CN110098619A - 一种多端口电力电子交流变压器系统 - Google Patents

一种多端口电力电子交流变压器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多端口电力电子交流变压器系统，其为三相变压器系统，含有多个能量输入端口，输出为三相四线制，包括依次连接的电力调压变压器、电力电子变换器模块和控制器模块。本发明运用电力电子电路和变压器相结合，通过检测电力线路的实际电压，计算并在控制侧产生相应的可控交流补偿电压后经串联在电网中的隔离变压器反馈至输电线路中，实现电力输电线路的电压提升和电能质量改善等功能。本发明对发电量不稳定的新能源供电系统、负荷变化大和输电距离长的供电线路具有提高供电效率、延长供电半径、节省投资等优势。

Description

一种多端口电力电子交流变压器系统
技术领域
本发明涉及稀疏地区电网技术领域，具体涉及一种能够延长稀疏地区供电半径、提升电能质量、含分布式电源接入的多端口电力电子交流变压器系统。
背景技术
我国西部地区地域辽阔、人员密度低、用电稀疏。由于供电距离长，当10kV配电网线路超200km以上时，线路损耗高达30％且供电电压跌落50％以上。随着供电线路的延伸，为保证西部地区供电质量，需新建电站，建设投资大，经济效益差。西部地区的电力建设涉及国家民生，延长供电半径成为重要任务。
目前配电网主流的电压补偿方式主要包括两种：其一采用电容器串补装置。将多组电容器串联在输电线路中改变电压相位角来提高线路电压，但由于电容器自身的局限性，此方法补偿精度低且可靠性差，尤其是在气候复杂多变的西部地区，电容器寿命急剧缩短。此外，电网中的高次谐波同样会损坏电容器，一旦故障，会影响西部地区正常送电。其二采用特高压有载自耦变压器，用机械触点式开关改变变压器原边的匝数来调节电压。有载开关机械寿命有限，每2000次需更换变压器油，增加维护工作量，设备故障同样会影响送电。且对于稀疏地区的电网技术，电能补偿更加复杂化，既需要补偿线路分布的容性电流，又需要补偿用电端电压跌落问题。因此，采用投资较小，可靠性较高的新技术解决长距离稀疏地区供电线路的电能质量和延伸供电半径，对解决西部地区的投资大收效低的技术难题和民生问题具有重要的经济价值和社会意义。
发明内容
本发明针对已有技术的不足，提出了一种多端口电力电子交流变压器系统。通过此系统可实现电力输电线路的电压提升和电能质量部分改善等功能，且能量来源多端口，极大地提高了系统的冗余性和可靠性，是延长供电半径和电能质量要求较高场合的关键设备。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种多端口电力电子交流变压器系统，其为三相变压器系统，含有多个能量输入端口，输出为三相四线制，包括依次连接的电力调压变压器、电力电子变换器模块和控制器模块；
所述电力调压变压器，用于补偿电力线路的跌落电压，实现变磁通、无点触、连续的电压调节直至供电线路电压符合系统电压要求；
所述电力电子变换器模块，用于协调多端口能量输入并根据电压补偿需求，输出可控的交流电至电力调压变压器原边侧；
所述控制器模块，用于对电力电子变换器模块的各子模块进行控制。
所述电力调压变压器为补偿变压器，副边线圈串联在交流输电线路中，原边线圈接至逆变器的输出端。
所述电力电子变换器模块含多个能量接入端子，包括：风电接口变换器、光伏接口变换器、电网馈电接口变换器及逆变器；所述的风电接口变换器用于接入风力发电产生的交流电能，将其输入系统并经整流电路变换为可控直流电流源，为逆变器提供能量来源；所述光伏接口变换器用于接入光伏发电产生的直流电能，将其输入系统并经斩波电路变换为可控直流电流源，为逆变器提供能量来源；所述电网馈电接口变换器用于接入电网电压，输出可控直流电压源，为逆变器提供能量来源；所述逆变器用于输出可控的交流补偿电压至电力调压变压器的原边侧。
所述控制器模块包括：三相电压、电流信息处理单元，变压器电压补偿计算单元，电网馈电(接口)变换控制单元、光伏接口变换控制单元、风电接口变换控制单元、逆变器电压控制单元；所述三相电压、电流信息处理单元用于处理获取的交流电网的三相电压、电流信息；所述变压器电压补偿计算单元用于根据目标电压及采集的电网实际电压，计算出变压器应补偿电压及变压器原边侧应提供电压；所述电网馈电(接口)变换控制单元用于控制电网馈电接口变换器使其输出为可控电压源，且同时协调其他接入的能源；所述光伏接口变换控制单元采用综合PWM控制技术，用于对光伏接口变换器进行控制使其输出为可控电流源，且包含最大功率点跟踪控制技术；所述风电接口变换控制单元采用综合PWM控制技术，用于对风力发电进行控制使风电接口变换器输出为可控电流源，且包含最大功率点跟踪控制技术；所述逆变器电压控制单元用于根据目标补偿电压，采用SVPWM技术生成相应的IGBT门极驱动信号，控制逆变器输出目标电压波形至电力调压变压器原边侧。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性和技术进步：
1)本系统能补偿跌落电压，改善长距离稀疏供电系统的电能质量问题，有效降低了电网投资；系统设计了分布式新能源电源端口，能够灵活接入太阳能、风能等新能源，充分利用了西部地区日照充足、风力资源丰富的特点，可有效降低补偿成本，具有良好的经济性。
2)本系统调节回路与主回路分开，保证了系统安全运行。电压调节部分位于补偿变压器原边侧，调整时副边侧无断点，电压调节时无停电，可连续跳跃调节，安全可靠。多端口分布式电源的接入减少了系统对单一电网侧馈电能量来源的依赖程度，实现了交流侧能量路由，尤其是在输电条件恶劣的西部地区更不易受意外灾害或突发事件的影响，可靠性高。
3)本系统可安装于长距离稀疏供电配网线路的任何地点，并根据负荷容量的具体情况以及今后发展进行灵活配置与升级，具有较强的扩展性。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图。
图2为电力调压变压器连接关系示意图。
图3为本发明的系统能量接入侧拓扑示意图。
图4为本发明的风电变换器电路拓扑示意图。
图5为本发明的光伏变换器电路拓扑示意图。
图6为本发明的电网馈电变换器电路拓扑示意图。
图7为本发明的逆变补偿侧拓扑示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，以便于理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的优选实施例详述如下。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
参见附图1，本实施例为一种多端口电力电子交流变压器系统，其为三相变压器系统，含有多个能量输入端口，输出为三相四线制，包括依次连接的电力调压变压器1、电力电子变换器模块2和控制器模块3；所述电力调压变压器1，用于补偿电力线路的跌落电压，实现变磁通、无点触、连续的电压调节直至供电线路电压符合系统电压要求；所述电力电子变换器模块2，用于协调多端口能量输入并根据电压补偿需求，输出可控的交流电至电力调压变压器1原边侧；所述控制器模块3本实施例中为ARM PLC，用于对电力电子变换器模块2的各子模块进行控制。
参见附图2，所述电力调压变压器1为补偿变压器，匝数比k约为1：1(或1：2)。副边线圈11串联在三相交流输电线路中，原边线圈12采用Y形连接方式，引出的中性点接至输电线的零线(N)，A、B、C三个输入端子与电力电子变换器模块2中逆变器24的输出端子相接。
本系统设计了多个能量输入端口，主要通过电力电子变换器模块2的能量输入端子接入。本实施例中，电力电子变换器模块2中的电力电子变换电路主要采用全控型器件IGBT作为核心器件，所述电力电子变换器模块2，包括：风电接口变换器21、光伏接口变换器22、电网馈电接口变换器23及逆变器24；参见附图3，所述风电接口变换器21、光伏接口变换器22、电网馈电接口变换器23位于系统能量接入侧；所述的风电接口变换器21与风电输入端子相连接，用于接入分布式风力发电系统产生的交流电能，参见附图4，该交流电能输入本系统后经三相桥式全控整流电路整流，通过高精度的电流闭环控制策略综合考虑最大功率跟踪控制技术(MPPT)输出恒定电流，该风电接口变换器的输出可视为可控的直流电流源。所述的光伏接口变换器22与光伏输入端子相连接，用于接入分布式光伏发电产生的交流电能，参见附图5，该直流电能输入本系统后经BUCK电路斩波，通过高精度的电流闭环控制策略综合考虑最大功率点跟踪控制技术(MPPT)输出恒定电流，该光伏接口变换器的输出可视为可控的直流电流源。所述的电网馈电接口变换器23与电网能量输入端子相连接，用于接入电网电压，参见附图6，该交流电能输入系统后经三相桥式全控整流电路整流，通过高精度的电压闭环控制策略输出恒定电压，该电网馈电接口变换器的输出可视为可控的直流电压源。所述的风电接口变换器21、光伏接口变换器22输出的直流电流源与电网馈电接口变换器23输出的直流电压源并联，共同汇于电力电子变换器模块2内的直流母线上，为逆变器24提供能量来源。
参见附图7，所述逆变器24采用三相桥式拓扑，逆变器的直流侧与电力电子变换器模块2内的直流母线相连，逆变器的交流侧与电力调压变压器1原边侧相连。所述逆变器24的各IGBT器件根据逆变器控制单元输出的驱动控制信号开通或关断，输出可控的目标交流补偿电压波形至电力调压变压器1的原边侧，本实施例中采用电压源型逆变器。
所述控制器模块3包括：三相电压、电流信息处理单元31，变压器电压补偿计算单元32，电网馈电(接口)变换控制单元33、光伏接口变换控制单元34、风电接口变换控制单元35、逆变器电压控制单元36。所述三相电压、电流信息处理单元31与电压电流传感器端口相连，用于获取交流电网的三相电压、电流信息并进行处理。所述变压器电压补偿计算单元32用于根据目标电压及采集的电网实际电压Uabc，计算出线路需补偿的相应电压值以及原边侧需提供的补偿电压值U1＝kU2，其中k为变压器匝数比，本实施例中匝数比为：k＝1。所述逆变器电压控制单元36根据原边侧需提供补偿电压，采用SVPWM技术生成相应的IGBT门极驱动信号输入逆变器24，控制其输出目标电压波形至电力调压变压器1原边侧，输出的目标电压波形与补偿前电压同相位，但补偿后的电压幅值达到了目标电压幅值。所述风电接口变换控制单元35产生的IGBT驱动控制信号输入风电接口变换器21，对其进行可控整流，使其变换为可控的直流电流源。所述光伏接口变换控制单元34产生的IGBT驱动控制信号输入光伏接口变换器22，使其变换为可控的直流电流源且同时实现其最大功率点跟踪控制(MPPT)。所述电网馈电(接口)变换控制单元33用于控制电网馈电接口变换器23使其输出为可控电压源，且同时协调其他接入的能源。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (4)

1.一种多端口电力电子交流变压器系统，其为三相变压器系统，含有多个能量输入端口，输出为三相四线制，其特征在于，包括依次连接的电力调压变压器（1）、电力电子变换器模块（2）和控制器模块（3）；
所述电力调压变压器（1），用于补偿电力线路的跌落电压，实现变磁通、无点触、连续的电压调节直至供电线路电压符合系统电压要求；
所述电力电子变换器模块（2），用于协调多端口能量输入并根据电压补偿需求，输出可控的交流电至电力调压变压器（1）原边侧；
所述控制器模块（3），用于对电力电子变换器模块（2）的各子模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的多端口电力电子交流变压器系统，其特征在于，所述电力调压变压器（1）为补偿变压器，副边线圈（11）串联在交流输电线路中，原边线圈（12）接至逆变器（24）的输出端。
3.根据权利要求1所述的多端口电力电子交流变压器系统，其特征在于，所述电力电子变换器模块（2）含多个能量接入端子，包括：风电接口变换器（21）、光伏接口变换器（22）、电网馈电接口变换器（23）及逆变器（24）；所述的风电接口变换器（21）用于接入风力发电产生的交流电能，将其输入系统并经整流电路变换为可控直流电流源，为逆变器（24）提供能量来源；所述光伏接口变换器（22）用于接入光伏发电产生的直流电能，将其输入系统并经斩波电路变换为可控直流电流源，为逆变器（24）提供能量来源；所述电网馈电接口变换器（23）用于接入电网电压，输出可控直流电压源，为逆变器（24）提供能量来源；所述逆变器（24）用于输出可控的交流补偿电压至电力调压变压器（1）的原边侧。
4.根据权利要求1所述的多端口电力电子交流变压器系统，其特征在于，所述控制器模块（3）包括：三相电压、电流信息处理单元（31），变压器电压补偿计算单元（32），电网馈电/接口变换控制单元（33）、光伏接口变换控制单元（34）、风电接口变换控制单元（35）、逆变器电压控制单元（36）；所述三相电压、电流信息处理单元（31）用于处理获取的交流电网的三相电压、电流信息；所述变压器电压补偿计算单元（32）用于根据目标电压及采集的电网实际电压，计算出变压器应补偿电压及变压器原边侧应提供电压；所述电网馈电/接口变换控制单元（33）用于控制电网馈电接口变换器（23）使其输出为可控电压源，且同时协调其他接入的能源；所述光伏接口变换控制单元（34）采用综合PWM控制技术，用于对光伏接口变换器（22）进行控制使其输出为可控电流源，且包含最大功率点跟踪控制技术；所述风电接口变换控制单元（35）采用综合PWM控制技术，用于对风力发电进行控制使风电接口变换器（21）输出为可控电流源，且包含最大功率点跟踪控制技术；所述逆变器电压控制单元（36）用于根据目标补偿电压，采用SVPWM技术生成相应的IGBT门极驱动信号，控制逆变器（24）输出目标电压波形至电力调压变压器（1）原边侧。
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