CN110957927B - 一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑及其控制方法，所述自耦电力电子变压器包括6组桥臂电力变换模块组、原方接入支路和副方接入支路；所述6组桥臂电力变换模块组接入电力变换棱，原方接入支路接入原方棱，形成原方Y接，副方接入支路接入副方棱，形成副方Y接。本发明实现原副方频率解耦控制，即原副方可以工作在不同频率下，同时可实现交流电压调节功能，具有结构简单、原副方有功和无功功率可控性强、频率适应性强、效率高等特点。

Description

一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑及其控制方法

技术领域

本发明涉及频自耦电力电子变压器控制领域，具体涉及一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑及其控制方法。

背景技术

传统电力变压器承担电压变换和功率输送等作用，广泛应用在电力系统中。传统电力变压器具有效率高、经济性好、可靠性高、结构简单等特点，但是存在明显缺点，如空载损耗大、输送功率不可控、电能质量不可控、交流电频率不可调和调压困难等。例如，中国台湾地区电网额定频率为60Hz，而中国大陆则为50Hz，传统电力变压器无法实现闽台电力系统互联互通，须采取变频措施；由于南方电网和国家电网辖区内电力系统是同频交流异步的超大规模电力系统，所以闽粤电力系统交流同步联网困难。

随着电力电子技术发展，目前柔性直流输电、直流背靠背输电、电力电子变压器等可实现变频的技术可以解决传统电力变压器存在的问题，并已经在电网中应用。但是，以上技术方案存在电力变换环节复杂、控制系统繁杂问题，多级电力变换还造成系统损耗较大问题。有学者提出了一种自耦电力电子变压器，虽然可以一定程度上解决效率低、有功和无功可控性差等问题，但无法满足原副方频率和电压幅值灵活适应的要求。

目前，尚未有适用于高压变频输电系统、高压变频电机控制领域的变频自耦电力电子变压器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑及其控制方法，解决了自耦电力变压器可控性差和灵活性差的问题，解决了现有自耦电力电子变压器的无法满足原副方频率和电压幅值灵活适应的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑，其所述拓扑包括12条棱和8个顶点；所述12条棱中包括3条原方棱、6条电力变换棱和3条副方棱，8个顶点中包括2个中性点和6个端接点。

进一步的，所述自耦电力电子变压器包括6组桥臂电力变换模块组、原方接入支路和副方接入支路；所述6组桥臂电力变换模块组接入电力变换棱，原方接入支路接入原方棱，形成原方Y接，副方接入支路接入副方棱，形成副方Y接。

进一步的，所述桥臂电力变换模块组由桥臂电抗器和N个H桥变换器模块串联形成。

一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1:根据新型自耦电力电子变压器电路拓扑，建立新型变频自耦电力电子变压器三相数学模型；

步骤S2:进行原副方三相频率解耦；

步骤S3:采用等功率变换，将三相静止坐标系变换成同步旋转坐标系dq0的频率解耦的电压和电流关系；

步骤S4:根据得到的电压和电流关系，建立新型变频自耦电力电子变压器频率解耦的前馈解耦控制策略；

步骤S5:构建基于频率解耦的前馈解耦控制策略的控制框图，如图5所示；

步骤S6:设计新型变频自耦电力电子变压器控制流程，控制流程如图6所示。

进一步的，所述步骤S1具体为：附图4是本实施例中一种新型变频自耦电力电子变压器的电路示意图，图中箭头为电压和电流的正方向，电压和电流满足如下关系：

i_pa+i_pb+i_pc＝i_sa+i_sb+i_sc＝0 (2.5)。

上式中，u_pa、u_pb、u_pc和u_sa、u_sb、u_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电压(正方向是指向所在三相的中性点)，i_pa、i_pb、i_pc和i_sa、i_sb、i_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电流(正方向同所在支路三相电压)，i₁、i₃、i₅分别是流经桥臂电力变换模块组1、桥臂电力变换模块组3和桥臂电力变换模块组5的电流(正方向是由原方指向副方)，i₂、i₄、i₆分别是流经桥臂电力变换模块组2、桥臂电力变换模块组4和桥臂电力变换模块组5的电流(正方向是由副方指向原方)，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆分别是第1-6桥臂电力变换模块组中的串联N个H桥变换器模块逆变形成的电压(正方向与所在桥臂电力变换模块组电流正方向一致)，u_NO是原副方中性点电压差，R和L分别是桥臂电抗器等效电阻和电感。

进一步的，所述步骤S2具体为：原方和副方电压和电流频率互不关联，所以根据公式(2.1)和(2.2)原方和副方电压和电流的工作频率分别定义为原方频率和副方频率，下标分别为fp和fs；原副方三相频率解耦得到：

进一步的，所述步骤S3具体为：原方和副方的坐标变换矩阵C_p和C_s分别为：

式中

ω_p和ω_s分别是原副方交流角频率，

和

分别是原副方交流初相位；

基于公式(2.6)和(2.7)推导dq0坐标系下频率解耦的电压和电流关系，如下式所示：

上式中：

不考虑0序分量，变频自耦电力电子变压器频率解耦的双dq数学模型描述为：

其频率解耦的电压和电流存在如下式的等式关系：

基于公式(2.3)和(2.4)推导dq0坐标系下的频率解耦的电流关系，如下式所示：

上式中：

不考虑0序分量，求解上式(2.15)和(2.16)，并要求原副方电流不含对侧的频率分量，得到：

进一步的，所述步骤S4具体为：建立新型变频自耦电力电子变压器频率解耦的前馈解耦控制策略，则

的控制方程为：

将式(2.12)和(2.13)带入(2.18)和(2.19)，得到：

上式(2.20)和(2.21)表明，基于频率解耦的前馈解耦控制策略实现原副方三相电流内环解耦控制。

进一步的，所述步骤S5具体为：根据式(2.18)和(2.19)设计频率解耦的前馈解耦控制策略的控制框图，控制框图如图5所示。

进一步的，所述步骤S6具体为：

步骤S61:确定原副方控制模式,原副方确定其中一侧为直流电容电压稳定控制模式，另一侧设置为恒功率控制模式；

步骤S62：获取直流电容电压与标准值的偏差，得到原方有功功率控制指令值i_pd-fp ^*；并设定原方无功功率控制指令值i_pq-fp ^*；

步骤S63：设定副方有功和无功功率控制指令值i_sd-fs ^*和i_sq-fs ^*；

步骤S64：利用上述指令值结果，根据公式(2.17)计算桥臂电流控制指令值i_xd-fp ^*、i_xq-fp ^*、i_yd-fp ^*、i_yq-fp ^*以及指令值i_xd-fs ^*、i_xq-fs ^*、i_yd-fs ^*、i_yq-fs ^*；

步骤S65：采用前馈解耦控制，得到桥臂电压控制指令值

合成得到u_xd、u_xq、u_yd、u_yq，进而得到桥臂控制参考值[u₁ ^* u₃ ^* u₅ ^*]和[u₂ ^* u₄ ^* u₆ ^*]。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明解决了自耦电力变压器可控性差和灵活性差的问题；

2、本发明解决了现有自耦电力电子变压器的无法满足原副方频率和电压幅值灵活适应的问题，同时本发明所述的变频自耦电力电子变压器具有结构简单、原副方有功和无功功率可控性强、频率和电压幅值适应性强、效率高等特点，适用于高压电力系统，特别是高压变频输电系统、高压变频电机控制系统。

附图说明

图1是本发明一实施例中交交变换器电路拓扑；

图2是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑；

图3是本发明一实施例中桥臂电力变换模块组；

图4是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器的电路示意图；

图5是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器的控制框图；

图6是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器的控制流程；

图7是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器的应用示意图；

图8是本发明一实施例中新型变频自耦电力电子变压器的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种交交变换器电路拓扑，该拓扑包括12条棱(100、200、300)、8个顶点(400、500、600)；12条棱中包括3条原方棱(100)、6条电力变换棱(200)和3条副方棱(300)，8个顶点中包括2个中性点(400和600)和6个端接点(500)。

本实施例中，一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑，包括6组桥臂电力变换模块组(210)、原方接入支路(110)和副方接入支路(310)，如附图2所示。

其中6组桥臂电力变换模块组(210)接入电力变换棱(200)，原方接入支路(110)接入原方棱(100)，形成原方Y接，副方接入支路(310)接入副方棱(300)，形成副方Y接，如附图2所示；

其中桥臂电力变换模块组(210)包括桥臂电抗器(211)、N个H桥变换器模块(212)，如附图3所示。桥臂电抗器(211)和N个H桥变换器模块(212)串联形成桥臂电力变换模块组(210)；桥臂电抗器(211)和N个H桥变换器模块(212)。

本实施例中，提供一种上述新型变频自耦电力电子变压器的数学模型及控制模型，本发明所述的数学模型及控制模型的构建步骤如S1～步骤S6所示，

步骤S1：建立新型变频自耦电力电子变压器三相数学模型。

附图4是本实施例中一种新型变频自耦电力电子变压器的电路示意图，图中箭头为电压和电流的正方向。该系统为三相对称系统，电压和电流满足如下关系：

i_pa+i_pb+i_pc＝i_sa+i_sb+i_sc＝0 (2.5)

上式中，u_pa、u_pb、u_pc和u_sa、u_sb、u_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电压(正方向是指向所在三相的中性点)，i_pa、i_pb、i_pc和i_sa、i_sb、i_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电流(正方向同所在支路三相电压)，i₁、i₃、i₅分别是流经桥臂电力变换模块组1、桥臂电力变换模块组3和桥臂电力变换模块组5的电流(正方向是由原方指向副方)，i₂、i₄、i₆分别是流经桥臂电力变换模块组2、桥臂电力变换模块组4和桥臂电力变换模块组5的电流(正方向是由副方指向原方)，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆分别是第1-6桥臂电力变换模块组中的串联N个H桥变换器模块逆变形成的电压(正方向与所在桥臂电力变换模块组电流正方向一致)，u_NO是原副方中性点电压差，R和L分别是桥臂电抗器等效电阻和电感。

步骤S2：原副方三相频率解耦。

在变频自耦电力电子变压器一般工况下，原方(Primary Side)和副方(SecondarySide)电压和电流频率互不关联，所以根据公式(2.1)和(2.2)原方和副方电压和电流的工作频率分别定义为原方频率和副方频率，下标分别为fp和fs；原副方三相频率解耦得到：

步骤S3：采用等功率变换，将三相静止坐标系变换成同步旋转坐标系dq0的频率解耦的电压和电流关系。

原方和副方的坐标变换矩阵C_p和C_s分别为：

式中

ω_p和ω_s分别是原副方交流角频率，

和

分别是原副方交流初相位。

基于公式(2.6)和(2.7)推导dq0坐标系下频率解耦的电压和电流关系，如下式所示：

上式中：

暂不考虑0序分量，变频自耦电力电子变压器频率解耦的双dq数学模型可描述为：

其频率解耦的电压和电流存在如下式的等式关系：

基于公式(2.3)和(2.4)推导dq0坐标系下的频率解耦的电流关系，如下式所示：

上式中：

暂不考虑0序分量，求解上式(2.15)和(2.16)，并要求原副方电流不含对侧的频率分量，得到：

步骤S4：建立新型变频自耦电力电子变压器频率解耦的前馈解耦控制策略，则

的控制方程为：

将式(2.12)和(2.13)带入(2.18)和(2.19)，得到：

上式(2.20)和(2.21)表明，基于频率解耦的前馈解耦控制策略可实现原副方三相电流内环解耦控制。

步骤S5：根据式(2.18)和(2.19)设计频率解耦的前馈解耦控制策略的控制框图，控制框图如图5所示。该控制策略可实现变压器原副方有功功率、无功功率解耦控制，亦可实现原副方频率解耦控制。

步骤S6：设计新型变频自耦电力电子变压器的控制流程，如步骤S61～步骤S65所示，如附图6所示。

步骤S61：确定原副方控制模式。为保证H桥变换器模块(212)直流电容电压保持在额定，原副方需要确定其中一侧为直流电容电压稳定控制模式，另一侧可设置为恒功率控制模式。以“原方设置为直流电容电压稳定控制模式，副方设置为恒功率控制模式”为例。

步骤S62：获取直流电容电压与标准值的偏差，得到原方有功功率控制指令值i_pd-fp ^*；并设定原方无功功率控制指令值i_pq-fp ^*。

步骤S63：设定副方有功和无功功率控制指令值i_sd-fs ^*和i_sq-fs ^*。

步骤S64：利用上述指令值结果，根据公式(2.17)计算桥臂电流控制指令值i_xd-fp ^*、i_xq-fp ^*、i_yd-fp ^*、i_yq-fp ^*以及指令值i_xd-fs ^*、i_xq-fs ^*、i_yd-fs ^*、i_yq-fs ^*。

步骤S65：采用前馈解耦控制，得到桥臂电压控制指令值

合成得到u_xd、u_xq、u_yd、u_yq，进而得到桥臂控制参考值[u₁ ^* u₃ ^* u₅ ^*]和[u₂ ^* u₄ ^* u₆ ^*]。

在本实施例中，为了验证本实施例中变频自耦电力电子变压器及其控制方法的正确性，构建了变频自耦电力电子变压器仿真模型。变频自耦电力电子变压器拓扑如附图4所示；接入系统的方式如附图7中(a)所示。附图7中(a)为应用于高压变频输电，原方(700)为三相交流电网，副方(900)为三相交流输电网，本发明所述电力电子变压器(800)连接原方和副方电网；附图7中(b)为应用于高压变频电机控制，原方(700)为三相交流电网，副方接三相交流电机(1000)，电机可是电动机亦可为发电机，本实施例所述电力电子变压器(800)连接原方三相电网和副方三相电机。

仿真设计变频自耦变压器的额定功率15kW，原方交流系统额定电压有效值960V/50Hz，副方交流系统额定电压有效值220V/100Hz，工况为由原方向副方送额定功率的有功功率、两侧均为单位功率因数运行。仿真结果如附图8中(a)和(b)所示。结果表明，本专利提出的变频自耦电力电子变压器及其控制方法，可实现本专利所述电力电子变压器的原副方有功和无功功率独立可控、原副方频率和电压幅值独立适应等功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，所述新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑包括12条棱和8个顶点；所述12条棱中包括3条原方棱、6条电力变换棱和3条副方棱，8个顶点中包括2个中性点和6个端接点，所述自耦电力电子变压器包括6组桥臂电力变换模块组、原方接入支路和副方接入支路；所述6组桥臂电力变换模块组接入电力变换棱，原方接入支路接入原方棱，形成原方Y接，副方接入支路接入副方棱，形成副方Y接；所述桥臂电力变换模块组由桥臂电抗器和N个H桥变换器模块串联形成；

具体包括以下步骤：

步骤S1：根据新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑，建立新型变频自耦电力电子变压器三相数学模型；

步骤S2：对自耦电力电子变压器原方和副方进行三相频率解耦；

步骤S3：采用等功率变换，将三相静止坐标系变换成同步旋转坐标系dq0下的频率解耦的电压和电流关系；

步骤S4：根据得到的电压和电流关系，建立新型变频自耦电力电子变压器频率解耦的前馈解耦控制策略；

步骤S5：构建基于频率解耦的前馈解耦控制策略的控制框图；

步骤S6：根据得到的控制框图，对新型变频自耦电力电子变压器进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：所述新型变频自耦电力电子变压器的电压和电流满足如下关系：

i_pa+i_pb+i_pc＝i_sa+i_sb+i_sc＝0 (2.5)

上式中，u_pa、u_pb、u_pc和u_sa、u_sb、u_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电压，i_pa、i_pb、i_pc和i_sa、i_sb、i_sc分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电流，i₁、i₃、i₅分别是流经桥臂电力变换模块组1、桥臂电力变换模块组3和桥臂电力变换模块组5的电流，i₂、i₄、i₆分别是流经桥臂电力变换模块组2、桥臂电力变换模块组4和桥臂电力变换模块组6的电流，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅、u₆分别是桥臂电力变换模块组1-6中的串联N个H桥变换器模块逆变形成的电压，u_NO是原方和副方中性点电压差，R和L分别是桥臂电抗器等效电阻和电感。

3.根据权利要求2所述的一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：原方电压、原方电流、副方电压、副方电流频率互不关联，所以根据公式(2.1)和(2.2)原方电压、原方电流、副方电压、副方电流的工作频率分别定义为原方频率和副方频率，下标分别为fp和fs；原方和副方三相频率解耦得到：

4.根据权利要求3所述的一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：原方和副方的坐标变换矩阵C_p和C_s分别为：

式中

ω_p和ω_s分别是原方和副方交流角频率，

和

分别是原方和副方交流初相位；

基于公式(2.6)和(2.7)推导同步旋转坐标系dq0下频率解耦的电压和电流关系，如下式所示：

上式中，u_pd、u_pq、u_p0和u_sd、u_sq、u_s0分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电压在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量，i_xd、i_xq、i_x0分别是流经桥臂电力变换模块组1、桥臂电力变换模块组3和桥臂电力变换模块组5的电流在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量，i_yd、i_yq、i_y0分别是流经桥臂电力变换模块组2、桥臂电力变换模块组4和桥臂电力变换模块组6的电流在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量；u_xd、u_xq、u_x0分别是桥臂电力变换模块组1、桥臂电力变换模块组3和桥臂电力变换模块组5中的串联N个H桥变换器模块逆变形成的电压在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量，u_yd、u_yq、u_y0分别是桥臂电力变换模块组2、桥臂电力变换模块组4和桥臂电力变换模块组6中的串联N个H桥变换器模块逆变形成的电压在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量；u_NO-fp和u_NO-fs是原方和副方中性点电压差在原方和副方同步旋转坐标系dq0下的0轴分量；

上式中：

不考虑0序分量，变频自耦电力电子变压器频率解耦的双dq数学模型描述为：

上式中，p为微分算子；

其频率解耦的电压和电流存在如下式的等式关系：

基于公式(2.3)和(2.4)推导同步旋转坐标系dq0下的频率解耦的电流关系，如下式所示：

上式中，i_pd、i_pq、i_p0和i_sd、i_sq、i_s0分别是自耦电力电子变压器原方和副方三相电流在同步旋转坐标系dq0下的d轴、q轴和0轴分量

不考虑0序分量，求解上式(2.15)和(2.16)，并要求原方电流和副方电流不含对侧的频率分量，得到：

5.根据权利要求4所述的一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

建立新型变频自耦电力电子变压器频率解耦的前馈解耦控制策略，则

的控制方程为：

上式中，s为拉普拉斯变换的数学符号，位于分母上的s表示此项为PI控制器经过拉普拉斯变换得到的传递函数的积分环节，K_P、K_I分别为该前馈解耦控制策略中的PI控制器传递函数的比例和积分环节的参数值；i_xd-fp ^*、i_xq-fp ^*、i_yd-fp ^*、i_yq-fp ^*、i_xd-fs ^*、i_xq-fs ^*、i_yd-fs ^*、i_yq-fs ^*分别为i_xd-fp、i_xq-fp、i_yd-fp、i_yq-fp、i_xd-fs、i_xq-fs、i_yd-fs、i_yq-fs的桥臂电流控制指令值，由原方有功功率控制指令值i_pd-fp ^*、原方无功功率控制指令值i_pq-fp ^*、副方有功控制指令值i_sd-fs ^*、副方无功功率控制指令值i_sq-fs ^*通过公式(2.17)计算得到；

将式(2.12)和(2.13)带入(2.18)和(2.19)，得到：

上式(2.20)和(2.21)表明，基于频率解耦的前馈解耦控制策略实现原方和副方三相电流内环解耦控制。

6.根据权利要求5所述的一种新型变频自耦电力电子变压器电路拓扑的控制方法，其特征在于，其所述步骤S6的控制流程具体为：

步骤S61：确定原方和副方控制模式，确定其中一侧为直流电容电压稳定控制模式，另一侧设置为恒功率控制模式；

步骤S62：获取直流电容电压与标准值的偏差，得到原方有功功率控制指令值i_pd-fp ^*；并设定原方无功功率控制指令值i_pq-fp ^*；

步骤S63：设定副方有功控制指令值i_sd-fs ^*和副方无功功率控制指令值i_sq-fs ^*；

步骤S64：利用步骤S62和步骤S63的指令值结果，根据公式(2.17)计算桥臂电流控制指令值i_xd-fp ^*、i_xq-fp ^*、i_yd-fp ^*、i_yq-fp ^*、i_xd-fs ^*、i_xq-fs ^*、i_yd-fs ^*、i_yq-fs ^*；

步骤S65：采用前馈解耦控制策略，得到桥臂电压控制指令值

合成得到u_xd、u_xq、u_yd、u_yq，进而得到桥臂控制参考值[u₁ ^* u₃ ^*u₅ ^*]和[u₂ ^* u₄ ^* u₆ ^*]。

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