CN111049183B - 一种分体式电力电子变压器结构及其柔性投切控制方法 - Google Patents

一种分体式电力电子变压器结构及其柔性投切控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分体式电力电子变压器结构，包括多个并联的电力电子变压器，每个电力电子变压器的输出侧均连接有开关装置，根据电力电子变压器的输出功率，柔性投切开关装置，控制并联电路上运行的电力电子变压器数量。同时公开了相应的柔性投切控制方法，可实现电力电子变压器的柔性投切。本发明采用多个并联的电力电子变压器，并联电路中的电力电子变压器数量根据输出功率自适应调整，解决低载情形下电力电子变压器效能低的劣势，实现全功率范围内的高效运行。

Description

一种分体式电力电子变压器结构及其柔性投切控制方法
技术领域
本发明涉及一种分体式电力电子变压器结构及其柔性投切控制方法，属于电力电子自动控制领域。
背景技术
电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)由电力电子变换器和高频隔离变压器组成，不仅具有传统变压器的电气隔离、功率传输的特性，还具备下述功能：1、具有新能源、储能、负荷的直流接入端口，可有效降低DC/AC、AC/DC等功率转换环节，降低设备投入和运行成本；2、具备潮流的双向、快速、精确调控，实现多配网间能量的智能互动；3、具备无功补偿、谐波抑制、故障隔离等辅助功能。PET集成了电气隔离、能量管理、信息管理等功能于一体，具有广阔的应用前景。
PET的推广应用主要制约条件为该设备运行的经济性。PET的损耗主要由两部分组成：1、固有损耗：包括半导体器件的开断损耗(主要由开关频率决定的)、高频变压器铁耗等组成；2、负载损耗：包括半导体器件的通态损耗、高频变铜耗、滤波电抗损耗等组成。PET在低载情形下，由于固有损耗的存在，运行效率较低。
发明内容
本发明提供了一种分体式电力电子变压器结构及其柔性投切控制方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种分体式电力电子变压器结构，包括多个并联的电力电子变压器，每个电力电子变压器的输出侧连接有开关装置，根据电力电子变压器的输出功率，柔性投切开关装置，控制并联电路上运行的电力电子变压器数量。
所有并联的电力电子变压器类型相同。
投切原则为，
响应于
Figure BDA0002335291120000021
投切开关装置，控制并联电路上一台电力电子变压器运行；
响应于
Figure BDA0002335291120000022
投切开关装置，控制并联电路上两台电力电子变压器运行；
响应于
Figure BDA0002335291120000023
投切开关装置，控制并联电路上N台电力电子变压器运行；
其中，Pall为总输出功率，Pall＝NP，P为单个电力电子变压器的输出功率，P0为电力电子变压器的固有损耗，β为损耗系数，N为电力电子变压器数量。
并联的电力电子变压器有两台，并且两台的类型不同。
投切原则为，
响应于
Figure BDA0002335291120000024
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1运行；
响应于
Figure BDA0002335291120000025
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器2运行；
响应于
Figure BDA0002335291120000026
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1和电力电子变压器2运行；
其中，P为单个电力电子变压器的输出功率，P01和P02分别为电力电子变压器1和电力电子变压器2的固有损耗，β1、β2均为损耗系数。
开关装置为断路器。
一种分体式电力电子变压器结构的柔性投切控制方法，包括，
单个电力电子变压器由不运动状态转为运动状态：
控制该电力电子变压器的高频隔离变压器以电压控制模式空载启动，响应于高频隔离变压器输出电压与直流母线电压一致，闭合输出侧开关装置；
单个电力电子变压器由运动状态转为不运动状态：
控制该电力电子变压器的输出侧输出功率为0，断开输出侧开关装置。
电力电子变压器的电力电子变换器并网运行，充当无功补偿装置，根据电网电压等状态量的分布，调控电力电子变换器的输出无功功率。
本发明所达到的有益效果：本发明采用多个并联的电力电子变压器，并联电路中的电力电子变压器数量根据输出功率自适应调整，解决轻载情形下电力电子变压器效能低的劣势，实现全功率范围内的高效运行。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为电力电子变压器电压控制模式框图；
图3为CHB的稳态等效电路示意图；
图4为变压器T型等效电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种分体式电力电子变压器结构，包括多个并联的电力电子变压器(PET)，每个PET的输出侧连接有开关装置，开关装置采用常见的断路器，根据电力电子变压器的输出功率，柔性投切开关装置，控制并联电路上运行的PET数量。
PET由电力电子变换器和高频隔离变压器组成，其中电力电子变换器为AC/DC整流变换器，高频隔离变压器为双有源桥变换电路(DAB,Dual Active Bridge)，两部分在拓扑结构和控制上相互独立的。PET的控制模式包括电压控制模式、电流控制模式。
为论述方便，以10kV交流/750V直流的PET为例：
如图2所述，PET电压控制模式框图，包含电压外环、电流内环两层控制，通过调控直流750V母线电压等于参考值V750ref而产生10kV交流输出电流环参考值idref。
交流输出电流控制则可以通过控制交流功率实现，具体实现方法如下：
基于瞬时无功功率理论和矢量控制理论，可以计算得到由交流系统向前级AC/DC变换器输入的有功功率和无功功率。图3为AC/DC变换器等效电路，idc为流出AC/DC变换器的直流电流，udc为直流电压，ipd与ipq分别为交流侧流入AC/DC变换器电流的dq轴分量，icd与icq分别为交流侧流入滤波电容电流的dq轴分量，isd与isq分别为流出交流系统总电流的dq轴分量，usd与usq分别为交流母线线电压的dq轴分量，Ps与Qs分别为由AC/DC变换器流向交流系统的有功功率和无功功率，设交流侧线电压相量
Figure BDA0002335291120000041
方向为d轴方向，则usd＝Us，usq＝0。Us为电网电压幅值。
由基尔霍夫定律可列写关于交流电流isd和isq的复数方程：
-jXC(icd+jicq)+jXL(isd+jisq)＝-(usd+jusq)＝-Us
icd+jicq+ipd+jipq＝isd+jisq
其中，XC、XL分别为滤波容抗、感抗。
联立上式，可得：
Figure BDA0002335291120000051
Figure BDA0002335291120000052
由此可以计算得到Ps、Qs、udc为：
Figure BDA0002335291120000053
Figure BDA0002335291120000054
Figure BDA0002335291120000055
因此可以通过控制10kV交流输出电流环参考值idref达到控制CHB直流侧输出恒定电压的技术效果，即后级DAB电路的输入电压恒定。
PET中的后级DAB作为隔离级，其原边将CHB输出直流电压信号变成高频方波信号，高频方波在高频变压器中作用到副边，之后在副边的一组相同的变换器(驱动信号也相同)作用下，将高频信号转换为直流信号，作为PET直流电压输出端口电压。因此，由于CHB输出直流电压恒定，即DAB输入电压恒定，从而可以控制DAB端口输出电压恒定。
因此，调控DAB直流输出750V母线电压等于参考值V750ref可以通过控制10kV交流输出电流环参考值idref实现。
电力电子变压器的耗损分析如下：
电力电子变换器部分的损耗包括开关损耗和通态损耗，而开关损耗可表示为：
Figure BDA0002335291120000061
其中，λ0、λ1、λ2为耗损洗漱，fSW为关频率，VN为半导体器件额定电压，Irms为电力电子变压器输出电流有效值。
通态损耗可表示为：
Figure BDA0002335291120000062
其中，VCE为半导体器件的导通压降，RT为其等效串联电阻。
电力电子变换器部分的损耗为：
Figure BDA0002335291120000063
为了计算高频隔离变压器的损耗，其T型等效电路如图4所示，图中RT1和LT1为一次侧绕组和漏感，R′T2和L′T2为二次侧折算到一次侧的绕组和漏感，RTm和LTm为励磁绕组和漏感。高频隔离变压器损耗主要分为铜耗和铁耗，由于励磁绕组较大，因此励磁电流较小，励磁绕组损耗忽略。
铜耗为：
Figure BDA0002335291120000064
其中，ILrms为流过高频隔离变压器的电流有效值。
基于Steinmetz公式的铁芯损耗(铁耗)为：
Figure BDA0002335291120000065
其中，ke、α、τ为与磁芯材料相关的系数，Bm为最大磁通密度，Ve为高频隔离变压器体积，fs为电网频率。
基于上述推导，可归纳出PET的损耗可由下式表述：
PS＝P0+αP+βP2
其中，P0为PET的固有损耗，P为单个PET输出功率；
则N个相同类型的单体PET并列运行后，总损耗为：
PS_all＝NP0+αNP+βNP2
定义分体式电力电子变压器结构的总输出功率Pall＝NP，则有：
Figure BDA0002335291120000071
通过上式可以看出总损耗由三部分组成，一阶损耗αPall与PET输出功率无关，不做讨论，零阶损耗NP0与运行PET台数成正比，二阶损耗
Figure BDA0002335291120000072
与运行PET台数成反比，而输出功率满足下述表达式时，N+1台PET的运行损耗大于N台：
Figure BDA0002335291120000073
由此可见，响应于所有并联的电力电子变压器类型相同，投切原则如下：
1)响应于
Figure BDA0002335291120000074
投切开关装置，控制并联电路上一台电力电子变压器运行；其中，β为损耗系数；
2)响应于
Figure BDA0002335291120000075
投切开关装置，控制并联电路上两台电力电子变压器运行；
3)响应于
Figure BDA0002335291120000076
投切开关装置，控制并联电路上N台电力电子变压器运行。
根据上述投切原则，在低载情形下仅投运部分电力电子变压器，电力电子变压器整体运行效率保持在最大效率点附近，实现了全功率范围内的高效运行。
若上述分体式电力电子变压器结构的并联电路为两台不同型号的PET并联构成，那么这两台PET的耗损可表示为：
Figure BDA0002335291120000081
其中，P01和P02分别为电力电子变压器1(PET1)和电力电子变压器2(PET2)的固有损耗，β1、β2均为电力电子变压器损耗系数。
因此，PET1和PET2的并列运行时，PET1、PET2的输出功率满足下述表达式时，系统运行损耗最低：
Figure BDA0002335291120000082
PET1和PET2的整体运行耗损为：
Figure BDA0002335291120000083
假设P01＞P02，则低功率段由PET1独立运行，当运行功率满足下述表达式时，切换至PET2独立运行：
Figure BDA0002335291120000084
当运行功率满足下述表达式时，由两台PET并列运行：
Figure BDA0002335291120000091
Figure BDA0002335291120000092
因此，响应于并联电路为两台不同类型的电力电子变压器并联，投切原则如下：
1)响应于
Figure BDA0002335291120000093
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1运行；
2)响应于
Figure BDA0002335291120000094
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器2运行；
3)响应于
Figure BDA0002335291120000095
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1和电力电子变压器2运行；
根据上述投切原则，在低载情形下仅投运部分电力电子变压器，电力电子变压器整体运行效率保持在最大效率点附近，实现了全功率范围内的高效运行。
上述结构采用多个并联的电力电子变压器，并联电路中的电力电子变压器数量根据输出功率自适应调整，解决低载情形下电力电子变压器效能低的劣势，实现全功率范围内的高效运行。
为了满足PET的高效运行，需要频繁切换断路器的状态，为降低投切成本，抑制频繁切换对系统的冲击，对上述分体式电力电子变压器结构采用柔性投切的控制方法，具体如下：
PET的电力电子变换器(即上文的AC/DC整流变换器)启动时间较久，因此实际运行中，对于非运行状态的PET，其AC/DC变换器一直保持并网状态；非运行状态PET的AC/DC变换器充当无功补偿装置，可根据交流电网电压等状态量的分布，实时调控AC/DC变换器的输出无功功率；非运行状态PET的高频隔离变压器(即上文的DAB)处于待机状态。
当单个电力电子变压器由不运动状态转为运动状态时，控制该电力电子变压器的高频隔离变压器以电压控制模式空载启动，响应于高频隔离变压器输出电压与直流母线电压一致，闭合输出侧开关装置。由于高频隔离变压器输出电压与直流母线电压一致，因此闭合后无冲击电流，即完成了零冲击的PET投运操作。
投切某PET时，该PET运行在功率控制模式，当单个电力电子变压器由运动状态转为不运动状态时，控制该电力电子变压器的输出侧输出功率为0，断开输出侧开关装置，通过平滑控制，可满足PET的零电流开断。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种分体式电力电子变压器结构，其特征在于：包括多个并联的电力电子变压器，每个电力电子变压器的输出侧连接有开关装置，根据电力电子变压器的输出功率，柔性投切开关装置，控制并联电路上运行的电力电子变压器数量；
若所有并联的电力电子变压器类型相同，投切原则为：
响应于
Figure FDA0003766561660000011
投切开关装置，控制并联电路上一台电力电子变压器运行；
响应于
Figure FDA0003766561660000012
投切开关装置，控制并联电路上两台电力电子变压器运行；
响应于
Figure FDA0003766561660000013
投切开关装置，控制并联电路上N台电力电子变压器运行；
其中，Pall为总输出功率，Pall＝NP，P为单个电力电子变压器的输出功率，P0为电力电子变压器的固有损耗，β为损耗系数，N为电力电子变压器数量。
2.根据权利要求1所述的一种分体式电力电子变压器结构，其特征在于：若并联的电力电子变压器有两台，并且两台的类型不同，投切原则为：
响应于
Figure FDA0003766561660000014
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1运行；
响应于
Figure FDA0003766561660000015
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器2运行；
响应于
Figure FDA0003766561660000021
投切开关装置，控制并联电路上电力电子变压器1和电力电子变压器2运行；
其中，P01和P02分别为电力电子变压器1和电力电子变压器2的固有损耗，β1、β2均为损耗系数。
3.根据权利要求1～2任意一项所述的一种分体式电力电子变压器结构，其特征在于：开关装置为断路器。
4.基于权利要求1所述的一种分体式电力电子变压器结构的柔性投切控制方法，其特征在于：包括，
单个电力电子变压器由不运动状态转为运动状态：
控制该电力电子变压器的高频隔离变压器以电压控制模式空载启动，响应于高频隔离变压器输出电压与直流母线电压一致，闭合输出侧开关装置；
单个电力电子变压器由运动状态转为不运动状态：
控制该电力电子变压器的输出侧输出功率为0，断开输出侧开关装置。
5.根据权利要求4所述的一种分体式电力电子变压器结构的柔性投切控制方法，其特征在于：电力电子变压器的电力电子变换器并网运行，充当无功补偿装置，根据电网电压的分布，调控电力电子变换器的输出无功功率。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106655794A (zh) * 2016-12-08 2017-05-10 国网智能电网研究院 一种电力电子变压器及其控制方法
CN109038691A (zh) * 2018-07-10 2018-12-18 东南大学 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

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106655794A (zh) * 2016-12-08 2017-05-10 国网智能电网研究院 一种电力电子变压器及其控制方法
CN109038691A (zh) * 2018-07-10 2018-12-18 东南大学 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

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