一种大容量统一电力扰动发生装置

摘要

本发明涉及一种扰动发生装置，具体涉及一种大容量统一电力扰动发生装置。该装置采用三相结构，包括功率变换模块和电力电子拓扑变换模块，所述功率变换模块的整流侧接入交流电网，所述功率变换模块的逆变侧与所述电力电子拓扑变换模块一端连接，所述电力电子拓扑变换模块的另一端连接负载端的电网侧。本发明不仅解决了电力电子装置电压等级和容量的限制，而且使得电压扰动发生装置与电流扰动发生装置统一为同一个装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扰动发生装置，具体涉及一种大容量统一电力扰动发生装置。

背景技术

工业上需要模拟电网电压和电流的各种故障，以测试电网串补和并补设备的性能，以及 其他工业设备对电网故障的抗扰性。

电压扰动装置的基本原理是将电力电子设备作为电压源，串联在电网与负载之间，模拟 电网电压波动、闪变、不对称、暂升、暂降等电网故障，用于测试串联补偿设备的性能、工 业级产品对电压的抗扰能力等；电流扰动装置是将电力电子变换装置等效为电流发生源，模 拟电网的谐波电流、无功电力、冲击电流、不平衡电流等电网电流故障，用于测试并联补偿 设备的性能、工业级产品对电网电流的抗扰能力等。

典型的电压扰动装置如图1所示，装置一般包括整流侧、直流侧和逆变侧。整流侧并联 在电网上，用于吸收电网的有功电流，以支撑直流侧的电压，为逆变侧提供所需的有功能量； 逆变侧直接串联或通过变压器串联在电网上，向电网注入给定的电压，以模拟电网各种电压 工况；直流侧连接电流扰动装置的两个电力电子变换部分，起到能量交换通道的作用。

典型的电流扰动装置如图2所示，装置同样包括整流侧、直流侧和逆变侧。整流侧与直 流侧功能与电压扰动装置相同；逆变侧直接并联或通过变压器并联在电网上，向电网注入给 定的电流，以模拟电网各种电流工况。

可见典型的电压扰动发生装置和电流扰动发生装置在结构上区别主要在于逆变侧接入电 网的方式：电压扰动装置是串联入电网，电流扰动装置是并联入电网。

电压和电流扰动发生装置一般用于10kV、35kV及以上的电压等级电网中；制造电网中 的电压电流故障所需要的扰动装置容量一般为MW级及更高级别的。因此，此装置多为高压 大容量设备。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种大容量统一电力扰动发生装置，将大容 量电力电子功率变换模块与电力电子拓扑变换功能模块相结合，实现装置电压扰动发生功能 与电流扰动发生功能的统一。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种大容量统一电力扰动发生装置，其改进之处在于，所述装置采用三相结 构，包括功率变换模块和电力电子拓扑变换模块，所述功率变换模块的整流侧接入交流电网， 所述功率变换模块的逆变侧与所述电力电子拓扑变换模块一端连接，所述电力电子拓扑变换 模块的另一端连接负载端的电网侧，所述电力电子拓扑变换模块采用状态互锁的控制保护方 式，用于防止晶闸管单元TG1和TG3同时导通以及晶闸管单元TG2和TG3同时导通两种状 态的发生，避免电网通过晶闸管单元TG3短路的故障发生。

进一步地，所述功率变换模块包括整流侧和逆变侧，所述整流侧采用多绕组的单相变压 器连接单相H桥变换器结构，所述多绕组单相变压器原边通过并联电抗器接入交流侧电网， 所述多绕组单相变压器副边的每个绕组依次与整流侧单相H桥变换器的交流侧连接；所述逆 变侧采用H桥级联结构，H桥级联结构单相H桥变换器与整流侧的单相H桥变换器形成“背 靠背”结构，逆变侧的每个单相H桥变换器通过LC滤波电路以及晶闸管单元接入电力电子拓 扑变换模块。

进一步地，所述H桥级联结构由串联的单相H桥变换器组成，所述单相H桥变换器由 四个桥臂组成，每个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联 的二极管组成。

进一步地，所述整流侧的单相H桥变换器与逆变侧的单相H桥变换器之间并联有电容器。

进一步地，所述装置三相结构的三个多绕组单相变压器的原边与电网的连接方式为星型 连接。

进一步地，所述LC滤波电路由串联的电容器和电抗器组成；所述晶闸管单元由反并联 的两个晶闸管组成。

进一步地，所述电力电子拓扑变换模块改变功率变换模块的逆变侧接入电网的方式，所 述电力电子拓扑变换模块包括三组三相晶闸管单元，其中一组三相晶闸管单元的两端分别连 接交流电网侧和负载侧，且逆变侧的H桥级联变换器的输入侧接入交流侧电网；另外一组三 相晶闸管单元的两端分别连接负载侧和逆变侧的H桥级联变换器的输出侧；第三组三相晶闸 管单元与逆变侧的H桥级联变换器的输出侧连接；

所述晶闸管单元由反并联的两个晶闸管组成。

进一步地，所述三组三相晶闸管单元分别为晶闸管单元TG1、TG2和TG3；

当装置处于电压扰动发生工况下时，晶闸管单元TG1关断，TG2导通且TG3关断，功 率变换模块的逆变侧串联于直流电网中，运行于电压源状态，注入电网扰动电压；

当装置处于电流扰动发生工况下时，晶闸管单元TG1导通，TG2关断且TG3导通，装 置的逆变侧并联于电网中，运行于电流源状态，注入电网扰动电流。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的新型高压大容量统一电力扰动发生装置，通过所提出的高压大容量电力电 子拓扑结构，实现了电力扰动装置电压和容量扩展的模块化、无串联变压器的结构设计避免 了传统扰动装置串联变压器的电压损失和功率损耗；通过电力电子拓扑变换功能，将电压扰 动装置和电流扰动装置功能相综合，实现了同套装置功能的扩展，极大的节约了工业成本。

附图说明

图1是典型的电压扰动装置结构示意图；

图2是典型的电流扰动装置结构示意图；

图3是本发明提供的高压大容量统一电力扰动发生装置的结构示意图；

图4是本发明提供的电力电子拓扑变换功能模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的高压大容量统一电力扰动发生装置的结构示意图如图3所示，该装置采用 三相结构，包括功率变换模块和电力电子拓扑变换模块，所述功率变换模块的整流侧接入交 流电网，所述功率变换模块的逆变侧与所述电力电子拓扑变换模块一端连接，所述电力电子 拓扑变换模块的另一端连接负载端的电网侧。。

功率变换模块包括整流侧和逆变侧，所述整流侧采用多绕组的单相变压器连接单相H桥 变换器结构，所述多绕组单相变压器原边通过并联电抗器接入交流侧电网，所述多绕组单相 变压器副边的每个绕组依次与整流侧单相H桥变换器的交流侧连接；所述逆变侧采用H桥级 联结构，H桥级联结构单相H桥变换器与整流侧的单相H桥变换器形成“背靠背”结构，逆变 侧的H桥级联变换器通过LC滤波电路以及晶闸管单元接入电力电子拓扑变换模块。

H桥级联结构由串联的单相H桥变换器组成，所述单相H桥变换器由四个桥臂组成，每 个桥臂由IGBT模块组成，所述IGBT模块包括IGBT器件以及与其反并联的二极管组成。

整流侧的单相H桥变换器与逆变侧的单相H桥变换器之间并联有电容器。装置三相结构 的三个多绕组单相变压器的原边为星型连接。LC滤波电路由串联的电容器和电抗器组成；所 述晶闸管单元由反并联的两个晶闸管组成。

对于装置整流侧，等效于每个H桥独立运行于整流工况，单独支持直流侧电压，不会相 互影响，有利于直流侧电压的一致性；对于串联侧，级联的H桥结构利于电压等级和容量的 提高，并且由于不用考虑直流侧均匀问题，逆变侧的控制和调制更加容易实现。由于并联侧 降压变压器的隔离作用，使得直流侧电位完全隔离，这就保证了逆变侧非隔离方式直接接入 电网的可行性。整个装置在设计时，可通过选择不同数量的背靠背H桥，实现模块化结构， 以适应于不同的电压等级和容量等级。

电力电子拓扑变换功能模块的作用是改变逆变侧接入电网的方式，本发明提供的电力电 子拓扑变换功能模块的结构示意图如图4所示，包括三组三相晶闸管单元TG1、TG2、TG3。 三相晶闸管单元TG1的两端分别连接交流电网侧和负载侧，且逆变侧的H桥级联变换器的输 入侧接入交流侧电网；三相晶闸管单元TG2的两端分别连接负载侧和逆变侧的每个单相H桥 级联变换器的输出侧；三相晶闸管单元TG3与逆变侧的每个H桥级联变换器的输出侧连接；

晶闸管单元TG1、TG2和TG3均由反并联的两个晶闸管组成。

当要求装置处于电压扰动发生工况下时，控制TG1关断，TG2导通，TG3关断，装置的 逆变侧便串联于电网中，可运行于电压源状态，以注入电网扰动电压；

当要求装置处于电压扰动发生工况下时，控制TG1导通，TG2关断，TG3导通，装置的 逆变侧便并联于电网中，可运行于电流源状态，以注入电网扰动电流。电力电子拓扑变换模 块采用状态互锁（晶闸管单元TG1导通的时候晶闸管单元TG3不能导通，晶闸管单元TG2 导通的时候晶闸管单元TG3不能导通）的控制保护方式，防止TG1和TG3同时导通以及TG2 和TG3同时导通这两种状态的发生，以避免电网通过TG3短路的故障发生。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。