一种高可靠供电的三端口电能路由器拓扑及控制方法

本发明属于电力电子变换器，尤其涉及一种高可靠供电的三端口电能路由器拓扑及控制方法。

背景技术：

1、静止无功发生器(svg)通过吸收或发出连续可调节的无功功率来稳定连接点处电压、增强系统电压稳定性、提高系统的负荷能力，或对系统关键节点的电压提供支撑以达到增强系统稳定极限的目的。然而传统svg仅具有无功交换能力，而不具有有功交换能力。为了达到更好的效果，有时需要svg具备一定的与电网交换有功功率的能力，以达到抑制新能源发电功率脉动、削峰填谷、补偿电路阻性压降、阻尼系统的振荡和延长故障状态下电网的支撑时间等目的。

2、储能变流器(pcs)具有四象限运行功能，可同时输出或吸收无功及有功功率，具有调频调压功能。基于储能的无功补偿技术具有响应速度快，连续可调、规模可控等优点，适用于高比例新能源和高电力电子化的新型电力系统。

3、储能型svg将储能技术与无功补偿技术相结合，扬长避短，实现两者功能上的互补。储能的增加，使其具备快速稳定的动态无功支撑能力，在交流电网故障时进行无功和有功的快速合理补偿，对电网电压提供最大的支撑，对于改善交直流混合电网的安全可靠运行具有重要意义。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、当前svg仅具有无功交换能力，而不具有有功交换能力，交流电网故障时如何进行快速合理补偿的问题有待解决。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高可靠供电的三端口电能路由器拓扑及控制方法。

2、本发明是这样实现的，通过低开关频率的链式svg与电网10kv交流馈线相连，并实现无功电流调节功能；高开关频率的三相三端口h桥逆变电路维持380v低压交流母线电压稳定，并为链式svg提供有功支撑；三相三端口h桥逆变电路的直流端口接入储能设备，形成了高压交流、低压交流、储能直流的三端口混合配电系统；当高压10kv交流端口发生故障时，链式svg能够将故障隔离，从而实现380v低压交流母线的高可靠供电，进而可以接入敏感负荷。本发明采用级联型低开关频率拓扑与高开关频率拓扑混联，结构简单，控制相对容易，具有灵活多样的电能调节功能。

3、所述高可靠供电的三端口电能路由器拓扑结构包括：三个连接电抗器l、一个链式svg、一个三相隔离变压器、一个三相lc滤波器、一个三相三端口h桥逆变电路和一个储能直流端口；

4、所述连接电抗器l一端与10kv交流馈线相连，另一端与链式svg相连；

5、所述链式svg包括三个级联h桥变换器hj(j＝a，b，c，表示a、b、c三相)；

6、所述级联h桥变换器包括n个h桥电路hj1～hjn，此处n可根据具体的应用场景、成本和占地限制等方面进行综合选定；

7、所述h桥电路包括两个含两个igbt的桥臂和直流侧电容chd；

8、所述链式svg中，hj1的交流端口一端经连接电抗器l与电网10kv交流馈线相连，另一端与hj2的交流端口相连；hj2的交流端口一端与hj1的交流端口相连，另一端与hj3的交流端口相连，以此类推hj3～hjn1交流端口的连接方式；hjn的交流端口一端与hjn1的交流端口相连，另一端与三相隔离变压器原边相连；

9、所述三相隔离变压器原边与hjn交流端口的一端相连，副边与380v低压交流母线相连；

10、所述380v低压交流母线一端与三相隔离变压器副边相连，另一端与三相lc滤波器相连，同时该交流母线可给敏感负荷供电；

11、所述三相lc滤波器，滤波电容c1与380v低压交流母线并联连接，滤波电感l1与三相三端口h桥逆变电路串联连接；

12、所述三相三端口h桥逆变电路包括6个igbt开关管(q1～q6)；开关管q1与q2组成a相桥臂，q1的源极与q2的漏极、滤波电感l1相连，q1的漏极与储能直流端口的正极相连，q2的源极与储能直流端口的负极相连；开关管q3与q4组成b相桥臂，q3的源极与q4的漏极、滤波电感l1相连，q3的漏极与储能直流端口的正极相连，q4的源极与储能直流端口的负极相连；开关管q5与q6组成c相桥臂，q5的源极与q6的漏极、滤波电感l1相连，q5的漏极与储能直流端口的正极相连，q6的源极与储能直流端口的负极相连；

13、所述三相三端口h桥逆变电路直流侧与储能直流端口相连，该储能直流端口可连光伏发电系统、电池储能设备等；

14、所述链式svg通过链式svg控制单元实现并网端口的无功电流控制以及故障隔离；

15、所述链式svg控制单元通过结合10kv交流馈线三相电压、三相电流、链式svg每个h桥电路的直流电压参考值，利用锁相环控制器、直流电压控制、交流电流控制，生成pwm信号对链式svg每一个开关管进行控制；

16、所述三相三端口h桥逆变电路通过三相三端口h桥逆变电路控制单元维持380v低压交流母线电压稳定，并为链式svg提供有功支撑；

17、所述三相三端口h桥逆变电路控制单元通过结合低压交流母线三相电压、三相三端口h桥逆变电路三相电流，利用锁相环控制器、交流电压控制、交流电流控制，生成pwm信号对三相开关管进行控制；

18、进一步，所述链式svg控制单元包括：

19、第一瞬时正负序计算器，用于将10kv交流馈线三相电压通过瞬时正负序计算得到10kv交流馈线瞬时三相正负序电压；

20、锁相环控制器，用于将10kv交流馈线电压通过锁相计算得到两相同步旋转坐标系相位；

21、第二瞬时正负序计算器，用于将10kv交流馈线三相电流通过瞬时正负序计算得到10kv交流馈线瞬时三相正负序电流；

22、第一比例积分控制器，用于将直流电压平均值通过比例计算以及积分计算相加得到的数值作为两相同步旋转坐标系下的正序有功电流参考值；

23、第二比例积分控制器，用于将正序有功电流参考值与正序有功电流实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为链式svg正序有功电压参考值；

24、第三比例积分控制器，用于将正序无功电流参考值与正序无功电流实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为链式svg正序无功电压参考值；

25、第一反park控制器，用于将两相同步旋转坐标系下的正序调制电压转换成三相静止坐标系的三相正序调制电压参考值；

26、第四比例积分控制器，用于将负序有功电流参考值与负序有功电流实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为链式svg负序有功电压参考值；

27、第五比例积分控制器，用于将负序无功电流参考值与负序无功电流实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为链式svg负序无功电压参考值；

28、第二反park控制器，用于将两相同步旋转坐标系下的负序调制电压转换成三相静止坐标系的三相负序调制电压参考值；

29、第一pwm生成器，输入为链式svg三相正序调制电压参考值与链式svg三相负序调制电压参考值的和，输出为链式svg的pwm驱动信号；

30、进一步，所述三相三端口h桥逆变电路控制单元包括：

31、第一park控制器，用于将380v低压交流母线三相静止坐标系下的三相电压转换成两相同步旋转坐标系上的电压；

32、第一低通滤波器，用于将两相同步旋转坐标系上的有功电压进行低通滤波；

33、第六比例积分控制器，用于将有功电压参考值与有功电压实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为三相三端口h桥逆变电路有功电压参考值；

34、第二低通滤波器，用于将两相同步旋转坐标系上的无功电压进行低通滤波；

35、第七比例积分控制器，用于将无功电压参考值与无功电压实际值的差值，经过比例计算以及积分计算，相加得到的数值作为三相三端口h桥逆变电路无功电压参考值；

36、第三反park控制器，用于将两相同步旋转坐标系下的调制电压转换成三相静止坐标系的三相调制电压参考值；

37、第二park控制器，用于将三相三端口h桥逆变电路三相静止坐标系下的三相电流转换成两相同步旋转坐标系上的电流；

38、第三低通滤波器，用于将两相同步旋转坐标系上的有功电流进行低通滤波；

39、第四低通滤波器，用于将两相同步旋转坐标系上的无功电流进行低通滤波；

40、第一阻尼控制器，用于将实际的有功电流与经过低通滤波后的的有功电流差值，转换成高次谐波电压的差值；

41、第二阻尼控制器，用于将实际的无功电流与经过低通滤波后的的无功电流差值，转换成高次谐波电压的差值；

42、第四反park控制器，用于将两相同步旋转坐标系下的高次谐波电压转换成三相静止坐标系的三相高次谐波电压参考值；

43、第二pwm生成器，输入为三相调制电压参考值与三相高次谐波电压参考值的差值，输出为三相三端口h桥逆变电路的pwm驱动信号；

44、进一步，所述链式svg的控制方法，包括以下步骤：

45、(1)对电网10kv交流馈线输出电压usa、usb、usc进行瞬时正负序计算，得到的正负序三相电压值usap、usbp、uscp、usan、usbn、uscn，再分别对正负序三相电压值进行clark变换，得到正负序电压在两相静止坐标系下的电压usαp、usβp、usαn、usβn，随后将其变换至两相同步旋转坐标系，得到usdp、usqp、usdn、usqn，对usqp和usqn采用同步旋转坐标系锁相环(srfpll)，即可得到电网10kv交流馈线正序电压的相位ω1t和负序电压相位ω2t；

46、(2)对电网10kv交流馈线输出电流isa、isb、isc进行瞬时正负序计算，得到的正负序三相电流值isap、isbp、iscp、isan、isbn、iscn，再分别对正负序三相电流值进行park变换，得到正负序电流在两相同步旋转坐标系下的电流isdp、isqp、isdn、isqn；

47、(3)链式svg每相所有h桥电路的直流侧电压之和uhdσa、uhdσb、uhdσc相加，并乘以1/3，得到总直流电压平均值uhdσ。设定直流电压参考值与总直流电压平均值uhdσ相减，其差值输入电压环比例积分控制器，输出d轴正序电流参考值

48、(4)将d轴正序电流参考值与d轴正序电流isdp相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将角速度ω、电抗器l和q轴正序电流isqp的乘积与d轴正序电压usdp相加，并减去电流环比例积分控制器的输出值，得到d轴正序电压参考值；设定q轴正序电流参考值并与q轴正序电流isqp相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将q轴正序电压usqp减去角速度ω、电抗器l和d轴正序电流isdp的乘积，再减去与电流环比例积分控制器的输出值，得到q轴正序电压参考值；

49、(5)设定d轴负序电流参考值并与d轴负序电流isdn相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将d轴负序电压usdn减去角速度ω、电抗器l和q轴负序电流isqn的乘积，再减去与电流环比例积分控制器的输出值，得到d轴负序电压参考值；设定q轴负序电流参考值并与q轴负序电流isqn相减，其差值输入电流环比例积分控制器，将角速度ω、电抗器l和d轴负序电流isdn的乘积与q轴负序电压usqn相加，并减去电流环比例积分控制器的输出值，得到q轴负序电压参考值；

50、(6)将d轴正序电压参考值、q轴正序电压参考值、d轴负序电压参考值、q轴负序电压参考值分别进行反park变换，生成正负序的调制电压usmap、usmbp、usmcp、usman、usmbn、usmcn，正负序的调制电压相加并输入pwm生成器，形成pwm信号gsax、gsbx、gscx，对链式svg的每个h桥模块进行控制；

51、进一步，所述三相三端口h桥逆变电路的控制方法，包括以下步骤：

52、(1)对380v低压母线交流侧三相电压uia、uib、uic进行park变换，得到其在两相同步旋转坐标系下的电压uid、uiq，并通过低通滤波器进行滤波，设定d、q轴电压参考值分别为

53、(2)d、q轴电压参考值分别与uid、uiq滤波后的值相减，其差值输入电压环比例积分控制器，电压环比例积分控制器的输出值进行反park变换，得到uima1，uimb1，uimc1；

54、(3)对三相三端口h桥逆变电路交流侧三相电流iia、iib、iic进行park变换，得到其在两相同步旋转坐标系下的电流iid、iiq，iid、iiq分别与经过低通滤波器的值相减，得到高次谐波电流δiid、δiiq。δiid、δiiq分别与阻尼系数k相乘，并进行反park变换得到高次谐波电压uima2，uimb2，uimc2；

55、(4)将uima1，uimb1，uimc1与高次谐波电压uima2，uimb2，uimc2相减，生成调制电压uima，uimb，uimc并输入pwm生成器，形成pwm信号gi1～gi6，对三相三端口h桥逆变电路进行控制。

56、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述高可靠供电的三端口电能路由器拓扑控制方法的步骤。

57、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述高可靠供电的三端口电能路由器拓扑控制方法的步骤。

58、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述高可靠供电的三端口电能路由器拓扑装置。

59、本发明的另一目的在于提供一种上述的三端口电能路由器拓扑的链式svg的控制方法，所述链式svg的控制方法包括以下步骤：

60、(a)计算电网10kv交流馈线输出电压的瞬时正负序，进行clark变换和同步旋转坐标系下的变换，以获取电压相位；

61、(b)计算电网10kv交流馈线输出电流的瞬时正负序，进行park变换，以获取同步旋转坐标系下的电流；

62、(c)计算链式svg每相所有h桥电路的直流侧电压之和，并得到总直流电压平均值，以设定电流参考值；

63、(d)根据电流参考值和实际电流值，计算d轴和q轴正负序电压参考值；

64、(e)执行反park变换，生成正负序调制电压，通过pwm生成器控制链式svg的每个h桥模块。

65、其中正负序电压的计算进一步包括使用同步旋转坐标系锁相环(srfpll)以得到正序和负序电压的相位。

66、其中计算总直流电压平均值进一步包括将各相h桥直流侧电压相加后乘以1/3，并与预设的直流电压参考值进行比较，以产生d轴正序电流的参考值。

67、其中d轴和q轴电压参考值的计算进一步包括使用电流环比例积分控制器来调节电压误差，并结合角速度、电抗器参数来获得最终的电压参考值。

68、其中正负序调制电压的生成进一步包括将d轴和q轴的正负序电压参考值分别进行反park变换，并将结果相加给pwm生成器以形成相应的pwm信号。

69、本发明的另一目的在于提供一种基于上述的三端口电能路由器拓扑的三相三端口h桥逆变电路控制单元的控制方法，包括以下步骤：

70、(a)对380v低压母线交流侧三相电压进行park变换，滤波，并设定d轴和q轴电压参考值；

71、(b)根据参考值和滤波后的电压值计算误差，并输入电压环比例积分控制器；

72、(c)对交流侧三相电流进行park变换，计算高次谐波电流，并与阻尼系数相乘；

73、(d)将控制器输出的电压值与高次谐波电压相减，生成调制电压，并通过pwm生成器控制逆变电路。

74、结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

75、第一、本发明提供了一种高可靠供电的三端口电能路由器拓扑与控制方法，能够通过低开关频率的链式svg调节无功电流，高开关频率的三相三端口h桥逆变电路维持380v低压交流母线电压稳定，并为链式svg提供有功支撑，三相三端口h桥逆变电路的直流端口接入储能设备，形成了高压交流、低压交流、储能直流的三端口混合配电系统；当高压10kv交流端口发生故障时，链式svg能够将故障隔离，从而实现380v低压交流母线的高可靠供电，进而可以接入敏感负荷。本发明采用级联型低开关频率拓扑与高开关频率拓扑混联，结构简单，控制相对容易且灵活性高，具有广泛的应用场景。

76、第二，本发明中提出的三端口电能路由器的链式svg控制方法带来的显著技术进步包括：

77、1)提高电网稳定性：通过精确的瞬时正负序计算和变换，该方法能更有效地处理电网中的不平衡负载，从而提高电网的整体稳定性。

78、2)优化电压和电流控制：利用先进的电压环和电流环比例积分控制器，该方法能更准确地控制电能路由器的输出，确保更高的能量转换效率和电能质量。

79、3)提升系统响应速度：通过同步旋转坐标系锁相环(srfpll)和高效的反变换算法，该方法能够快速响应电网变化，提供更迅速的调节能力。

80、4)增强系统灵活性：该方法通过对链式svg每相所有h桥电路的直流侧电压的综合考量，提供了更灵活的电能分配和控制策略，适应不同的电网条件和需求。

81、5)提高故障容错能力：在电流和电压参考值的计算中，该方法考虑了正负序电流和电压的全面控制，增强了系统在面对电网故障时的容错能力和稳定性。

82、6)系统集成和成本优化：该方法整合了电能路由器的多个控制环节，使系统更加紧凑，降低了硬件成本和维护难度。

83、综上所述，该控制方法不仅提高了电网的稳定性和电能转换效率，还增强了系统对电网变化的适应能力和故障容错性，同时优化了系统的成本和维护需求。

84、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明通过低开关频率的链式svg与电网10kv交流馈线相连，并实现无功电流调节功能；高开关频率的三相三端口h桥逆变电路维持380v低压交流母线电压稳定，并为链式svg提供有功支撑；三相三端口h桥逆变电路的直流端口接入储能设备，形成了高压交流、低压交流、储能直流的三端口混合配电系统。本发明采用级联型低开关频率拓扑与高开关频率拓扑混联，具有灵活多样的电能调节功能，为三端口电能路由器提供了一种新型的方案。

85、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：目前大部分的储能型svg均是将储能设备添加至级联h桥电路每个h桥电路的直流侧，并需要添加相应的直流直流变换器。由于所需h桥电路数量较多，这种方案控制复杂，器件数量较多，成本较高。如何降低成本、简化控制，是储能型svg需要解决的技术难点。本发明通过工频变压器将链式svg与三相逆变电路的交流侧相连，三相逆变电路的直流侧引入储能端口，为链式svg提供有功支撑并向电力系统输送有功功率。相比而言，本发明控制更简单、器件数量更少、成本更低，为储能型statcom提供了新思路。