發(fā)明專利｜適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)

2017-10-20 13:17:19 北極星智能電網(wǎng)在線整理　點擊量：評論 (0)

編者按：本發(fā)明公開了一種適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)，包括直流電源電路、電容串聯(lián)電路、變壓器、第一開關(guān)管橋臂、第二開關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;電容串聯(lián)電路的C1和C2中間連接點分別

編者按：本發(fā)明公開了一種適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)，包括直流電源電路、電容串聯(lián)電路、變壓器、第一開關(guān)管橋臂、第二開關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;電容串聯(lián)電路的C1和C2中間連接點分別與變壓器的N1線圈非同名端和N2線圈同名端相連;第一開關(guān)管橋臂包括開關(guān)管T1和T2，T1和T2的中間連接點與N1線圈的同名端相連;第二開關(guān)管橋臂包括開關(guān)管T3和T4，T3和T4的中間連接點與N2線圈的非同名端相連;所述控制電路包括多個電壓傳感器、驅(qū)動信號生成單元;所述三相逆變器電路具備三相的開關(guān)管橋臂。本發(fā)明能夠?qū)⑸舷码娙莸碾妷翰钕拗圃谝粋€開關(guān)管和一個二極管的導(dǎo)通壓降之和以內(nèi)，使得輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近。

發(fā)明人陸暢胡軍臺劉春陽王正釗劉延增

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)和電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)。

背景技術(shù)

以光伏、儲能、風(fēng)電為特征的分布式能源發(fā)電系統(tǒng)是擺脫對化石燃料依賴，減少溫室氣體排放，應(yīng)對能源枯竭的重要手段之一。微電網(wǎng)是分布式能源高效利用的重要手段，采用電力電子變換電路將分布式電源接入電網(wǎng)，構(gòu)成并網(wǎng)運行模式，或者為重要的敏感負荷供電，構(gòu)成孤島發(fā)電模式。對于這兩大應(yīng)用場合，變流器的拓撲目前主要有兩種類型：一種是為了帶三相電機等平衡負載，可采用三相三線制接線方式;另一種是諸如小型單相光伏發(fā)電系統(tǒng)，給小型家庭用戶使用，帶電燈、家用電器等單相負載，也需要帶加熱、家用電器、照明等單相負載，這種場合逆變器需要采取三相四線制接線方式，可以同時兼顧三相負荷和單相負荷的用電需求。

三相四線逆變電路有多種拓撲結(jié)構(gòu)，包括分裂電容式三相逆變拓撲、帶Δ/Y0變壓器的三相逆變拓撲、帶中點變壓器的三相逆變拓撲、組合式三相逆變拓撲和三相四橋臂逆變器拓撲，各種拓撲對三相不平衡的抑制存在一定差異。分裂電容式三相逆變器拓撲，把直流母線兩端串接了兩個相同容量的大電容，通過電容對直流母線分壓來鉗位交流中性點。

這種拓撲一般采用SVPWM控制方式，控制方法簡單，廣泛用于小功率的場合。但該電路拓撲也存在明顯缺點，首先是兩個分壓電容參數(shù)的微小的差異就會立即反映到中性點的電位上，其次是當(dāng)帶負載不平衡的時候，會有零序電流從電容流過，負載的不平衡程度較大時，零序電流會更大，兩個電容的電壓會產(chǎn)生較大的偏差，為減小串聯(lián)電容的壓差，就需要較大電容值的分裂電容，必然會增加硬件成本和裝置體積。因此，該電路拓撲結(jié)構(gòu)不適用于負載不平衡程度較大的場合。

帶Δ/Y0變壓器的三相逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中變壓器副邊采用星形連接方式，能夠為三相不平衡負載提供中線電流通路，而相位相同的零序電流分量可以在變壓器三角形方式連接的原邊繞組中流動，因而起到了一定的平衡作用。變壓器的引入還能起到升壓作用，可以減小直流母線電壓能級，以及電容的電壓等級，同時也能對原副邊起到一定的隔離作用。

但是，這種拓撲結(jié)構(gòu)也有它本身的缺點，加入工頻變壓器自然增加了硬件的成本、重量和體積。另外該電路拓撲結(jié)構(gòu)并沒有實現(xiàn)三相電路的完全解耦，無法從根本上解決三相負載不平衡導(dǎo)致三相輸出不對稱的問題。因此，在一些容易出現(xiàn)不平衡負載的場合限制了其應(yīng)用。

在帶不平衡三相負載時，無法保證直流母線分裂電容的中點電位的穩(wěn)定，無法保證中性點的電平穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠?qū)⑸舷码娙莸碾妷翰钕拗圃谝粋€開關(guān)管和一個二極管的導(dǎo)通壓降之和以內(nèi);該電路拓撲能夠有效降低上下電容的電壓差，使得輸出電壓基波幅值基本與給定電壓幅值接近，減少輸出電壓的諧波分量，輸出電壓更加對稱的適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：適用于孤島和并網(wǎng)模式的微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)，包括直流電源電路、電容串聯(lián)電路、變壓器、第一開關(guān)管橋臂、第二開關(guān)管橋臂、控制電路和三相逆變器電路;

所述電容串聯(lián)電路包括串聯(lián)的上電容C1和下電容C2，上電容C1的另一端與直流電源電路的正極相連，下電容C2的另一端連接直流電源電路的負極;上電容C1和下電容C2中間連接點分別與變壓器的N1線圈非同名端和變壓器N2線圈的同名端相連;

所述第一開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T1和T2，開關(guān)管T1的發(fā)射極與開關(guān)管T2的集電極相連，開關(guān)管T1和T2分別反并聯(lián)一個二極管D1和D2，開關(guān)管T1和T2的中間連接點與變壓器N1線圈的同名端相連;

所述第二開關(guān)管橋臂包括串聯(lián)的開關(guān)管T3和T4，開關(guān)管T3的發(fā)射極與開關(guān)管T4的集電極相連，開關(guān)管T3和T4分別反并聯(lián)一個二極管D3和D4，開關(guān)管T3和T4的中間連接點與變壓器N2線圈的非同名端相連;

開關(guān)管T1和T3的集電極與直流電源電路的正極相連，開關(guān)管T2和T4的發(fā)射極與直流電源電路的負極相連;

所述控制電路包括多個電壓傳感器、驅(qū)動信號生成單元;

電壓傳感器，用于檢測下電容C2兩端的電壓，用于檢測直流電源電路的中性點電壓;

驅(qū)動信號生成模塊，使用電壓傳感器的檢測電壓，結(jié)合0V給定電壓，生成開關(guān)管T1、T2、T3、T4的控制信號G1、G2、G3和G4;

所述三相逆變器電路具備三相的開關(guān)管橋臂，每一相的所述開關(guān)管橋臂在上下臂分別具有開關(guān)管，每一個開關(guān)管反并聯(lián)一個二極管;每一相上臂的開關(guān)管連接到直流電源電路的正極，每一相下臂的開關(guān)管連接到直流電源電路的負極;所述上下臂的開關(guān)管之間的串聯(lián)連接點作為各相的交流輸出端子，分別通過電感La、Lb、Lc連接負載;所述電感La、Lb、Lc分別通過電容Cc、Cb、Ca與中性點N相連，中性點N同時連接到變壓器N1線圈的非同名端和N2線圈的同名端，以及上電容C1與下電容C2的中間連接點。

進一步地，所述直流電源電路包括多個串聯(lián)的直流電壓源。

進一步地，當(dāng)上電容C1上的電容電壓小于下電容C2上的電容電壓時，開關(guān)管T2和T4輪流導(dǎo)通，變壓器N1線圈和N2線圈交替作為變壓器原邊，把下電容C2的能量傳遞到上電容C1上，實現(xiàn)上下電容電壓的均衡，開關(guān)管T1和T3一直保持斷開狀態(tài);

微電網(wǎng)功率變換系統(tǒng)依次包括以下四種工作狀態(tài)：(1)T2導(dǎo)通，T1、T3、T4關(guān)斷;(2)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;(3)T4導(dǎo)通，T1、T2、T3關(guān)斷;(4)T1、T2、T3、T4關(guān)斷;將這四種工作狀態(tài)分別命名為① 狀態(tài)，② 狀態(tài)，③ 狀態(tài)和④ 狀態(tài)。

(1)所述① 狀態(tài)時，開關(guān)管T2導(dǎo)通，T1、T3、T4關(guān)斷;電流從下電容C2的正端流出，經(jīng)過N1線圈和開關(guān)管T2后流回下電容C2的負端;根據(jù)基爾霍夫方程得到：

公式中，

為N1線圈兩端的電壓，

為開關(guān)管T2的導(dǎo)通壓降;

與此同時，在變壓器N2線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N2線圈的非同名端流出，依次經(jīng)過與開關(guān)管T3反并聯(lián)的二極管D3、下電容C1后流回到N2線圈的同名端;此時：

式中，

為N2線圈兩端的電壓，

為二極管D3的導(dǎo)通壓降;

將變壓器變比設(shè)為1，得到：

根據(jù)公式(1)、(2)、(3)得到：

即上電容C1的電壓值與下電容C2的電壓值之差即為開關(guān)管T2的導(dǎo)通壓降與二極管D3的導(dǎo)通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N1線圈吸收后傳遞給N2線圈，然后由N2線圈通過二極管D3不斷向電容上C1充電;這個過程中，C2放電，C1充電，不斷減小，不斷增加，二者電壓差減少;

(2)所述② 狀態(tài)為① 狀態(tài)的續(xù)流階段，電流從N1線圈的同名端流出，依次經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端，該電流不斷減小，最終為0;

(3)所述③ 狀態(tài)在② 狀態(tài)的續(xù)流完成后開始，此狀態(tài)下，開關(guān)管T4導(dǎo)通，T1、T2、T3關(guān)斷;電流從下電容C2正端流出，經(jīng)過N2線圈、開關(guān)管T4后流回下電容C2的負端，此時：

式中，

為開關(guān)管T4的導(dǎo)通壓降;

與此同時，在變壓器副邊N1線圈產(chǎn)生電流回路：電流從N1線圈的同名端流出，經(jīng)過與開關(guān)管T1反并聯(lián)的二極管D1、上電容C1后流回N1線圈的非同名端;此時N1線圈電壓為：

為與二極管D1的導(dǎo)通壓降;

將變壓器變比設(shè)為1，得到：

由(5)、(6)、(7)式得到：

上電容C1電壓與下電容C2電壓之差為二極管D1的導(dǎo)通壓降與開關(guān)管T4導(dǎo)通壓降之和;下電容C2在該工作狀態(tài)中不斷放出能量，能量被N2線圈吸收后傳遞給N1線圈，然后由N1線圈通過二極管D1不斷向上電容C1充電;這個過程中，C2放電，C1充電，不斷減小，不斷增加，二者電壓差減少;

責(zé)任編輯：lixin

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