CN112234839B - 一种混合式配电变压器及其上电软启动方法 - Google Patents

一种混合式配电变压器及其上电软启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种混合式配电变压器及其上电软启动方法，该混合式配电变压器包括三相三绕组主变压器、三相隔离变压器、背靠背变流器与控制电路；三相三绕组主变压器一次侧接入电网侧，其二次侧为接入负载侧，第三绕组为控制绕组，与并联变流器相连接；三相隔离变压器的二次侧绕组与串联变流器连接，网侧绕组与三相三绕组主变压器一次侧绕组串联，串联变流器和并联变流器通过背靠背中间有直流母线的方式进行连接；该方法包括：变流器母线上电的控制、限流电阻的切除以及三相隔离变压器切换开关装置的开关控制。本发明解决了混合式配电变压器启动时对电力电子装置和母线电容上产生的冲击电流问题，使得混合式配电变压器和电力电子设备启动时更加安全可靠。

Description

一种混合式配电变压器及其上电软启动方法
技术领域
本发明属于变压器技术领域，特别涉及一种混合式配电变压器及其上电软启动方法。
背景技术
配电网是电力系统最末层级，直接与用户进行功率输送，因此其体量大，同时配电网也是较为复杂的电力网络，其一方面连接着输变电系统，影响着电网的电能质量，另一方面也接连接着大量的用户，关系到用户的供电情况，而配电变压器是不可或缺的部件。其次，电网存在大量的非线性负载，使得谐波污染、电能质量问题日益严重，随着智能电网概念的提出及发展，仅具有电压等级变换和电能传输功能的普通配电变压器已经不能满足电网对于配电变压器的需求，研究对具有主动控制和管理能力的配电变压器具有重大意义。
混合式配电变压器集成了传统的配电变压器和电力电子器件，得益于PWM变流器强大的可控性，其不仅保留了传统配电变压器的高可靠性和高效率的优点，还具有一系列新的功能，如配电网功率因数校正、谐波抑制、无功补偿、不对称控制和电网侧电流和负载电压的对称正弦控制、还有交流/直流电源等。但由于混合式配电变压器启动时具有的冲击电流以及电力电子设备的加入使启动时变得复杂，因此可靠的启动方法对保证设备的安全投入、切除和安全运行具有重要意义。
经检索，目前与软启动相关的文献已载有许多，但多为电机等电力装置的启动方式，暂无混合式配电变压器软启动的相关专利技术方案，混合式配电变压器具体特殊的拓扑结构，其启动方法需要特定的顺序与方式，已有软启动方案与无法适用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合式配电变压器及其上电软启动方法，以解决上述问题。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种混合式配电变压器，该混合式配电变压器包括三相三绕组主变压器、三相隔离变压器、背靠背变流器与控制电路；其中，三相三绕组主变压器一次侧接入电网侧，其二次侧为接入负载侧，第三绕组为控制绕组，与并联变流器相连接；三相隔离变压器的二次侧绕组与串联变流器连接，网侧绕组与三相三绕组主变压器一次侧绕组串联，串联变流器和并联变流器通过背靠背中间有直流母线的方式进行连接；
三相隔离变压器的切换开关装置是由可控开关管进行控制并联在隔离变压器绕组的一次侧，并由同一个开关信号进行控制；
控制电路的控制器以DSP芯片为控制器核心，采集板有霍尔电压电流传感器用于测量一次侧电流与二次侧负载电压，并由电流信号调理电路，电压信号调理电路进行调理进入控制芯片进行数据处理，后级驱动电路以背靠背变流器两个三相全桥逆变进行输出，由DSP产生的PWM信号控制背靠背变流器的IGBT与控制开关的工作。
本发明进一步的改进在于，背靠背变流器由串联变流、并联变流器和中间共用的直流母线电容组成，在公共直流母线电容上串联有限流电阻，继电器切除装置并联在限流电阻两端，由控制板进行控制适时切除，串联变流器、并联变流器的IGBT由DSP为核心的控制电路板发出调制信号进行控制。
一种混合式配电变压器的上电软启动方法，该方法基于所述的一种混合式配电变压器，依次包括：变流器母线上电的控制、限流电阻的切除以及三相隔离变压器切换开关装置的开关控制。
本发明进一步的改进在于，变流器母线上电的控制包括两个阶段，预充电阶段与可控整流充电；预充电阶段混合式配电变压器进行供电未工作初始状态时开关组K处于导通状态，即三相隔离变压器未接入电路；接通开关组S进行预充电，三相三绕组主变压器三次侧接入并联变流器进行不控整流对母线电容缓慢充电；可控整流充电阶段，经电压传感器测量母线电压达到不控整流设定值时，给定值与当前母线电容电压值还有较大差距，较大的电压差会导致控制器产生的开关充电信号产生较大的冲击电流；此时采用两种方式进行限流：a.硬件上继续保有限流电阻进行电流限流；b.软件程序上进行多种策略控制可控充电，具体策略为在整个未到达额定值的充电阶段采用如下公式的积分分离式PI控制器，
Figure BDA0002712814920000031
其中，KI为PI控制器的积分系数，δ为输入信号与参考值的误差，hup和hdown是误差的上限与下限；
同时对充电电流采用基于开关阈值的分段输出；
Figure BDA0002712814920000032
其中UO为限制值的开关值，Ilim2略高于Ilim1，ΔuD为当前电压值与设定值的误差，即电容器充电当母线电压UDC上升到接近额定时，速度比之前更快。
本发明进一步的改进在于，限流电阻的切除，当系统为可控整流状态时，母线上的充电电流会明显增高，出现过电流的情况，使用限流电阻R进行限流；传感器采集检测母线电压，如果达到预设值，由霍尔电压传感器及调理电路输入信号到DSP控制芯片，判断输出由控制器发出信号控制切除开关KR切除限流电阻。
本发明进一步的改进在于，三相隔离变压器切换开关装置的开关控制，背靠背变流器母线电容CDC电压达到设定值并稳定时，投入三相隔离变压器工作回路电压进行负载电压的补偿；由控制器给出驱动信号驱动晶闸管处于阻断状态；三相隔离变压器进行建压，并由控制器开始进行PWM补偿信号的调制，进行二次绕组侧电压的补偿。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种混合式配电变压器，作为一种新型的配电变压器，在保留了传统配电变压器的高可靠性和高效率的优点的基础上，加入了电力电子装置，这使得变压器的控制功能更加的丰富和完善。电力电子的加入带来的是一系列新的功能，如配电网功率因数校正、谐波抑制、无功补偿、不对称控制和电网侧电流和负载电压的对称正弦控制、还有交流/直流电源等。
本发明提供的一种混合式配电变压器的上电软启动方法，解决了混合式配电变压器启动时对于电力电子装置和母线电容上产生的冲击电流问题，也使得混合式配电变压器和电力电子设备启动时更加安全可靠，本发明为混合式配电变压器的安全投入、切除和安全运行提出了可靠地启动方法。
附图说明
图1是本发明涉及到的一种混合式配电变压器的基本结构示意图。
图2是本发明涉及到的一种混合式配电变压器中背靠背变流器结构及控制电路示意图。
图3是本发明涉及到的一种混合式配电变压器系统软启动流程图。
图中：T1-三相三绕组主变压器，T2-三相隔离变压器，S-网侧并网开关组，K-隔离变压器切换开关装置，SL负载开关组，Con1-并联变流器，Con2-串联变流器，CDC-母线电容，KR-限流电阻开关，R-限流电阻。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种混合式配电变压器，该混合式配电变压器包括三相三绕组主变压器T1和三相隔离变压器T2，网侧并网开关组S(开关Sa、Sb、Sc)和K(Ka、Kb、Kc)、背靠背变流器和控制电路。其中，三项三绕组主变压器T1一次侧接入电网输入电压，二次侧接入负载侧，第三绕组为控制绕组并与背靠背变流器中并联变流器Con1连接。三相隔离变压器T2的二次侧绕组与背靠背变流器中的串联变流器Con2连接，网侧绕组与三相三绕组主变压器一次侧绕组串联。串并联变流器通过中间有直流母线CDC的结构进行连接。
所述隔离变压器切换开关装置两端并联在三相隔离变压器T2的一次侧绕组上，并由同一个开关信号进行控制。
进一步的，控制电路其特征在于控制器以DSP芯片为控制器核心，采集板由霍尔电压电流传感器测量三相三绕组主变压器一次侧电流与二次侧负载电压，并由电流信号调理电路，电压信号调理电路进行调理进入控制芯片进行数据处理。后级驱动电路以背靠背变流器的三相全桥逆变进行输出，由DSP产生的PWM信号控制背靠背变流器的IGBT与隔离变压器切换开关装置中的晶闸管工作。
进一步的，其背靠背变流器结构如图2所示，母线电容CDC串接有限流电阻R1与其切除开关装置KR，由控制电路控制信号进行适时切除。
本发明提供的一种混合式配电变压器上电软启动方法，包括：变流器母线上电的控制、限流电阻的切除、隔离变压器切换开关装置的开关控制。该方法具体步骤如下：
(1)预充电阶段，混合式配电变压器进行供电未工作初始状态时图1中的开关组K处于导通状态，即三相隔离变压器一次侧未接入电路。接通开关组S进行预充电，此时三相三绕组主变压器三次侧接入并联变流器Con1进行不控整流对母线电容缓慢充电为预充电阶段。
(2)可控整流充电，经电压传感器测量经不控整流的母线电压达到设定电压值时，给定值与当前母线电容电压值还有较大差距，较大的电压差会导致控制器产生的开关充电信号产生较大的冲击电流。此时采用两种方式进行限流：
a.硬件上继续保有限流电阻进行电流限流；
b.软件程序上进行多种策略控制可控充电。
首先，在整个未到达额定值的充电阶段采用如下公式的积分分离式PI控制器，
Figure BDA0002712814920000061
其中，KI为PI控制器的积分系数，δ为输入信号与参考值的误差，hup和hdown是误差的上限与下限。
另外为了改善启动过程，对充电电流采用基于开关阈值的分段输出。
Figure BDA0002712814920000062
其中UO为限制值的开关值，Ilim2略高于Ilim1，ΔuD为当前电压值与设定值的误差，即电容器充电当母线电压UDC上升到接近额定时，速度要比之前更快。
整个可控整流充电阶段信号使用主控板程序处理调制后，输出PWM信号控制背靠背变流器中的并联变流器三相全桥IGBT驱动电路工作，进行可控整流充电并同时开始进行一次侧电流的补偿。控制框图如图所示。
(3)限流电阻切除阶段。当系统为可控整流状态时，母线上的充电电流会明显增高，出现过电流的情况，使用限流电阻R进行限流。母线电压达到预设值，由霍尔电压传感器及调理电路输入信号到DSP控制芯片，再由控制器发出信号控制切除开关KR切除限流电阻R。
(4)三相隔离变压器投运阶段。背靠背变流器母线电容CDC电压达到设定值并稳定时，投入三相隔离变压器工作回路电压进行负载电压的补偿。由控制器给出驱动信号驱动晶闸管处于阻断状态。三相隔离变压器进行建压，并由控制器开始进行PWM补偿信号的调制，进行二次绕组侧电压的补偿。
(5)负载合闸阶段。上述阶段完毕后，闭合负载开关组SL将负载进行投运，混合式配电变压器启动阶段整体完成。
实例中所述的混合式配电变压器的软启动方法没有限制性，附图中所示只是本发明的实施方式一致，实际结构不局限于此。

Claims (3)

1.一种混合式配电变压器的上电软启动方法，其特征在于，该方法基于一种混合式配电变压器，该混合式配电变压器包括三相三绕组主变压器、三相隔离变压器、背靠背变流器与控制电路；其中，三相三绕组主变压器一次侧接入电网侧，其二次侧为接入负载侧，第三绕组为控制绕组，与并联变流器相连接；三相隔离变压器的二次侧绕组与串联变流器连接，网侧绕组与三相三绕组主变压器一次侧绕组串联，串联变流器和并联变流器通过背靠背中间有直流母线的方式进行连接；三相隔离变压器的切换开关装置是由可控开关管进行控制并联在隔离变压器绕组的一次侧，并由同一个开关信号进行控制；控制电路的控制器以DSP芯片为控制器核心，采集板有霍尔电压电流传感器用于测量一次侧电流与二次侧负载电压，并由电流信号调理电路，电压信号调理电路进行调理进入控制芯片进行数据处理，后级驱动电路以背靠背变流器两个三相全桥逆变进行输出，由DSP产生的PWM信号控制背靠背变流器的IGBT与控制开关的工作；背靠背变流器由串联变流、并联变流器和中间共用的直流母线电容组成，在公共直流母线电容上串联有限流电阻，继电器切除装置并联在限流电阻两端，由控制板进行控制适时切除，串联变流器、并联变流器的IGBT由DSP为核心的控制电路板发出调制信号进行控制；
该方法依次包括：变流器母线上电的控制、限流电阻的切除以及三相隔离变压器切换开关装置的开关控制；
变流器母线上电的控制包括两个阶段，预充电阶段与可控整流充电；预充电阶段混合式配电变压器进行供电，工作初始状态时三相隔离变压器切换开关装置处于导通状态，三相隔离变压器未接入电路；接通网侧并网开关组进行预充电，三相三绕组主变压器第三绕组接入并联变流器进行不控整流对母线电容缓慢充电；可控整流充电阶段，经电压传感器测量母线电压达到不控整流设定值时，给定值与当前母线电容电压值还有差距，电压差会导致控制器产生的开关充电信号产生较大的冲击电流；此时采用两种方式进行限流：a.硬件上继续保有限流电阻进行电流限流；b.软件程序上采用控制策略进行可控充电，具体策略为在整个未到达额定值的充电阶段采用如下公式的积分分离式PI控制器，
Figure FDA0003338028690000021
其中，KI为PI控制器的积分系数，δ为输入信号与参考值的误差，hup和hdown是误差的上限与下限；
同时对充电电流采用基于开关阈值的分段输出；
Figure FDA0003338028690000022
其中Ilim是电流极限阈值，Uo为直流母线电压偏差阈值，ΔuD为当前电压值与设定值的误差，电容器充电当母线电压UDC上升到接近额定时，速度比之前更快。
2.根据权利要求1所述的一种混合式配电变压器的上电软启动方法，其特征在于，限流电阻的切除，当系统为可控整流状态时，母线上的充电电流会明显增高，出现过电流的情况，使用限流电阻R进行限流；传感器采集检测母线电压，如果达到预设值，由霍尔电压传感器及调理电路输入信号到DSP控制芯片，判断输出由控制器发出信号控制切除位于直流母线上的限流电阻开关以切除限流电阻。
3.根据权利要求2所述的一种混合式配电变压器的上电软启动方法，其特征在于，三相隔离变压器切换开关装置的开关控制，背靠背变流器母线电容CDC电压达到设定值并稳定时，投入三相隔离变压器工作回路电压进行负载电压的补偿；由控制器给出驱动信号驱动串联变流器的晶闸管处于阻断状态；三相隔离变压器进行建压，并由控制器开始进行PWM补偿信号的调制，进行二次绕组侧电压的补偿。
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