CN107565580A - 具有容错功能的混合型电力电子变压器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有容错功能的混合型电力电子变压器及控制方法，基于背靠背并联三电平变流器的混合型电力电子变压器包括多绕组变压器、滤波电感、多台以并联方式连接的背靠背变流器以及直流侧电容；控制方法包括前级变流器的控制和后级变流器的控制，前级变流器通过控制器实现直流侧电压控制、无功功率及电流的补偿，后级变流器通过控制器实现负载电压调节。本发明可以同时解决普通变压器无电压电流治理能力和纯电力电子变压器容量小、稳定性低等的问题，多机并联的结构能够让系统具有很高的容错能力，具有很好的可行性和实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用功率电子器件的混合型多功能变压器，尤其涉及一种具有容错功能的混合型电力电子变压器及控制方法。
背景技术
智能电网及其相关技术的推广应用将有力推动我国在能源领域的节能降耗，促进分布式电源的并网发电，使未来电网更加智能、灵活。而未来智能电网的各项功能能否实现，很大程度上取决于电网中电气设备的性能及其智能化水平。
常规变压器在电网中肩负着输配变电的重担，通过变压器原副边绕组的变比数来完成升压或者降压的功能，从而将电力配送到千万用户端。然而在传统的变压器在电力系统中不具有治理一系列电能质量问题的能力，无法排除系统中的谐波污染、电压陷落、无功补偿等，这些问题会对一些用电场合造成极大的危害。
电力电子变压器作为它们的新成员，其研究进展必将极大地推动智能电网技术的发展，其全功率电子化的结构使其除了具有变压的功能，还具有电能质量治理的能力。但是其功率比传统变压器小。
为了兼顾功率变换和电能质量治理的功能，近几年提出了混合变压器的概念。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种具有容错功能的混合型电力电子变压器及控制方法，使得系统在变压的基础上还具有无功功率补偿、电压陷落恢复等功能。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器、若干三电平变流器、串联变压器、滤波电感和控制器；其中，三电平变流器包括AC/DC变流器和DC/AC变流器，直流侧串联在一起，采用直流侧背靠背的方式连接，中间并联直流侧电容；多绕组变压器包括三个绕组和一个铁磁芯，包括一个一次侧绕组和两个二次侧绕组，各绕组缠绕在铁磁芯上；一次侧绕组和三相电网相连，第一个二次侧绕组通过串联变压器连接负载，第二个二次侧绕组通过滤波电感和AC/DC变流器相连；DC/AC变流器通过串联变压器连接负载；控制器包括电压电流检测模块、电流补偿控制器和电压恢复控制器；电压电流检测模块设置在多绕组变压器的第一个二次侧绕组和负载之间的母线上，电流补偿控制器连接并控制AC/DC变流器，电压恢复控制器连接并控制DC/AC变流器。
进一步地，所述控制器还包括变流器容错控制器，对三电平变流器进行容错冗余控制。
一种混合型电力电子变压器的控制方法，所述控制方法包括母线电流电压检测、电流补偿控制、电压恢复控制和容错控制；实时测量母线三相电压电流值，对母线电流电压进行判断，通过检测算法实时计算需要补偿的参考电流和需要恢复的参考电压，检测结果作为控制器的输入量，叠加到控制部分；当系统中某一IGBT故障时，控制器接收相应的IGBT故障信号，运行容错控制算法，电流环指令值按照剩余变流器数量及需要的总无功电流平均分配，达到容错冗余控制。
进一步地，所述电流补偿控制具体包括以下步骤：
(1)将检测到的参考电流反向后作为AC/DC变流器需要吸收的无功电流，此时直流侧电容吸收一定的有功电流以维持直流侧电压稳定；
(2)将电容电压的瞬时值与其参考值比较之后经过PI环节，得到变流器应该吸收的有功电流；
(3)通过双闭环反馈控制实现交流侧的控制，将电网三相瞬时电流转换到dq0坐标系统，得到AC/DC变流器交流侧电压，经过3/2变换得到交流量给PWM调制模块，产生脉冲信号，控制AC/DC变流器工作。
进一步地，所述电压恢复控制具体包括以下步骤：
(1)将检测模块检测到的参考电压和DC/AC变流器的输出电压作比较后的差值给电压环，经过电压环以后得到电容指令电流；
(2)将电容指令电流与输出电流反馈值做差以后的结果给入电流环；
(3)将电流环输出的结果和变流器的输出电压作比较后得到指令电压，给PWM调制模块后得到DC/AC变换器的开关脉冲。
进一步地，所述容错控制具体包括以下步骤：
(1)当系统中某一个IGBT故障时，发送故障信号给控制器；
(2)控制器接收到相应的IGBT故障信号时，运行容错控制算法，电流环指令值按照剩余变流器数量及需要的总无功电流平均分配，进行容错冗余控制。
有益效果：本发明可以同时解决普通变压器无电压电流治理能力和纯电力电子变压器容量小的问题，多机并联的结构能够让系统具有很高的容错能力，具有很好的可行性和实用价值。
附图说明
图1是混合型电力电子变压器拓扑图；
图2是背靠背变流器拓扑图；
图3是AC/DC变流器的控制框图；
图4是DC/AC变流器的控制框图；
图5是混合变压器对电网电压跌落情况的电压恢复波形图；
图6是混合变压器对电网电压有谐波情况的电压恢复波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明所述的混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器1、多台共交直流母线背靠背三电平变流器2以及直流侧电容3和串联变压器4。
共交直流母线背靠背三电平变流器包括AC/DC变流器和DC/AC变流器，均是三相三电平变流器，直流侧串联在一起，采用直流侧背靠背的方式连接，中间并联直流侧电容。AC/DC变流器实现静止无功发生器(SVG)的功能，DC/AC变流器实现动态电压恢复器(DVR)的功能。
如图2所示是背靠背连接的变流器具体结构，由两个直流侧串联的三电平变流器和并联电容组成。
多绕组变压器含有三个绕组，包括一个一次侧绕组和两个二次侧绕组，以及一个铁磁芯，各绕组缠绕在铁磁芯上。多绕组变压器类型可以是干式变压器或者油浸式变压器。其中，一次侧绕组和三相电网相连，第一个二次侧绕组连接负载，第二个二次侧绕组通过滤波电感和AC/DC变流器相连。
DC/AC变换器交流侧通过三相串联变压器和负载以及第一个二次侧绕组相连接，对应每一相和三相负载连接。
多绕组变压器一次侧三相绕组分别为upa、upb、upc，第一个二次侧三相绕组分别为us1a、us1b、us1c，第二个二次侧三相绕组分别为us2a、us2b、us2c，各绕组缠绕在铁磁芯上。
多绕组变压器的第一个二次侧绕组和负载之间设有电压电流检测模块，共交直流母线背靠背三电平变流器上设有电流补偿控制器和电压恢复控制器。
混合型电力电子变压器的控制部分包括母线电流电压检测、输入侧变流器控制、输出侧变流器控制以及变流器容错控制。
母线电流电压检测模块能够实时测量母线的三相电压和电流值，对母线电流电压进行判断，通过检测算法实时计算出需要补偿的参考电流和需要恢复的参考电压，检测结果作为控制器的输入量，叠加到控制部分，检测结果包括三相电流ia、ib、ic，参考电流IQref和参考电压udref。
如图3所示是电流补偿控制器，其控制过程包括以下步骤：
步骤一：将检测到的参考电流IQref反向后的结果作为AC/DC变流器需要吸收的无功电流，此时直流侧电容吸收一定的有功电流以维持直流侧电压稳定。
步骤二：将电容电压的瞬时值ud与其参考值udref比较之后经过PI环节，得到变流器应该吸收的有功电流。
步骤三：通过双闭环反馈控制实现交流侧的控制，将电网三相瞬时电流ia、ib、ic转换到dq0坐标系统，得到AC/DC变流器交流侧电压ud、uq，经过3/2变换得到交流量给PWM调制模块，产生脉冲信号，控制AC/DC变流器工作。
如图4所示是电压恢复控制器，其控制过程包括以下步骤：
步骤一：将检测模块检测到的参考电压和DC/AC变流器的输出电压作比较后的差值给电压环，经过电压环以后得到电容指令电流
步骤二：将与输出电流反馈值ick做差以后的结果给入电流环。
步骤三：将电流环输出的结果和变流器的输出电压作比较后得到指令电压，给PWM调制模块后得到DC/AC变换器的开关脉冲。
变换器容错控制方法采用冗余控制方法，具体包含以下步骤：
步骤一：当系统中某一个IGBT故障时，其检测系统会发送故障信号给控制器。
步骤二：控制器接收到相应的IGBT故障信号时，运行容错控制算法，电流环指令值按照剩余变流器数量及需要的总无功电流平均分配，从而达到容错冗余控制。
如图5所示为混合变压器对电网电压跌落情况的电压恢复波形图，从上到下依次为电网电压、DC/AC变流器输出电压及负载电压。如第一行波形中，0.45s时电网电压的一相接地故障，导致一相电压跌落为零。此时，DC/AC变流器通过检测模块和控制模块对该相电压进行恢复，输出补偿电压，从而让负载电压始终维持在稳定状态如图第三行所示。而当电网电压恢复正常时，变流器恢复效果中断。仿真结果显示，系统能够很好的回复电网跌落的电压。
如图6所示为混合变压器对电网电压有谐波情况的电压恢复波形图，仿真时设置在0.05s的时候给电网电压中注入二次和三次谐波，检测模块检测到谐波的存在以后，控制器控制DC/AC变流器进行电压补偿，同样让负载电压维持稳定。
Claims (7)
1.一种混合型电力电子变压器，其特征在于：包括多绕组变压器、三电平变流器、串联变压器、滤波电感和控制器；
其中，三电平变流器包括AC/DC变流器和DC/AC变流器，直流侧串联在一起，采用直流侧背靠背的方式连接，中间并联直流侧电容；
多绕组变压器包括三个绕组和一个铁磁芯，包括一个一次侧绕组和两个二次侧绕组，各绕组缠绕在铁磁芯上；一次侧绕组和三相电网相连，第一个二次侧绕组通过串联变压器连接负载，第二个二次侧绕组通过滤波电感和AC/DC变流器相连；
DC/AC变流器通过串联变压器连接负载；
控制器包括电压电流检测模块、电流补偿控制器和电压恢复控制器；电压电流检测模块设置在多绕组变压器的第一个二次侧绕组和负载之间的母线上，电流补偿控制器连接并控制AC/DC变流器，电压恢复控制器连接并控制DC/AC变流器。
2.根据权利要求1所述的混合型电力电子变压器，其特征在于：所述控制器还包括变流器容错控制器，对三电平变流器进行容错冗余控制。
3.根据权利要求1所述的混合型电力电子变压器，其特征在于：多绕组变压器为干式变压器或油浸式变压器。
4.一种混合型电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括母线电流电压检测、电流补偿控制、电压恢复控制和容错控制；
实时测量母线三相电压电流值，对母线电流电压进行判断，通过检测算法实时计算需要补偿的参考电流和需要恢复的参考电压，检测结果作为控制器的输入量，叠加到控制部分；
当系统中某一IGBT故障时，控制器接收相应的IGBT故障信号，运行容错控制算法，封锁存在故障的变流器脉冲，使其停止工作，电流环指令值按照剩余变流器数量及需要的总无功电流平均分配，达到容错冗余控制。
5.根据权利要求4所述的混合型电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电流补偿控制具体包括以下步骤：
(1)将检测到的参考电流反向后作为AC/DC变流器需要吸收的无功电流，此时直流侧电容吸收一定的有功电流以维持直流侧电压稳定；
(2)将电容电压的瞬时值与其参考值比较之后经过PI环节，得到变流器应该吸收的有功电流；
(3)通过双闭环反馈控制实现交流侧的控制，将电网三相瞬时电流转换到dq0坐标系统，得到AC/DC变流器交流侧电压，经过3/2变换得到交流量给PWM调制模块，产生脉冲信号，控制AC/DC变流器工作。
6.根据权利要求4所述的混合型电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述电压恢复控制具体包括以下步骤：
(1)将检测模块检测到的参考电压和DC/AC变流器的输出电压作比较后的差值给电压环，经过电压环以后得到电容指令电流；
(2)将电容指令电流与输出电流反馈值做差以后的结果给入电流环；
(3)将电流环输出的结果和变流器的输出电压作比较后得到指令电压，给PWM调制模块后得到DC/AC变换器的开关脉冲。
7.根据权利要求4所述的混合型电力电子变压器的控制方法，其特征在于：所述容错控制具体包括以下步骤：
(1)当系统中某一个IGBT故障时，发送故障信号给控制器；
(2)控制器接收到相应的IGBT故障信号时，运行容错控制算法，封锁存在故障的变流器脉冲，使其停止工作，达到故障隔离的目的，同时电流环指令值按照剩余变流器数量及需要的总无功电流平均分配，进行容错冗余控制。
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