CN105870944A - 一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，包括以下步骤：利用变压器三相中任意两相需输出的零序电压作用下的有功功率差值和三相中第三相需输出的零序电压作用下的有功功率计算零序电压d轴分量和q轴分量；根据零序电压d轴分量，零序电压q轴分量，以及电网角频率计算零序电压；将变压器高压级输出的三相调制波分别与零序电压进行叠加生成新的三相调制波；根据新的三相调制波生成对应的触发脉冲以控制变压器的高压级，实现相间功率均衡控制。该方法能够在电网电压发生不平衡故障时，对PET三相传输功率进行均衡校正，保证了在电网电压发生不平衡故障时，PET相间功率均衡以及高压级直流电压的平衡。

Description

一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，属于电力电子装置控制领域。

背景技术

电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)不仅可以实现电压变换、电气隔离和能量的双向流动等传统变压器的功能，而且具有体积小、重量轻、输出电压幅值恒定，可进行无功补偿等优点，随着大功率半导体器件与磁性材料的迅速发展，已成为智能电网建设的关键设备。

电力电子变压器主回路拓扑如图1所示，由高压级、隔离级和低压级组成。高压级为H桥链式结构，高压级中的每相均由若干个子模块级联构成，可实现不同电压等级的接入，且并网电压和电流谐波小；隔离级由N个双向全桥DC/DC变换器(Dual Active Bridge，DAB)并联，实现能量的双向流动和电气隔离，并提供低压直流母线，可接入直流负载；低压级用三相四桥臂逆变器作为电压源，以满足单相和三相交流负载的接入。其中u_sa、u_sb、u_sc为电网电压。

电网电压不平衡时，假设PET高压级输出电压包含正序电压和负序电压，电流中仅含正序电流，如式(1)和(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_a=V_{p}cos\left(\mathrm{\ω}t\right)+V_{n}cos(-\mathrm{\ω}t+\mathrm{\θ})\\ v_b=V_{p}cos(\mathrm{\ω}t-2\mathrm{\π}/3)+V_{n}cos(-\mathrm{\ω}t-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})\\ v_c=V_{p}cos(\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\π}/3)+V_{n}cos(-\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\θ})\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_{p}cos(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\α})\\ i_b=I_{p}cos(\mathrm{\ω}t-2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\α})\\ i_c=I_{p}cos(\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\π}/3+\mathrm{\α})\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：V_p为正序电压幅值，V_n为负序电压幅值，ω为电网角频率，I_p为正序电流幅值；以正序电压相位为基准相位，θ、α分别为负序电压和正序电流的初始相位。

根据PET的电压和电流，可得一个工频周期内三相平均有功功率如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_a=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}\left)\right)\\ p_b=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}+2\mathrm{\π}/3\left)\right)\\ p_c=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}-2\mathrm{\π}/3\left)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

从上式可知，当电网电压不平衡时，PET三相传输的有功功率由两部分组成，一部分为正序电压与正序电流作用下的有功功率，一部分为负序电压与正序电流作用下的有功功率。正序电压与正序电流作用下的有功功率在三相相同；负序电压与正序电流作用下的有功功率在三相不同，但其三相之和为零。因此，负序电压与正序电流作用下的有功功率虽不改变PET传输的总有功功率，但其改变了有功功率在PET三相之间的分配，导致了PET三相传输功率的不均衡。

所以，电网电压发生不平衡故障时，会导致PET三相传输功率的不均衡和高压级直流母线电压的不平衡。针对该问题，目前的方法为：PET向电网注入负序电流，通过负序电流调整有功功率在PET三相间的分配，达到三相有功功率均衡的目的。采用该方法时，PET输出的三相电流不对称，对电网造成污染，且增加了PET的电流应力。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，用以解决电网电压发生不平衡故障时，PET三相传输功率不均衡的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，包括以下步骤：

(1)、利用变压器高压级三相中任意两相零序电压作用下有功功率差值和三相中第三相零序电压作用下有功功率计算零序电压d轴分量和零序电压q轴分量；

(2)、根据所述零序电压d轴分量，零序电压q轴分量，以及电网角频率计算零序电压；

(3)、将变压器高压级输出的三相调制波分别与所述零序电压进行叠加以生成新的三相调制波；

(4)、根据所述新的三相调制波生成对应的触发脉冲以控制变压器的高压级，实现相间功率均衡控制。

所述变压器高压级三相中任意两相零序电压作用下有功功率差值的计算手段为：将变压器高压级三相中任意两相的直流电压平均值做差，利用PI调节器进行闭环控制，得到所述任意两相需输出的零序电压作用下的有功功率差值；

所述三相中第三相零序电压作用下有功功率的计算手段为：将该三相中第三相的直流电压平均值与所有子模块直流电压平均值做差，差值利用PI调节器进行闭环控制，得到所述第三相需输出的零序电压作用下的有功功率。

所述三相中任意两相为B相和C相，所述第三相为A相。

所述零序电压的计算公式为：v₀＝V_0dcos(ωt)-V_0qsin(ωt)，式中：V_0d为零序电压d轴分量，V_0q为零序电压q轴分量，ωt为电网正序电压相位。

所述零序电压d轴分量的计算公式为零序电压q轴分量的计算公式为

其中，p_0a为A相需输出的零序电压作用下的有功功率，p_0b-p_0c为B相与C相需输出的零序电压作用下的有功功率的差值，I_pd为正序电流的d轴分量，I_pq为正序电流的q轴分量。

根据所述新的三相调制波采用载波移向调制得到所述触发脉冲。

首先，本发明提供了一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，根据该方法能够在电网电压发生不平衡故障时，对PET三相传输功率进行均衡校正，保证了在电网电压发生不平衡故障时，PET相间功率均衡以及PET高压级直流母线电压的平衡。

而且，由于采用基于负序电流注入法的相间功率均衡方法会出现PET输出的三相电流不对称，对电网造成污染，以及增加了PET的电流应力的问题，所以本发明提供的基于零序电压的均衡控制方法具有以下优势：本发明的相间功率均衡方法通过闭环控制得到零序电压，解决了电网不平衡故障下PET相间功率不均衡的问题，具有实现简单，而且在控制时：PET三相电流对称，不会造成电网污染，以及降低了电流应力。

附图说明

图1是电力电子变压器的组成结构示意图；

图2是电力电子变压器相间功率均衡控制方法的控制原理图。

具体实施方式

本发明提供的电力电子变压器相间功率均衡控制方法包括以下步骤：

(1)、利用三相中任意两相零序电压作用下有功功率的差值和三相中第三相零序电压作用下有功功率计算零序电压d轴分量和零序电压q轴分量；

(2)、根据零序电压d轴分量，零序电压q轴分量，以及电网角频率计算零序电压；

(3)、将变压器输出的三相调制波分别与零序电压进行叠加以生成新的三相调制波；

(4)、根据新的三相调制波控制生成对应的触发脉冲以控制变压器，以实现相间功率均衡控制。

针对该控制方法中的各个步骤，并结合图2，对该控制方法进行具体说明：

假设PET高压级输出的零序电压为：

v₀＝V₀cos(ωt+β) (4)

式中：V₀为零序电压幅值，β为零序电压的初始相位。

PET输出零序电压后，一个工频周期内三相平均有功功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_a=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})+V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α}\left)\right)\\ p_b=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}+2\mathrm{\π}/3)+V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α}+2\mathrm{\π}/3\left)\right)\\ p_c=0.5\left(V_p{I}_p\cos \right(\mathrm{\α})+V_n{I}_p\cos (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α}-2\mathrm{\π}/3)+V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α}-2\mathrm{\π}/3\left)\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

电网电压不平衡期间，假设输入至PET三相的有功功率相同，利用公式表示为：

p_a＝p_b＝p_c (6)

根据式(5)和式(6)可得：

V_ncos(θ+α)+V₀cos(β-α)＝V_ncos(θ+α+2π/3)+V₀cos(β-α+2π/3) (7)

V_ncos(θ+α)+V₀cos(β-α)＝V_ncos(θ+α-2π/3)+V₀cos(β-α-2π/3) (8)

将式(7)和式(8)相加后化简可得：

V_ncos(θ+α)+V₀cos(β-α)＝0 (9)

将式(7)和式(8)相减后化简可得：

V_nsin(θ+α)+V₀sin(β-α)＝0 (10)

根据式(9)和式(10)能够得出，零序电压和负序电压在幅值上满足以下等式：

V_n＝V₀ (11)

在初始相位上满足：

β＝θ+2α-π (12)

因此，当PET输出的零序电压矢量与负序电压矢量幅值相等，在初始相位上满足式(12)时，零序电压与正序电流作用下的有功功率就可完全抵消负序电压与正序电流作用下的有功功率，实现PET三相有功功率的均衡。

在零序电压与PET正序电流的作用下，一个工频周期内PET高压级三条换流链的平均功率为：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{0a}=0.5V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})\\ p_{0b}=0.5V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α}+2\mathrm{\π}/3)\\ p_{0c}=0.5V_0{I}_p\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\α}-2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.---\left(13\right)$

由于p_0a+p_0b+p_0c＝0，因此零序电压仅改变了有功功率在PET三相之间的分配，而不会对输入PET的总有功功率造成影响。

令V_0d＝V₀cosβ，V_0q＝V₀sinβ，结合式(4)，注入的零序电压为

v₀＝V_0dcos(ωt)-V_0qsin(ωt) (14)

其中，ωt为电网正序电压相位，利用双同步旋转坐标系下的不平衡锁相环得到。

将PET高压级的三相电流变换至dq旋转坐标系，能够得到I_pd与I_pq，其中：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{pd}=I_{p}cos\left(\mathrm{\α}\right)\\ I_{pq}=I_{p}sin\left(\mathrm{\α}\right)\end{array}\right.---\left(15\right)$

其中，I_pd为正序电流的d轴分量，I_pq为正序电流的q轴分量。

结合式(13)～(15)可得

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{0a}=V_{0d}{I}_{pd}+V_{0q}{I}_{pq}\\ 2/3(p_{0b}-p_{0c})=V_{0d}{I}_{pq}-V_{0q}{I}_{pd}\end{array}\right.---\left(16\right)$

因此，零序电压与其作用下PET三相有功功率的关系为

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{0d}=\frac{p_{0a}{I}_{pd}+2/3(p_{0b}-p_{0c})I_{pq}}{{I_{pd}}^2+{I_{pq}}^2}\\ V_{0q}=\frac{p_{0a}{I}_{pq}-2/3(p_{0b}-p_{0c})I_{pd}}{{I_{pd}}^2+{I_{pq}}^2}\end{array}\right.---\left(17\right)$

PET高压级各相输入的有功功率与其直流母线电压平均值满足

$\frac{1}{2}{\mathrm{Cu}}_{dci}{\left(t\right)}^2-\frac{1}{2}{\mathrm{Cu}}_{dci}{\left(t_0\right)}^2=(p_{pi}+p_{ni}+p_{0i})(t-t_0)---\left(18\right)$

其中，i＝a,b,c，C为PET高压级单相的等效电容，u_dci(t)为t时刻各相直流电压平均值，u_dci(t₀)为t₀时刻各相直流电压平均值，p_pi为正序电压作用下的有功功率，p_ni为负序电压作用下的有功功率，p_0i为零序电压作用下的有功功率。各相直流电压的大小直接反应了输入其有功功率的大小，由于变压器在正序电压作用下的三相有功功率相等，零序电压作用下的有功功率用于校正负序电压作用下的有功功率所引起的相间功率不均衡，因此对直流电压平均值进行闭环控制可得到需输出的零序电压作用下的有功功率。

各相子模块直流电压平均值为

$u_{dca}=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{dcai},u_{dcb}=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{dcbi},u_{dcc}=\frac{1}{N}\underset{1}{\overset{N}{\Σ}}{u}_{dcci}---\left(19\right)$

其中u_dcbi为A相各个子模块的直流电压，u_dcbi为B相各个子模块的直流电压，u_dcci为C相各个子模块的直流电压。

所有子模块直流电压的平均值为

$u_{dc\_av}=\frac{1}{3}(u_{dca}+u_{dcb}+u_{dcc})---\left(20\right)$

三相子模块直流母线电压存在100Hz的波动，因此对其平均值u_dca、u_dcb、u_dcc进行了滤波，低通滤波器的截止频率为15Hz。PET所有子模块的直流电压平均值不存在波动，不需要滤波处理。

所以，该控制方法为：首先将变压器高压级三相中B相与C相的直流电压平均值做差，利用PI调节器进行闭环控制，得到这两相需输出的零序电压作用下的有功功率差值p_0b-p_0c；将A相的直流电压平均值与所有子模块直流电压平均值的差值，利用PI调节器进行闭环控制，得到A相需输出的零序电压作用下的有功功率p_0a；然后通过上述计算公式(17)得出零序电压d轴分量和零序电压q轴分量，然后通过计算公式(14)得出零序电压矢量。而且，如图2所示，u_a、u_b、u_c为变压器高压级电流控制输出的三相调制波，将计算得到的零序电压矢量分别叠加到u_a、u_b、u_c中，即将PET高压级电流控制输出的调制波u_a、u_b、u_c均与零序电压相加，对应得到加入零序电压后的高压级三相调制波u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，其中，u_a ^*＝u_a+v₀，u_b ^*＝u_b+v₀，u_c ^*＝u_c+v₀。最后，采用载波移向调制(CPS-SPWM)得到PET高压级模块的PWM触发脉冲，根据该PWM触发脉冲控制PET高压级中对应子模块的导通，以实现相间功率均衡控制。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、利用变压器高压级三相中任意两相零序电压作用下有功功率差值和三相中第三相零序电压作用下有功功率计算零序电压d轴分量和零序电压q轴分量；

(2)、根据所述零序电压d轴分量，零序电压q轴分量，以及电网角频率计算零序电压；

(3)、将变压器高压级输出的三相调制波分别与所述零序电压进行叠加以生成新的三相调制波；

(4)、根据所述新的三相调制波生成对应的触发脉冲以控制变压器的高压级，实现相间功率均衡控制。

2.根据权利要求1所述的电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，

所述变压器高压级三相中任意两相零序电压作用下有功功率差值的计算手段为：将变压器高压级三相中任意两相的直流电压平均值做差，利用PI调节器进行闭环控制，得到所述任意两相需输出的零序电压作用下的有功功率差值；

所述三相中第三相零序电压作用下有功功率的计算手段为：将该三相中第三相的直流电压平均值与所有子模块直流电压平均值做差，差值利用PI调节器进行闭环控制，得到所述第三相需输出的零序电压作用下的有功功率。

3.根据权利要求1所述的电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，所述三相中任意两相为B相和C相，所述第三相为A相。

4.根据权利要求3所述的电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，所述零序电压的计算公式为：v₀＝V_0dcos(ωt)-V_0q sin(ωt)，式中：V_0d为零序电压d轴分量，V_0q为零序电压q轴分量，ωt为电网正序电压相位。

5.根据权利要求4所述的电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，

所述零序电压d轴分量的计算公式为零序电压q轴分量的计算公式为

其中，p_0a为A相需输出的零序电压作用下的有功功率，p_0b-p_0c为B相与C相需输出的零序电压作用下的有功功率的差值，I_pd为正序电流的d轴分量，I_pq为正序电流的q轴分量。

6.根据权利要求1所述的电力电子变压器相间功率均衡控制方法，其特征在于，根据所述新的三相调制波采用载波移向调制得到所述触发脉冲。