CN116505534B - 一种直接式ac/ac型混合配电变压器的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接式AC/AC型混合配电变压器的建模方法,属于改进配电网电压柔性调控技术领域。其中混合配电变压器包含一台三相三绕组工频配电变压器与三组AC/AC模块，三相三绕组工频变压器包括三个一次侧主绕组、三个二次侧主绕组、六个用于电气隔离的二次侧辅助绕组，每个二次侧主绕组的一个输出端与负荷连接，另一个输出端与每组AC/AC模块一个输出端连接，每组AC/AC模块另一个输出端接地。基于状态空间平均法建立混合式配电变压器的松弛二端口网络模型，推导二端口模型的戴维南等效参数，进而得到了混合式配电变压器的支路模型。此模型具有一定的普适性且能够反应混合式配电变压器运行时的损耗并进行潮流计算。
Description
技术领域
本发明属于改进配电网电压柔性调控技术领域，具体涉及一种直接式AC/AC型混合配电变压器的建模方法。
背景技术
电能质量是电网运行的重要参数之一，良好的电能质量是电网正常运行的必要保障。保障作为电能质量的重要参数之一的电压具有良好的质量就更为重要。实际中，电力系统运行过程出现的负荷快速变化、配电网中发电机的退出与运行、开关的投切运行以及极端的恶劣天气问题等都会引起电力系统中的电压发生变化，即电压发生骤降、骤升、中断等波动。这些扰动不仅会影响系统的稳定性，同时也带来了巨大的经济损失。对于这些电压问题，常见的方法是用可以调节电压的电气设备消除电压波动，使系统稳定运行。
可以调节电压的电气设备中，常见的有带有分接头的有载调压变压器、电力电子变压器、动态电压恢复器、混合配电变压器等。有载调压变压器(on-load tap changer，OLTC)是电力系统中常见的调节电压设备，其对维持电力系统中各个节点的电压稳定发挥着巨大的作用。OLTC依靠调整变压器的变比来调节电压，但OLTC存在的调节范围小，调节速度慢的问题影响其工作性能，故OLTC并不适用于给电能质量要求高的负载供电。电力电子变压器（(power electronic transformer，PET）可以实现对输出电压电流的全范围控制，其调节速度快，调控精度高的特点使其受到学者们的广泛关注，但PET具有的较高成本和较低转换率的问题使其在工程中应用受到一定阻碍。动态电压恢复器(dynamic voltagerestorer， DVR)是针对敏感负荷电压波动的一种设备，它一般分为两类：有储能设备的DVR和无储能设备的DVR。包含储能设备的DVR的储能设备一般为电容器，储能设备的存在限制了DVR的电压补偿深度和补偿时间，此外储能设备的笨重、昂贵的特点也使DVR发展受到限制。不包含储能设备的DVR一般包含直流环节，能量在流经DVR时一般需要经过DC/AC的变换，能量的多级变换使此类DVR具有较高的能量损耗。混合式配电变压器(hybriddistribution transformer，HDT)的拓扑一般由传统工频变压器和电力电子变换器(powerelectronic converter， PEC)结构，PEC的输出端与传统工频变压器串联连接，PEC输出的补偿电压使HDT的输出侧负载得到柔性调控。由于HDT结合了传统工频变压器运行稳定的优点和PEC可控性的特点，HDT可以柔性调控电压，在实际应用中具有出色的表现。
由于HDT的优秀的工作性能，学者们对其十分关注并进行了大量的研究。为了更好探讨HDT运行特性，学者们运用了丰富的方法对HDT进行模型构建。其中基于状态空间平均法的思想对HDT建立状态空间平均模型，以松弛二端口理论对HDT的运行特性进行分析的方法是HDT构建模型时常见的一种方法。这种方法可以用线性电路理论分析开关变换器的非线性拓扑结构，使HDT复杂的拓扑结构简单化，理论分析过程简单。同时HDT松弛二端口模型还具有直观反应HDT输入与输出关系的优势，便于对HDT静态参数的分析。然而这种方法构建的HDT模型没有考虑到工频变压器损耗，不便于直接观测到HDT在实际运行时的运行状态与运行时的损耗，也无法对HDT进行潮流计算和稳态分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于松弛二端口网络的直接式AC/AC型混合配电变压器建模方法，此方法构建的模型可以适用全体的直接式AC/AC型两相支撑的混合式配电变压器模型构建并且此模型可以对混合配电变压器所在支路进行潮流计算。
本发明所采用的技术方案是，一种直接式AC/AC型混合配电变压器的建模方法，具体按照以下步骤实施：
首先分析直接式AC/AC型混合配电变压器运行特性，然后构建基于松弛二端口网络理论的混合式配电变压器模型。
作为本发明的进一步改进，直接式AC/AC型混合配电变压器包含一台三相三绕组工频配电变压器与三组AC/AC模块，所述三相三绕组工频变压器包括三个一次侧主绕组、三个二次侧主绕组以及六个用于电气隔离的二次侧辅助绕组，每个所述二次侧主绕组的一个输出端与负荷连接，另一个输出端与每组AC/AC模块的一个输出端连接，每组所述AC/AC模块的另一个输出端接地。
作为本发明的进一步改进，每个所述AC/AC模块包含两个AC/AC变换器，每个AC/AC变换器的输入端与变压器的一个二次侧辅助绕组相连，第一个AC/AC变换器的一个输出端与二次侧主绕组相连，另一个输出端与第二个AC/AC变换器的一个输出端连接，第二个AC/AC变换器的一个输出端接地。
作为本发明的进一步改进，每个所述AC/AC变换器的两个输出端之间连接旁路开关，当旁路开关闭合时，AC/AC变换器退出运行。
作为本发明的进一步改进，对混合式配电变压器运行特性分析以及构建模型时，不指定具体的AC/AC变换器，所分析讨论的结果适用于全体的基于直接式AC/AC型两相支撑的混合式配电变压器系统。
作为本发明的进一步改进，考虑变压器的运行损耗，基于状态空间平均法建立混合式配电变压器的松弛二端口网络模型。
作为本发明的进一步改进，依据所构建的混合式配电变压器的松弛二端口网络模型，计算混合式配电变压器戴维南等效参数，构建可以进行潮流计算的混合式配电变压器支路电路模型。
本发明的有益效果在于：
此方法构建的混合式配电变压器的电路模型可以适用全体此拓扑的混合式配电变压器模型构建，可以直观反映混合式配电变压器在电网运行时的运行损耗，可以依据此模型计算混合式配电变压器的支路潮流，便于含有混合式配电变压器的系统进行潮流调控和最优潮流计算。
附图说明
图1是直接式AC/AC型HDT的拓扑结构图；
图2是AC/AC变换器示意图
图3是HDT系统的单相平均模型电路图；
图4是HDT等效原理图
图5是HDT支路模型图；
图6是HDT调控策略；
图7是HDT电压骤升跌落调控场景图；
图8是纯阻性负载下HDT功率因数曲线图；
图9是阻感性负载下HDT功率因数曲线图；
图10是HDT谐波干扰调控场景图；
图11是HDT柔性变比对比图；
图12是HDT电压损耗对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
基于状态空间平均法和戴维南定理，本发明提出一种直接式AC/AC型混合配电变压器的建模方法，如图1所示，直接式AC/AC型混合配电变压器包含一台三相三绕组工频配电变压器与三组AC/AC模块(AC/AC-A、AC/AC-B、AC/AC-C)。三相三绕组工频变压器包括三个一次侧主绕组w A1、w B1、w C1、三个二次侧主绕组w a、w b、w c以及六个用于电气隔离的二次侧辅助绕组w a2、w b2、w c2，其中一次侧绕组与二次侧主绕组之间的变比为nTR，其中一次侧绕组与二次侧辅助绕组之间的变比为naux。每个二次侧主绕组的一个输出端与负荷连接，另一个输出端与每组AC/AC模块的一个输出端连接，每组AC/AC模块的另一个输出端接地。
每个AC/AC模块包含两个AC/AC变换器，如图1所示，六个AC/AC变换器分别是AC/AC-Ac、AC/AC-Ab、AC/AC-Ba、AC/AC-Bc、AC/AC-Ca、AC/AC-Cb。每个AC/AC变换器的输入端与变压器的一个二次侧辅助绕组相连，第一个AC/AC变换器的一个输出端与二次侧主绕组相连，另一个输出端与第二个AC/AC变换器的一个输出端连接，第二个AC/AC变换器的一个输出端接地。
每个AC/AC变换器的两个输出端之间连接旁路开关，当旁路开关闭合时(如图1中Sp1、Sp2所示)，AC/AC变换器退出运行。
任意的直接型AC/AC变换器的输入电压与输出电压均具有式1关系：
(1)
其中，u out(t)为AC/AC变换器的输出侧电压，u in(t)为AC/AC变换器的输入侧电压，D(t)为AC/AC变换器的占空比。故设定D a、D b、D c为图1所示的六个AC/AC变换器占空比。其中，D a是变换器AC/AC-Ab、AC/AC-Ac的占空比，D b是变换器AC/AC-Ba、AC/AC-Bc的占空比，D c是变换器AC/AC-Ca、AC/AC-Cb的占空比。
考虑变压器的运行损耗，基于状态空间平均法建立混合式配电变压器的松弛二端口模型。任意一个AC/AC变换器均可以化简成图2所示的拓扑结构。HDT系统中的任一AC/AC模块的状态空间模型如下：
(2)
其中，
(3)
(4)
(5)
其中，LFb、LLb、CFb、CLb、LFc、LLc、CFc、CLc为AC/AC变换器AC/AC-Ba、AC/AC-Ca的输入/出滤波器的电感电容参数，Z L为HDT输出侧负载。
假设HDT系统三相对称平衡，为了清晰分析HDT系统中各种电压之间关系，绘制三相HDT系统的单相平均模型电路图，如图3所示。
如图3所示，考虑变压器运行时的损耗，将变压器的阻抗等效到二次侧，则三个变压器构成的松弛二端口网络ATA、ATB、ATC。将模块AC/AC-A划分为6个松弛二端口网络AF1、AD1、AL1、AF2、AD2、AL2。依据拓扑连接关系可知，AF1、AD1、AL1级联，AF2、AD2、AL2级联，如公式6-7所示。为了便于观测HDT运行状态以及对HDT进行潮流计算，计算HDT的状态空间平均模型的戴维南等效参数，其等效原理图如图4所示。
(6)
其中：
(7)
鉴于ATB与AAC/AC-b是级联关系同时考虑到图4所示的等效过程，由此推导出三相HDT系统的戴维南等值电路的相关参数,如式8-10所示：
(8)
(9)
(10)
其中，u Tx 为HDT的x相二次侧主绕组的输出电压，u AC/AC-x 为AC/AC-x模块的输出电压，ZTx 为HDT的x相传统工频变压器等效阻抗,ZAC/AC-x 为模块AC/AC-x的等效阻抗。将上述HDT输出电压和等效阻抗进一步细分。u Tx 为传统工频变压器的二次侧输出电压，ZTx 为传统工频变压器的等效阻抗，它们可以由传统工频变压器的电路模型表示，u AC/AC-x 与ZAC/AC-x 可以由一条由二者参数构成的支路表示。故HDT所在支路在电力系统网络计算中电路模型如图5所示。
图5所示的HDT支路模型包含两条支路，线路l ij为现有配电变压器支路，其变压器变比与等效阻抗为传统工频配电变压器的参数，线路l jk为新增支路，其中u AC/AC-x 为AC/AC模块输出电压向量，ZAC/AC-x 为AC/AC模块等效阻抗。在分析HDT电力系统运行状态时，用ZTx 与ZAC/AC-x 之和表示HDT运行时的电压降落，在计算电力系统最优潮流时，根据传统功率注入模型，线路中的同步电压源可以等效为对节点j、k的注入功率P j 、Q j 、P k 、Q k ，如式11所示。以P j 、Q j 、P k 、Q k 作为变量，对支路潮流进行凸优化处理，以此来建立支路潮流方程，进而求系统的潮流最优解。此过程为建立HDT模型的后续的深入研究，本文不在深入介绍。
(11)
依据式8，三相HDT系统的柔性变比n HDT如式12所示。
(12)
综上得到HDT系统的支路电路模型，依据其运行原理，得到其调控策略，如图6所示，将采样的瞬时电压值与额定值进行对比，通过降低二者差值，使控制后的调节电压不断向理论值靠近。当电力电子变换器发生故障时，AC/AC模块的旁路开关闭合，使其退出HDT主电路，即HDT工作于传统工频变压器模式。当负载电压发生波动时旁路开关断开，AC/AC模块通过PI调节器调节电力电子变换器的控制信号从而实现维持负载侧电压恒定目标。
实施例
为了验证提出的HDT的调压能力以及其模型构建的正确性，在PSIM仿真软件上搭建了三相HDT仿真模型，着重对HDT的工作性能和网络模型合理性进行验证，其中AC/AC变换器选用文献[33]提出的直接式AC/AC变换器。在搭建HDT仿真平台过程中，设定三相HDT系统一次输入侧额定电压为10Kv，二次输出侧额定电压为400V，HDT选取的用于传输主要能量的变压器与承担电气隔离功能的变压器参数相同，其对外等效阻抗均为1.152+j1.28Ω，LC输入/输出滤波器电感与电容参数选取相同，均为L=0.5mH、C= 20μF，负载电阻Z Load=100Ω。为了对HDT的工作性能进行分析，在仿真过程中，设定HDT输入侧按照正常运行-电压骤升-恢复正常-电压跌落-恢复正常的顺序运行，观测HDT输出侧电压波形变化。
图7为HDT按照设定运行时的电压波形图，其中VA1表示HDT输入侧电压，VA3表示HDT输出侧电压，Vcom1表示无调节的情况下传统工频变压器二次侧主绕组电压。如图7所示，在[0.05-0.1s]时间内，HDT输入侧发生电压骤升波动，骤升后的电压为额定电压的130%，即电压骤升了3000v，在[0.15-0.2s]时间内，HDT输入侧发生电压跌落波动，跌落后的电压为额定电压的70%，即电压跌落了3000V，在其它时间段内，输入侧电压以额定值恒定运行。在此过程中，Vcom1受输入侧电压波动影响在[0.05-0.1s]与[0.15-0.2s]时段内发生骤升与跌落的波动变化，由于HDT在[0.05-0.1s]与[0.15-0.2s]时段内分别向负载侧提供了反极性补偿电压与正极性补偿电压120V，故三相HDT输出侧电压保持恒定。
为了研究三相HDT输出功率因数是否会受到HDT调节电压的影响，将HDT输入侧重复上述的电压骤升-跌落的波动，对有无HDT电压调节两种情况下的输出侧功率因数对比分析，绘制HDT在不同负载情况下的功率因数曲线对比图，如图8、9所示。
在图8、9中，VAPF1_PF表示HDT参与电压调节情况下输出侧的功率因数曲线；VAPF2_PF表示HDT不参与电压调节情况下输出侧的功率因数曲线。其中，图8所示为输出侧负载为纯阻性负载情况下的功率因数曲线，其额定功率因数为1，图9所示为输出侧负载为阻感性负载情况下的功率因数曲线，负载阻抗值为100+j48.43Ω，其额定功率因数为0.9。如图8、9所示，在输入侧电压发生骤升跌落波动时，没有HDT电压调节情况下的输出侧功率因数发生剧烈波动，与额定值有较大偏差，而在有HDT电压调节情况下的输出侧功率因数虽与额定值有偏差，但偏差范围较小，在允许波动范围内，由此验证了HDT的电压调节不会影响输出侧的功率因数。
更改上述运行设定，在[0.05-0.1s]时间内HDT系统输入侧加入幅值为额定值1/3、1/5的三次谐波电压和五次谐波电压。在此时间段内，HDT输入侧电压VA1与无调节的情况下传统工频变压器二次侧主绕组电压Vcom1受谐波影响发生畸变，0.1s后随着谐波消失电压恢复正常，在上述过程中，负载侧电压VA3由于HDT调节始终保持恒定运行。对上述过程中Vcom1和VA3进行谐波分析,发现Vcom1包含三次谐波分量和五次谐波分量，而VA3只包含基频分量，无高次谐波。按照上述设定运行的电压波形图如图10所示。
在PSIM仿真平台上，设置HDT输入侧三相均以额定电压值正常运行，调整AC/AC变换器的占空比，观测输出侧电压。用(Db,Dc)的方式表示HDT在此时刻运行时的AC/AC变换器占空比，选取AC/AC模块在调节电压过程中典型的8个运行状态进行分析，8个运行状态对应的AC/AC变换器占空比分别是(-0.5,-0.5)、(-0.5,0)、(-0.5,0.5)、(0,-0.5)、(0,0.5)、(0.5,-0.5)、(0.5,0)、(0.5,0.5)。为验证提出的模型正确性，绘制这8个运行状态时的HDT系统柔性变比与在HDT上的电压损耗对比图，如图11、12所示。
由图11所示，在选定的8个特殊运行状态下，HDT柔性变比的理论值变化范围在[0.0198 0.0602]内，仿真计算值变化范围在[0.0198 0.0600]内，相同占空比下，理论值与仿真计算数值相近，虽有一定偏差，但偏差较小，可以忽略；由图12所示，在选定的8个特殊运行状态下，HDT上的电压损耗几乎相近，最大偏差为2.51275V，与此时的运行电压相比，偏差较小，对潮流计算的影响可以忽略。由此验证了提出的HDT网络模型的准确性。
综上，由两相支撑的HDT系统具有柔性调控电压的能力，且在调控过程中，可以维持负载侧的功率因数基本不变。在HDT系统输入侧受到谐波干扰时，通过对负载侧电压进行傅里叶分析，负载侧电压无高次谐波，由此得到结论，此HDT系统可以维持电压波形稳定，提高电压质量。同时PSIM仿真得到的数据与理论计算得到的数据对比，验证了提出的HDT网络模型的精准性。
Claims (1)
1.一种直接式AC/AC型混合配电变压器的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：首先分析直接式AC/AC型混合配电变压器系统运行特性，然后构建基于松弛二端口网络理论的混合式配电变压器模型；
所述直接式AC/AC型混合配电变压器系统包含一台三相三绕组工频配电变压器与三组AC/AC模块，所述三相三绕组工频变压器包括三个一次侧主绕组、三个二次侧主绕组以及六个用于电气隔离的二次侧辅助绕组，每个所述二次侧主绕组的一个输出端与负荷连接，另一个输出端与每组AC/AC模块的一个输出端连接，每组所述AC/AC模块的另一个输出端接地；
三组AC/AC模块分别为：AC/AC-A、AC/AC-B、AC/AC-C；三个一次侧主绕组分别为wA1、wB1、wC1；三个二次侧主绕组分别为wa、wb、wc；六个用于电气隔离的二次侧辅助绕组包括wa2、wb2、wc2，其中一次侧绕组与二次侧主绕组之间的变比为nTR，其中一次侧绕组与二次侧辅助绕组之间的变比为naux，每个二次侧主绕组的一个输出端与负荷连接；
每个所述AC/AC模块包含两个AC/AC变换器，每个AC/AC变换器的输入端与变压器的一个二次侧辅助绕组相连，第一个AC/AC变换器的一个输出端与二次侧主绕组相连，另一个输出端与第二个AC/AC变换器的一个输出端连接，第二个AC/AC变换器的一个输出端接地；
六个AC/AC变换器分别是AC/AC-Ac、AC/AC-Ab、AC/AC-Ba、AC/AC-Bc、AC/AC-Ca、AC/AC-Cb；其中，任一的AC/AC变换器的输入电压与输出电压均具有式(1)关系：
uout(t)＝D(t)·uin(t) (1)
其中，uout(t)为AC/AC变换器的输出侧电压，uin(t)为AC/AC变换器的输入侧电压，D(t)为AC/AC变换器的占空比；故设定Da、Db、Dc为六个AC/AC变换器占空比；其中，Da是变换器AC/AC-Ab、AC/AC-Ac的占空比，Db是变换器AC/AC-Ba、AC/AC-Bc的占空比，Dc是变换器AC/AC-Ca、AC/AC-Cb的占空比；
每个所述AC/AC变换器的两个输出端之间连接旁路开关，当旁路开关闭合时，AC/AC变换器退出运；
考虑变压器的运行损耗，基于状态空间平均法建立混合式配电变压器的松弛二端口模型；
混合式配电变压器系统中的任一AC/AC模块的状态空间模型如下：
其中，
其中，LFb、LLb、CFb、CLb、LFc、LLc、CFc、CLc为AC/AC变换器AC/AC-Ba、AC/AC-Ca的输入/出滤波器的电感电容参数，ZL为HDT输出侧负载；
假设混合式配电变压器系统三相对称平衡，考虑变压器运行时的损耗，将变压器的阻抗等效到二次侧，则三个变压器构成的松弛二端口网络ATA、ATB、ATC；将模块AC/AC-A划分为6个松弛二端口网络AF1、AD1、AL1、AF2、AD2、AL2；依据拓扑连接关系能知，AF1、AD1、AL1级联，AF2、AD2、AL2级联，如公式6-7所示；为了便于观测运行状态以及进行潮流计算，计算混合式配电变压器的状态空间平均模型的戴维南等效参数；
其中：
依据所构建的混合式配电变压器的松弛二端口模型，推导混合式配电变压器戴维南等效参数，构建能进行潮流计算的混合式配电变压器支路电路模型；
鉴于ATB与AAC/AC-b是级联关系同时考虑到等效过程，由此推导出三相混合式配电变压器系统的戴维南等值电路的相关参数，如式(8)-(10)所示：
其中，uTx为混合式配电变压器的x相二次侧主绕组的输出电压，uAC/AC-x为AC/AC-x模块的输出电压，ZTx为混合式配电变压器的x相传统工频变压器等效阻抗，ZAC/AC-x为模块AC/AC-x的等效阻抗；将上述混合式配电变压器输出电压和等效阻抗进一步细分；uTx为传统工频变压器的二次侧输出电压，ZTx为传统工频变压器的等效阻抗，它们由传统工频变压器的电路模型表示，uAC/AC-x与ZAC/AC-x由一条由二者参数构成的支路表示；故得到混合式配电变压器所在支路在电力系统网络计算中电路模型；
该模型包含两条支路，线路lij为现有配电变压器支路，其变压器变比与等效阻抗为传统工频配电变压器的参数，线路ljk为新增支路，其中uAC/AC-x为AC/AC模块输出电压向量，ZAC/AC-x为AC/AC模块等效阻抗；在分析混合式配电变压器电力系统运行状态时，用ZTx与ZAC/AC-x之和表示混合式配电变压器运行时的电压降落，在计算电力系统最优潮流时，根据传统功率注入模型，线路中的同步电压源可以等效为对节点j、k的注入功率Pj、Qj、Pk、Qk，如式(11)所示；以Pj、Qj、Pk、Qk作为变量，对支路潮流进行凸优化处理，以此来建立支路潮流方程，进而求系统的潮流最优解；
依据式8，三相混合式配电变压器系统的柔性变比nHDT如式(12)所示；
综上得到混合式配电变压器系统的支路电路模型，依据其运行原理，得到其调控策略，将采样的瞬时电压值与额定值进行对比，通过降低二者差值，使控制后的调节电压不断向理论值靠近；当电力电子变换器发生故障时，AC/AC模块的旁路开关闭合，使其退出混合式配电变压器主电路，即混合式配电变压器工作于传统工频变压器模式；当负载电压发生波动时旁路开关断开，AC/AC模块通过PI调节器调节电力电子变换器的控制信号从而实现维持负载侧电压恒定目标。
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