双极性调制360°电力潮流控制器及其工作方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体涉及一种双极性调制360°电力潮流控制器及其工作方法。

背景技术

随着社会的发展，电网的规模日益扩大，输变电设备潮流分布不均的问题也日益突出，使得电网供电能力难以得到充分利用。电力系统中的潮流包含有功潮流和无功潮流，总体上由电源、负荷和供电网络三者共同决定，而由于受到城市规划的限制，线路改造和电网扩建难度逐渐增大。因此如何在现有网架基础上提高电网的输电能力，改善潮流分布，增强电力系统的稳定性，是个具有重要经济效益和社会意义的问题。

为此，柔性交流传输系统（Flexible AC Transmission System，FACTS）技术被广泛研究和应用。FACTS装置可以控制交流电的相角、电抗和无功电压，通过提供或吸收有功、无功功率来提高智能配电网的运行效率和稳定性。但大多数FACTS装置只有一个控制自由度，不能对电网中的有功潮流和无功潮流同时分别进行控制，或由于采用大容量直流储能元件而导致设备故障率高、寿命周期短、维护费用高等诸多问题。

中国发明专利公布号为CN109088410A的一种相位360°正交型直接潮流控制器及其工作方法和中国发明专利公布号为CN109038593A的一种相位360°合成型直接潮流控制器及其工作方法，这两件专利虽然通过一级功率变换就可以分别控制有功潮流和无功潮流，但是都需要通过增设输入选择开关和输出选择开关，或者增加单相Buck交流变换电路数量来实现潮流控制器的输出电压相位360°调节，拓扑结构和控制策略相对复杂。

还有公布号为CN108448906A的中国发明专利公开了矢量合 360°相位和幅值可控交流变换器及其工作方法，其存在以下缺陷：（1）拓扑结构复杂：对于三相电网的潮流控制器来说，其需要9个单相Buck交流单元，共计36个开关管，元件成本及损耗较大。（2）工作原理复杂：三个单相Buck交流单元输入端分别连接A、B、C三相电源，每两相之间角度为120°。使其中一相Buck交流单元的占空比为零，该相Buck交流单元输出为零，另外两相Buck交流单元的输出串联得到一个120°相位和幅值可控的输出电压。如果想得到一个360°相位和幅值可控的输出电压，就必须切换三个单相Buck交流单元的工作状态，分别使得其中一相Buck交流单元占空比为零（即处于不工作的状态），另外两相处于工作状态才可以得到。而由于单相Buck交流单元的输出电压只能在0至

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中通过增设输入选择开关或输出选择开关或增加单相Buck交流变换电路数量来实现潮流控制器的输出电压相位360°调节，从而导致拓扑结构和控制策略相对复杂的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种双极性调制360°电力潮流控制器，该潮流控制器的输入端并联接入高压电网，潮流控制器的输出端串联接入高压电网，包括三相输入变压模块、双极性Buck交流单元电路模块和输出滤波模块；

所述双极性Buck交流单元电路模块包括相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，所述相电压双极性Buck交流单元电路的输出端与所述线电压双极性Buck交流单元电路的输出端串联后连接所述输出滤波模块的输入端，将所述三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，并经过输出滤波模块实现输出电压幅值与相位的360°调节。

在本发明的一个实施例中，所述双极性Buck交流单元电路模块包括第一双极性Buck交流单元电路子模块、第二双极性Buck交流单元电路子模块和第三双极性Buck交流单元电路子模块，所述第一双极性Buck交流单元电路子模块、第二双极性Buck交流单元电路子模块和第三双极性Buck交流单元电路子模块均包括串联的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路。

在本发明的一个实施例中，还包括三相输出变压模块，所述三相输出变压模块连接所述输出滤波模块。

在本发明的一个实施例中，所述输出滤波模块包括第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器，所述第一输出滤波器的输入端连接第一双极性Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第二输出滤波器的输入端连接第二双极性Buck交流单元电路子模块的输出端；所述第三输出滤波器的输入端连接第三双极性Buck交流单元电路子模块的输出端。

在本发明的一个实施例中，所述第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器均包括输出滤波电感和输出滤波电容。

在本发明的一个实施例中，所述三相输入变压模块包括第一三相输入变压器和第二三相输入变压器，所述第一三相输入变压器和第二三相输入变压器的二次侧都带有中心抽头。

在本发明的一个实施例中，所述第一三相输入变压器的一次侧为星型连接，其二次侧包括相电压输出绕组；所述第二三相输入变压器的一次侧为三角型连接，其二次侧包括线电压输出绕组。

在本发明的一个实施例中，所述第一三相输入变压器的一次侧的输入端和第二三相输入变压器的一次侧的输入端并联接入所述高压电网。

在本发明的一个实施例中，所述第一三相输入变压器的相电压输出绕组连接相电压双极性Buck交流单元电路的输入端；所述第二三相输入变压器的线电压输出绕组连接线电压双极性Buck交流单元电路的输入端。

此外，本发明还提供一种双极性调制360°电力潮流控制器的工作方法，将所述三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，通过分别调节相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路的占空比，来调整潮流控制器的输出电压幅值和相位角，实现单独或同时调节有功潮流和无功潮流。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）在拓扑结构上，本发明更加简洁：

本发明将三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，每个双极性Buck交流单元输出范围为-

（2）在工作原理上，本发明更加简明：

本发明只需要两个双极性Buck交流单元串联，其中一个双极性Buck交流单元输入端连接相电压，另外一个双极性Buck交流单元连接与此相电压相位相差90°的线电压，由于双极性Buck交流单元的输出范围在-

（3）在控制方法上，本发明更加直接高效：

在理想状态下，电网可以看成纯阻性负载状态，电网电压和电流同方向，此时在电流方向上调节电网电压，就可以单独调节有功潮流，在垂直电流方向上调节电网电压，就可以单独调节无功潮流；本发明如果单独调节有功潮流，只需要使得相电压连接的双极性Buck交流单元工作即可，而线电压连接的双极性Buck交流单元不需要工作（占空比为零）。本发明如果单独调节无功潮流，只需要使得线电压连接的双极性Buck交流单元工作即可，而相电压连接的双极性Buck交流单元不需要工作（占空比为零）。并且本发明正向和反向调节有功或者无功潮流时，只需改变工作的双极性Buck交流单元占空比即可，不需要不同调节区间的切换。控制更加直接高效，动态性能更好。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。

图1是本发明实施例一的双极性调制360°潮流控制器的拓扑图。

图2是图1上DPFC-a的结构示意图。

图3是本发明实施例一中单独调节相电压双极性Buck交流单元电路时其输出电压的调节范围示意图。

图4是本发明实施例一中单独调节线电压双极性Buck交流单元电路时其输出电压的调节范围示意图。

图5是本发明实施例一中同时调节相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路时其输出电压的调节范围示意图。

具体实施方式

参见图1所示，一种双极性调制360°电力潮流控制器，该潮流控制器的输入端并联接入高压电网，潮流控制器的输出端串联接入高压电网。潮流控制器包括三相输入变压模块、双极性Buck交流单元电路模块、输出滤波模块和三相输出变压模块。

双极性Buck交流单元电路模块包括相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，相电压双极性Buck交流单元电路的输出端与线电压双极性Buck交流单元电路的输出端串联后连接输出滤波模块的输入端，将三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，并经过输出滤波模块实现输出电压幅值与相位的360°调节。

其中，双极性Buck交流单元电路模块包括第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a、第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b和第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c，第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a、第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b和第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c均包括串联的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路。

具体的，第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a包括串联设置的A相双极性Buck交流单元电路Buck-a和BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc；第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b包括串联设置的B相双极性Buck交流单元电路Buck-b和CA相双极性Buck交流单元电路Buck-ca；第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c包括串联设置的C相双极性Buck交流单元电路Buck-c和AB相双极性Buck交流单元电路Buck-ab。这里Buck-a、Buck-b和Buck-c为相电压双极性Buck交流单元电路，Buck-bc、Buck-ca和Buck-ab为线电压双极性Buck交流单元电路。

其中，输出滤波模块包括第一输出滤波器、第二输出滤波器和第三输出滤波器，第一输出滤波器的输入端连接第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a的输出端；第二输出滤波器的输入端连接第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b的输出端；第三输出滤波器的输入端连接第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c的输出端。

具体的，A相双极性Buck交流单元电路Buck-a的输出端与BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc的输出端串联后连接到第一输出滤波器的输入端，B相双极性Buck交流单元电路Buck-b的输出端与CA相双极性Buck交流单元电路Buck-ca的输出端串联后连接到第二输出滤波器的输入端，C相双极性Buck交流单元电路Buck-c的输出端与AB相双极性Buck交流单元电路Buck-ab的输出端串联后连接到第三输出滤波器的输入端。

还有，第一输出滤波器包括第一输出滤波电感

上述输出滤波器用于滤除与其连接的双极性Buck交流单元电路子模块中因开关管高频通断产生的高频谐波分量。

上述技术方案中，三相输入变压模块包括第一三相输入变压器T

第一三相输入变压器匝比为N

具体的，第一三相输入变压器T

第一三相输入变压器T

下面对第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a、第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b以及第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c的具体结构进行阐述。

请参阅图2所示，以DPFC-a子模块为例，A相双极性Buck交流单元电路Buck-a包括第一开关管S

上述所用开关管均为IGBT开关管，然而本发明并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。

关于第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b以及第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c的具体结构与第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a的内部结构相同，其输入输出连接方式可以参照第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a。

综上，本发明将三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，通过分别调节相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路的占空比，在不需要增设输入选择开关或输出选择开关或增加Buck交流单元电路数量的情况下，实现输出电压幅值与相位的360°调节，以及实现单独或者同时调节有功潮流和无功潮流，控制更加灵活，同时简化了电路结构，使得更加安全可靠。

此外，本发明还提供一种双极性调制360°电力潮流控制器的工作方法，将三相输入变压模块的输出相电压和与其相位相差90°的输出线电压分别连接相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路，通过分别调节相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路的占空比，来调整潮流控制器的输出电压幅值和相位角，实现单独或同时调节有功潮流和无功潮流。

具体的工作原理如下：

潮流控制器工作时根据控制相电压和与其相位角相差90°的线电压所连接的Buck交流单元电路的调节状态，可分为单独调节相电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路、单独调节线电压所连接的线电压双极性Buck交流单元电路、同时调节相电压和另外两相间线电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路三种工作状态。具体实施如下：

1、单独调节相电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路

当工作在单独调节相电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路时，以第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a为例：A相双极性Buck交流单元电路Buck-a和BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc为例，设置BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc的占空比

2、单独调节线电压所连接的线电压双极性Buck交流单元电路

当工作在单独调节线电压所连接的线电压双极性Buck交流单元电路时，以第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a为例：A相双极性Buck交流单元电路Buck-a和BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc为例，设置A相双极性Buck交流单元电路Buck-a的占空比

3、同时调节相电压和另外两相间线电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路

当工作在同时调节相电压和另外两相间线电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路时，以第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a为例：A相双极性Buck交流单元电路Buck-a和BC相双极性Buck交流单元电路Buck-bc为例，设置A相双极性Buck交流单元电路Buck-a的占空比

具体地，当工作在同时调节相电压和另外两相间线电压所连接的相电压双极性Buck交流单元电路和线电压双极性Buck交流单元电路时，以第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a为例，设A相双极性Buck交流单元电路Buck-a的输入电压为

关于第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b以及第三双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-c的设置可以参照第一双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-a所述。其中，第二双极性Buck交流单元电路子模块DPFC-b中的B相双极性Buck交流单元电路Buck-b的占空比为

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。