CN113489397A - 数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法 - Google Patents

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郭珑翔
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Abstract

本发明公开了一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，包括MMC基本控制策略、电压补偿控制策略以及电子变压器数据校正方法；MMC基本控制包括MCC电压外环控制和MCC电流内环控制。本发明提出的PET自适应控制策略中采用电压／电流双环控制，其中电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度，控制器采用PR控制器，相比PI控制器其控制环的结构更为简洁，降低了系统的计算量；电流内环采用P控制器，使系统获得较好的动态响应性能，并且加入了低频控制方法，使得装置在输出低频工况下正常运行，克服了传统控制方法下装置在低频工况无法正常运行的缺陷；利用改进的DFT算法以及结合卷积窗算法修正主频谱，减小频率波动和非同步采样所产生的误差。

Description

数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法
技术领域
本发明涉及一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，属于电力设备控制技术领域。
背景技术
传统电力变压器作为电力系统的基本设备，具有结构简单、可靠性高等特点。然而，随着电网系统的不断发展，传统电力变压器设备体积大、易产生谐波问题、电能质量无法保证等缺陷日益凸显。
随着建设电力物联网工作的推进，变电站也逐渐迈人数字化和信息化的发展阶段。数字化变电站作为电力物联网的重要环节，具备连接线路、传输电能和变换电压等级等功能。电子式变压器作为电力系统电流测量设备，承担着监测一次设备运行状态和为二次设备提供真实可靠电气量的任务，是继电保护系统中的重要组件。新型电子式变压器具有动态范围大、测量精度高、频带响应宽等优点，但其在现场运行中还面临着许多待完善的技术问题，如互感器的结构设计、数据处理以及互感器状态监测等。面对大规模商业化应用的需要，电子式变压器的测量准确度、长期稳定性和电磁兼容可靠性等有待时间的考验。
目前，国内外学者对电子式变压器(PET)实际应用中的体问题进行了相关研究，PET不仅兼具传统变压器隔离、变换电压、传递能量等功能，还可实现对潮流的控制以及电能质量的治理，其应用领域十分广阔。随着电网中设备装置种类、数量的不断增加，电能质量问题日益严重，电子式变压器的自适应控制显得尤为重要。现有的电子式变压器自适应控制采用的变换器存在以下问题：应用于中高压、大功率场合，其输入侧多采用H桥级联结构或模块化多电平变换器，使得电容电压平衡控制十分复杂。同时，隔离环节需要多个DC/DC变换器以及中(高)频变压器，对PET的功率密度不利。采用改进型的AC/AC/AC变换器，结构过于复杂，使用元器件过多，且只能在高频环境下保持良好工作特性，不适用于低频工况。受制于变换器中功率开关器件的耐压值，使其不适用于高压大容量的场合，限制了应用范围。并且在处理现场工作中存在大量干扰谐波，不做校正处理，采样误差较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，PET中MMC变换器采用基于模块化多电平结构的直接AC/AC换器，没有中间直流环节，结构紧凑、灵活，且能够应用于高压大功率场合；并通过改进传统离散傅里叶变换算法校正电子变压器采样数据，实现采样数据的有效提取。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，包括MMC基本控制策略、电压补偿控制策略以及电子变压器数据校正方法；
其中，MMC基本控制包括MCC电压外环控制和MCC电流内环控制。
作为本发明的进一步改进，所述MMC基本控制策略如下：桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流iL相加，再将结果的1/2作为电流指令信号；随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加，最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i1ref、i2ref，作为电流内环控制器的输入；参考信号分别与上、下桥臂电流i1、i2做差比较之后，经过比例控制器P，得到电流内环控制器的输出信号di1ref、d2ref，再与对应桥臂的PWM静态占空比D1、D2相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d1、d2。
作为本发明的进一步改进，MCC电压外环控制采用多重控制，具体包括电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压均衡控制与低频纹波抑制以及子模块电容电压均衡控制。
作为本发明的进一步改进，所述电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率，，以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制。
作为本发明的进一步改进，所述桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制。
作为本发明的进一步改进，在桥臂间电容电压均衡控制中，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，并与直流分量共同参与反馈控制；然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时，实现所述低频纹波抑制。
作为本发明的进一步改进，所述子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压，以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。
作为本发明的进一步改进，当电网电压发生故障时，采用所述电压补偿控制策略进行电压补偿，以提高电网电能质量；
电压补偿控制包括电压检测及补偿电压计算和电压/电流双环控制；当发生电压跌落故障时，将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量，利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角，再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较，得到补偿电压；利用补偿电压作为参考值，通过电压/电流双环控制得到控制信号，双环控制中电压环采用PR控制器，电流环采用P控制器，将电压/电流双环控制得到控制信号与MMC基本控制信号结合，通过PWM调制生成功率器件的开关信号，以实现对电压跌落故障的治理。
作为本发明的进一步改进，所述电子变压器数据校正方法采用改进传统离散傅里叶变换算法完成对电子式变压器采样数据的有效提取；电子式变压器中使用了大量电力电子器件，基频主谱线易受到高次谐波、谱间干扰的影响，因此采用快速傅里叶变换与窗函数相结合的方法校正主频谱，以减少电子式变压器采样数据中幅值与相位的误差。
作为本发明的进一步改进，利用MATLAB/Simulink构建仿真模型，通过在电子式变压器一次侧和二次侧引入扰动，对电子式变压器自适应控制与校正方法的动态性能、电能质量和采样准确率进行评估。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明提出的PET自适应控制策略中采用电压/电流双环控制，其中电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度，控制器采用PR控制器，相比PI控制器其控制环的结构更为简洁，降低了系统的计算量；电流内环采用P控制器，能够使系统获得较好的动态响应性能，并且加入了低频控制方法，使得装置能够在输出低频工况下正常运行，克服了传统控制方法下装置在低频工况无法正常运行的缺陷；并且利用改进的DFT算法以及结合卷积窗算法修正主频谱，减小频率波动和非同步采样所产生的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于MMC的混合型PET拓扑结构图；
图2是MMC变换器拓扑结构图；
图3是MMC基本控制框图；
图4是电容总电压平衡控制框图；
图5是桥臂间电容电压控制框图；
图6是第一组桥臂内子模块电容电压控制框图；
图7是电压检测及补偿电压计算原理框图；
图8是电压补偿控制总体框图；
图9是电子式变压器二次侧短路故障输出有功和无功功率图；
图10是电子式变压器二次侧短路故障输入有功和无功功率图；
图11是频率波动下不同方法角差分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
基于MMC的混合型PET拓扑结构图如图1所示，主要包括PET和MMC。PET一次侧绕组与电网连接，二次侧绕组采用星型连接，连接MMC输入端，MMC输出端通过LC滤波器后连接隔离变压器，隔离变压器一端与二次侧绕组相连，另一端连接负载。MMC拓扑结构如图2所示。
一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，包括MMC基本控制策略、电压补偿控制策略以及电子变压器数据校正方法；
MMC基本控制框图如图3所示，MMC基本控制包括MCC电压外环控制和MCC电流内环控制。
进一步的，所述MMC基本控制策略如下：桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流iL相加，再将结果的1/2作为电流指令信号；随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加，最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i1ref、i2ref，作为电流内环控制器的输入；参考信号分别与上、下桥臂电流i1、i2做差比较之后，经过比例控制器P，得到电流内环控制器的输出信号di1ref、d2ref，再与对应桥臂的PWM静态占空比D1、D2相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d1、d2。
在实际中，由于所用开关器件制造工艺等原因，子模块参数不可能完全相同。只通过上述控制无法实现电容电压的平衡，因此需要加入子模块电容电压均衡控制。经过子模块电容电压均衡控制后输出控制信号d1j、d2j(j＝1，…，N)，经过载波移相PWM调制，控制开关器件的通断，从而实现对电力电子变压器的控制。
进一步的，MCC电压外环控制采用多重控制，具体包括电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压均衡控制与低频纹波抑制以及子模块电容电压均衡控制。
进一步的，所述电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率，以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制。
电容总电压平衡控制框图如图4所示，电容总电压平衡控制策略具体如下：
采集MMC内两组桥臂H桥子模块内直流侧储能电容的电压uxy(x＝1,2；y＝1,…,N；N＝2n)，分别计算其平均值uxav(x＝1,2),其中，平均值uxav(x＝1,2)为
Figure BDA0003086575330000051
式中，u1av、u2av为电容总电压平衡控制和桥臂间电容电压控制的输入参数。
对u1av、u2av取平均值得到电容总电压平均值uav，将电容电压参考值udref与电容总电压平均值uav相减，所得结果经过低通滤波器滤除电压中的谐波成分；然后经过PI调节器得到所需有功功率指令值Pref，将其通过变换得到电流指令信号Iref，并与输入电压ui锁相或单位化的信号cosωt相乘，得到电容总电压平衡控制的输出信号iref。其中，电流指令信号Iref为
Figure BDA0003086575330000052
式中：Uim为输入电压最大值。
进一步的，所述桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制。
桥臂间电容电压控制框图如图5所示，其控制策略具体如下：对平均值u1av、u2av做差后取平均值，再将结果经过低通滤波器滤波，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，输出经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，得到有上、下桥臂有功功率指令值ΔPref。
当装置工作在输出低频工况下，电容电压纹波中以二倍频分量为主，输出频率越低，则电容电压波动越剧烈，使得装置难以正常运行，因此需要对装置进行低频控制；在桥臂间电容电压均衡控制中，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，并与直流分量共同参与反馈控制；然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时，实现低频纹波抑制。其中，PR控制器的传递函数为
Figure BDA0003086575330000061
式中：Kp1、Kr为PR控制器的比例、谐振系数；
ω为输出电压角频率。
有功功率指令值ΔPref经过变换后得到电流指令信号ΔIref，电流指令信号ΔIref与单位幅值方波相乘后得到桥臂间电容电压控制的输出信号Δiref。其中，电流指令信号ΔIref为
Figure BDA0003086575330000062
式中：Uinvo为变换器输出电压的幅值。
进一步的，所述子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压，以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。
对于子模块电容电压均衡控制，由于两组桥臂的拓扑结构完全相同，以第一组桥臂为例进行说明，其内部子模块电容电压控制框图如图6所示。
其控制策略具体如下：第一组桥臂中所有子模块中直流电容电压平均值U1av与第j个子模块中直流电容的电压u1j相减，经过低通滤波器之后，再经过PI调节器得到有功功率微调量ΔP1jref。有功功率微调量ΔP1jref经过变换，与单位化后的桥臂电流相乘，得到电压修正量，电压修正量经过变换最终得到占空比信号修正量Δd1j。占空比信号修正量Δd1j与公共占空比信号d1相加后得到各子模块最终的控制信号d1j。
进一步的，当电网电压发生故障时，采用所述电压补偿控制策略进行电压补偿，以提高电网电能质量；
基于MMC的混合型电力电子变压器的电压补偿控制中，电压检测及补偿电压计算原理框图如图7所示。
基于MMC的混合型电力电子变压器的电压补偿总体控制框图如图8所示。
电压补偿控制包括电压检测及补偿电压计算和电压/电流双环控制；当发生电压跌落故障时，将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量，利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角，再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较，得到补偿电压；利用补偿电压作为参考值，通过电压/电流双环控制得到控制信号，双环控制中电压环采用PR控制器，电流环采用P控制器，将电压/电流双环控制得到控制信号与MMC基本控制信号结合，通过PWM调制生成功率器件的开关信号，以实现对电压跌落故障的治理。
进一步的，所述电子变压器数据校正方法采用改进传统离散傅里叶变换算法完成对电子式变压器采样数据的有效提取；电子式变压器中使用了大量电力电子器件，基频主谱线易受到高次谐波、谱间干扰的影响，因此采用快速傅里叶变换与窗函数相结合的方法校正主频谱，以减少电子式变压器采样数据中幅值与相位的误差。
进一步的，利用MATLAB/Simulink构建仿真模型，通过在电子式变压器一次侧和二次侧引入扰动，对电子式变压器自适应控制与校正方法的动态性能、电能质量和采样准确率进行评估。
具体的，系统仿真参数设置为：额定功率100kVA,输入电压11kV,输入电感0.25H,高压侧电容20μF,低压侧电容30mF,负荷100kW。
当电子式变压器二次侧发生短路故障时，其输出有功和无功功率如图9所示。当一次侧发生故障时，输入有功和无功功率相应如图10所示。从图9可看出，短路故障在1.2s后开始，当发生短路故障时，输出有功功率从98kW降到26kW，从图10可看出，采用所提方法的电子互感器输出有功下降了大约3kW，而采用传统PI控制器的电子互感器输出有功下降了大约54kW，因此电子互感器采用所提方法，其有功输出受短路故障的影响较小。
为了论证所提校正方法的有效性，将其与其他三种不同方法(DI，PGA和DNADC)进行对比分析，试验结果如图11所示。
从图11可看出，随着频率的增大，PGA和DNADC方法的角差逐步缩小，而DI方法角差也随之增大，所提方法的角差分布与差变化趋势一直，均较为平稳，当频率为49.7Hz时出现最大角差0.342 97',最小角差值为0.0603'.当电网频率波动时，电子互感器输出数据的角差比其他方法小一个数量级，由此论证了所提方法相位补偿的有效性，能够提高采样数据的准确性。

Claims (10)

1.一种数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：包括MMC基本控制策略、电压补偿控制策略以及电子变压器数据校正方法；
其中，MMC基本控制包括MCC电压外环控制和MCC电流内环控制。
2.根据权利要求1所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：所述MMC基本控制策略如下：桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流iL相加，再将结果的1/2作为电流指令信号；随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加，最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i1ref、i2ref，作为电流内环控制器的输入；参考信号分别与上、下桥臂电流i1、i2做差比较之后，经过比例控制器P，得到电流内环控制器的输出信号di1ref、d2ref，再与对应桥臂的PWM静态占空比D1、D2相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d1、d2。
3.根据权利要求2所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：MCC电压外环控制采用多重控制，具体包括电容总电压平衡控制、桥臂间电容电压均衡控制与低频纹波抑制以及子模块电容电压均衡控制。
4.根据权利要求3所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：所述电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率，，以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制。
5.根据权利要求3所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：所述桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配，以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制。
6.根据权利要求5所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：在桥臂间电容电压均衡控制中，低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压，并与直流分量共同参与反馈控制；然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器，在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时，实现所述低频纹波抑制。
7.根据权利要求3所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：所述子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压，以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。
8.根据权利要求1所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：当电网电压发生故障时，采用所述电压补偿控制策略进行电压补偿，以提高电网电能质量；
电压补偿控制包括电压检测及补偿电压计算和电压/电流双环控制；当发生电压跌落故障时，将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量，利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角，再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较，得到补偿电压；利用补偿电压作为参考值，通过电压/电流双环控制得到控制信号，双环控制中电压环采用PR控制器，电流环采用P控制器，将电压/电流双环控制得到控制信号与MMC基本控制信号结合，通过PWM调制生成功率器件的开关信号，以实现对电压跌落故障的治理。
9.根据权利要求1所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：所述电子变压器数据校正方法采用改进传统离散傅里叶变换算法完成对电子式变压器采样数据的有效提取；电子式变压器中使用了大量电力电子器件，基频主谱线易受到高次谐波、谱间干扰的影响，因此采用快速傅里叶变换与窗函数相结合的方法校正主频谱，以减少电子式变压器采样数据中幅值与相位的误差。
10.根据权利要求9所述的数字变电站中电子式变压器自适应控制与校正方法，其特征在于：利用MATLAB/Simulink构建仿真模型，通过在电子式变压器一次侧和二次侧引入扰动，对电子式变压器自适应控制与校正方法的动态性能、电能质量和采样准确率进行评估。
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