CN114285294A - 一种直接式混合配电变压器系统及其潮流柔性调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接式混合配电变压器。为了克服现有技术中存在的整体结构复杂，体积大而笨重，调控能力容易受限的问题本发明采用一种直接式混合配电变压器，包括变换器模块、变压器绕组模块、状态监测模块、控制模块、通信模块、记忆模块，直接式AC‑AC混合变压器省去了直流部分以及储能装置，设备体积小重量轻，生产成本大大降低；功率损耗小，转换效率高；通过主动故障修复，减少维修人员的工作强度，减小维护成本；通过记忆模块储存故障信息，便于维修人员排故以及系统优化设计，电磁控制开关使得故障检修时变压器主绕组可以单独运行，减小故障或者检修带来的影响。
Description
技术领域
本发明涉及混合变压器领域，特别涉及一种直接式混合配电变压器系统及其潮流柔性调控方法。
背景技术
随着电力用户向多样化发展、分布式储能并网运行以及配电网规模的不断扩大，现代城市配电网在规划、运行与管理等方面较之以往均已具有显著差异且面临着众多挑战。针对目前已出现的问题与不足，研究人员提出了各种不同的解决措施与应对手段。在配电网网架结构方面，传统配电网所遵循的“闭环设计，开环运行”原则已难以满足未来配电网发展需求，配电网网架结构由开环辐射运行状态向网状闭环运行状态过渡转变是其未来发展过程中的必由之路。目前，随着城市配电环网闭环运行所存在的循环功率过大导致的设备负载分布不均、分布式电源并网运行所导致的双向潮流以及配电网运行管理灵活性需求等问题的出现，具有调节次数、调节连续性、调节时限等约束限制的传统配电环网潮流调控手段难以实现城市配电环网潮流精细化与实时化调控需求。随着现代电力电子技术与先进控制理论的发展，大容量电力电子变换设备已经具备了能量双向流动、变换、调控与管理能力。电力电子技术已广泛应用于现代电力系统中，给电力系统带来了深刻的变革。统一潮流控制器（UPFC）作为第三代灵活交流输电系统（FACTS）设备的典型代表，凭借其潮流控制能力，在输电系统中得到了成功应用。然而，在城市中压配电网中，UPFC的应用仍需突破其经济性瓶颈。近年来，将传统电气一次设备与电力电子技术相结合、充分挖掘现有设备综合利用率、降低电力系统设备成本等问题已被国内外众多学者所关注。相较于目前发展较为成熟的电力电子变压器，混合配电变压器无需由电力电子单元承担全部负荷功率，所选用的电力电子器件功率等级与成本等得到有效降低。含有储能设备的混合配电变压器，该拓扑结构中由于储能装置的存在，混合配电变压器较为笨重且价格高昂，同时其调控能力受限于储能装置的容量；不含储能设备的混合配电变压器，此类混合配电变压器又可进一步划分为 AC／DC／AC 型混合配电变压器与直接式 AC／AC 型混合配电变压器2 种。由于 AC／DC／AC 型混合配电变压器增设了一级DC／AC变换器，整个系统存在多级功率变换而具有较高的功率损耗比例。AC／AC-混合配电变压器与上述几种方案相比，其拓扑结构中不存在直流环节，因而无需装设电容器或储能设备，装置体积、重量以及成本得到有效降低；同时由于装置仅含有一次能量变换设备，相较于AC／DC／AC型混合配电变压器具有更高的运行效率。
例如，在中国专利文献上公开的“一种带储能装置的电力电子变压器”，公开号为“CN113193760A”，电力电子变压器高压侧接10kV配电网，电力电子变压器低压侧接400V等级配电网，三相10kV交流电压通过A相电路、B相电路和C相电路进行分压与隔离变换，将高压交流电变换为直流电，均连接直流母线P和N，直流母线P和N电性连接储能型有源逆变器将直流电变换为三相400V等级交流电接低压配电网。这种变压器由于存在直流环节和储能装置，使得整体结构复杂，体积较大、笨重，调控能力受限。
发明内容
为解决现有技术中存在的整体结构复杂，体积大而笨重，调控能力容易受限的问题，提出一种直接式混合配电变压器系统，包括：
变换器模块：对变压器绕组模块的输出电压进行调节；变换器模块中的变换器采用电力电子开关器件如IGBT，方便控制。
变压器绕组模块：用以接收输入电压并对输入电压进行变换后输出；
状态监测模块：对系统的参数进行采集并监测系统故障，将采集的系统参数反馈给控制模块，当监测到系统发生故障时，反馈给控制模块使变换器主动退出运行，间隔五分钟后再控制变换器投入运行；此时仍然存在故障，则将故障信息传递给通信模块，同时将变换器退出运行；当发生故障时，有些故障可能是可以通过关机重整自动恢复的，所以通过主动退出运行后再投入运行，可能就可以解决部分故障，就不需要检修人员到场进行检修工作，大大降低了检修的工作强度，也降低了维护成本。
控制模块：接收状态监测模块的系统参数与预设的目标值比较从而控制变换器的占空比，并控制变换器的投入状态；
通信模块：将接收到的状态监测模块故障信息加密后将故障信息发送给控制平台；通信模块可以和控制平台进行实时通讯，向控制平台报告故障信息。故障信息的加密方法包括将原故障信息的二进制码按顺序分组后形成数组，每个数组中包含相同位数的二进制数，对所述的数组按照其在全部数组中的顺位值进行赋值操作，将赋得的值转为二进制后加入对应的数组中，再将数组随机打乱后发出。而控制平台执行的解密操作为：将接收到的数组中表示该数组的顺位值信息的二进制数据提取出来，将所有数组按照顺位值从小到大顺序排列后即可得到原二进制数组，在将数组中的二进制数取出顺序排列后进行转码操作即可得到原故障信息。
记忆模块：记录系统无法自主解决的故障信息。记忆模块记录下本次故障信息，可以供检修人员作为排故参考；此外，记录发生故障时的系统参数等信息可以作为以后系统设计以及维修时的经验，使得系统设计更加完善。
优选地，所述变换器模块包括第一直接式AC-AC变换器和第二直接式AC-AC变换器，所述第一直接式AC-AC变换器的输入端与一个辅助绕组的输入端相连，所述第二直接式AC-AC变换器的输入端与另一个辅助绕组的输入端相连，第一直接式AC-AC变换器的一个输出端与第二直接式AC-AC变换器一个输出端相连，第一直接式AC-AC变换器与第二直接式AC-AC变换器相连的另一个输出端与所述辅助绕组相连，第二直接式AC-AC变换器与第一直接式AC-AC变换器相连的另一个输出端与所述辅助绕组相连，所述主绕组的一个输出端与第二直接式AC-AC变换器和第一直接式AC-AC变换器相连的另一个输出端相连。
利用直接式AC-AC变换器，省去直流环节，可以减小功率损耗并减小设备体积，提高运行效率。
优选地，所述变压器绕组模块包括一次绕组和二次绕组，所述二次绕组包括主绕组和辅助绕组，所述变换器模块的输入端与辅助绕组连接，所述主绕组与变换器模块串联，所述变压器绕组模块还包括电磁控制开关，所述辅助绕组与变换器模块的两端与电磁控制开关并联，所述电磁控制开关与控制模块相连。所述电磁控制开关在正常情况下时常开，当状态监测模块监测到故障发生时，才会通知控制模块使电磁控制开关闭合使变换器模块和辅助绕组被旁路而退出运行，此时变压器还可以通过主绕组向外输出功率，可以将故障带来的影响降到最低。
优选地，所述状态监测模块包括故障监测单元和参数检测单元，所述参数检测单元与故障监测单元依次连接。参数检测单元检测网络的电压、电流等参数信息，将直接检测得到的参数进行计算后传输给控制模块；参数检测单元同时还将参数信息送给故障监测单元，故障监测单元对这些数据进行分析，判断数据是否有异常。
优选地，所述控制模块与状态监测模块和变换器模块连接，所述控制模块接收来自状态监测模块的故障信息，控制电磁控制开关的开断从而控制变换器模块的投入与切断。控制模块还接受参数信息，通过这些参数信息与预设值比较来控制变换器的占空比。
优选地，所述通信模块与状态监测模块连接，所述通信模块通过移动信号与控制平台实现信息交换。通信模块接收来自故障监测模块的故障信息，将故障信息发送给控制平台。
优选地，所述记忆模块与状态监测模块连接，所述记忆模块包括存储单元，所述存储单元记录系统故障信息。
优选地，一种直接式混合配电变压器的潮流柔性调控方法，包括以下步骤：
A1:读取系统网络参数并对系统的网络潮流进行计算；
A2:将实际测量得到的网络潮流参数与预设目标值进行比较得到调控量；
A3:由电压调控量得到所需的变换器占空比；
A4:控制模块对变换器的占空比进行调控,此时状态监测模块持续监测系统参数是否异常，若无异常，则跳至A7；有异常则执行步骤A5；
A5:控制模块控制电磁控制开关闭合，使辅助绕组和变换器模块均被旁路而退出运行，仅利用主绕组对外输出；五分钟后再控制电磁控制开关断开，使辅助绕组和变换器模块再次投入运行，此时状态监测模块的故障监测单元若监测到故障消失，则执行步骤A7；若故障仍然存在，则执行步骤A6；
A6:控制模块控制电磁开关闭合，使辅助绕组和变换器模块退出运行；同时通信模块将信息加密后向控制平台发出故障信息，记忆模块记录下本次故障时的系统网络参数；
A7:经过t时间后，跳转至步骤A1再次对网络潮流进行调控；
优选地，所述通信模块对故障信息的加密方法包括如下步骤：
B1：将原故障信息按照原二进制码的顺序生成数组，每个数组中包含相同位数的二进制数；
B2：各个数组按照顺序排列，将各个数组的顺位值转为二进制码后插入对应数组中原有的二进制数的末尾形成新的数组；
B3：将生成的新数组随机打乱后发出。
本发明的有益效果包括：1.直接式AC-AC混合变压器省去了直流部分以及储能装置，设备体积小重量轻，生产成本大大降低；功率损耗小，转换效率高；
2.通过主动故障修复，减少维修人员的工作强度，减小维护成本；
3.通过记忆模块储存故障信息，便于维修人员排故以及系统优化设计。
4.通过电磁控制开关使得故障检修时变压器主绕组可以单独运行，减小故障或者检修带来的影响。
附图说明
图1是本发明的一种直接式混合配电变压器系统的系统结构示意图；
图2是本发明的一种直接式混合配电变压器系统的潮流柔性调控方法流程图；
图3是本发明的一种直接式混合配电变压器系统的变压器结构示意图；
图中，1.变换器模块 2.变压器绕组模块 3.状态监测模块 4.控制模块 5.通信模块 6.记忆模块 21.一次绕组 22.主绕组 23.辅助绕组 24.电磁控制开关 11. 第一直接式AC-AC变换器 12第二直接式AC-AC变换器。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
如图1、2所示，本发明的一种直接式混合配电变压器系统包括对变压器的输出电压进行调节的变换器模块1；变换器模块中的变换器采用电力电子开关器件如IGBT，方便控制；用以接收输入电压并对输入电压进行变换后输出的变压器绕组模块2；状态监测模块3对系统的参数进行采集并监测系统故障，将采集的系统参数反馈给控制模块，当监测到系统发生故障时，反馈给控制模块4使变换器主动退出运行，间隔五分钟后再控制变换器投入运行；此时仍然存在故障，则将故障信息传递给通信模块，同时将变换器退出运行；当发生故障时，有些故障可能是可以通过关机重整自动恢复的，所以通过主动退出运行后再投入运行，可能就可以解决部分故障，就不需要检修人员到场进行检修工作，大大降低了检修的工作强度，也降低了维护成本。控制模块4接收状态监测模块的系统参数与预设的目标值比较从而控制变换器的占空比，并控制变换器的投入状态；接收到状态监测模块故障信息后通信模块5将故障信息发送给控制平台；通信模块5可以和控制平台进行实时通讯，向控制平台报告故障信息。记忆模块6记录系统无法自主解决的故障信息。记忆模块记录下本次故障信息，可以供检修人员作为排故参考；此外，记录发生故障时的系统参数等信息可以作为以后系统设计以及维修时的经验，使得系统设计更加完善。变换器模块1包括两个直接式AC-AC变换器11。利用直接式AC-AC变换器11，省去直流环节，可以减小功率损耗并减小设备体积，提高运行效率。变压器绕组模块2包括一次绕组21和二次绕组，二次绕组包括主绕组和辅助绕组23，变换器模块的输入端与辅助绕组连接，主绕组22与变换器模块1串联，变压器绕组模块2还包括电磁控制开关24，辅助绕组与变换器模块的两端与电磁控制开关24并联，电磁控制开关与控制模块相连。电磁控制开关在正常情况下时常开，当状态监测模块3监测到故障发生时，才会通知控制模块使电磁控制开关闭合使变换器模块和辅助绕组被旁路而退出运行，此时变压器还可以通过主绕组向外输出功率，可以将故障带来的影响降到最低。状态监测模块3包括故障监测单元和参数检测单元，故障监测单元与参数检测单元串联连接。参数检测单元检测网络的电压、电流等参数信息，将直接检测得到的参数进行计算后传输给控制模块4；参数检测单元同时还将参数信息送给故障监测单元，故障监测单元对这些数据进行分析，判断数据是否有异常。控制模块4与状态监测模块3和变换器模块1连接，控制模块4接收来自状态监测模块的故障信息，控制电磁控制开关的开断从而控制变换器模块的投入与切断。控制模块还接受参数信息，通过这些参数信息与预设值比较来控制变换器的占空比。通信模块5与状态监测模块3连接，通信模块通过移动信号与控制平台实现信息交换。通信模块接收来自故障监测模块的故障信息，将故障信息发送给控制平台。记忆模块与状态监测模块连接，所述记忆模块包括存储单元，所述存储单元记录系统故障信息。控制平台为所属区域内对电网进行调度、管理的终端。
通信模块的加密方法，将原故障信息的二进制码按顺序分组后形成数组，每个数组中的二进制位数可以是八位，也可以是四位，根据实际需要设计，在本实施例中，每个数组中有八位二进制数；对所述的数组按照其在全部数组中的顺位值进行赋值操作，比如，第一个数组的顺位值为1，即对第一个数组赋值为1，将赋得的值转为二进制后加入对应的数组中，将赋值的二进制码插入到原数组的八位二进制数的末尾，形成新的数组，再将数组随机打乱后发出。而控制平台执行的解密操作为：将接收到的数组中第八位二进制后的数据提取出来，即该数组的顺位值信息，将所有数组按照顺位值从小到大的顺序排列后即可得到原二进制数组，在将数组中的二进制数取出顺序排列后进行转码操作即可得到原故障信息。
本发明还公开了一种直接式混合配电变压器的潮流柔性调控方法，包括以下步骤：
A1:读取系统网络参数并对系统的网络潮流进行计算；
A2:将实际测量得到的网络潮流参数与预设目标值进行比较得到调控量；
A3:由电压调控量得到所需的变换器占空比；
A4:控制模块4对变换器的占空比进行调控,此时状态监测模块3持续监测系统参数是否异常，若无异常，则跳至A7；有异常则执行步骤A5；
A5:控制模块4控制电磁控制开关闭合，使辅助绕组和变换器模块1均被旁路而退出运行，仅利用主绕组对外输出；五分钟后再控制电磁控制开关断开，使辅助绕组和变换器模块1再次投入运行，此时状态监测模块3的故障监测单元若监测到故障消失，则执行步骤A7；若故障仍然存在，则执行步骤A6；
A6:控制模块4控制电磁开关闭合，使辅助绕组和变换器模块1退出运行；同时通信模块将故障信息加密后向控制平台发出故障信息，记忆模块记录下本次故障时的系统网络参数；
A7:经过t时间后，跳转至步骤A1再次对网络潮流进行调控；
工作原理：直接式混合配电变压器先监测此时系统网络的各种参数，并通过计算得到此时网络潮流，将实际潮流值与预设的潮流值比较后得出需要调控的网络潮流调控量，通过这一调控量计算出变换器的占空比，然后通过控制模块4产生需要的PWM波形经过推挽电路的开关管转换为斩波信号后经过稳压滤波对IGBT提供开通和关断电压从而对变换器的占空比进行调节。同时状态监测模块中的故障监测模块监测数据是否有异常；监测到异常数据则控制模块4控制电磁控制开关闭合，变换器模块1退出运行；延时五分钟后再断开电磁控制开关，此时若故障仍未消除，则再次闭合电磁控制开关，并将故障信息通过通信模块5发送给控制平台，并将此次故障时系统参数储存在记忆模块6中。
Claims (8)
1.一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，包括
变换器模块（1）：对变压器绕组模块（2）的输出电压进行调节；
变压器绕组模块（2）：用以接收输入电压并对输入电压进行变换后输出；
状态监测模块（3）：对所述直接式混合配电变压器的参数进行采集并监测故障，将采集的参数反馈给控制模块（4），当监测到直接式混合配电变压器发生故障时，反馈给控制模块使变换器模块（1）主动退出运行，间隔额定时间后再控制变换器（1）模块投入运行；此时仍然存在故障，则将故障信息传递给通信模块，同时将变换器模块退出运行；
控制模块（4）：接收状态监测模块（3）的参数与预设的目标值比较从而控制变换器模块（1）的占空比，并控制变换器模块（1）的投入状态；
通信模块（5）：当接收到状态监测模块（3）故障信息后将故障信息加密后发送给控制平台；所述故障信息的加密方法，包括将原故障信息的二进制码按顺序分组后形成数组，每个数组中包含相同位数的二进制数，对所述的数组按照其在全部数组中的顺位值进行赋值操作，将赋得的值转为二进制后加入对应的数组中，再将数组随机打乱后发出；
记忆模块（6）：记录直接式混合配电变压器系统无法自主解决的故障信息。
2.根据权利要求1所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述变压器绕组模块（2）包括一次绕组（21）、主绕组（22）和辅助绕组（23），所述变压器绕组模块（2）还包括电磁控制开关(24)，所述辅助绕组(23)的输出端与电磁控制开关(24)并联，所述电磁控制开关与控制模块(4)相连，所述电磁控制开关闭合后将所述辅助绕组（23）以及变换器模块（1）旁路。
3.根据权利要求2所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述变换器模块（1）包括第一直接式AC-AC变换器（11）和第二直接式AC-AC变换器（12），所述第二直接式AC-AC变换器（12）的输入端与一个辅助绕组（23）的输入端相连，所述第一直接式AC-AC变换器（11）的输入端与另一个辅助绕组（23）的输入端相连，第一直接式AC-AC变换器（11）的一个输出端与第二直接式AC-AC变换器（12）一个输出端相连，第一直接式AC-AC变换器（11）与第二直接式AC-AC变换器（12）相连的另一个输出端与所述辅助绕组（23）相连，第二直接式AC-AC变换器（12）与第一直接式AC-AC变换器（11）相连的另一个输出端与所述辅助绕组（23）相连，所述主绕组（22）的一个输出端与第二直接式AC-AC变换器（12）和第一直接式AC-AC变换器（11）相连的另一个输出端相连。
4.根据权利要求1所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述状态监测模块（3）包括故障监测单元和参数检测单元，所述参数检测单元与故障监测单元依次连接。
5.根据权利要求1所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述控制模块（4）与状态监测模块（3）和变换器模块（1）连接，所述控制模块（4）接收来自状态监测模块（3）的故障信息和参数信息，控制电磁控制开关的开断以及变换器的占空比。
6.根据权利要求1所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述通信模块（5）与状态监测模块（3）连接，所述通信模块（5）通过移动信号与控制平台实现信息交换。
7.根据权利要求1所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，所述记忆模块（6）与状态监测模块（3）连接，所述记忆模块（6）包括存储单元，所述存储单元记录系统故障信息。
8.一种直接式混合配电变压器系统的潮流柔性调控方法，采用权利要求1~7中任意一项权利要求所述的一种直接式混合配电变压器系统，其特征在于，包括以下步骤：
A1:读取系统网络参数并对系统的网络潮流进行计算；
A2:将实际测量得到的网络潮流参数与预设目标值进行比较得到调控量；
A3:由电压调控量得到所需的变换器占空比；
A4:控制模块（4）对变换器的占空比进行调控,此时状态监测模块（3）持续监测系统参数是否异常，若无异常，则跳至A7；有异常则执行步骤A5；
A5:控制模块（4）控制电磁控制开关闭合，使辅助绕组和变换器模块（1）均被旁路而退出运行，仅利用主绕组对外输出；五分钟后再控制电磁控制开关断开，使辅助绕组和变换器模块（1）再次投入运行，此时状态监测模块（3）的故障监测单元若监测到故障消失，则执行步骤A7；若故障仍然存在，则执行步骤A6；
A6:控制模块（4）控制电磁开关闭合，使辅助绕组和变换器模块（1）退出运行；同时通信模块将信息加密后向控制平台发出故障信息，记忆模块记录下本次故障时的系统网络参数；
A7:经过t时间后，跳转至步骤A1再次对网络潮流进行调控；
根据权利要求8所述的一种直接式混合配电变压器系统的潮流柔性调控方法，其特征在于，所述通信模块（5）对故障信息的加密方法包括如下步骤：
B1：将原故障信息按照原二进制码的顺序生成数组，每个数组中包含相同位数的二进制数；
B2：各个数组按照顺序排列，将各个数组的顺位值转为二进制码后插入对应数组中原有的二进制数的末尾形成新的数组；
B3：将生成的新数组随机打乱后发出。
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| CN202111307699.2A Active CN114285294B (zh) | 2021-11-05 | 2021-11-05 | 一种直接式混合配电变压器系统及其潮流柔性调控方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116505534A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 东北电力大学 | 一种直接式ac/ac型混合配电变压器的建模方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104578132A (zh) * | 2015-01-29 | 2015-04-29 | 国家电网公司 | 一种交直流微电网的电力集能器系统 |
| EP3236569A1 (en) * | 2016-04-22 | 2017-10-25 | The Secretary, Department of Atomic Energy | High voltage dc power supply system for rf amplifiers |
| 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 |
| CN113452070A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-28 | 燕山大学 | 一种电流源型多端口柔性并网接口装置及控制方法 |
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-
2021
- 2021-11-05 CN CN202111307699.2A patent/CN114285294B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116505534A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 东北电力大学 | 一种直接式ac/ac型混合配电变压器的建模方法 |
| CN116505534B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-12 | 东北电力大学 | 一种直接式ac/ac型混合配电变压器的建模方法 |
Also Published As
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