流電壓。a相中各個(gè)ac-dc變流器的直流電壓與a相的平均直流電壓的差異即反應(yīng)了各個(gè)ac-dc變流器的所需的有功功率調(diào)節(jié)量。將a相各個(gè)ac-dc變流器的直流電壓與a相的平均直流電壓比較，通過(guò)pi調(diào)節(jié)器得到a相各個(gè)ac-dc變流器的的微調(diào)系數(shù)，通過(guò)微調(diào)系數(shù)調(diào)節(jié)各個(gè)ac-dc變流器的調(diào)制波的幅值。

高頻隔離級(jí)的控制策略：

高頻隔離級(jí)的控制策略如圖5所示。高頻隔離級(jí)的控制目標(biāo)：令串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的各個(gè)直流電容電壓等于參考電壓。在本例中，串聯(lián)輸出級(jí)甲的各個(gè)ac-dc變流器的直流電壓由其自身控制，因此高頻隔離級(jí)只需要控制串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的各個(gè)ac-dc變流器的直流電壓。

高頻隔離級(jí)每個(gè)三端口高頻變壓器及其連接的三個(gè)ac-dc變流器被視為一個(gè)高頻隔離級(jí)單元，如圖2所示。

高頻隔離級(jí)單元采用高頻方波調(diào)制，其電壓波形如圖3所示：三個(gè)ac-dc變流器均在交流端口輸出一個(gè)兩電平方波，正負(fù)占空比均為50％。以甲側(cè)ac-dc變流器輸出的方波為相位基準(zhǔn)，乙側(cè)、丙側(cè)ac-dc變流器輸出的方波與甲側(cè)ac-dc變流器輸出的方波之間有一定的相位差。相位差決定了乙側(cè)、丙側(cè)線(xiàn)圈能夠獲得的功率。

高頻隔離級(jí)中，所有高頻隔離級(jí)單元的甲側(cè)ac-dc變流器輸出的方波是同相位的，所有甲側(cè)ac-dc變流器的控制信號(hào)是固定的，無(wú)需控制。

各個(gè)高頻隔離級(jí)子單元中的乙、丙側(cè)ac-dc變流器單獨(dú)控制。乙側(cè)直流電壓的幅值即反映了乙側(cè)需要的有功功率，將乙側(cè)直流電壓與參考電壓比較，通過(guò)pi控制器得到乙側(cè)ac-dc變流器輸出的方波與甲側(cè)ac-dc變流器輸出的方波之間的相位差，通過(guò)該相位差實(shí)現(xiàn)對(duì)乙側(cè)直流電壓的控制。同理，丙側(cè)直流電壓的幅值即反映了丙側(cè)需要的有功功率，將丙側(cè)直流電壓與參考電壓比較，通過(guò)pi控制器得到丙側(cè)ac-dc變流器輸出的方波與甲側(cè)ac-dc變流器輸出的方波之間的相位差，通過(guò)該相位差實(shí)現(xiàn)對(duì)丙側(cè)直流電壓的控制。

串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的控制策略：

串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的控制策略如圖6所示。串聯(lián)輸出級(jí)乙和丙的控制目標(biāo)有1個(gè)，即實(shí)現(xiàn)電流單位功率因數(shù)。在本例中，串聯(lián)輸出級(jí)乙、丙的各個(gè)ac-dc變流器的直流電壓由高頻隔離級(jí)控制，因此串聯(lián)輸出級(jí)乙和丙只需要控制輸出電流，不需要控制直流電壓。

d軸電流指令為電網(wǎng)給定；q軸電流指令設(shè)定為0。每相中各個(gè)ac-dc變流器的調(diào)制波幅度相等。

仿真驗(yàn)證：

參照實(shí)施例中的系統(tǒng)參數(shù)，搭建了三端口柔性多狀態(tài)開(kāi)關(guān)的仿真。

0.2秒之前，丙端口的輸出功率為5.5mw，線(xiàn)電流幅值450a；令乙端口輸入功率為0，等效為斷開(kāi)；甲端口完全承擔(dān)丙端口的輸出功率，輸入功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為5.5mw，線(xiàn)電流幅值450a。

0.2秒-0.3秒，丙端口輸出功率不變；乙端口的輸入功率指令變?yōu)?.45mw，線(xiàn)電流幅值200a；甲端口輸入功率自動(dòng)調(diào)節(jié)為3.05mw，線(xiàn)電流幅值250a。

波形如圖7-圖12所示。各圖中均略去初始啟動(dòng)波形，只顯示0.1-0.3秒的波形。

圖7顯示了丙端口的輸出電流波形。輸出電流幅值始終為450a。

圖8顯示了乙端口的輸入電流波形。在0.2秒以前，輸入電流為0，等效為斷開(kāi)；0.2秒以后，輸入電流幅值為200a。

圖9顯示了甲端口的輸入電流波形。在0.2秒以前，輸入電流幅值為450a，甲端完全承擔(dān)丙端的輸出功率；在0.2秒以后，隨著乙端的投入，甲端的電流幅值經(jīng)調(diào)節(jié)后降為250a。

圖10-12分別顯示了串聯(lián)輸出端丙、乙、甲的各個(gè)直流電容電壓?？梢?jiàn)除調(diào)節(jié)過(guò)程之外，三個(gè)串聯(lián)輸出端的直流電容電壓一直穩(wěn)定在2000v。