CN107733244A - 一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法。所述电力电子变压器包括中压级、隔离级与低压级。中压级采用串联H桥结构，每相桥臂由N个H桥变流器串联构成，三相桥臂之间采用星型连接后与中压交流电网连接，三相桥臂的中性点通过电抗器接地；隔离级由3N个双有源全桥变换器构成，每个双有源全桥变换器由两个H桥变流器与一个两端口高频变压器构成，每个双有源全桥变换器一端与中压级的一个H桥变流器连接，另一端与公共低压直流母线连接；低压级采用三相两电平变流器，直流端口与公共低压直流母线连接，交流端口与低压交流电网连接。该电力电子变压器的中压级通过电抗器接地，具备中压侧电网单相接地故障状态下自动消弧功能。

Description

一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变压器领域，具体涉及带消弧线圈的电力电子变压器。

背景技术

工频电力变压器是电力系统中的重要组成元件，具有电压等级变换与电气隔离的作用。但随着电力系统的智能化与分布式发电的接入，传统工频电力变压器在功能上已经越来越难以满足需求。电力电子变压器除能实现传统工频电力变压器的电压等级转换与电气隔离功能之外，还能提供诸多额外功能，包括电压电流闭环调节、通信、自动保护等，能够满足未来电力系统的多样化功能需求，有望取代传统工频电力变压器，具有广阔的应用前景。

配电网的正确接地是保障配电网正常运行的重要前提条件。根据系统的不同特性与需要，配电网的中性点可以采用不接地、直接接地、通过电阻接地与通过消弧线圈接地，其中通过消弧线圈接地是我国的主流选择，有相应的行业指导标准。工频电力变压器的Y型线圈可以给配电网提供一个中性点以接入消弧线圈，这也是工频变压器的重要功能之一。

作为工频变压器的未来代替方案，电力电子变压器自然也需要考虑给配电网提供中性点并接入消弧线圈。然而在目前已公开的关于电力电子变压器文献中，在拓扑与控制上均未能够考虑消弧线圈的接入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带消弧线圈的电力电子变压器及其控制方法，该电力电子变压器的中压级通过电抗器接地，具备中压侧电网单相接地故障状态下自动消弧功能。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种带消弧线圈的电力电子变压器，该电力电子变压器包括中压级、隔离级与低压级；中压级包括与中压交流电网相连的三相桥臂，每相桥臂采用串联H桥结构，三相桥臂之间采用星型连接，中性点与接地电抗器相连(即该中性点通过电抗器接地)；隔离级包括与公共低压直流母线及中压级的H桥结构相连的双有源全桥变换器(Dual Active Bridge,简称DAB)；低压级包括三相两电平变流器，三相两电平变流器的直流端口与公共低压直流母线相连，三相两电平变流器的交流端口与低压交流电网相连。

所述中压级的每相桥臂包括N个串联的单相H桥变流器；隔离级包括3N个双有源全桥变换器，每个双有源全桥变换器的直流输入端与中压级的对应一个单相H桥变流器的直流端口相连，该双有源全桥变换器的直流输出端与公共低压直流母线相连。

所述N为自然数。N由电网的电压等级及每个单相H桥变流器的额定电压决定，电网电压等级越高，则N越大。

所述单相H桥变流器的直流端口并联有电解电容。电解电容是为了给直流端口提供一个相对稳定的直流源，如果没有电容，则单相H桥变流器直流端口不会有稳定的直流电压。

所述中压级的每相桥臂中，N个单相H桥变流器的交流端口串联，每相桥臂的交流端口(位于首末单相H桥变流器)通过连接电抗器与中压交流电网的对应一相(A相、B相和C相)相连。

所述隔离级的每个双有源全桥变换器包括两端口高频变压器以及两个分别设置于两端口高频变压器初级侧和次级侧的单相H桥变流器(即隔离级包括6N个单相H桥变流器与3N个两端口高频变压器。每2个单相H桥变流器与1个两端口高频变压器构成一个双有源全桥变换器)。双有源全桥变换器的作用是输出公共低压直流母线，同时实现中压级与低压级的电气隔离。

所述接地电抗器的总阻抗Z_ASC为：

Z_ASC＝R_ASC+jωL_ASC

，其中，L_ASC为接地电抗器电感量，R_ASC为接地电抗器等效串联电阻。

所述低压级的三相两电平变流器选自三相H桥逆变器，三相H桥逆变器的直流端与公共低压直流母线相连，三相H桥逆变器的交流端通过LC滤波器与低压交流电网相连。

上述带消弧线圈的电力电子变压器的控制方法，包括以下步骤：

I、中压级的控制策略(步骤1～步骤8)与隔离级的控制策略(步骤9～步骤12)

步骤1：采样中压级所有单相H桥变流器的直流端口电压其中k代表相(k＝A,B,C)，求取实际电压平均值V_{dc_MV}；

步骤2：将V_{dc_MV}与中压级直流电压指令比较，通过PI调节器输出有功电流指令

步骤3：无功电流指令由电网的无功需求决定，在本发明中，电力电子变压器不进行无功补偿，设置为0；

步骤4：检测中压级的输入电流i_A、i_B、i_C，并通过坐标变换，计算其有功分量i_d与无功分量i_q；

步骤5：将i_d与以及i_q与经过正序电流内环生成正序电压指令

步骤6：在非故障情况下，中压级的零序电压指令为0；在故障情况下，根据目标接地阻抗，输出相应的零序电压指令

步骤7：将步骤5与步骤6的电压指令求和，得到中压级的总的电压指令：k＝A,B,C；

步骤8：将步骤7得到的电压指令除以N得到将除以步骤1检测到的各个单相H桥变流器的直流端口电压，得到各个单相H桥变流器的调制波：k＝A,B,C i＝1,2,……N；

步骤9：采样公共低压直流母线的电压V_{dc_LV}；

步骤10：将V_{dc_LV}与公共低压直流电压指令比较，通过PI调节器输出隔离级各个DAB的平均相移指令

步骤11：将步骤1检测的中压级各个单相H桥变流器的直流端口电压与中压级的平均直流电压V_{dc_MV}比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级DAB的相移调节量指令

步骤12：将步骤10得到的隔离级平均相移指令与步骤11得到的各个DAB的相移调节量指令求和，得到各个DAB的相移指令 k＝A,B,C i＝1,2,……N。

优选的，基于以上电力电子变压器及其控制步骤，在单相故障状态下，变流器中压级零序电压指令的算法包括以下步骤：

步骤6.1：根据步骤4得到的中压级的输入电流，得到接地电抗器上的对地电流i_ASC：

i_ASC＝i_A+i_B+i_C；

步骤6.2：根据消弧所需要的目标接地阻抗R_SET+jωL_SET，得到变流器的中压级零序电压指令其中，R_SET为目标接地阻抗的电阻分量，L_SET为目标接地阻抗的电感分量，j为虚数，ω为电网角频率。

II、低压级在上述带消弧线圈的电力电子变压器的拓扑中仅仅相当于公共直流母线上的负载，低压级的控制策略对中压级没有影响，因此低压级的控制策略在本发明中不做讨论。实际上低压级可以根据需要采用任何拓扑及其对应的控制策略，可参考文献，例如：

李子欣,王平,楚遵方,朱海滨,李耀华."面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究",电网技术,Vol.37,No.9,2013.

Xu She,Xunwei Yu,FeiWang and Alex Q.Huang,"Design and Demonstrationof a3.6-kV–120-V/10-kVA Solid-State Transformer for Smart Grid Application"IEEE Transactions on Power Electronics,vol.29,no.8,2014.

本发明的有益效果体现在：

本发明提出了一种在中压级星型串联H桥变流器、中性点直接接入接地电抗器的电力电子变压器拓扑及其相应的控制策略，中压级的控制目标是控制中压级的交流侧输入电流、控制中压级各个H桥变流器的平均直流电压，以及调节等效接地阻抗；隔离级的控制目标是实现中压级各个H桥变流器的直流电压均衡，以及控制公共低压直流母线的直流电压。本发明在电力电子变压器中集成了消弧线圈的功能，通过集成消弧线圈功能，使得电力电子变压器能够在配电网单相接地故障下对故障点电流进行补偿，自动清除瞬态单相接地故障；同时电力电子变压器的中压级能够对接地电抗器的阻抗进行调节，从而省去了传统消弧线圈自身所需的阻抗调节系统。本发明解决了现有电力电子变压器不具备消弧线圈功能的问题，填补了电力电子变压器领域的领域空白。

附图说明

图1为中压级经电抗器接地的电力电子变压器的拓扑结构图。

图2为中压级单相H桥变流器结构图。

图3为双有源全桥变换器拓扑结构图；其中，V_DCP是高频变压器初级侧对应的单相H桥变流器的直流端口电压；V_DCS是高频变压器次级侧对应的单相H桥变流器的直流端口电压；u_P是高频变压器初级侧对应的单相H桥变流器的交流端口产生的电压；u_S是高频变压器次级侧对应的单相H桥变流器的交流端口产生的电压。

图4为双有源全桥变换器运行波形图。

图5为中压级控制框图(a)及零序等效电路图(b)。

图6为隔离级控制框图。

图7为在MATLAB/SIMULINK中搭建的配电系统结构图。

图8为电力电子变压器中压级接地电抗器的电流波形图。

图9为故障点电流波形图。

图10为电力电子变压器中压级三个桥臂的调制波波形图。

图11为电力电子变压器中压级的各个单相H桥变流器的直流电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，一种中压级通过电抗器接地的1MW、10KV/380V电力电子变压器，分为中压级、隔离级与低压级。每级的具体拓扑及模块设置如下：

中压级有三相桥臂，每相桥臂由N＝4个相同的单相H桥变流器构成，所述单相H桥变流器由阻断电压3.3kV的IGBT构成(图2)，所述单相H桥变流器的直流侧电压为2500V。三相桥臂之间采用星型连接后与中压交流电网连接，中点经过电抗器接地，电抗器的电感值为1.3H，电阻值为40Ω。

隔离级由12个DAB组成。DAB初级侧的单相H桥变流器由阻断电压3.3kV的IGBT构成，次级侧的单相H桥变流器由阻断电压1.7kV的IGBT构成(图3)，高频变压器的变比为25:8，漏感与串联电抗器之和为0.9mH。由图4可以看出，为u_P与u_S之间的相位差，通过调节可以调节两个单向H桥变流器之间传输功率的大小与方向；公共低压直流母线电压为800V。

低压级采用三相H桥逆变器。

中压级与隔离级的控制策略如图5(a)与图6所示，包括以下步骤：

步骤1：采样中压级所有单相H桥变流器的直流端口电压其中k代表相(k＝A,B,C)，求取实际电压平均值V_{dc_MV}：

步骤2：将V_{dc_MV}与中压级直流电压指令比较，通过PI调节器输出有功电流指令

步骤3：无功电流指令由电网的无功需求决定，在本实施例中，电力电子变压器不进行无功补偿，设置为0；

步骤4：检测中压级的输入电流i_A、i_B、i_C，并通过坐标变换，计算其有功分量i_d与无功分量i_q；

步骤5：将i_d与i_q与经过正序电流内环生成正序电压指令(具体包括将i_d与i_q与分别进行比较，通过PI调节器输出中压级在dq坐标系下的电压指令与将与通过dq/abc变换后得到中压级在静止坐标系下的电压指令)；

步骤6：在非故障情况下，中压级的零序电压指令为0；在故障情况下，根据所需的目标接地阻抗，输出相应的零序电压指令

在单相接地故障状态下，设置中压级零序电压指令的算法是利用了通过中压级零序电压调整等效接地阻抗的原理。电力电子变压器中压级输出的零序电压在零序等效电路(参见图5b)中与接地电抗器串联，因此总的等效接地阻抗Z为：

在接地电抗器的总阻抗Z_ASC已知的情况下，为了使总的等效接地阻抗达到设定值，即目标接地阻抗Z_SET，则电力电子变压器中压级应该输出的零序电压为：

u₀＝(Z_SET-Z_ASC)·i_ASC

因此，将接地电抗器上的对地电流i_ASC滤除开关次纹波之后，可以经过下面公式得到

其中，R_SET为目标接地阻抗的电阻分量，L_SET为目标接地阻抗的电感分量，j为虚数，ω为电网角频率。

步骤7：将步骤5与步骤6的电压指令求和，得到中压级的总的电压指令：

k＝A,B,C；

步骤8：将步骤7得到的电压指令除以N得到将除以步骤1检测到的各个单相H桥变流器的直流端口电压，得到各个单相H桥变流器的调制波：

k＝A,B,C i＝1,2,……N；

步骤9：采样公共低压直流母线的电压V_{dc_LV}；

步骤10：将V_{dc_LV}与公共低压直流电压指令比较，通过PI调节器输出隔离级各个DAB的平均相移指令

步骤11：将步骤1检测的中压级各个单相H桥变流器的直流端口电压与中压级的平均直流电压V_{dc_MV}比较，通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级DAB的相移调节量指令

步骤12：将步骤10得到的隔离级平均相移指令与步骤11得到的各个DAB的相移调节量指令求和，得到各个DAB的相移指令

k＝A,B,C i＝1,2,……N。

系统仿真和效果说明

参见图7，在MATLAB/SIMULINK中搭建了一个有60km架空线的10.5kV配电系统，负载的一处电力电子变压器通过电抗器接地，系统中只有这一处谐振接地点，配电系统的架空线参数为：正序电阻0.45Ω/km，正序电感1.17mH/km，正序电容0.061uF/km；零序电阻0.7Ω/km，零序电感3.91mH/km，零序电容0.038uF/km。

仿真中，令系统发生单相接地故障以验证接地安装在电力电子变压器中的电抗器的灭弧作用；电力电子变压器通过步骤6的控制算法对接地电抗器的阻抗值进行调整，以验证电力电子变压器调整接地电抗器等效阻抗的能力。

在0.2秒前，系统正常运行；0.2秒，A相发生接地故障，过渡电阻为1Ω；0.4秒，电力电子变压器中的接地电抗器投入运行；0.6秒，电力电子变压器的等效接地电感设置为接地电抗器固有值的140％；0.8秒，电力电子变压器的等效接地电感设置为接地电抗器固有值的85％。

电力电子变压器中接地电抗器的电流波形参见图8：0.4-0.6秒不进行调整，等效接地电感值即为电抗器的固有值；0.6-0.8秒等效接地电感值提高为140％，电流减小；0.8-1.0秒等效接地电感值降低为85％，电流增大。可见电力电子变压器能够对接地电抗器的阻抗进行调整。

故障点电流波形参见图9：0.2-0.4秒系统工作在不接地状态，故障点电流为11.3A，为容性电流；0.4-0.6秒电力电子变压器中的接地电抗器投入运行，对故障点电流进行补偿，故障点电流减小为2.8A，且电流从容性变成感性。因为故障点电流在补偿后低于5A，在实际中即可以实现熄弧；0.6-0.8秒，电力电子变压器提高了接地电抗器的等效阻抗后，因为补偿的感性电流减小，接地点电流变为容性；0.8-1.0秒，电力电子变压器减小了接地电抗器的等效阻抗后，因为补偿的感性电流提高，接地点电流变为感性。这表明电力电子变压器中的接地电抗器能够对故障点电流进行补偿，实现常规消弧线圈的功能；同时电力电子变压器可以通过调节接地电抗器的等效感抗值来实现对补偿电流的调节，满足不同情况下的需求。

电力电子变压器中压级三相桥臂的调制波波形参见图10：在0-0.6秒，桥臂不输出零序电压，不对电抗器等效阻抗进行调整的情况下，调制度为0.84；0.6-1秒，桥臂中输出零序电压后，三个桥臂中一相或两相的调制度升高，大于0.84。因为任何一相的调制度均不能大于1，因此电力电子变压器对接地电抗器的调整范围具有一定限制。

电力电子变压器中压级的模块直流电压波形参见图11：每当接地电流改变时，中压级各个模块的直流电压都要发生变化，可见接地电流会对各个桥臂的有功功率产生影响。在隔离级的均压控制的作用下，中压级的直流电压经历暂态之后能够重新达到均衡。

Claims (10)

1.一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：该电力电子变压器包括中压级、隔离级与低压级；中压级包括与中压交流电网相连的三相桥臂，每相桥臂采用串联H桥结构，三相桥臂之间采用星型连接，中性点与接地电抗器相连；隔离级包括与公共低压直流母线及中压级的H桥结构相连的双有源全桥变换器；低压级包括三相两电平变流器，三相两电平变流器的直流端口与公共低压直流母线相连，三相两电平变流器的交流端口与低压交流电网相连。

2.根据权利要求1所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述中压级的每相桥臂包括N个串联的单相H桥变流器；隔离级包括3N个双有源全桥变换器，每个双有源全桥变换器的直流输入端与中压级的一个单相H桥变流器的直流端口相连，该双有源全桥变换器的直流输出端与公共低压直流母线相连。

3.根据权利要求2所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述N由电网的电压等级及每个单相H桥变流器的额定电压决定。

4.根据权利要求2所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述单相H桥变流器的直流端口并联有电容。

5.根据权利要求2所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述中压级的每相桥臂中，N个单相H桥变流器的交流端口串联，每相桥臂的交流端口通过连接电抗器与中压交流电网的对应一相相连。

6.根据权利要求1所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述隔离级的每个双有源全桥变换器包括两端口高频变压器以及两个分别设置于两端口高频变压器初级侧和次级侧的单相H桥变流器。

7.根据权利要求1所述一种带消弧线圈的电力电子变压器，其特征在于：所述低压级的三相两电平变流器选自三相H桥逆变器，三相H桥逆变器的直流端与公共低压直流母线相连，三相H桥逆变器的交流端通过LC滤波器与低压交流电网相连。

8.一种如权利要求1所述的带消弧线圈的电力电子变压器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)检测中压级各相桥臂中每个单相H桥变流器的直流端口电压其中，k代表相，k＝A,B,C，i＝1,2,……N，N为中压级每相桥臂的单相H桥变流器个数，然后求取电压平均值V_{dc_MV}；

2)将V_{dc_MV}与中压级直流电压指令比较，然后通过PI调节器输出有功电流指令

3)检测中压级的输入电流i_A、i_B、i_C，计算输入电流的有功分量i_d与无功分量i_q；

4)将i_d与以及i_q与分别作为一组输入，经过正序电流内环生成正序电压指令和 为无功电流指令；

5)在非故障情况下，中压级的零序电压指令为0；在故障情况下，根据目标接地阻抗，输出相应的零序电压指令

6)将步骤4)与步骤5)的电压指令求和，得到中压级的总的电压指令

<mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mi>k</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>u</mi> <mn>0</mn> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow>

其中，k＝A,B,C；

7)将步骤6)得到的电压指令除以N得到将除以步骤1)检测到的各个单相H桥变流器的直流端口电压，得到各个单相H桥变流器的调制波：

<mrow> <msubsup> <mi>m</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>u</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <msubsup> <mi>V</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mo>_</mo> <mi>M</mi> <mi>V</mi> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msubsup> </mfrac> </mrow>

其中，k＝A,B,C，i＝1,2,……N。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括以下步骤：

1.1)检测公共低压直流母线的电压V_{dc_LV}；

1.2)将V_{dc_LV}与公共低压直流电压指令比较，然后通过PI调节器输出隔离级各个双有源全桥变换器的平均相移指令

1.3)将步骤1)检测到的各个单相H桥变流器的直流端口电压与V_{dc_MV}比较，然后通过PI调节器输出各个单相H桥变流器对应的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令

1.4)将步骤1.2)得到的平均相移指令与步骤1.3)得到的对应的隔离级双有源全桥变换器的相移调节量指令求和，得到对应的隔离级双有源全桥变换器的相移指令

其中，k＝A,B,C，i＝1,2,……N。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在单相接地故障状态下，中压级的零序电压指令的计算包括以下步骤：

5.1)根据步骤3)得到的中压级的输入电流，得到接地电抗器上的对地电流i_ASC：

i_ASC＝i_A+i_B+i_C

5.2)根据消弧所需要的目标接地阻抗，得到中压级的零序电压指令

<mrow> <msubsup> <mi>u</mi> <mn>0</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>di</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>E</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>i</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>S</mi> <mi>E</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mi>S</mi> <mi>C</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，L_ASC为接地电抗器电感量，R_ASC为接地电抗器等效串联电阻，R_SET为目标接地阻抗的电阻分量，L_SET为目标接地阻抗的电感分量，j为虚数，ω为电网角频率。