CN107910872A - 一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路及控制方法，该复合电路包括输入级、传输级和输出级，输入级交流侧通过并联方式与10kV电网直接连接，其输出为高压直流侧；传输级的输入端连接输入级的高压直流侧，其并联输出构成低压直流母线；输出级并联接入低压直流母线，输出级的输出为该复合电路的最终输出补偿电压；该补偿电压通过电容耦合直接串联到负载侧；低压直流母线上还并联接入串联蓄电池组，作为复合电路备用能量补偿。本发明结构使整个DVR系统的体积得到了精简，安全性与智能化得到了提高，同时SST结构中的高/低压侧的直流母线，为系统的拓展提供了可能，灵活性与可靠性得到提高。

Description

一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电能质量治理技术，特别是涉及一种基于固态变压器的动态电压恢复器 复合电路及控制方法。
背景技术
随着各类新能源分布式电网的不断出现及在大电网的投切，电网系统规模不断扩大，电压的稳定性受到挑战；为了减小电网电压波动对敏感性负载正常运行的影响，除 在分布式电网端进行控制与优化之外，大电网也需要进行相应的补偿。DVR作为电能 质量治理的一个重要分支，串联在需要补偿的电路中，电网电压发生故障，如电网突然 跌落与突然上升，或者混有谐波时，能够在毫秒级内对负载侧电压进行有效补偿，保证 负载的稳定运行。
同时，“电力系统电力电子化”理念的提出，在逐渐改变着电网系统的传统结构，衍生了一批电力电子化的系统设备，如固态变压器，也称电力电子自变压器(Powerelectronic transformer,PET)。固态变压器的内部结构为电力电子变换装置，与传统磁芯线圈的绕组变压器相比，不仅能实现不同电压等级电网之间功率的双向传输，还可以对 功率传输的方向、线路潮流以及输出端的电能质量进行控制，更加智能和高效，一般应 用于10kV电网及其以上的场合。
DVR系统用于10kV配电网时，需要传统的绕组降压变压器将中高压侧的10kV与 低压侧进行隔离；该变压器造成系统体积庞大，且比较笨重，限制了系统的能量传输密 度；且仅能被动进行变压器两侧的能量传输，灵活性和智能性受到限制。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于固态变压器的动态电压恢复器复 合电路及控制方法。
技术方案：一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路，该复合电路包括：
输入级，所述输入级交流侧通过并联方式与10kV电网直接连接，其输出为高压直流侧；所述输入级采用模块化多电平换流器，其包括a、b、c三相，每相包括上下两个 桥臂，上下桥臂之间通过桥臂电感进行连接，两个桥臂电感的中点为输入级交流侧交流 输入接口；所述上下桥臂均包括n个串联子模块，上桥臂的第一个子模块的正极与高压 直流母线的正极连接，所述下桥臂的最后一个子模块的输出与高压直流母线的负极连 接；
传输级，所述传输级的输入端连接输入级的高压直流侧，其并联输出构成低压直流 母线；所述传输级由若干串联输入并联输出的DAB模块组成，其中，高压直流母线作 为传输级的输入，各DAB模块的输出并联接入低压直流母线作为输出级的输入；以及
输出级，所述输出级并联接入低压直流母线，输出级的输出为该复合电路的最终输 出补偿电压；该补偿电压通过电容耦合直接串联到负载侧；所述输出级为三个并联输入的单相H桥结构，每个单相H桥结构包括四个功率开关器件；每个单相H桥结构输出 经LC滤波得到补偿电压；
所述低压直流母线上还并联接入串联蓄电池组，作为复合电路备用能量补偿。
进一步的，所述上下桥臂的串联子模块由两个串联连接的开关器件并联一个子模块 电容构成，其中，每个开关器件反向并联一个二极管；每个子模块输出0电平或uc电 平，每次投入工作的上下桥臂子模块电容数之和始终为n，每相最多输出2n+1个电平。
进一步的，所述每个DAB模块包括输入级和输出级；
其中，输入级包括输入滤波电容、与之并联的全桥电路、续流电感以及高频变压器的原级，全桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一个功率开关器件并联反向二极管及缓冲 电容组成，两个半桥的中点之间串联续流电感和高频变压器的原级；
输出级包括高频变压器的次级、全桥电路以及与全桥电路并联的输出滤波电容，全 桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一个功率开关器件并联反向二极管及缓冲电容组成，两个半桥的中点之间串联高频变压器的次级；
所述DAB模块输入级与输出级通过高频变压器传输功率。
另一实施例中，一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路的控制方法，该方 法采用前馈控制和反馈控制相结合的方式，前馈控制部分为电网标准电压与电网实际电 压之差，直接作为DVR复合电路输出级要补偿的参考电压的第一部分；反馈控制部分 为电网标准电压与负载实际电压之差，经过比例微分调节器作为DVR复合电路输出级 要补偿的参考电压的第二部分；两部分之和作为DVR复合电路输出级的输出目标值。
优选的，该方法中的电压补偿方式采用同相电压补偿法，该补偿法将负载侧电压的 幅值补偿到电压跌落前的水平，维持负载侧电压幅值与标准电网电压相等，负载侧电压的相位与电网电压跌落后的相位保持一致。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案有以下优点：
(1)本发明的复合电路省去了输入级交流侧体积庞大的工频变压器，精简了系统结构，减小系统损耗，缩小系统体积，提高功率传输密度，而且系统中的各级结构能够 实现高度的模块化，亦提高了控制的灵活性、可靠性与智能化。
(2)本发明的复合电路中，由于输入级MMC为系统提供了高压直流母线作为传 输级的输入，传输级中DAB单元数目的选择可以不必受到MMC子模块的限制，根据 DAB单元的额定值进行灵活选择。
(3)本发明的复合电路中，DAB单元构成的传输级能够实现功率的双向流动，使 得DVR系统能够工作在不同模式，对包括电压跌落、电压上升、电压谐波在内的非理 想电网故障进行补偿。
附图说明
图1是本发明复合电路拓扑示意图；
图2为输入级MMC拓扑的高压直流侧电压控制策略示意图；
图3为传输级DAB单元的拓扑示意图；
图4为传输级DAB单元的控制策略示意图；
图5为输出级单相逆变器的控制策略示意图；
图6为DVR系统级前馈补偿与反馈补偿相结合的电压控制策略示意图；
图7为DVR系统级的同相电压补偿方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明所述复合电路适用于包括电网电抗在内的10kV电网(1)，以及10kV电网所带负载(2)，负载两端电压为本发明所述复合电路需要补偿的目标电压。
如图1所示，基于固态变压器(Solid state transformer,SST)的动态电压恢复器(Dynamic voltage restorer,DVR)复合电路复合了SST的三级结构，包括输入级(4)、 传输级(7)以及输出级(10)，具体结构如图1中(3)-(12)所示，核心结构包括：MMC拓 扑构成输入级(4)，交流侧通过并联方式(3)与10kV电网直接相连，其输出为高压直流侧 (6)，后接传输级(7)。传输级由串联输入并联输出的DAB单元(8)构成，其并联输出构成 低压直流母线(9)，低压直流母线上同时并联接入串联蓄电池组(11)作为系统备用能量补 偿。输出级(10)为三个单相逆变器，其输出ua_DVR，ub_DVR，uc_DVR即为DVR系统的最终输 出补偿电压，通过电容耦合直接串联(12)到负载侧，实现交流电网电压非理想状况运行 与线路故障导致负载侧电压非正常供给的情况下，负载侧电压的快速补偿与恢复。
其中，本发明DVR复合电路的输入级也称为整流级，采用模块化多电平换流器(Modular multilevel converter,MMC)组成，将中高压交流电压整流为高压直流电压， 作为传输级的输入。如图1中(4)所示，其交流侧与10kV三相电网并联，ia,ib,ic为交流侧输 入电压参考方向。以a相为例，整流结构的每相分为上下两个桥臂，上下桥臂之间通过 上桥臂电感Lap和下桥臂电感Lan串联连接，两个桥臂电感的连接点为交流输入接口。上 桥臂包括n个串联子模块，分别为SMa1…SMan，下桥臂包括n个串联子模块，分别为 SMa(n+1)…SMa(2n)。上桥臂的第一个子模块的正极与高压直流母线的正极连接，下桥臂的 最后一个子模块的负极与高压直流母线的负极连接。
每个子模块内部拓扑如图1中(5)所示，每个子模块由两个串联连接的功率开关器件 并联一个子模块电容构成，其中，每个功率开关器件反向并联一个二极管；该子模块可以输出0与uc两个电平，每次投入工作的上下桥臂子模块电容数之和始终为n，每相最 多可输出2n+1个电平。其控制策略如图2所示，高压直流侧的电压实际值uH_DC与参考 值u* H_DC之差经过PI控制器，得到i* d，作为内环电流参考值的幅值信息，与锁相环的 相位输出θ共同决定内环电流的参考值i* a,i* b,i* c，与电流实际值ia,ib,ic进行比较。为了更 准确地对电流参考值进行跟踪，本发明采用了比例调节器(P)与重复控制器(RC)相 结合的方法，参考电流与实际电流之差经过调节器得到MMC系统的三相调制波Δua， Δub，Δuc。
为了更进一步优化高压直流侧的输出与MMC系统内子模块的电压稳定，可在上述控制的基础上加入环流控制与电容电压波动抑制。本发明DVR复合电路的传输级由若干 串联输入并联输出的双有源桥(Dual active bridge,DAB)模块构成，每一个DAB模块中 包括的高频变压器用于高低压侧的电气隔离以及功率传输，从而省去了传统DVR输入级 交流侧与电网并联的体积庞大的工频变压器。如图1中的传输级(7)所示，高压直流母线 作为传输级的输入，DAB模块的数目可以根据每个模块的额定值灵活选择，与输入级 MMC子模块的数目实现完全解耦，传输级的输出并联后形成低压直流母线，作为输出
DAB模块的内部拓扑如图3所示，每个DAB模块包括输入级和输出级，Cin与Cout为输入级与输出级相对应的滤波电容，uin_DC与uO_DC为输入高压直流电压与输出低压直 流电压，L1为续流电感，T1为用于高压侧与低压侧的电气隔离以及功率传输的高频变 压器，Q1-Q8为每个DAB单元中的功率开关器件，每个功率开关器件均并联反向二极 管以及缓冲电容，缓冲电容用于功率开关器件切换过程中的功率缓冲，以实现MOSFET 的零电压开通与关断。
每个DAB模块包括输入级和输出级；其中，输入级包括输入滤波电容、与之并联 的全桥电路、续流电感以及高频变压器的原级，全桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一 个功率开关器件并联反向二极管及缓冲电容组成，两个半桥的中点之间串联续流电感和 高频变压器的原级。输出级包括高频变压器的次级、全桥电路以及与全桥电路并联的输 出滤波电容，全桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一个功率开关器件并联反向二极管及 缓冲电容组成，两个半桥的中点之间串联高频变压器的次级。DAB模块输入级与输出 级通过高频变压器传输功率。
图4所示为DAB系统的传统移相控制，低压侧直流电压实际值uO_DC与参考值u* O_DC之差经过PI调节器得到两H桥的相位差Q1与Q4的驱动采用同一脉冲P1，经过反 相后作为Q2与Q3的驱动脉冲；P1经过移相得到P2作为Q5与Q8的驱动，P2经过反 相后得到Q6与Q7的驱动。当时，DAB单元的功率传输方向为正，即从高压直 流侧传输至低压直流侧；当时，DAB单元的功率传输方向为负，即从低压直流 侧传输至高压直流侧。
本发明DVR复合电路的输出级为输出逆变级，由三个并联输入的单相逆变器构成，共用传输级输出的低压直流母线，分别与三相负载串联，独立实现三相电压补偿。如图 1中的输出级(10)所示，单相逆变器为H桥结构，每个H桥结构包括四个功率开关器件， 每个功率开关器件都并联反向二极管并联；每个H桥结构输出经LC滤波得到补偿电压。 以a相电压的控制为例，如图5所示，监测系统得到需要补偿的电压u* a_DVR作为参考信 号，电压外环采用比例谐振(PR)控制器实现无静差跟踪正弦电压信号，PR调节器的 表达式如公式(1)所示，其中kp为比例调节环节系数，kr0,kr5,kr7,kr11,kr13分别为基波以及5、 7、11、13次谐波等常见谐波次数的谐振环节调节系数，电流内环仅用比例控制以提高 系统响应的快速性，Cinv为逆变H桥的等效传输系数，ki为逆变器脉冲宽度调制(PWM) 的调制比，逆变器输出的PWM波经过由Lf与Cf构成的LC滤波得到输出电压，通过电 容直接耦合串联连接到负载端。本发明借鉴了传统DVR系统中的备用功率模块，如图 1中的低压直流母线(9)所示，当输入级与传输级发生故障后可以及时投入，为DVR系 统提供持续补偿的能量。
针对本发明复合电路的电压控制方法，本发明采用了前馈控制与反馈控制相结合的 方式，如图6所示。ul为负载侧实际电压，us为电网侧实际电压，u* s为电网标准电压，同时也是该复合电路对负载侧电压进行补偿的目标电压，u* DVR为监测系统测得的需要补偿的电压，uDVR为DVR实际输出的电压，图6中所示电压均为三相电压。前馈控制部分为 点画线(14)所示，将us与u* s之差直接作为u* DVR的第一部分，提高系统电压检测的快速性； 反馈控制部分为短横线(13)所示，将ul与u* s之差经过比例微分(PD)控制器后，作为u* DVR的第二部分，有利于在前馈控制的基础上，提高系统的稳定性与精确性，两部分控制结 果相加后作为输出级的电压参考信号。两种控制策略的结合能够兼顾二者的优点，最大 化优化补偿效果。
针对本发明复合电路的电压补偿方式，本发明采用了同相电压补偿法，该补偿法将 负载侧电压的幅值补偿到电压跌落前的水平，维持负载侧电压幅值与标准电网电压相等，负载侧电压的相位与电网电压跌落后的相位保持一致。如图7所示，u* s为电网电压 标准值，如果电网电压在电压幅值发生跌落的情况下，相位同时发生了的跳变，即 us_down，uDVR_down为复合电路输出级串联入电路的补偿电压，其相位与发生跌落后的电网 相位保持一致，经过补偿后的负载侧电压ul_down仅幅值得到补偿，相位并未恢复到电网 电压跌落前的水平。同理，如果在电网电压异常上升的情况下，相位同时发生了的跳 变，即us_up，uDVR_up为复合电路输出级串联入电路的补偿电压，其相位与发生跌落后的 电网相位保持一致，经过补偿后的负载侧电压ul_up仅幅值得到补偿，相位并未恢复到电 网电压跌落前的水平。一般情况下，系统电压的频率与相位特性是比较稳定的，不会出 现较大的波动，因此，该补偿法能够降低复合电路的复杂度。
本发明将SST三级拓扑结构与DVR相结合，为系统省去体积庞大的传统的绕组降压变压器，与传统的DVR“背靠背”结构相比，多出了中间的DC/DC变换环节，其采 用DAB结构，中间的高频变压器将高低压侧进行电气隔离，DVR的串联侧不再需要耦 合变压器，可以直接采用电容耦合。以一个容量为2.7MVA的变压器为例，采用传统工 频变压器时，其重量超过6吨重，采用高频变压技术后，若变压器工作频率达到20kHz， 其体积和重量可减少约三分之二。由此，整个DVR系统的体积得到了精简，安全性与 智能化得到了提高，同时SST结构中的高/低压侧的直流母线，为系统的拓展提供了可 能，灵活性与可靠性得到提高。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中 未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路，其特征在于，该复合电路包括：
输入级，所述输入级交流侧通过并联方式与10kV电网直接连接，其输出为高压直流侧；所述输入级采用模块化多电平换流器，其包括a、b、c三相，每相包括上下两个桥臂，上下桥臂之间通过桥臂电感进行连接，两个桥臂电感的中点为输入级交流侧交流输入接口；所述上下桥臂均包括n个串联子模块，上桥臂的第一个子模块的正极与高压直流母线的正极连接，所述下桥臂的最后一个子模块的输出与高压直流母线的负极连接；
传输级，所述传输级的输入端连接输入级的高压直流侧，其并联输出构成低压直流母线；所述传输级由若干串联输入并联输出的DAB模块组成，其中，高压直流母线作为传输级的输入，各DAB模块的输出并联接入低压直流母线作为输出级的输入；以及
输出级，所述输出级并联接入低压直流母线，输出级的输出为该复合电路的最终输出补偿电压；该补偿电压通过电容耦合直接串联到负载侧；所述输出级为三个并联输入的单相H桥结构，每个单相H桥结构包括四个功率开关器件；每个单相H桥结构输出经LC滤波得到补偿电压；
所述低压直流母线上还并联接入串联蓄电池组，作为复合电路备用能量补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路，其特征在于，所述子模块由两个串联连接的开关器件并联一个子模块电容构成，其中，每个开关器件反向并联一个二极管；每个子模块输出0电平或uc电平，每次投入工作的上下桥臂子模块电容数之和始终为n，每相最多输出2n+1个电平。
3.根据权利要求1所述的一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路，其特征在于，所述每个DAB模块包括输入级和输出级；
其中，输入级包括输入滤波电容、与之并联的全桥电路、续流电感以及高频变压器的原级，全桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一个功率开关器件并联反向二极管及缓冲电容组成，两个半桥的中点之间串联续流电感和高频变压器的原级；
输出级包括高频变压器的次级、全桥电路以及与全桥电路并联的输出滤波电容，全桥电路包括两个半桥，每个桥臂由一个功率开关器件并联反向二极管及缓冲电容组成，两个半桥的中点之间串联高频变压器的次级；
所述DAB模块输入级与输出级通过高频变压器传输功率。
4.一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路的控制方法，其特征在于：该方法采用前馈控制和反馈控制相结合的方式，前馈控制部分为电网标准电压与电网实际电压之差，直接作为DVR复合电路输出级要补偿的参考电压的第一部分；反馈控制部分为电网标准电压与负载实际电压之差，经过比例微分调节器作为DVR复合电路输出级要补偿的参考电压的第二部分；两部分之和作为DVR复合电路输出级的输出目标值。
5.根据权利要求4所述的一种基于固态变压器的动态电压恢复器复合电路的控制方法，其特征在于：该方法中的电压补偿方式采用同相电压补偿法，该补偿法将负载侧电压的幅值补偿到电压跌落前的水平，维持负载侧电压幅值与标准电网电压相等，负载侧电压的相位与电网电压跌落后的相位保持一致。
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