CN113472218A - 一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域的一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法。第一高压绕组N1接配电网高压母线；中压绕组N2引出用户侧馈线；第一低压绕组N3通过第一三相变流器引出C1电容作为高压直流母线，C1电容通过第一双向DC/DC变换器引出C2电容作为低压直流母线，C2电容通过第二三相变流器接第二高压绕组N4；第二低压绕组N5与S开关并联，与中压绕组N2串联以补偿负载电压；光伏功率Ppv经第二双向DC/DC变换器接入高压直流母线，储能功率Pbatt直接接入低压直流母线。本发明降低了逆变器的工作电压和容量，提高了运行可靠性；该结构无需PET中高频变压器，减少了开关数量，简化了结构，降低了成本和损耗。

Description

一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法
技术领域
本发明涉及电力系统柔性交流输配电和电力电子技术领域，尤其涉及一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法。
背景技术
农村、山区等偏远地区配电网放射状供电，潮流单向流动，居民居住地分散，线路供电半径较大，低压线路阻抗比过高，导致末端负荷供电电压过低现象时有发生，且农忙和春节返乡期间愈发明显。近年来，随着新能源发电在各级电网渗透率的逐渐提高，分布式光伏也因其投资小、安装简便、配置灵活等优势，作为偏远农村地区供电电源的补充形式日益普及，且随着发电规模的逐渐增大，也给原有的农村配电网带来了新的高电压问题。
在传统配电网中，电能从变电站10kV母线经输电线路输送至农村居民负荷附近，后经配电变压器降压至380V后传输至用户。因电流流经线路阻抗所产生的电压降落，导致电源电压沿输电线路从10kV母线至用户逐渐降低，到输电线路末端用户时达到供电电压最低值，严重时将引发线路末端用户的低电压问题。当分布式光伏经过并网逆变器由末端用户接入时，末端用户如果能将光伏出力就地消纳，则配电线路潮流方向保持不变；反之，如果用户侧不能完全消纳光伏所发出的功率，光伏出力倒送，引起潮流反向流动，线路压降反向，导致电源电压沿输电线路从10kV母线至光伏接入点逐渐升高，电压在光伏接入点达到最高值，进而引发线路末端高电压问题，对光伏接入点周围居民用电设备的安全造成了极大的威胁。
上述现象会随着居民用电习惯及光伏出力特性而交替发生。当白天光伏因光照充足出力较大时，用户因外出务工导致用电负荷较低，光伏出力无法就地消纳从而发生功率倒送，进而引发高电压问题；到夜间，光伏因无太阳光照无法出力，而用户在家集中用电导致负荷增加，线路压降增大进而引发低电压问题；上述问题在农忙和春节返乡等特殊时期显得更加明显。
为解决上述问题，目前采用的技术措施主要有使用电压无功控制(VQC)系统、调节变压器分接头、优化现有电网结构(减小供电半径)、更换供电导线、在线路末端安装动态无功补偿装置等。其中，使用VQC和调节变压器分接头来保证10kV线路母线电压维持正常水平，虽能保证线路首端电压正常，但当供电线路线路过长时，末端电压仍难以有效控制；通过优化电网结构(减小供电半径)和更换供电导线是解决低电压问题的根本手段，但在面对负荷分散、供电半径长且用户众多的农村配电网时，需要投入大量资金，经济性差；在线路末端安装动态无功补偿系统虽然能在一定程度上解决低电压问题，但受供电线路通流能力及阻抗等因素制约限制了该技术的应用场景。此外，上述技术措施对由于分布式电源接入引发的配电网高电压问题均没有理想的治理效果。
电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是一种基于电力电子技术的交直流配电网变压设备，因其具有良好的可控性，如功率流控制、无功控制、终端电压电流控制等，而广泛用于连接中压系统和低压系统，但受限于目前电力电子开关器件(IGBT等)的耐压限制，导致PET结构复杂，开关器件数量众多，投资成本高，运行稳定性差，难以实现大规模工程应用。混合电力电子变压器(Hybrid Transformer，HT)则是利用传统变压器结构简单、造价低、可靠性强、容易维护的优势进行交流高低压变换，在低压侧利用电力电子变换器控制性强的特点实现交直流变换、功率控制以及电能质量治理等功能，为各种交直流电源及负荷提供系统接入的电力电子装置。由于混合电力电子变压器中的电力电子变换器集成于变压器低压绕组，并通过电力变压器提供交流功率接口降低了电力电子换流器需要流过的功率，从而降低了对电力电子换流器的工作电压及容量要求，减少了设备成本，提高了装置的技术实现难度及运行可靠性，从而给低压配电网的分布式能源以及储能设备接入提供了一种新的途径。
发明内容
本发明的目的是提出一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法。
一种混合电力电子变压器，其特征在于，包括三绕组变压器、第一三相变流器、第二三相变流器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、串联变压器和S开关；
所述三绕组变压器包括第一高压绕组N1、中压绕组N2和第一低压绕组N3；所述第一三相变流器包括T1、T3、T5、T2、T4和T6六个开关；所述第二三相变流器包括T7、T9、T11、T8、T10、T12六个开关；所述第一双向DC/DC变换器包括T13、T14两个开关和L1电感；所述第二双向DC/DC变换器包括T15、T16两个开关和L2电感；所述串联变压器包括第二高压绕组N4和第二低压绕组N5；
所述第一高压绕组N1接配电网高压母线；所述中压绕组N2引出用户侧馈线；所述第一低压绕组N3通过第一三相变流器引出C1电容作为高压直流母线，C1电容通过第一双向DC/DC变换器引出C2电容作为低压直流母线，C1电容通过第二双向DC/DC变换器引出C3电容作为直流输出母线，C2电容通过第二三相变流器接第二高压绕组N4；所述第二低压绕组N5与S开关并联，与中压绕组N2串联以补偿负载电压；光伏功率Ppv由直流输出母线经第二双向DC/DC变换器接入高压直流母线，储能电池的储能功率Pbatt直接接入低压直流母线。
Tx(x＝1,2,…,16)开关为一个IGBT与一个续流二极管反并联。
一种混合电力电子变压器的储能和补偿电压的方法，其特征在于，不需补偿负载电压时，S开关处于闭合状态，第二三相变流器和串联变压器不工作，第一三相变流器运行于逆变工况，第一双向DC/DC变换器控制低压直流母线的C2电容的电压随储能电池电压波动；若储能电池需要充电，光伏功率Ppv通过第二双向DC/DC变换器再到第一双向DC/DC变换器向储能电池充电，剩余功率通过第一三相变流器并网；若串联变压器和光伏功率Ppv不足以供给负载，则储能电池通过第一双向DC/DC变换器再到第一三相变流器为负载提供功率；
需要补偿负载电压时，S开关处于断开状态，第二三相变流器运行于逆变工况；针对高压侧电网产生的高、低电压和电压波动，第二三相变流器根据低压直流母线的C2电容的电压输出补偿电压，并通过串联变压器输出至用户侧馈线，混合电力电子变压器的其余部分与不需补偿负载电压时的工作状态相同。
本发明的有益效果在于：
1、通过变压器绕组降低了逆变器的工作电压和工作容量要求，减少了装置的投资成本，提高了装置的运行可靠性；
2、该结构无需PET中的中高频变压器部分，减少了开关器件数量，简化了系统结构，降低了设备成本和损耗；
3、该结构通过非隔离式半桥DC/DC变换器引出高、低压直流母线以接入大、小容量分布式电源接入，相比于传统微电网的分布式接入方式，小容量分布式电源或储能电池利用该结构实现集中式接入，既省去了相应的并网逆变器，还省去了采用分布式接入需要额外安装通信设备的成本；
4、该结构使用背靠背串联变压器并附带旁路开关可以实现补偿用户电压的功能并灵活切换模式；针对分布式电源出力波动较大的问题，该结构中的双向DC/DC变换器可以起到稳定直流母线电压的作用。
附图说明
图1为三相整流器拓扑结构图；
图2为半桥DC/DC变换器拓扑结构图；
图3是混合电力电子变压器拓扑结构图。
具体实施方式
本发明提出一种混合电力电子变压器及其储能和补偿电压的方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示的三相变流器拓扑结构，由3个桥臂并联组成。两个开关器件IGBT分别与两个续流二极管D反并联后再串联组成一个桥臂，直流电容C与各桥臂并联。变流器运行于整流工况时，各桥臂中点a、b、c为三相交流电输入端，各桥臂并联公共端为直流输出端；运行于逆变工况时，各桥臂中点a、b、c为三相交流电输出端，各桥臂并联公共端为直流输入端。
如图2所示的半桥DC/DC变换器拓扑结构，由两个开关器件IGBT、两个分别与IGBT反并联的续流二极管D以及一个直流电容C组成，开关器件IGBT1、IGBT2分别与二极管D1、D2反并联后串接，再与直流电容C并联。IGBT1和IGBT2连接的公共端a，以及直流电容C和IGBT2连接的公共端b为低压直流侧，直流电容C为高压直流侧。
半桥DC/DC变换器工作于升压模式的原理为：a、b两端接直流电源(光伏或储能电池)时，IGBT1关断，IGBT2导通，电流路径为a→电感L→IGBT2→b，电感L电流线性增大，电能以磁场能形式存储于电感L中，二极管D1截止，负载由输出电容C供电。当IGBT1、IGBT2都关断时，电流路径为a→电感L→D1→电容C→b，电感L储存的能量向输出电容C流动。通过调整IGBT2的占空比，可以改变输出电压的大小。
半桥DC/DC变换器工作于降压模式的原理为：a、b两端接储能电池组，IGBT1导通，IGBT2关断，电流路径为电容C→IGBT1→电感L→a→b，电容C能量以磁场能形式存储于电感L中，并同时对储能电池组充电。当IGBT1、IGBT2都关断时，电流路径为电感L→a→b→D2,电感L电流线性减小，能量向储能电池组转移。通过调整IGBT1的占空比，可以改变输出电压的大小。
为叙述方便，称一个IGBT与一个续流二极管D反并联的结构为一个开关T。
如图3所示的混合电力电子变压器拓扑结构，拓扑结构主体为三绕组变压器，由高压绕组N1、中压绕组N2、低压绕组N3组成。高压绕组电压等级为U1，接配电网高压母线；中压绕组电压等级为N2，引出用户侧馈线；低压绕组电压等级为N3，为混合电力电子变压器拓扑结构核心部分。T1、T3、T5、T2、T4、T6构成三相变流器1，U3经三相变流器1引出电容C1作为高压直流母线，T13、T14、L1构成双向DC/DC变换器1，C1经双向DC/DC变换器1引出电容C2作为低压直流母线，C1电容通过双向DC/DC变换器2引出C3电容作为直流输出母线。T15、T16、L2构成双向DC/DC变换器2，光伏功率Ppv由直流输出母线经双向DC/DC变换器2接入高压直流母线，储能功率Pbatt接入低压直流母线。T7、T9、T11、T8、T10、T12构成三相变流器2，C2经三相变流器2引出串联变压器高压绕组N4，串联变压器低压绕组N5串入绕组N2补偿用户电压，N5并联开关S。
下面说明混合电力电子变压器消纳光伏、储能和补偿电压的具体方法：
不需补偿负载电压时，开关S处于闭合状态，三相变流器2和串联变压器不工作，三相变流器1运行于逆变工况，双向DC/DC变换器1控制低压直流母线C2电容电压随储能电池电压波动。若储能电池需要充电，光伏功率通过双向DC/DC变换器2→双向DC/DC变换器1向储能电池充电，剩余功率通过三相变流器1并网；若变压器和光伏功率不足以供给负载，则储能电池通过双向DC/DC变换器1→三相变流器1提供功率，其中放电功率根据DC/DC变换器放电电流指令进行控制，改变放电功率可以应对不同的功率缺额和控制应急供电时间。
需要补偿负载电压时，开关S处于断开状态，三相变流器2运行于逆变工况。针对高压侧电网产生的高、低电压和电压波动等问题，三相变流器2根据低压直流母线的C2电容的电压输出补偿电压，并通过串联变压器输出至用户侧馈线，其余部分与不需补偿负载电压时相同。
本拓扑结构DC/DC部分采用非隔离半桥变换器，无需隔离高频变压器环节，通过三绕组变压器和串联变压器即可实现隔离，相比于通过DAB进行隔离，IGBT数量由8个减少至2个，减少了开关器件数量，简化的系统结构降低了设备成本、占地和损耗，也降低了系统维护的难度。
上述的混合电力电子变压器拓扑结构，相比常规的光储微电网结构中分布式电源分别由DC/DC、DC/AC接入的两级式并网，通过光伏和储能共用同一高压直流母线，节省了一个三相逆变器，IGBT数量减少6个，降低了成本、占地和损耗，增加了系统集成度。
本拓扑结构通过双向DC/DC变换器提供了高、低压两种直流接口，其中高压直流侧由光伏通过DC/DC升压变换器接入以实现光伏功率的MPPT功能，储能通过低压直流侧接入。
本拓扑结构根据是否需要补偿用户侧电压可以选择是否通过旁路开关旁路串联变压器。不需补偿电压时旁路开关闭合，串联变压器处于旁路状态，三相换流器2处于闭锁状态，光伏和储能通过低压绕组N3并网，实现分布式能源的接入和消纳；需要补偿电压时旁路开关断开，串联变压器投入线路，三相换流器2根据直流电压输出需要补偿的电压。其中光伏优先于储能进行出力，储能作用为负荷较重而超出变压器和光伏所输出的最大功率时的备用电源。变压器和光伏足够提供负载功率时，光伏功率通过三相变流器1并网，低压直流母线电压保持恒定以使储能SOC处于动态平衡状态；变压器和光伏不足以提供负载功率时，储能电池通过双向DC/DC变换器1→三相变流器1提供功率。以上策略是功率依据该拓扑结构自然形成的，使功率按照以上策略进行流动，可以省去额外的通信设备成本。
上述的混合电力电子变压器拓扑结构，低压直流侧电压随储能SOC状态变化，按照GB/T12325—2008《电能质量供电电压偏差》的规定，低压配电网节点电压偏差应不高于标称电压的7％且不低于标称电压的10％，因此，在储能SOC由100％降至预设充电SOC导致的电压变化区间内，三相变流器2可根据此区间补偿用户电压至上述规定值以内。
上述的混合电力电子变压器拓扑结构，相比已有的电能质量治理装置DVR和UPQC，整合于三绕组变压器中，具有传输功率的功能并提供了高低压直流接口；UPQC接入电网同时需要串联和并联变压器连接，混合电力电子变压器无需额外的变压器。以上优势使得混合电力电子变压器实现功能更多且与系统整合度更高。
本拓扑结构通过双向DC/DC变换器使直流母线电压稳定且可调，避免了光伏、储能等分布式电源出力波动大对输出电压的影响，其中低压直流侧在串联变压器处于旁路状态时可以稳定电压。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种混合电力电子变压器，其特征在于，包括三绕组变压器、第一三相变流器、第二三相变流器、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、串联变压器和S开关；
所述三绕组变压器包括第一高压绕组N1、中压绕组N2和第一低压绕组N3；所述第一三相变流器包括T1、T3、T5、T2、T4和T6六个开关；所述第二三相变流器包括T7、T9、T11、T8、T10、T12六个开关；所述第一双向DC/DC变换器包括T13、T14两个开关和L1电感；所述第二双向DC/DC变换器包括T15、T16两个开关和L2电感；所述串联变压器包括第二高压绕组N4和第二低压绕组N5；
所述第一高压绕组N1接配电网高压母线；所述中压绕组N2引出用户侧馈线；所述第一低压绕组N3通过第一三相变流器引出C1电容作为高压直流母线，C1电容通过第一双向DC/DC变换器引出C2电容作为低压直流母线，C1电容通过第二双向DC/DC变换器引出C3电容作为直流输出母线，C2电容通过第二三相变流器接第二高压绕组N4；所述第二低压绕组N5与S开关并联，与中压绕组N2串联以补偿负载电压；光伏功率Ppv由直流输出母线经第二双向DC/DC变换器接入高压直流母线，储能电池的储能功率Pbatt直接接入低压直流母线。
2.根据权利要求1所述的混合电力电子变压器，其特征在于，Tx(x＝1,2,…,16)开关为一个IGBT与一个续流二极管反并联。
3.一种权利要求1所述混合电力电子变压器的储能和补偿电压的方法，其特征在于，不需补偿负载电压时，S开关处于闭合状态，第二三相变流器和串联变压器不工作，第一三相变流器运行于逆变工况，第一双向DC/DC变换器控制低压直流母线的C2电容的电压随储能电池电压波动；若储能电池需要充电，光伏功率Ppv通过第二双向DC/DC变换器再到第一双向DC/DC变换器向储能电池充电，剩余功率通过第一三相变流器并网；若串联变压器和光伏功率Ppv不足以供给负载，则储能电池通过第一双向DC/DC变换器再到第一三相变流器为负载提供功率；
需要补偿负载电压时，S开关处于断开状态，第二三相变流器运行于逆变工况；针对高压侧电网产生的高、低电压和电压波动，第二三相变流器根据低压直流母线的C2电容的电压输出补偿电压，并通过串联变压器输出至用户侧馈线，混合电力电子变压器的其余部分与不需补偿负载电压时的工作状态相同。
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