CN104753359B - 一种工频电力电子变压器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型工频电力电子变压器及其实现方法，属于电力电子技术应用于电网的电能传输及电能质量治理领域。本发明包括三绕组工频变压器、电压源换流器VSC₁、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，通过实时的采集三绕组工频变压器高压侧的电流、电压以及低压第一绕组的电流、电压，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量和低压侧电流分量状态，制定相应更直接、精细、有选择的补偿方案，通过分别调整变压器高压侧VSC₁和低压第一绕组VSC组的交流输出，从而补偿电网的无功功率和调配有功功率，达到有效地降低低压侧负序电流和提高低压侧功率因数的目的。本发明具有容量大、成本低、可靠性高、兼容性好的优点。

Description

一种工频电力电子变压器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种工频电力电子变压器及其实现方法，属于电力电子技术应用于电网的电能传输及电能质量治理领域，涉及配电网的负序和无功治理装置，适用于配电网中的变电所。

背景技术

现有的电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变压器实现电力系统中的电压变换和能量传递，改善供电电能质量。

由于现有的电力电子变压器采用五级变换结构，且直接将电力电子设备接入电网，故其容量低、效率低、可靠性低。在电力系统中，负荷总存在某种程度的不对称，当这种不对称负荷接入电网时，传统电力电子变压器的低压侧会出现负序电流，且功率因数也偏低，因而改善电能质量的效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是提高电力电子变压器改善电能质量的效果，提出一种工频电力电子变压器及其实现方法。

本发明采用如下技术方案：一种工频电力电子变压器，其特征在于，包括三绕组工频变压器、电压源换流器VSC₁、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，所述的三绕组工频变压器高压侧与高压输电线路相连，所述的三绕组工频变压器高压侧装有测量元件HT；所述三绕组工频变压器的低压第一绕组与负载相连，所述三绕组工频变压器低压侧上装有测量元件LT，所述测量元件LT与所述电压源换流器VSC组的交流侧相连；所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组的交流端分别与所述三绕组工频变压器的高压侧和所述三绕组工频变压器的低压第一绕组相连，所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组直流侧背靠背连接在一起，所述直流电容器并联在所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组的直流侧之间，所述直流电容器的两端装有直流电容电压测量元件DCPT；所述控制器分别与所述测量元件HT、所述测量元件LT、所述直流电容电压测量元件DCPT、所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组相连。

更进一步地说，所述控制器包括输入环节、控制环节、人机界面子系统、输出环节，所述输入环节与所述控制环节相连，所述控制环节与所述输出环节相连，所述输出环节与所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组相连接，控制环节与所述人机界面子系统相连，用于显示和设定运行参数。

更进一步地说，所述输入环节包括高压侧信号采集单元、低压第一绕组信号采集单元、直流电容电压采集单元、输入信号处理单元，所述高压侧信号采集单元与所述测量元件HT相连，所述低压第一绕组信号采集单元与所述测量元件LT相连，所述直流电容电压采集单元与所述直流电容电压测量元件DCPT相连，输入环节通过HT、LT将三绕组工频变压器高压侧的电流、电压以及低压第一绕组的电流、电压实时传输至输入信号处理单元，输入信号处理单元进行低压侧负序电流和无功电流的实时分解计算，得到低压侧的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四组电流分量；在不考虑零序有功电流和零序无功电流分量的条件下，对于上述可能存在的四组电流分量，其中：正序有功电流是不需要进行补偿的；负序有功电流需要优先补偿到零；负序无功电流和正序无功电流需要尽量补偿到零。

更进一步地说，所述控制环节由VSC₁控制模块和VSC组控制模块组成，通过对低压侧a相、b相、c相有功功率的平衡，以及各自输出无功功率的补偿，计算出产生作用于VSC₁、VSC组的控制信号。

更进一步地说，所述输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动VSC₁、VSC组的电力电子开关器件。

更进一步地说，所述电压源换流器VSC组包含单相电压源换流器VSC₂、单相电压源换流器VSC₃、单相电压源换流器VSC₄，通过调节VSC₂、VSC₃、VSC₄的脉宽调制比m₂、m₃、m₄和相位角δ₂、δ₃、δ₄，将a相、b相、c相的无功功率补偿到0，并且将a相、b相、c相的有功功率P_a、P_b、P_c分别调节至P'_a、P'_b、P'_c，其中通过调节VSC₁的脉宽调制比m₁和相位角δ₁，将三绕组工频变压器高压侧无功功率补偿至零，并保持直流电容电压恒定。

一种工频电力电子变压器的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

假设三绕组变压器高压侧的电压是三相对称的，其原边、副边电流电压关系：

其中，分别为变压器高、低压第一绕组的三相电压，K为变压器高压侧与低压第一绕组的变比，由(1)式可知，变压器低压第一绕组三相电压也是对称的；以a相电压为基准，即则根据对称分量法，可得到变压器低压侧正序、负序电流为：

其中，假设三绕组变压器低压侧a相、b相、c相负载分别为P_a+jQ_a、P_b+jQ_b、P_c+jQ_c，则可以得到a相、b相、c相的电流分别为：

将公式(4)、(5)和(6)带入到公式(3)和(4)，可得：

由公式(7)和(8)可以看出理想状态下变压器高压侧的负序电流与低压侧负载的关系：若要将低压第一绕组负序电流补偿至0，即要求变压器a、b、c三相负载的无功和有功均相同；进一步将低压第一绕组的正序电流和负序电流分解为变压器低压侧的正序、负序电流可以分别分解为有功分量和无功分量，两者均相互垂直，如下：

其中

由公式(9)、(10)和(11)可以看出，针对三绕组变压器，其低压第一绕组电流可以分解为以下几个分量：正序有功电流I_1P，正序无功电流I_1Q，负序有功电流I_2P，以及负序无功电流I_2Q；显然I_1P无需补偿，因此对补偿负序电流而言，需要首先补偿负序有功电流I_2P为零。对I_2Q进行补偿，其目的是补偿负序电流，兼顾提高功率因数；在完成负序补偿的基础上对I_1Q进行补偿，其目的是提高功率因数。

本发明所达到的有益效果：(1)与现有的电力电子变压器相比，无须采用五级变压，且电力电子器件没有直接接入高压电网，故结构简单、成本低、可靠性高；(2)通过分别调整三绕组工频变压器低压第一绕组上VSC₂、VSC₃、VSC₄的控制参数，补偿变压器低压第一绕组消耗的无功功率和调配两个桥臂的不平衡有功功率，最终达到的降低低压第一绕组负序电流和提高功率因素的目的，具有更好的改善电能质量的效果，便于推广应用；(3)通过将低压第一绕组的电气量分解，计算出低压电网的负序电流和无功缺额，有选择、有针对的对负序和无功进行治理，从而可以更精细的根据补偿容量进行相应的综合补偿，对容量的配置以及利用更加的合理。

附图说明

图1是本发明一种工频电力电子变压器的系统结构示意图。

图2是本发明一种工频电力电子变压器VSC组的系统结构示意图。

图3是本发明一种工频电力电子变压器控制器的系统结构示意图。

图4是本发明一种工频电力电子变压器VSC₂控制模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图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。

如图1所示的是本发明一种工频电力电子变压器的系统结构示意图，其包括三绕组工频变压器、电压源换流器VSC₁、电压源换流器VSC组、测量元件HT、测量元件LT、直流电容电压测量元件DCPT、直流电容器和控制器，控制器包括输入环节、控制环节、人机界面子系统和输出环节。控制器实时采集三绕组工频变压器高压侧电流电压、低压第一绕组电流电压以及直流电容电压，采用闭环控制，以三绕组工频变压器高压侧和低压第一绕组的实测电气量作为状态反馈量，并对低压第一绕组的三相电流进行分解，得到低压第一绕组正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四个电流分量，然后根据解耦原理对注入低压侧电网的无功和负序分量进行综合补偿控制，即通过对低压侧a相、b相、c相有功功率的平衡，以及各自输出无功功率的补偿，计算出作用于VSC₁、VSC组的控制信号,即VSC₁、VSC₂、VSC₃、VSC₄的脉宽调制比m₁、m₂、m₃、m₄和相位角δ₁、δ₂、δ₃、δ₄。输出环节将控制信号经调制生成PWM控制脉冲，并放大后驱动VSC₁、VSC组的电力电子开关器件。

如图2所示的是本发明一种工频电力电子变压器VSC组的系统结构示意图，VSC组包括VSC₂、VSC₃、VSC₄。

如图3所示的是本发明一种工频电力电子变压器控制器的系统结构示意图，图中LT从三绕组工频变压器低压第一绕组测量的三相电流信号I_a、I_b和I_c以及三相电压信号U_a、U_b和U_c；HT从三绕组工频变压器的高压侧测量三相电流信号I_A、I_B和I_C以及三相电压信号U_A、U_B和U_C；DCPT测量电容器两端电压值U_dc。测量值传输到输入信号处理单元，实时计算出其正序电流和负序电流的有功分量I_1P、I_2P和无功分量I_1Q、I_2Q，然后传输给控制环节，控制环节主要由VSC₁控制模块和VSC组控制模块组成。

由于VSC₁控制模块、VSC₂控制模块、VSC₃控制模块、VSC₄控制模块的工作流程相似，故用VSC₂控制模块的工作流程为例来说明。如图4所示的是本发明一种工频电力电子变压器VSC₂控制模块的工作流程图，采样信号传输至信号处理单元，实时计算出正序有功电流I_1P、正序无功电流I_1Q、负序有功电流I_2P、负序无功电流I_2Q，然后传输给闭环控制环节中的VSC₂控制模块，VSC₂控制模块包括a相负序电流补偿控制单元、a相无功电流控制单元，a相负序电流补偿控制单元外环以I_2P为控制量，并设定其目标值为零，从而通过有功分量补偿a相的负序电流；a相无功电流控制单元外环以I_1Q+I_2Q为控制量，并设定其目标值为零，从而综合补偿了低压侧电流的无功分量。

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。

Claims (3)

1.一种工频电力电子变压器，其特征在于，包括三绕组工频变压器、电压源换流器VSC₁、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，所述的三绕组工频变压器高压侧与高压输电线路相连，所述的三绕组工频变压器高压侧装有测量元件HT；所述三绕组工频变压器的低压第一绕组与负载相连，所述三绕组工频变压器的低压第一绕组低压侧上装有测量元件LT，所述测量元件LT与所述电压源换流器VSC组的交流侧相连；所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组的交流端分别与所述三绕组工频变压器的高压侧和所述三绕组工频变压器的低压第一绕组相连，所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组直流侧背靠背连接在一起，所述直流电容器并联在所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组的直流侧之间，所述直流电容器的两端装有直流电容电压测量元件DCPT；所述控制器分别与所述测量元件HT、所述测量元件LT、所述直流电容电压测量元件DCPT、所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组相连；

所述控制器包括输入环节、控制环节、人机界面子系统、输出环节，所述输入环节与所述控制环节相连，所述控制环节与所述输出环节相连，所述输出环节与所述电压源换流器VSC₁、所述电压源换流器VSC组相连接，控制环节与所述人机界面子系统相连；

所述输入环节包括高压侧信号采集单元、低压第一绕组信号采集单元、直流电容电压采集单元、输入信号处理单元，所述高压侧信号采集单元与所述测量元件HT相连，所述低压第一绕组信号采集单元与所述测量元件LT相连，所述直流电容电压采集单元与所述直流电容电压测量元件DCPT相连；所述输入环节通过所述测量元件HT、所述测量元件LT将所述三绕组工频变压器高压侧的电流、电压以及低压第一绕组的电流、电压实时传输至所述输入信号处理单元，所述输入信号处理单元进行低压侧负序电流和正序电流的实时分解计算，得到低压侧的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四组电流分量；在不考虑零序有功电流和零序无功电流分量的条件下，其中：正序有功电流是不需要进行补偿的；负序有功电流需要优先补偿到零；负序无功电流和正序无功电流需要尽量补偿到零；

所述电压源换流器VSC组包含单相电压源换流器VSC₂、单相电压源换流器VSC₃、单相电压源换流器VSC₄；通过调节单相电压源换流器VSC₂、单相电压源换流器VSC₃、单相电压源换流器VSC₄的脉宽调制比m₂、m₃、m₄和相位角δ₂、δ₃、δ₄，将a相、b相、c相的无功功率补偿到0，并且将a相、b相、c相的有功功率P_a、P_b、P_c分别调节至P′_a、P′_b、P′_c，其中通过调节VSC₁的脉宽调制比m₁和相位角δ₁，将三绕组工频变压器高压侧无功功率补偿至零，并保持直流电容电压恒定。

2.根据权利要求1所述的一种工频电力电子变压器，其特征在于，所述控制环节由VSC₁控制模块和VSC组控制模块组成，通过对低压侧a相、b相、c相有功功率的平衡，以及各自输出无功功率的补偿，计算出产生作用于VSC₁、VSC组的控制信号。

3.根据权利要求1所述的一种工频电力电子变压器，其特征在于，所述输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，所述PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，所述驱动放大电路将所述PWM控制脉冲放大后驱动VSC₁、VSC组的电力电子开关器件。