CN109038691A - 基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略 - Google Patents

基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，主电路拓扑包括配电网多绕组变压器、串并联背靠背变换器、滤波器以及静态开关，串并联背靠背变换器包括三相两电平AC/DC整流单元和全桥逆变单元；基于虚拟同步机建立有功、无功功率方程，实现电压补偿控制的包括前级有功调频、无功调压控制策略和后级并网电流控制方法及电压外环电流内环双闭环电压稳定控制。本发明为配电网常见的电压跌落问题提供了新的解决思路，同时兼顾大容量功率传输以及电能质量治理的功能，具有较好的实用价值。

Description

基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略
技术领域
本发明属于电力电子器件在电力系统中的应用领域，尤其涉及一种基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略。
背景技术
由于电力电子器件和更多分布式发电系统日益一体化的发展，电力系统中的负荷特点已经发生了革命性的变化。同时如故障、大负载的切断变化以及大气放电等在交流电力系统中的动态状态对电网产生了不良影响，如电压波动、谐波增大和无功电流增大等。因此现代社会向着数字时代的转变需要开发高质量电力的更可靠供应，现代电力系统对于电能质量的要求越来越高。
电力变压器作为电力系统中最基本的装置，承担着输变电等重要作用，但过于单一的功能使得传统的电力变压器越来越难以满足现代电力系统对于电能质量的高要求。并且，传统电力变压器还存在以下缺点：体积、重量大，变压器绝缘油对环境产生不良影响；空载损耗较高；带负载时易导致输出电压下降；负荷侧发生故障时，无法快速隔离故障，从而导致故障扩大；带非线性负载时，畸变电流通过变压器耦合进入电网，对电网造成污染；电源侧电压受到干扰时，又会传递到负荷侧，导致对敏感负荷的影响；需要配套的相关设备对其进行保护；另外，铁芯饱和时，会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流。因此，将电力电子全控型器件与传统电力变压器相结合，弥补传统变压器的缺点，混合型电力电子变压器应运而生。混合型配电变压器不仅能够起到输变电的作用，而且还能够对电能质量进行检测，起到无功补偿以及电压稳定控制的作用。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略。
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，包括多绕组变压器和三个单相电力电子串并联背靠背变换器；
所述多绕组变压器包括铁磁芯、一次侧绕组、二次侧主绕组和二次侧移相辅助绕组；所述一次侧绕组为三角形连接，所述二次侧主绕组为星形连接，并由中性点处引出零线，所述二次侧移相辅助绕组为三角形连接；
所述一次侧绕组连接电网；所述二次侧主绕组经由静态开关串联连接所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器输出侧后连接负载；所述二次侧移相辅助绕组经由滤波器连接到所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器，其输出端经LC滤波器接到负载；所述静态开关在故障时，将所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器投切并网。
进一步地，所述单相电力电子串并联背靠背变换器包括前级三相两电平全控整流桥、6个切换装置构成的三个切换桥、电容器，与所述至少一个切换桥并联连接、及后级逆变H桥；控制所述至少一个切换桥以控制所述混合型电力电子变压器在输入电压改变的情况下减少输出电压变化。
进一步地，所述前级三相两电平全控整流桥包含6个IBGT和6个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成三个桥臂，每个桥臂的中点与该相多绕组变压器的二次侧移相辅助绕组连接；所述前级三相两电平全控整流桥输出级与直流环节相连接。
进一步地，所述后级逆变H桥包含4个IGBT和4个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成两个桥臂，作为所述单相电力电子串并联背靠背变换器的输出端口。
一种基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，在虚拟同步机的基础上，建立有功、无功功率方程，前级实现有功调频、无功调压控制，后级实现并网电流控制及电压外环电流内环双闭环电压稳定控制。
进一步地，所述前级AC/DC有功-频率控制：根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC有功-频率控制，根据上级电网频率的波动情况，瞬时变化控制器提供功率缓冲ΔP使其能够保证负荷侧频率不变。
进一步地，所述前级AC/DC无功-电压控制：根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC无功-电压控制，根据上级电网电压跌落情况，通过改变控制器输入级输出的电压幅值，从而改变上级电网与所述混合型电力电子变压器之间交换的无功功率。
进一步地，所述后级并网电流控制：通过结合所述混合型电力电子变压器并网拓扑结构和虚拟同步电机电气方程，对于得到的电流指令信号的跟踪采用准比例谐振控制器实现。
进一步地，所述电压外环电流内环双闭环电压稳定控制：通过采用同步参考结构比例积分控制，采集LC滤波环节的电容输出电流iC通过基于全通滤波器的垂直信号发生器产生一个虚拟的垂直信号，通过αβ/dq0变换得到基于d轴和q轴的信号，再对电流采用内环PI闭环控制，同时使用电容电压外环PI控制，电流内环控制实现对于电压稳定的控制。
有益效果：本发明的移相变压器的使用使得该种混合型电力电子变压器不会产生功率不平衡，能够有效抑制电网不平衡度和谐波污染；以虚拟同步机为基础，建立对应有功、无功功率方程，从频率调节过程、电压调节过程和电压稳定控制，保证输出电能质量的可靠性，极大改善电能质量指标。
附图说明
图1是混合型电力电子变压器拓扑结构电路图；
图2是前级变换器总体控制框图；
图3是有功控制框图；
图4是无功控制框图；
图5是后级电压补偿双闭环框图。
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，本发明所述的混合型电力电子变压器示意图，包括多绕组变压器和三个单相电力电子串并联背靠背变换器；多绕组变压器包括铁磁芯、一次10kV侧绕组、二次侧400V/200kVA主绕组和二次220V/20kVA侧移相辅助绕组。
一次侧绕组为三角形连接，避免三次谐波流入电网对电网形成污染；二次侧主绕组为星形连接，并由中性点处引出零线；二次侧移相辅助绕组为三角形连接，三相移相的角度分别为+20°、0°、-20°。当电网某相发生故障，移相变压器进行补偿时在原来该相耦合不会产生功率不平衡，其整流谐波少，注入回路纹波小。
一次侧绕组连接电网；二次侧主绕组经由静态开关串联连接三个单相电力电子串并联背靠背变换器输出侧后连接负载；二次侧移相辅助绕组经由滤波器连接到三个单相电力电子串并联背靠背变换器，其输出端经LC滤波器接到负载；优点在于整流谐波少，注入电网电压电流纹波小，同时在二次侧主绕组某一相回路发生故障时，静态开关在故障时，将三个单相电力电子串并联背靠背变换器投切并网。
单相电力电子串并联背靠背变换器包括前级三相两电平全控整流桥、6个切换装置构成的三个切换桥、电容器，与至少一个切换桥并联连接、及后级逆变H桥；控制至少一个切换桥以控制混合型电力电子变压器在输入电压改变的情况下减少输出电压变化。
前级三相两电平全控整流桥包含6个IBGT和6个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成三个桥臂，每个桥臂的中点与该相多绕组变压器的二次侧移相辅助绕组连接；前级三相两电平全控整流桥输出级与直流环节相连接。
后级逆变H桥包含4个IGBT和4个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成两个桥臂，作为单相电力电子串并联背靠背变换器的输出端口。3个单相电力电子串并联背靠背变换器，经由滤波器连接到移相辅助绕组，可用于将电压进行AC/DC以及DC/AC之间的转换，再经由LC滤波器接入负载电网。
如图2所示，基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，在虚拟同步机的基础上建立有功、无功功率方程，前级实现有功调频、无功调压控制和后级并网电流控制方法及电压外环电流内环双闭环电压稳定控制。
如图3所示，前级有功-频率控制，根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC有功-频率控制，根据上级电网频率的波动情况，瞬时变化控制器提供功率缓冲ΔP使其能够保证负荷侧频率不变。
基于同步电机转子机械特性，表达式方程如下：
上式中：J为同步电机转动惯量；D定常阻尼系数；ω为电网同步角速度；T0为机械转矩；T为电磁转矩。有功功率与角频率之间的关系具体为如下表达式：
δ＝∫ωdt
上式中：P为瞬时有功功率；P0为输入级并网有功指令；包括额定有功功率Pm和频率响应调节功率Pf两部分。得如下表达式：
P0＝Pm+Pf
Pm通过直流电压环得到：
上式中，Kpd为PI控制器比例系数；Kid为积分系数；Udci为直流母线电压采样值；为直流母线电压给定值。为使得上级电网频率调节，需引入二次调频环节，频率响应调节功率Pf具体表示为：
Pf＝kf(f-f0)
上式中，f为配电网实际频率，f0为额定频率，kf为频率响应系数。则当频率f＝f0时，此时Pf＝0，P0＝Pm；当频率f跌落即f<f0时，此时Pf<0，P0<Pm；当频率f上升即f>f0时，此时Pf>0，P0>Pm。
当装置在参与上级配电网的频率调节时，由储能装置提供低压侧负荷出现的有功功率短缺ΔP，即频率f跌落时，功率短缺ΔP>0，储能装置工作于放电状态，发出功率；当频率f上升时，功率短缺ΔP<0，储能装置工作于充电状态，吸收功率，经过控制算法后实现功率的平衡，即Pm＝P0+ΔP，满足负载对功率的消耗。由于惯量系数J、与阻尼系数D的存在，有效地增加了系统的惯量特性与阻尼特性，支撑电网的频率稳定以及阻尼输出功率的振荡。
若上级电网频率不发生波动时，ΔP＝0，Pm＝P0；若上级电网频率发生跌落时，此时混合型电力电子变压器为保持频率不变，在控制器的控制作用下应减少功率吸收，即P0减小，储能装置输出功率ΔP>0，满足负荷功率消耗；当上级电网频率上升时，通过相同的控制机理，最终满足负载的功率消耗。
如图4所示，无功-电压控制，根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC无功-电压控制，根据上级电网电压跌落情况，通过改变控制器输入级输出的电压幅值，从而改变上级电网与所述混合型电力电子变压器之间交换的无功功率。
基于混合型电力电子变压器其输出电压，其幅值Ep表达式为：
上式中：E0为基准电压幅值；kq为无功比例调节系数；kv为调压比例调节系数；k为积分调节系数；Qref为并网无功指令；U0和U分别为端电压幅值和配电网电压有效值。则无功控制包括两部分：一是无功跟踪控制，通过设定无功指令Qref跟踪上级配电网的瞬时无功功率，可得无功控制量ΔEQ。二是电压支撑控制，根据端电压幅值U0与配电网电压有效值U间的偏差，得无功控制量ΔEU；调控虚拟励磁k/s，输出电压支撑量ΔE，实现电压支撑。
若上级电网发生电压跌落，混合型电力电子变压器在控制器的控制作用下改变输入级的输出电压幅值，从而其与上级电网之间交换的无功功率，通过发出无功功率来支撑配电网的电压稳定；同理若上级电网发生电压上升时，混合型电力电子变压器通过吸收无功功率支撑电网的电压稳定。
后级并网电流控制，通过结合所述混合型电力电子变压器并网拓扑结构和虚拟同步电机电气方程，对于得到的电流指令信号的跟踪采用准比例谐振控制器实现。
根据主电流拓扑结构，结合虚拟同步电机电气方程，并网电流指令信号iref为：
对并网电流给定值iref的跟踪通过采用准比例谐振控制器实现，控制器的传递函数如下所示：
上式中，Kp和Kr为准比例谐振控制器的比例系数和谐振系数；ωc为截止频率。从而通过瞬时电流i对并网电流iref跟踪控制获得混合型电力电子变换器整体调制信号upwma为如下表达式：
upwma＝Gpp(S)(i-iref)
对于并网电流给定值iref的跟踪通过采用准比例谐振控制器实现，同时将瞬时电流i与并网电流指令iref跟踪控制比较后获得输入级整体调制信号upwma。
如图5所示，电压外环电流内环双闭环电压稳定控制，通过采用同步参考结构比例积分控制，采集LC滤波环节的电容输出电流iC通过基于全通滤波器的垂直信号发生器产生一个虚拟的垂直信号，通过αβ/dq0变换得到基于d轴和q轴的信号，再对电流采用内环PI闭环控制，同时使用电容电压外环PI控制，电流内环控制实现对于电压稳定的控制。
电压稳定控制单相逆变H桥式电路的控制方法通过采用同步参考结构PI控制，引入一个虚拟的垂直信号，将单相系统转化为两相控制系统，通过αβ/dq0坐标变换得到参考电压信号，经过PI调节器得到参考电流与所检测到的输出电流作差，所得结果在经过逆变换得到PWM调制的输入，从而得到驱动全控型IGBT的控制信号。
单相H桥式逆变电路的差分模型如下：
上式中，u为控制变量。
在单相逆变桥电路中，为了得到全控型器件的驱动信号，采用基于全通滤波器APF的垂直信号发生器OSG来产生一个虚拟的垂直信号，逆变桥输出电压记为vα，经由一阶全通滤波器产生的虚拟垂直信号为vβ，则APF输入输出的传递函数如下式：
上式中，ωf为基础角频率。
通过采用同步参考模型来对输出电压进行实时控制，电流内环同时起到暂态和稳态控制，电压前馈路径提高了系统的鲁棒性。采集逆变桥输出电压v，通过基于APF的垂直信号发生器OSG产生两路信号，原输出电压为vα，虚拟垂直信号为vβ，将其进行αβ/dq0坐标变换得到d轴和q轴的电压信号vd和vq；将所得信号与参考信号和作差，经PI调节器得到d轴和q轴的参考电流信号和再经αβ/dq0坐标逆变换得到与所测得输出电流iC作差，所得结果经P调节器之后得到PWM发生器的输入得到该相驱动逆变桥IGBT的驱动信号。
采用电压外环电流内环的双闭环控制，电流环通过采集逆变桥流经LC滤波器上电容C的输出电流iC再与电压外环产生的参考电流作差,再采用P调节器实现闭环控制；当输出电压超出稳定范围或者发生故障时，静态开关动作，投入串并联背靠背变换器，对电压进行实时补偿。
本发明的基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，该混合型电力电子变压器不仅具有传统变压器电能传输、电压转换等基本功能，还能够通过对电能质量的检测，判断电力系统是否发生故障以及是否存需要及时治理从而动作开关投切电力电子器件进行相关电能质量治理的新功能。根据拓扑特征和三相交流电力系统的对称性，三相之间相互独立互不耦合，因此可以简化成对每相前后级变换器控制，通过频率调节、电压调节和电压补偿控制，实现对电能质量的有效治理。

Claims (9)

1.一种混合型电力电子变压器，其特征在于：包括多绕组变压器和三个单相电力电子串并联背靠背变换器；
所述多绕组变压器包括铁磁芯、一次侧绕组、二次侧主绕组和二次侧移相辅助绕组；
所述一次侧绕组为三角形连接，所述二次侧主绕组为星形连接，并由中性点处引出零线，所述二次侧移相辅助绕组为三角形连接；
所述一次侧绕组连接电网；
所述二次侧主绕组经由静态开关串联连接所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器输出侧后连接负载；
所述二次侧移相辅助绕组经由滤波器连接到所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器，其输出端经LC滤波器接到负载；
所述静态开关在故障时，将所述三个单相电力电子串并联背靠背变换器投切并网。
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：所述单相电力电子串并联背靠背变换器包括前级三相两电平全控整流桥、6个切换装置构成的三个切换桥、电容器，与所述至少一个切换桥并联连接、及后级逆变H桥；控制所述至少一个切换桥以控制所述混合型电力电子变压器在输入电压改变的情况下减少输出电压变化。
3.根据权利要求2所述的混合型电力电子变压器，其特征在于：所述前级三相两电平全控整流桥包含6个IBGT和6个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成三个桥臂，每个桥臂的中点与该相多绕组变压器的二次侧移相辅助绕组连接；所述前级三相两电平全控整流桥输出级与直流环节相连接。
4.根据权利要求2所述的混合型电力电子变压器，其特征在于：所述后级逆变H桥包含4个IGBT和4个反向并联二极管，每两个IGBT和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，构成两个桥臂，作为所述单相电力电子串并联背靠背变换器的输出端口。
5.一种基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，其特征在于：在虚拟同步机的基础上，建立有功、无功功率方程，前级实现有功调频、无功调压控制，后级实现并网电流控制及电压外环电流内环双闭环电压稳定控制。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，其特征在于：所述前级AC/DC有功-频率控制：根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC有功-频率控制，根据上级电网频率的波动情况，瞬时变化控制器提供功率缓冲ΔP使其能够保证负荷侧频率不变。
7.根据权利要求5所述的基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，其特征在于：所述前级AC/DC无功-电压控制：根据虚拟同步电机的机械方程、励磁方程建立前级AC/DC无功-电压控制，根据上级电网电压跌落情况，通过改变控制器输入级输出的电压幅值，从而改变上级电网与所述混合型电力电子变压器之间交换的无功功率。
8.根据权利要求5所述的基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，其特征在于：所述后级并网电流控制：通过结合所述混合型电力电子变压器并网拓扑结构和虚拟同步电机电气方程，对于得到的电流指令信号的跟踪采用准比例谐振控制器实现。
9.根据权利要求5所述的基于虚拟惯量的混合型电力电子变压器调频调压控制策略，其特征在于：所述电压外环电流内环双闭环电压稳定控制：通过采用同步参考结构比例积分控制，采集LC滤波环节的电容输出电流iC通过基于全通滤波器的垂直信号发生器产生一个虚拟的垂直信号，通过αβ/dq0变换得到基于d轴和q轴的信号，再对电流采用内环PI闭环控制，同时使用电容电压外环PI控制，电流内环控制实现对于电压稳定的控制。
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