CN203983991U - 电力电子变压器的控制系统 - Google Patents

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陈立
赵坚
奉斌
帅智康
杨晶晶
许飞
徐波
吴丽芳
欧世峰
金庆忍
楚红波
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Abstract

本实用新型提供了一种电力电子变压器的控制系统，包括相连接的功率控制模块、电能质量调节模块、电流环控制模块；所述功率控制模块确定电力电子变压器的有功电流指令值；所述电能质量调节模块确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；所述电流环控制模块检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。本实用新型通过电力电子变压器与传统变压器并联运行，提供负荷有功功率的同时，调节低压电网电能质量，消除配网的污染，提高配电系统稳定性及供电可靠性。

Description

电力电子变压器的控制系统
技术领域
本实用新型涉及电力电子控制领域，特别涉及一种电力电子变压器的控制系统。
背景技术
传统变压器并联运行在电力系统普遍存在，随着大量的非线性和冲击性负载的出现，由这些负载所产生的谐波及无功电流对公共电网的污染日益严重，一般需要加入静止无功补偿器和有源滤波器装置进行无功补偿和谐波抑制。但这样会使系统变得比较庞大，同时还会存在环流问题。电力电子变压器(PET)是一种可控性极强的电力变压器，体积小，重量轻，不仅可以实现传统变压器电压等级变换、电磁隔离、能量传输的功能，还可以消除负载侧电能质量问题对电网侧的影响，实现电网侧和负载侧的解耦。但是相比于传统变压器，现阶段PET造价昂贵。
随着PET(电力电子变压器)在电力系统中的推广，PET和传统变压器并联运行将在电力系统中逐渐成为常态。现有PET和传统变压器并联技术中，利用PET输出电压幅值、相位和频率均可控的性质，使PET输出电压跟踪常规电力变压器的副边绕组电压，从而抑制并联系统环流。
综合现有PET和传统变压器并联技术，只能够实现并联系统的环流的抑制，若要进行电能质量调节，需在线路中增加静止无功补偿器、有源滤波器等装置，增加了成本。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型提供的一种电力电子变压器的控制系统，以较低的成本满足配电网扩容需求，增强系统的稳定性及供电可靠性。
(二)技术方案
本实用新型提供了一种电力电子变压器的控制系统，包括：相连接的功率控制模块、电能质量调节模块、电流环控制模块；
所述功率控制模块确定电力电子变压器的有功电流指令值；
所述电能质量调节模块确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
所述电流环控制模块检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。
进一步地，所述功率控制模块包括：
传统变压器输出功率检测单元，检测并联母线电压，并检测与所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，根据所述并联母线电压和所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，得出传统变压器的输出功率，所述并联母线为所述电力电子变压器与所述传统变压器并联的母线；所述传统变压器为不能对电能质量进行控制的变压器；
负荷有功功率预测单元，根据负荷曲线，预测负荷所需的有功功率，得出负荷所需有功功率的预测值；
P-Q算法单元，根据所述传统变压器的输出功率和所述预测值，确定并控制电力电子变压器需输出的有功功率；
有功电流指令单元，根据所述电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值；
进一步地，所述电能质量调节模块包括：
配电负载三相电流检测模块，检测配网负载三相电流；
瞬时电流分量转换单元，将所述瞬时有功电流分量和无功电流分量，转变为瞬时有功电流分量和无功电流分量；
低通滤波器单元，通过低通滤波器，将所述三相的有功电流分量和无功电流分量，转变为有功直流分量和无功直流分量；
反变换单元，根据有功直流分量和无功直流分量，对谐波电流和无功电流进行补偿选择，得到三相基波电流中的有功分量；
第一作差单元，将所述配网负载三相电流减去所述三相基波电流中的有功分量，得到所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值；
复合算法单元，将所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值和有功电流指令值，合成电力电子变压器的复合电流指令值。
进一步地，所述反变换模块还包括：
补偿选择单元，选择同时补偿无功电流和谐波电流，或只补偿谐波电流。
进一步地，所述电流环控制模块包括：
第二作差单元，将所述电力电子变压器的复合电流指令值与电力电子变压器输出电流作差，得到差值；
PI控制调节单元，根据所述差值，确定电力电子变压器PWM控制信号；
PWM控制单元，根据所述电力电子变压器PWM控制信号，得到电力电子变压器的输出电压波形；
滤波电感单元，根据所述电力电子变压器的输出电压波形，得到所述电力电子变压器的输出电流。
(三)有益效果
本实用新型提供的电力电子变压器的控制系统，电子电力变压器与传统变压器并联运行，增大系统容量，承担配电网负荷，满足配电网扩容需求；电力电子变压器中的电能质量调节模块，利用电能质量调节控制，提高变压器及其配电系统的电能质量，补偿配电网负载的无功及谐波电流；输出级的三相半桥可控逆变电路，采用电流环控制模块，输出可控的电压和电流，提高供电可靠性；电力电子变压器的电能质量调节模块和电流环控制模块，包含电能质量调节和滤波电感功能，实现电能质量调节，不用需要额外增加有源电力滤波器(APF)与静止无功发生器(SVG)等电能质量调节装置，节约成本。
附图说明
图1是本实用新型实施例1提供的一种电力电子变压器的控制方法流程图；
图2是本实用新型实施例2提供的一种电力电子变压器的控制系统结构示意图；
图3是本实用新型实施例3提供的另一种电力电子变压器的控制系统结构示意图；
图4是本实用新型实施例1提供的另一种电力电子变压器的控制系统结构示意图；
图5是本实用新型实施例1提供的电力电子变压器有功功率控制结构图；
图6是本实用新型实施例1提供的电力电子变压器电能质量调节控制结构图；
图7是本实用新型实施例1提供的电力电子变压器电流环控制结构图；
图8是本实用新型实施例4提供的传统变压器与电力电子变压器并联电路结构图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1：
本实用新型实施例提供了一种电力电子变压器的控制方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
S1.确定电力电子变压器的有功电流指令值；
S2.确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值；
S3.根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
S4.检测电力电子变压器的输出电流；
S5.通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。
例如，当负荷变化时，则通过自身的调节效应改变有功电流指令值，同理，可以实时调节无功谐波电流指令值，再通过所述步骤S3和S4，使得输出电流变化，从而实时跟随复合电流指令值，最终达到系统稳定，输出有功功率，承担部分负荷功率，补偿无功和谐波电流，调节配网电能质量的目的。
可选地，参见图5，步骤S1具体包括：
检测并联母线电压，并检测与所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，根据所述并联母线电压和所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，得出传统变压器的输出功率，所述并联母线为所述电力电子变压器与所述传统变压器并联的母线；所述传统变压器为不能对电能质量进行控制的变压器；
根据预测得到的负荷曲线，预测负荷所需的有功功率，得出负荷所需有功功率的预测值，确定电力电子变压器是否承担一定的负荷；
根据所述传统变压器的输出功率和所述负荷所需的有功功率的预测值，利用P-Q算法计算并控制电力电子变压器需输出的有功功率，其中，根据所述传统变压器的输出功率以及负荷所需有功功率的预测值，确定电力电子变压器是否承担一定的负荷，如图5，如果负荷功率预测值小于传统变压器的额定有功功率，则同时关断S1和S2开关，电力电子变压器只进行谐波及无功补偿，反之，则同时开通两个开关；计算并控制电力电子变压器需输出的有功功率；
根据所述电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值，其中，根据所述传统变压器的输出功率以及负荷所需有功功率的预测值，确定电力电子变压器是否承担一定的负荷，如图5，如果负荷功率预测值小于传统变压器的额定有功功率，则同时关断S1和S2开关，电力电子变压器只进行谐波及无功补偿，反之，则同时开通两个开关；计算并控制电力电子变压器需输出的有功功率，同时利用锁相环(PLL)得到输出电压的相位角，经过一定的算法获得PET三相的有功电流指令值，从而可以通过控制有功电流来控制PET的输出有功功率。
可选地，如图6，所述步骤S2和S3具体包括：
检测配网负载三相电流，例如ia0、ib0、ic0；
根据基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，通过Cabc-pq变换，将所述配网负载三相电流的三相瞬时电流，转变为瞬时有功电流分量和无功电流分量；
由于直流分量易于调节，通过低通滤波器，将所述瞬时有功电流分量和无功电流分量，转变为有功直流分量和无功直流分量；
对谐波电流和无功电流进行补偿选择，选择同时补偿无功电流和谐波电流,断开开关K2，无功直流分量为0,有功直流分量和无功直流分量通过Cabc-pq反变换，得到三相基波电流中的有功分量；
将所述配网负载三相电流减去所述三相基波电流中的有功分量，得到电力电子变压器的无功谐波电流指令值；
通过复合算法，将所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值和有功电流指令值，合成电力电子变压器的复合电流指令值。
可选地，参见图6，补偿选择包括：选择同时补偿无功电流和谐波电流，或只补偿谐波电流，如果同时补偿无功电流和谐波电流，则断开K2开关，令进行Cabc-pq反变换无功直流分量为0，只有有功直流分量进行Cabc-pq反变换；如果只补偿谐波电流，则开通开关K2，有功直流分量和无功直流分量都进行Cabc-pq反变换。
可选地，参见图7，步骤S5具体包括：
将所述电力电子变压器的复合电流指令值与电力电子变压器输出电流作差，得到差值；
根据所述差值，通过PI控制，得到电力电子变压器PWM控制信号；
根据所述电力电子变压器PWM控制信号，通过PWM逆变器控制，得到电力电子变压器的输出电压波形；
根据所述电力电子变压器的输出电压波形，通过滤波电感，得到所述电力电子变压器的输出电流。
本实用新型实施例具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种电力电子变压器控制方法和系统，控制系统的电能质量调节模块，通过对配电系统的电能质量调节，计算出电力电子变压器的无功谐波电流指令值，补偿配电网负载的无功电流并治理谐波电流，使电力电子变压器本身就能实现电能质量调节，不用需要额外增加有源电力滤波器(APF)与静止无功发生器(SVG)等电能质量调节装置，并通过对电力电子变压器的电能质量调节，消除了非线性负载的无功电流和谐波对配网的污染，以较低的成本提高配电系统稳定性及供电可靠性。
实施例2：
本实用新型实施例还提供了一种电力电子变压器的控制系统，参见图2，包括以下模块：
功率控制模块201，用于根据负荷功率预测值和传统变压器的输出功率值，控制电力电子变压器需要输出的有功功率，从而确定并控制电力电子变压器的有功电流指令值。
具体地，检测并联母线电压和传统变压器的输出电流，获得传统变压器的输出功率，预测负荷所需的有功功率利用P-Q算法得到电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值。
电能质量调节模块202，用于确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值。
具体地，检测配电负载电流，利用ip-iq法获得配网中的无功及谐波电流，生成无功谐波电流指令值，利用复合算法合成电力电子变压器的复合电流指令值；
电流环控制模块203，用于根据所述复合电流指令值，确定电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值。
具体地，利用PI控制、PWM控制和滤波电感控制电力电子变压器的输出电流跟随电力电子变压器的电流指令值，达到系统稳定。
可选地，电能质量调节模块包括：
配电负载三相电流检测单元204，用于检测配网负载三相电流；
瞬时电流分量转换单元205，用于根据基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，通过Cabc-pq变换，将所述配网负载三相电流的三相瞬时电流，转变为瞬时有功电流分量和无功电流分量；
低通滤波单元206，用于通过低通滤波器，将所述三相的有功电流分量和无功电流分量，转变为有功直流分量和无功直流分量；
反变换单元207，用于根据有功直流分量和无功直流分量，通过Cabc-pq变换，对谐波电流和无功电流进行补偿选择，得到三相基波电流中的有功分量；
第一作差单元208，用于将所述配网负载三相电流减去所述三相基波电流中的有功分量，得到所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值；
复合算法单元209，用于通过复合算法，将所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值和有功电流指令值，合成电力电子变压器的复合电流指令值。
可选地，所述反变换单元还包括：补偿选择子单元，用于选择同时补偿无功电流和谐波电流，或只补偿谐波电流。
如果同时补偿无功电流和谐波电流，则只有有功直流分量进行Cabc-pq反变换；如果只补偿谐波电流，则有功直流分量和无功直流分量都进行Cabc-pq反变换。
本实用新型实施例具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种电力电子变压器控制方法和系统，控制系统的电能质量调节模块，通过对配电系统的电能质量调节，计算出电力电子变压器的无功谐波电流指令值，补偿配电网负载的无功电流并治理谐波电流，使电力电子变压器本身就能实现电能质量调节，不用需要额外增加有源电力滤波器(APF)与静止无功发生器(SVG)等电能质量调节装置；本实用新型通过对电力电子变压器的电能质量调节，消除了非线性负载的无功电流和谐波对配网的污染，以较低的成本提高配电系统稳定性及供电可靠性。
实施例3：
本实用新型实施例还提供了一种电力电子变压器控制系统，参见图3，包括以下模块：
功率控制模块301，用于检测并联母线电压和传统变压器的输出电流，获得传统变压器的输出功率，预测负荷所需的有功功率，利用P-Q算法得到电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值。
电能质量调节模块302，用于检测配电负载电流，利用ip-iq法获得配网中的无功及谐波电流，生成无功谐波电流指令值，利用复合算法合成电力电子变压器的复合电流指令值；
电流环控制模块303，用于利用PI控制、PWM控制和滤波电感控制电力电子变压器的输出电流跟随电力电子变压器的电流指令值，达到系统稳定。
可选地，功率控制模块包括：
传统变压器输出功率检测单元304，用于检测并联母线电压，并检测与所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，根据所述并联母线电压和所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，得出传统变压器的输出功率，所述并联母线为所述电力电子变压器与所述传统变压器并联的母线；所述传统变压器为不能对电能质量进行控制的变压器；
负荷有功功率预测单元307，根据负荷曲线，预测负荷所需的有功功率，得出负荷所需有功功率的预测值，确定电力电子变压器是否需要承担一定的负荷；
P-Q算法单元305，用于根据所述传统变压器的输出功率和所述预测值，利用P-Q算法计算并控制电力电子变压器需输出的有功功率；
有功电流指令单元306：用于根据所述电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值；
可选地，电流环控制模块包括：
第二作差单元308，用于将所述电力电子变压器的复合电流指令值与电力电子变压器输出电流作差，得到差值；
PI控制调节单元309，用于根据所述差值，进行PI控制，得到电力电子变压器PWM控制信号；
PWM控制单元310，用于根据所述电力电子变压器PWM控制信号，进行PWM逆变器控制，得到电力电子变压器的输出电压波形；
滤波电感单元311，用于根据所述电力电子变压器的输出电压波形，通过滤波电感，得到所述电力电子变压器的输出电流。
本实用新型实施例具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种电力电子变压器控制方法和系统，采用电流环控制模块，输出可控的电压和电流，提高供电可靠性；本实用新型通过对电力电子变压器的电流环控制调节，消除了非线性负载的无功电流和谐波对配网的污染，以较低的成本提高配电系统稳定性及供电可靠性。
实施例4：
本实用新型实施例还提供了一种电力电子变压器的控制系统，参见图4，包括以下模块：
功率控制模块401，用于检测并联母线电压和传统变压器的输出电流，获得传统变压器的输出功率，预测负荷所需的有功功率，利用P-Q算法得到电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值。
电能质量调节模块402，用于检测配电负载电流，利用ip-iq法获得配网中的无功及谐波电流，生成无功谐波电流指令值，利用复合算法合成电力电子变压器的复合电流指令值；
电流环控制模块403，用于利用PI控制、PWM控制和滤波电感控制电力电子变压器的输出电流跟随电力电子变压器的电流指令值，达到系统稳定。
可选地，参见图8，所述电力电子变压器的控制系统还包括：传统变压器和电力电子变压器，所述电力电子变压器的低压侧与传统变压器的低压侧并联带负载，所述电力电子变压器和传统变压器的高压侧不一定是同一高压线路。
可选地，所述电力电子变压器采用模块化H桥级联型拓扑结构。
可选地，参见图8，所述模块化H桥级联型拓扑结构包括：
输入级、DAB和输出级。所述输入级采用多模块化的H桥串联电路，实现高功率因数整流，保证电压电流同相位，降低传输损耗，其中，级联多电平变流器降低了功率器件的电压应力，有高等效开关频率并有效减小了电流谐波畸变率和滤波电感体积；所述DAB采用DC/DC转换电路，利用高频变压器实现降压和电磁隔离，稳定低压直流侧电压幅值；所述输出级采用三相半桥可控逆变电路，输出可控的电压电流，补偿配网无功电流，治理谐波电流。
本实用新型实施例具有如下有益效果：
本实用新型提供的一种电力电子变压器控制方法和系统，电子电力变压器与传统变压器并联运行，增大系统容量，承担配电网负荷，满足配电网扩容需求；输出级的三相半桥可控逆变电路，输出可控的电压和电流，提高供电可靠性；本实用新型通过，电子电力变压器与传统变压器并联运行避免谐波电流从传统变压器传递到系统高压侧，以较低的成本提高配电系统稳定性及供电可靠性。
需要说明的是：以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，仅用于说明本实用新型的技术方案，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的原则之内所有的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电力电子变压器的控制系统，其特征在于，包括：相连接的功率控制模块、电能质量调节模块、电流环控制模块；
所述功率控制模块确定电力电子变压器的有功电流指令值；
所述电能质量调节模块确定电力电子变压器的无功谐波电流指令值，根据所述有功电流指令值和所述无功谐波电流指令值，确定电力电子变压器的复合电流指令值；
所述电流环控制模块检测电力电子变压器的输出电流，通过电流控制算法，控制所述电力电子变压器的输出电流跟随所述复合电流指令值变化。
2.根据权利要求1所述电力电子变压器的控制系统，其特征在于，所述功率控制模块包括：
传统变压器输出功率检测单元，检测并联母线电压，并检测与所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，根据所述并联母线电压和所述电力电子变压器并联的传统变压器的电流，得出传统变压器的输出功率，所述并联母线为所述电力电子变压器与所述传统变压器并联的母线；所述传统变压器为不能对电能质量进行控制的变压器；
负荷有功功率预测单元，根据预测得到的负荷曲线，预测负荷所需的有功功率，得出负荷所需有功功率的预测值；
P-Q算法单元，根据所述输出功率和所述预测值，确定并控制电力电子变压器需输出的有功功率；
有功电流指令单元，根据所述电力电子变压器需输出的有功功率，获得电力电子变压器的有功电流指令值。
3.根据权利要求1所述电力电子变压器的控制系统，其特征在于，所述电能质量调节模块包括：
配电负载三相电流检测单元，检测配网负载三相电流；
瞬时电流分量转换单元，将所述配网负载三相电流的三相瞬时电流，转变为瞬时有功电流分量和无功电流分量；
低通滤波单元，将所述瞬时有功电流分量和无功电流分量，转变为有功直流分量和无功直流分量；
反变换单元，根据有功直流分量和无功直流分量，对谐波电流和无功电流进行补偿选择，得到三相基波电流中的有功分量；
第一作差单元，将所述配网负载三相电流减去所述三相基波电流中的有功分量，得到所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值；
复合算法单元，将所述电力电子变压器的无功谐波电流指令值和有功电流指令值，合成电力电子变压器的复合电流指令值。
4.根据权利要求3所述电力电子变压器的控制系统，其特征在于，所述反变换单元还包括：
补偿选择子单元，选择同时补偿无功电流和谐波电流，或只补偿谐波电流。
5.根据权利要求1所述电力电子变压器的控制系统，其特征在于，所述电流环控制模块包括：
第二作差单元，将所述电力电子变压器的复合电流指令值与电力电子变压器输出电流作差，得到差值；
PI控制调节单元，对所述差值进行电流闭环控制，得到电力电子变压器PWM控制信号；
PWM控制单元，根据所述电力电子变压器PWM控制信号，得到电力电子变压器的输出电压波形；
滤波电感单元，根据所述电力电子变压器的输出电压波形，通过滤波电感，得到所述电力电子变压器的输出电流。
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