CN110391661B - 微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法 - Google Patents

微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法 Download PDF

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CN110391661B CN201910524692.2A CN201910524692A CN110391661B CN 110391661 B CN110391661 B CN 110391661B CN 201910524692 A CN201910524692 A CN 201910524692A CN 110391661 B CN110391661 B CN 110391661B
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    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load

Abstract

本发明属于交直流混合微电网与配电网技术领域，具体为微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法，解决了交直流微电网与配电网间，由于串联环节电压的快速输出导致的串联补偿变压器直流偏磁问题，该方法首先实时采集配电网电压幅值，然后判断是否发生电压跌落，是则记录α和电压跌落深度，然后计算得到补偿电压首半周期幅值及输出补偿电压，直到电压跌落消失。本发明实现了在电网单相电压跌落和三相电压跌落两种故障情形下串联补偿变压器直流偏磁的抑制，保证了串联环节的正常运行，有效保障了交流母线所挂负载的正常运行以及电力电子器件的安全，提高了交直流HMG对配电网电压跌落的故障穿越能力同时提高了交流母线的供电质量。

Description

微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法
技术领域
本发明属于交直流混合微电网与配电网技术领域，具体为微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法。
背景技术
交直流混合微电网(hybrid micro-grid,HMG)通常有两种运行模式：并网模式和孤岛模式。当运行于并网模式时，交直流HMG与配电网直接相连，配电网为交直流HMG的交流母线提供电压支撑。当配电网侧出现电压跌落时，HMG的交流母线电压也会发生相应的变化，必然会影响到交流母线所挂负载的正常运行，并威胁到电力电子器件的安全。为提高交直流HMG对配电网电压跌落的故障穿越能力同时提高交流母线的供电质量，在交直流HMG的交流母线和配电网之间加入串联环节。
图1所示为含串联环节的交直流HMG的架构图。串联环节的直流侧接于交直流HMG直流母线上，因此直流母线可用来缓冲需求的能量；交流侧通过串联补偿变压器串联在HMG交流母线和配电网之间。主电压源型变流器(the master voltage source converter，VSCM)将此HMG的交流子网和直流子网连接起来。HMG的交流子网的电压等级为380V，直流子网的电压等级为750V。
串联环节的具体拓扑结构如图2所示。引入串联环节是目前解决电网电压瞬时跌落的有效手段，它可以等效为一个串联在交直流HMG和配电网之间的受控电压源。在电网电压正常时，串联环节工作在待机状态，监测电网电压但逆变器不输出电压。当电网电压发生跌落时，串联环节立即切换到补偿状态，在几毫秒之内向系统输出补偿电压，使负载上的电压和相位保持恒定不变，因此能够有效的保护负载正常运行而不受到电网电压跌落的影响。
从图2中可以看出串联环节主要由直流母线、从电压源型变流器(the slavevoltage source converter，VSCs)、LC低通滤波器和串联补偿变压器(the seriescompensation transformer，SCT)组成。该拓扑中，由于串联环节对响应速度要求很高，电压的快速输出往往会导致串联补偿变压器直流偏磁，影响了串联补偿变压器铁芯的磁滞曲线，严重时引起串联补偿变压器磁饱和，导致励磁涌流过大而影响串联环节的正常运行。因此在配电网侧电压闪变时，如何有效实现串联补偿变压器的偏磁抑制已成为该系统的首要问题。
目前，国内外均着手于变压器的结构设计，即采用减小变压器铁芯的最大磁通密度、增大铁芯截面的方法，降低变压器铁芯的额定工作点、增大饱和裕度，以保证即使发生直流偏磁铁芯也会不过度饱和。这种方法简单直接，便于实现，但会造成铁芯截面过大，一方面使得有效材料消耗极大，另一方面是变压器运行时，铁损增加、经济性下降。加上制造成本高、体积及重量庞大、不便运输等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于解决交直流微电网与配电网间，由于串联环节电压的快速输出导致的串联补偿变压器直流偏磁问题，而现有技术着手于串联补偿变压器的结构设计，这种方法会造成铁芯截面过大，一方面使得有效材料消耗极大，另一方面是变压器运行时，铁损增加、经济性下降。故本发明提供了微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法，这种方法是通过控制串联环节输出电压首半周期幅值，进而实现对交直流HMG与配电网间串联补偿变压器直流偏磁进行抑制的。
本发明解决其技术问题的技术方案是：微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法，包括以下步骤：
S1：实时检测并采集配电网侧三相电压，根据三相电压实时记录配电网侧三相电压幅值；
S2：判断配电网侧三相电压幅值是否发生跌落，若没有发生跌落，则串联环节处于待机状态；若配电网侧三相电压幅值发生了跌落，则串联环节处于补偿状态，进一步判断配电网侧是否发生单相电压跌落，若为单相电压跌落，则记录投入角α的值以及电压跌落深度，所述投入角α为单相电压跌落瞬间的相角；若为三相电压跌落，则分别记录三相电压的投入角αA、αB、αC的值与电压跌落深度，然后比较三相电压的投入角αA、αB、αC的值，取最接近0的三相电压的投入角为投入角α的值；
S3：根据投入角α的大小，计算串联环节输出的补偿电压首半周期幅值
Figure BDA0002097805670000021
确定串联补偿变压器的输出补偿电压幅值：
(1)当0＜α＜π时，串联补偿变压器磁链表达式为
Figure BDA0002097805670000031
式中
Figure BDA0002097805670000032
Figure BDA0002097805670000033
Figure BDA0002097805670000034
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证：
φSCT＝-φmax  (5)
式中
Figure BDA0002097805670000035
为所选串联补偿变压器的稳态磁通最大值；
由式(5)即能求得当0＜α＜π时
Figure BDA0002097805670000036
的值；则串联环节在时间区间
Figure BDA0002097805670000037
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure BDA0002097805670000038
内输出补偿电压幅值为
Figure BDA0002097805670000039
在时间区间
Figure BDA00020978056700000310
内输出补偿电压幅值为Um；
2)当π＜α＜2π时，采用前述抑制策略的串联补偿变压器磁链表达式为
Figure BDA00020978056700000311
式中
Figure BDA00020978056700000312
Figure BDA0002097805670000041
Figure BDA0002097805670000042
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证
φSCT＝φm  (10)
由式(10)即能求得当π＜α＜2π时
Figure BDA0002097805670000043
的值；则串联环节在时间区间
Figure BDA0002097805670000044
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure BDA0002097805670000045
内输出补偿电压幅值为
Figure BDA0002097805670000046
在时间区间
Figure BDA0002097805670000047
内输出补偿电压幅值为Um；式(2)、(3)、(4)、(7)、(8)、(9)中N1为串联补偿变压器原边绕组匝数；Um为串联环节未加入直流偏磁抑制控制时应输出的补偿电压幅值，串联环节通过电压跌落深度计算得到Um；
S4：判断配电网侧三相电压跌落是否消失，若未消失，则串联环节根据步骤S3中所处时间区间输出相应的补偿电压幅值，直到配电网侧三相电压幅值跌落消失。
本发明的有益效果是：本发明摒弃了增大变压器铁芯截面的方法，减少了有效材料的消耗，降低了变压器运行的铁损，提高了经济性；同时，减少了变压器的制造成本、体积及重量，解决了不便运输等一系列问题；相对于传统方法，本发明充分利用了串联补偿变压器的磁链裕量，通过投入角和电压跌落深度计算得到相应的串联环节输出电压首半周期幅值，实现了在电网单相电压跌落和三相电压跌落两种故障情形下串联补偿变压器直流偏磁的抑制，保证了串联环节的正常运行，有效保障了交流母线所挂负载的正常运行以及电力电子器件的安全，提高了交直流HMG对配电网电压跌落的故障穿越能力同时提高了交流母线的供电质量。
附图说明
图1为本发明所述的含串联环节的交直流混合微电网的架构图。
图2为本发明所述的串联环节的电路结构图。
图3为本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法的流程图。
图4为本发明所述的含串联环节的交直流HMG系统发生单相(A相)电压跌落时的电压波形图(无控制)。
图5为本发明所述的含串联环节的交直流HMG系统A相负载电压波形图(有控制)。
图6为本发明所述的含串联环节的交直流HMG系统A相负载电压波形图(无控制)。
图7为本发明所述的含串联环节的A相串联环节输出的补偿电压波形图(有控制)。
图8为本发明所述的含串联环节的A相串联环节输出的补偿电压波形图(无控制)。
图9为本发明所述的串联环节的A相串联补偿变压器磁链曲线图(无控制)。
图10为本发明所述的串联环节的A相串联补偿变压器磁链曲线图(有控制)。
图11为本发明所述的含串联环节的交直流HMG系统发生三相电压跌落时的电压波形图(无控制)。
图12为本发明所述的串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的三相电压波形图(有控制)。
图13为本发明所述的串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的三相电压波形图(无控制)。
图14为本发明所述的串联环节输出三相补偿电压波形图(有控制)。
图15为本发明所述的串联环节输出三相补偿电压波形图(未控制)。
图16为本发明所述的电网三相电压跌落A相串联补偿变压器磁链曲线(无控制)。
图17为本发明所述的电网三相电压跌落A相串联补偿变压器磁链曲线(有控制)。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
参见附图1-图17，现对本发明提供的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法进行说明。
微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法，具体如图3所示，包括以下步骤：
S1：实时检测并采集配电网侧三相电压，根据三相电压实时记录配电网侧三相电压幅值；
S2：判断配电网侧三相电压幅值是否发生跌落，若没有发生跌落，则串联环节处于待机状态；若配电网侧三相电压幅值发生了跌落，则串联环节处于补偿状态，进一步判断配电网侧是否发生单相电压跌落，若为单相电压跌落，则记录投入角α的值以及电压跌落深度，所述投入角α为单相电压跌落瞬间的相角；若为三相电压跌落，则分别记录三相电压的投入角αA、αB、αC的值与电压跌落深度，然后比较三相电压的投入角αA、αB、αC的值，取最接近0的三相电压的投入角为投入角α的值；本发明所述方法适用于单相电压跌落和三相电压对称跌落，故当为三相电压跌落时，三相电压跌落深度是相同的；
S3：根据投入角α的大小，计算串联环节输出的补偿电压首半周期幅值
Figure BDA0002097805670000061
确定串联补偿变压器的输出补偿电压幅值：
(1)当0＜α＜π时，串联补偿变压器磁链表达式为
Figure BDA0002097805670000062
式中
Figure BDA0002097805670000063
Figure BDA0002097805670000064
Figure BDA0002097805670000071
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证：
φSCT＝-φmax  (5)
式中
Figure BDA0002097805670000072
为所选串联补偿变压器的稳态磁通最大值；
由式(5)即能求得当0＜α＜π时
Figure BDA0002097805670000073
的值；则串联环节在时间区间
Figure BDA0002097805670000074
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure BDA0002097805670000075
内输出补偿电压幅值为
Figure BDA0002097805670000076
在时间区间
Figure BDA0002097805670000077
内输出补偿电压幅值为Um；
2)当π＜α＜2π时，采用前述抑制策略的串联补偿变压器磁链表达式为
Figure BDA0002097805670000078
式中
Figure BDA0002097805670000079
Figure BDA00020978056700000710
Figure BDA00020978056700000711
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证
φSCT＝φm  (10)
由式(10)即能求得当π＜α＜2π时
Figure BDA00020978056700000712
的值；则串联环节在时间区间
Figure BDA0002097805670000081
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure BDA0002097805670000082
内输出补偿电压幅值为
Figure BDA0002097805670000083
在时间区间
Figure BDA0002097805670000084
内输出补偿电压幅值为Um；式(2)、(3)、(4)、(7)、(8)、(9)中N1为串联补偿变压器原边绕组匝数；Um为串联环节未加入直流偏磁抑制控制时应输出的补偿电压幅值，串联环节通过电压跌落深度计算得到Um；
S4：判断配电网侧三相电压跌落是否消失，若未消失，则串联环节根据步骤S3中所处时间区间输出相应的补偿电压幅值，直到配电网侧三相电压幅值跌落消失。
本发明所述微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法的流程图具体如图3所示，为根据电压跌落时的相角及电压跌落深度，计算并控制串联环节输出补偿电压首半周期幅值
Figure BDA0002097805670000085
进而实现对串联补偿变压器铁芯磁通的控制。
为了实现对本发明所述微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法进行实时仿真及观测，通过Simplorer、Matlab、Maxwell三个软件搭建了含串联环节的交直流HMG全系统模型进行联合仿真，对本发明所述方法进行验证。其中，在Simplorer中搭建系统主电路模型，具体如图1所示；在Matlab中搭建串联环节电压补偿及串联补偿变压器直流偏磁抑制控制模块，在Maxwell中设计合适的串联补偿变压器模型。仿真条件如下：串联补偿变压器为1:1隔离变压器，0.1s时刻电网发生单相/三相电压跌落，跌落深度为0.5pu，0.2s电压恢复正常。
当没有在串联环节引入本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法控制时，若配电网侧出现单相电压跌落，含串联环节的交直流HMG系统配电网A相电压波形具体为图4所示，电压跌落时刻为0.1s，跌落持续时间0.1s，跌落深度50％。
在串联环节引入本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法控制后，含串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的A相电压波形如图5所示，在0.1s-0.11s内，交流母线所挂负载的A相电压并未立刻补偿至正常状态，而是小于其正常状态(所述正常状态即为串联环节没有引入本发明所述直流偏磁抑制方法)下的值，正常状态下的串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的A相电压波形如图6所示；A相串联环节输出的补偿电压波形如图7所示，在0.1s-0.11s内，A相串联环节输出的补偿电压通过本发明所述方法计算得到，由图7可得其值小于未加入直流偏磁抑制控制时A相串联环节应输出的补偿电压幅值，而未加入直流偏磁抑制控制时A相串联环节应输出的补偿电压幅值如图8所示，通过图7和图8对比，说明加入本发明所述控制方法之后串联补偿变压器的铁芯饱和(即直流偏磁)得到了有效抑制。
当没有在串联环节引入本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法控制时，若配电网侧出现电压跌落，串联环节的A相串联补偿变压器磁链曲线如图9所示，通过图9能够看出含串联环节的交直流HMG系统中串联补偿变压器的直流偏磁使得磁链幅值达到了额定值的2倍，若在此状态下运行，必定会引起铁芯饱和，导致励磁涌流，进而影响串联环节及整个系统的正常工作；当加入控制模块后即引入了本发明所述控制方法后，直流偏磁得到了有效的抑制如图10所示，则通过本发明所述方法避免了串联补偿变压器铁芯饱和及由此可能产生的励磁涌流，保证了串联环节及整个系统的正常工作。
当没有在串联环节引入本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法控制时，若配电网侧出现三相电压跌落，则含串联环节的交直流HMG系统中配电网三相电压波形如图11所示，电压跌落时刻为0.1s，持续时间0.1s，跌落深度50％。
当串联环节引入本发明所述的微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法控制时，含串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的三相电压波形如图12所示，由图12可得，在0.1s-0.11s内，交流母线所挂负载的三相负载电压并未立刻补偿至正常状态，而是小于其正常状态(所述正常状态即串联环节没有引入本发明所述抑制方法控制时的)下的值，则在正常状态下含串联环节的交直流HMG系统的交流母线所挂负载的三相电压波形图如图13可得；串联环节输出三相补偿电压波形如图14所示，由图14可得在0.1s-0.11s内，三相串联环节输出补偿电压通过本发明所述发法计算得到，其值小于未加入直流偏磁抑制控制时三相串联环节应输出的补偿电压幅值，未加入直流偏磁抑制控制时三相串联环节应输出的补偿电压幅值如图15所示。
若配电网侧出现三相电压跌落，设三相电压中A相投入角αA最接近0，所以选择αA为投入角α的值；A相串联补偿变压器磁链曲线如图16所示，含串联环节的交直流HMG系统中串联补偿变压器的直流偏磁使得磁链幅值达到了额定值的2倍，若在此状态下运行，将会引起铁芯饱和，导致励磁涌流，进而影响串联环节及整个系统的正常工作；当加入控制模块后，效果如图17所示，直流偏磁得到了有效的抑制，故可得通过本发明所述控制方法避免了串联补偿变压器铁芯饱和及由此可能产生的励磁涌流，保证了串联环节及整个系统的正常工作；通过图15能更为直观的对比出在加入控制模块后，串联补偿变压器的铁芯饱和(即直流偏磁)得到了有效抑制。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.微电网与配电网间串联补偿变压器直流偏磁抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：实时检测并采集配电网侧三相电压，根据三相电压实时记录配电网侧三相电压幅值；
S2：判断配电网侧三相电压幅值是否发生跌落，若没有发生跌落，则串联环节处于待机状态；若配电网侧三相电压幅值发生了跌落，则串联环节处于补偿状态，进一步判断配电网侧是否发生单相电压跌落，若为单相电压跌落，则记录投入角α的值以及电压跌落深度，所述投入角α为单相电压跌落瞬间的相角；若为三相电压跌落，则分别记录三相电压的投入角αA、βB、βC的值与电压跌落深度，然后比较三相电压的投入角βA、βB、αC的值，取最接近0的三相电压的投入角为投入角α的值；
S3：根据投入角α的大小，计算串联环节输出的补偿电压首半周期幅值
Figure FDA0004104434100000011
确定串联补偿变压器的输出补偿电压幅值：
(1)当0<α<π时，串联补偿变压器磁链表达式为
Figure FDA0004104434100000012
式中
Figure FDA0004104434100000013
Figure FDA0004104434100000014
Figure FDA0004104434100000015
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证：
φSCT＝-φmax                 (5)
式中
Figure FDA0004104434100000016
为所选串联补偿变压器的稳态磁通最大值；
由式(5)即能求得当0<α<π时
Figure FDA0004104434100000017
的值；则串联环节在时间区间
Figure FDA0004104434100000018
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure FDA0004104434100000019
内输出补偿电压幅值为
Figure FDA00041044341000000110
在时间区间
Figure FDA00041044341000000111
内输出补偿电压幅值为Um；
2)当π<α<2π时，串联补偿变压器磁链表达式为
Figure FDA0004104434100000021
式中
Figure FDA0004104434100000022
Figure FDA0004104434100000023
Figure FDA0004104434100000024
为抑制直流偏磁现象的出现，需保证
φSCT＝φm                    (10)
由式(10)即能求得当π<α<2π时
Figure FDA0004104434100000025
的值；则串联环节在时间区间
Figure FDA0004104434100000026
内输出补偿电压幅值为Um，在时间区间
Figure FDA0004104434100000027
内输出补偿电压幅值为
Figure FDA0004104434100000028
在时间区间
Figure FDA0004104434100000029
内输出补偿电压幅值为Um；式(2)、(3)、(4)、(7)、(8)、(9)中N1为串联补偿变压器原边绕组匝数；Um为串联环节未加入直流偏磁抑制控制时应输出的补偿电压幅值，串联环节通过电压跌落深度计算得到Um；
S4：判断配电网侧三相电压跌落是否消失，若未消失，则串联环节根据步骤S3中所处时间区间输出相应的补偿电压幅值，直到配电网侧三相电压幅值跌落消失。
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