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一种基于DC-DC隔离的统一 电能 质量调节器

阅读：609发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，包括并联变流器、3个高频模块组成的串联变流器、1个光伏设备和1个储能设备；其中，光伏设备的输入端连接光伏电池阵列，输出连接公共直流母线；所述储能设备的输入连接蓄电池的正负极，输出连接公共直流母线；所述串联变流器输入为公共直流母线，输出串联于电网侧节点和负载侧节点之间；所述公共直流母线连接至并网变流器的直流端口，并网变流器的交流端口连接电网节点；本发明利用高频隔离的DC-DC变换器提升装置的功率密度和实现串并联侧直流解耦，提高UPQC系统的整体补偿效果，提升补偿装置的利用率。，下面是一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，包括并联变流器、串联变流器、1个光伏设备和1个储能设备；
所述光伏设备的输入端连接光伏电池阵列，输出端连接公共直流母线节点P2和N2；
所述储能设备的输入端连接蓄电池的正负极，输出端连接公共直流母线节点P2和N2；
所述串联变流器的输入端连接公共直流母线节点P2和N2，三相输出端分别串联于电网节点和负载侧节点之间；
所述并网变流器的直流端口连接至公共直流母线节点P2和N2，所述并网变流器的交流端口连接至电网节点A1、B1、C1；
所述并联变流器由6只IGBT管、直流电容器和3个滤波电感搭建而成；
所述串联变流器由3个完全相同的高频模块组成，每个高频模块均由2个半桥、1个H桥、隔离变压器以及逆变侧LC 滤波器构成，其中2个半桥和隔离变压器组成DC-DC变换器，1个H桥和逆变侧LC滤波器组成单相逆变器；
所述高频模块中，每个半桥由2只MOSFET管和2只电容器组成，所述H桥由4只MOSFET管搭建而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述并联变流器中每两只IGBT管构成一个半桥，形成三相半桥，三相半桥的中性点分别连接3个滤波电感的一端，3个滤波电感的另一端分别连接电网节点A1、B1、C1；三相半桥中的上半桥的IGBT管的集电极连接到公共直流母线正节点P2，三相半桥中的下半桥的IGBT管的发射极连接到公共直流母线负节点N2，节点P2和N2之间连接直流电容器。
3.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述每个高频模块中的2个半桥结构如下：
一个半桥中的2只MOSFET管组成DC-DC变换器原边左半桥，该半桥中的2只电容组成DC-DC变换器原边右半桥；1只MOSFET管的漏极和1只电容的正极均连接至公共直流母线正节点P2；另一只MOSFET管的源极和电容的负极均连接至公共直流母线正节点N2，左半桥和右半桥的中性点分别连接至隔离变压器原边同名端和非同名端；
另一个半桥中的2只MOSFET管组成DC-DC变换器副边右半桥，该半桥中的2只电容组成DC-DC变换器副边左半桥；1只MOSFET管的漏极和1只电容的正极均连接至串联侧直流母线正节点P1，另一只MOSFET管的源极和电容的负极均连接至串联侧直流母线正节点N1，左半桥的中性点连接至隔离变压器副边同名端，右半桥的中性点通过电感LD连接至隔离变压器非同名端。
4.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述每个高频模块中的H桥结构如下：
两只MOSFET管组成单相逆变器左半桥，另两只MOSFET管组成单相逆变器右半桥，左半桥的中性点连接逆变侧LC滤波器的滤波电感，右半桥的中性点连接至负载侧节点；单相逆变器两个半桥的上半桥的MOSFET管的漏极均连接至串联侧直流母线正节点P1，单相逆变器两个半桥的下半桥的MOSFET管的源极均连接至串联侧直流母线正节点N1。
5.根据权利要求4所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述逆变侧LC滤波器的滤波电感的另一端连接电网节点，电网节点和负载侧节点之间连接逆变侧LC滤波器的滤波电容器。
6.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述隔离变压器由原边和副边2个线圈，变比为n:1。
7.根据权利要求3所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述DC-DC变换器由50%占空比的高频PWM 信号控制，所述高频PWM信号用于控制高频模块中每个半桥中2只MOSFET交替导通，当能量从并联侧传递至串联侧时，并联侧半桥的相位超前串联侧半桥的相位；反之，当能量从串联侧传递至并联侧时，并联侧半桥的相位滞后串联侧半桥的相位。
8.根据权利要求1所述的一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，其特征在于，所述单相逆变器根据负载侧电压的需求，实时补偿一个串联电压量，与电网侧电压共同组成合成电压量供给负载。

说明书全文

一种基于DC-DC隔离的统一电能 质量调节器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，属于变流器技术领域。

背景技术

[0002] 在能源互联网的大背景下，新能源和电力电子设备迎来了新的发展契机，譬如多数省市均将光伏和电动汽车列为未来发展的重要部分，但光伏间歇性特点和电动汽车冲击性充电特性给配电网的电能质量带来了极大的挑战，特别是大幅度的电压跌落给电力用户造成的损失越来越大。常规的APF等并联型设备可以治理电流谐波，但对电压谐波和波动的补偿效果不佳，特别是对深度电压跌落的补偿往往不能起到效果，导致敏感负荷较大的损失，因此，有必要研究配电网电压和电流电能质量综合治理方案。常规统一电能质量调节器(United Power Quality Conditioner，UPQC)采用两个在直流侧互联且分别并联和串联于配电网的逆变器，可同时实现电压质量和电流谐波的综合治理，但其使用工频变压器隔离补偿系统电压骤升骤降，体积较大，且效率较低。常规UPQC由并联吸收电网功率提供直流电能，与串联逆变器在直流侧互联，在电压深度跌落时，串、并联变流器之间存在强耦合关系，增加了控制的难度，并降低了直流母线和控制的稳定性。此外，配电网的短路故障较多，目前还未有有效的处理手段，短路限流器(FCL)是一种有巨大潜力的设备，但如果单独设置该设备，不仅成本较高，且利用率低。目前的研究表明，UPQC可以统一处理电能质量、故障限流，还能实现一定的潮流控制，潜力巨大。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，通过光伏和储能装置协调控制并联和串联接入电网的能量，实现串、并联变流器之间弱耦合关联，实时补偿横纵轴电压分量和谐波分量，实现能量并网、电压和电流电能质量综合治理，延长电压跌落的补偿时间。同时，利用高频隔离的DC-DC变换器提升装置的功率密度和实现串并联侧直流解耦，通过串联侧三相独立的电容器进一步延长电压跌落的补偿时间，提高UPQC系统的整体补偿效果，提升补偿装置的利用率。最后，优化光储系统的并网功率，实现对配电网潮流的优化控制，提高配电网运行效率和稳定性。

[0004] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，包括并联变流器、串联变流器、1个光伏设备和1个储能设备；

[0006] 所述光伏设备的输入端连接光伏电池阵列，输出端连接公共直流母线节点P2和N2；

[0007] 所述储能设备的输入端连接蓄电池的正负极，输出端连接公共直流母线节点P2和N2；

[0008] 所述串联变流器的输入端连接公共直流母线节点P2和N2，三相输出端分别串联于电网节点和负载侧节点之间；

[0009] 所述并网变流器的直流端口连接至公共直流母线节点P2和N2，所述并网变流器的交流端口连接至电网节点A1、B1、C1；

[0010] 所述并联变流器由6只IGBT管、直流电容器和3个滤波电感搭建而成；

[0011] 所述串联变流器由3个完全相同的高频模块组成，每个高频模块均由2个半桥、1个H桥、隔离变压器以及逆变侧LC 滤波器构成，其中2个半桥和隔离变压器组成DC-DC变换器，1个H桥和逆变侧LC滤波器组成单相逆变器；

[0012] 所述高频模块中，每个半桥由2只MOSFET管和2只电容器组成，所述H桥由4只MOSFET管搭建而成。

[0013] 进一步的，所述并联变流器中每两只IGBT管构成一个半桥，形成三相半桥，三相半桥的中性点分别连接3个滤波电感的一端，3个滤波电感的另一端分别连接电网节点A1、B1、C1；三相半桥中的上半桥的IGBT管的集电极连接到公共直流母线正节点P2，三相半桥中的下半桥的IGBT管的发射极连接到公共直流母线负节点N2，节点P2和N2之间连接直流电容器。

[0014] 进一步的，所述每个高频模块中的2个半桥结构如下：

[0015] 一个半桥中的2只MOSFET管组成DC-DC变换器原边左半桥，该半桥中的2只电容组成DC-DC变换器原边右半桥；1只MOSFET管的漏极和1只电容的正极均连接至公共直流母线正节点P2；另一只MOSFET管的源极和电容的负极均连接至公共直流母线正节点N2，左半桥和右半桥的中性点分别连接至隔离变压器原边同名端和非同名端；

[0016] 另一个半桥中的2只MOSFET管组成DC-DC变换器副边右半桥，该半桥中的2只电容组成DC-DC变换器副边左半桥；1只MOSFET管的漏极和1只电容的正极均连接至串联侧直流母线正节点P1，另一只MOSFET管的源极和电容的负极均连接至串联侧直流母线正节点N1，左半桥的中性点连接至隔离变压器副边同名端，右半桥的中性点通过电感LD连接至隔离变压器非同名端。

[0017] 进一步的，所述每个高频模块中的H桥结构如下：

[0018] 两只MOSFET管组成单相逆变器左半桥，另两只MOSFET管组成单相逆变器右半桥，左半桥的中性点连接逆变侧LC滤波器的滤波电感，右半桥的中性点连接至负载侧节点；单相逆变器两个半桥的上半桥的MOSFET管的漏极均连接至串联侧直流母线正节点P1，单相逆变器两个半桥的下半桥的MOSFET管的源极均连接至串联侧直流母线正节点N1。

[0019] 进一步的，所述逆变侧LC滤波器的滤波电感的另一端连接电网节点，电网节点和负载侧节点之间连接逆变侧LC滤波器的滤波电容器。

[0020] 进一步的，所述隔离变压器由原边和副边2个线圈，变比为n:1。

[0021] 进一步的，所述DC-DC变换器由50％占空比的高频PWM 信号控制，所述高频PWM信号用于控制高频模块中每个半桥中2只MOSFET交替导通，当能量从并联侧传递至串联侧时，并联侧半桥的相位超前串联侧半桥的相位；反之，当能量从串联侧传递至并联侧时，并联侧半桥的相位滞后串联侧半桥的相位。

[0022] 进一步的，所述单相逆变器根据负载侧电压的需求，实时补偿一个串联电压量，与电网侧电压共同组成合成电压量供给负载。

[0023] 本发明的优点在于：

[0024] 1、本发明充分利用光伏和储能实现并联侧和串联侧直流解耦，控制简单，效率高；

[0025] 2、本发明利用DC-DC变换器取代传统变压器隔离，提高装置的功率密度；

[0026] 3、本发明采用光伏和储能协调并网，实现对配电网潮流的优化控制，提高配电网运行效率和稳定性；

[0027] 4、本发明单相逆变器的直流侧单独设置，因此相互间影响小，且使用高频DC-DC变换器控制其电压，简化逆变侧的控制；

[0028] 5、本发明DC-DC变换器MOSFET运行在ZVS，开关损耗低，效率高；

[0029] 6、本发明采用模块化设计，简化了电路布局。附图说明

[0030] 图1为本发明的基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器结构原理图。

[0031] 图2为本发明并联变流器原理图。

[0032] 图3为本发明A相高频模块原理图。

[0033] 图4为本发明DC-DC变换器移相控制原理图。

[0034] 图5为本发明串联逆变器补偿控制原理图。

具体实施方式

[0035] 下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

[0036] 参见图1，本发明提供一种基于DC-DC隔离的统一电能质量调节器，包括并联变流器、3个高频模块组成的串联变流器、1个光伏设备和1个储能设备，具体如下：

[0037] 所述光伏设备的输入端连接光伏电池阵列，输出连接公共直流母线节点P2和N2；所述储能设备的输入连接蓄电池的正负极，输出连接公共直流母线节点P2和N2；所述3个高频模块的输入为公共直流母线节点P2和N2，通过DC-DC变换器实现能量双向流动并隔离，最后通过单相逆变器分别串联于电网侧节点A1、B1、C1和负载侧节点A2、B2、C2之间；所述并网变流器的直流端口连接至公共直流母线节点P2和N2，并网变流器的交流端口连接电网节点A1、B1、C1。

[0038] 参见图2，所述并联变流器由6只IGBT管S1-S6、直流电容器C1和3个滤波电感LA1、LB1、LC1搭建而成，其中S1、S4组成A相半桥，S2、S5组成B相半桥，S3、S6组成C相半桥，半桥的中性点分别连接LA1、LB1、LC1的一端，LA1、LB1、LC1的另一端分别连接电网侧A1、B1、C1节点，S1-S3的集电极连接到公共直流母线正节点P2，S4-S6的发射极连接到公共直流母线负节点N2，节点P2、N2之间连接直流电容器C1。

[0039] 参见图3，所述串联变流器由3个完全相同的高频模块组成，且每个高频模块均由2个半桥和1个H桥、隔离变压器以及逆变侧LC滤波器构成。其中2个半桥和隔离变压器组成DC-DC变换器，1个H桥和逆变侧LC滤波器组成单相逆变器。

[0040] 每个半桥均由2只MOSFET和2只电容器组成，H桥由4只MOSFET搭建而成；一个半桥中的2只MOSFET管SA1和SA2组成DC-DC变换器原边左半桥，该半桥中的电容CA1和CA2组成DC-DC变换器原边右半桥。SA1的漏极和CA1的正极连接公共直流母线正节点P2，SA2的源极和CA2的负极连接公共直流母线正节点N2，左半桥和右半桥的中性点分别连接DC-DC变换器隔离变压器原边同名端和非同名端。

[0041] 另一个半桥中的2只MOSFET管SB1、SB2组成DC-DC变换器副边右半桥，该半桥中的电容CB1和CB2组成DC-DC变换器副边左半桥。SB1的漏极和CB1的正极连接串联侧直流母线正节点P1，SB2的源极和CB2的负极连接串联侧直流母线正节点N1，左半桥的中性点连接DC-DC变换器隔离变压器副边同名端，右半桥的中性点通过电感LD连接至DC-DC变换器隔离变压器非同名端。

[0042] 隔离变压器由原边和副边2个线圈，变比为n:1。

[0043] H桥中的两只MOSFET管SC1和SC2组成单相逆变器左半桥，另两只MOSFET管SC3、SC4组成单相逆变器右半桥，SC1和SC3的漏极连接串联侧直流母线正节点P1，SC2和SC4的源极连接串联侧直流母线正节点N1，左半桥的中性点连接逆变侧LC滤波器的滤波电感LA1，右半桥的中性点连接负载侧节点A2。

[0044] 逆变侧LC滤波器的滤波电感LA1的另一端连接电网节点A1，电网节点A1和负载侧节点A2之间连接逆变侧LC滤波器的滤波电容器CC1。

[0045] 参见图4，如果忽略微小的死区时间，所述DC-DC变换器由50％占空比的高频PWM信号控制，所述高频PWM信号用于控制每个半桥中2只MOSFET管交替导通，当能量从并联侧传递至串联侧时，并联侧半桥的相位超前串联侧半桥的相位；反之，当能量从串联侧传递至并联侧时，并联侧半桥的相位滞后串联侧半桥的相位。

[0046] 所述单相逆变器根据负载侧电压的需求，实时补偿一个串联电压量，与电网侧电压共同组成合成电压量供给电压质量需要要求高的负载。具体原理如图5所示：

[0047] 电源电压发生幅值跌落并伴随相位跳变故障变为通过加入补偿电压可以保证故障后的负载电压与故障前的电源电压及负载电压保持不变，从而实现负载电压完全补偿。具体来说，首先选择合适的并联补偿电流并使其幅值保持恒定，如图5中以末端点P为圆心，幅值为半径作圆，圆P与的交点为N，为保证补偿后电源功率因数为1，则需要将补偿后的电源电流与电源电压保持相位一致，因此选择为补偿后的电源电流因负载电压的幅值在补偿前后始终保持不变，为使串联单元保持较低的补偿容量，需最大限度地减小电源电流的幅值，而受并联补偿电流的影响，因此合理选取幅值大小，进而减小串联单元容量配置。

[0048] 幅值选取原则如下：为使网侧功率因数为1，应保证故障后电源电流与电源电压同相位。当的相位跳变角δ等于最大允许跳变角δmax时(δ的变化范围为-δmax≤δ≤δmax)，由于补偿前后负载电流和保持不变，因此以P点向作垂线，交于A点，则为电源电流为并联单元补偿电流此时垂线为P点到的最短线段，也就是最小并联单元补偿电流，即为所选取的幅值。然后以末端P点为圆心，为半径作圆，圆弧AB为末点的轨迹。

[0049] 电压选取原则如下：根据具体应用场合的补偿要求，定义电压补偿系数k，则且满足限制条件sinδmax＝k。

[0050] 所述并联变流器主要实现光伏有功功率上网、无功补偿和平抑并联侧与串联侧功率平衡，通过光伏和储能设备协调控制并联和串联接入电网的能量，实现串、并联变流器之间弱耦合关联，实时补偿横纵轴电压分量和谐波分量，实现能量并网、电压和电流电能质量综合治理，延长电压跌落的补偿时间。优化光储系统的并网功率，实现对配电网潮流的优化控制，提高配电网运行效率和稳定性。

[0051] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

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