CN204835940U - 一种分散储能的电力电子变压器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分散储能的电力电子变压器，所述电力电子变压器包括功率单元和输出模块，所述功率单元包括H桥模块、储能模块、隔离模块；所述储能模块包括一个Buck-Boost变换器，滤波电感和储能电池,储能电池通过滤波电感和Buck-Boost变换器相连接，本实用新型提出并采用了分散储能技术，保障特殊工况下电力电子变压器足够的能量支持，并避免了大容量电池的使用，提高电力电子变压器运行稳定性；储能电池采用IAI接口，实现了与直流侧能量的有功功率解耦。

Description

一种分散储能的电力电子变压器

技术领域

本实用新型涉及电力设备技术领域，尤其涉及电力电子变压器。

背景技术

随着电网系统发展，传统电力变压器逐渐显露出一些缺点，如：负载过大时，会导致输出电压下降、产生谐波；无论是原方还是副方发生故障时，另一侧都会受到影响；功能单一，没有电压调节、功率因数校正和功率潮流控制等功能。

电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)是近年来随着半导体技术的发展而逐步发展起来的新型电力变压器，其充分利用了变流器和高频变压器的优点，克服了传统变压器的缺点，还可以实现故障隔离，电能质量控制，分布式直流电源接入等功能，符合主动电网和微网等现代智能电网建设的需求，发展迅速。但是，它不能补偿电压中断,对深度电压跌落也无能为力。电力电子变压器作为主网与主动配电网或微网等下级电网的接口，在主网出现恶劣工况时，比如电压大幅度波动或跌落，需要保障下级电网能平稳度过异常工况；在主网突然出现故障时，需要保障下级电网能顺利离网运行。在主网非正常工作期间保障下级电网正常工作，电力电子变压器不仅仅需要高动态响应的控制功能，还需要有足够的能量支持。针对电力电子变压器的储能需求，国内已逐渐展开了研究，并提出了一些储能方法。

现有技术方案是利用电力电子变压器的低压直流母线，在母线上接入超级电容储能系统，储能系统与母线之间使用DC/DC功率变换电路，进行相应的控制，实现超级电容与直流母线之间的充放电。现有技术方案的缺点：(1)超级电容集中储能，能量密度比一般储能电池小；(2)储能系统与电力电子变压器之间增加了额外的DC/DC功率变换电路，需两套控制系统，且成本高。(3)隔离级采用全桥结构，开关管电压应力难以平衡，电流和电压控制能力不强。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种通过分散的储能单元实现储能的电力电子变压器。本实用新型能够保障特殊工况下电力电子变压器足够的能量支持，并避免了大容量电池的使用。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型的技术方案如下：

一种分散储能的电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器包括级联整流级、分散储能级、隔离级、输出级；

其中，所述电力电子变压器的输入端的每一相都接入H桥模块的输入端，H桥模块的输出端和与之相应的储能模块的输入端连接，储能模块的输出端和与之相应的隔离级的输入端连接；所述H桥模块、与H桥模块相应的储能模块和与储能模块相应的隔离模块组成功率单元；在电力电子变压器的每一个单相上都接入n个功率单元和一个输出模块，H桥模块的输入端作为功率单元的输入端，功率单元的输入端与电网连接，相内级联连接，相间星形连接；隔离模块的输出端为功率单元的输出端，功率单元的输出端并联，与输出模块的输入端连接；

每一个单相上的所有H桥模块构成该单相上的级联整流级，每一个单相上的所有储能模块构成该单相上的分散储能级，每一个单相上的所有隔离模块构成该单相上的隔离级，输出级由一个输出模块构成。

所述H桥模块为由四个带反并联二级管的IGBT构成的可控全桥整流电路。

所述储能模块包括一个Buck-Boost变换器、滤波电感和储能电池,储能电池通过滤波电感和Buck-Boost变换器相连接。

所述隔离模块为双向半桥变换器，双向半桥变换器的两边为对称结构，左右两个半桥通过中间的高频变压器连接。

所述输出模块为全桥DC/AC逆变器。

所述的分散储能级控制储能电池的充放电，主电网正常工况下，对储能电池进行充电，直至电荷量百分比SoC达到额定值，进入平衡状态；平衡状态下，控制一个充放电周期内储能电池电荷量的平衡；主电网在电压短时中断或深度跌落时，控制储能电池放电。

所述的储能电池充放电的电路包括一个切换开关、两个加法器、两个减法器、两个比例控制器和两个积分器。

本实用新型的工作原理为：主电网交流电由级联整流级进行电压和功率控制后(功率控制包括相间功率平衡控制和相内级联H桥模块间功率平衡控制)，得到稳定的悬浮直流电压其中，k代表相(k∈a,b,c)，i代表级数(i∈1～n)，悬浮的直流电总数量为3n。

分散储能级采用IAI电路接入储能电池，通过IAI电路控制储能电池的充放电，保证主网非正常工况下电力电子变压器所需的能量支撑，也可以作为功率缓冲器减少由于功率波动引起的电力电子变压器电压波动，正常工况下对储能电池进行充电。同时，通过IAI电流控制，使储能电池与直流侧能量有功功率解耦。3n个储能电池组分散接入也避免了集中大容量电池的使用，减少了控制难度。

隔离级的DHB结构通过移相控制实现功率在变压器高压直流侧(HV)和低压直流侧(LV)的双向流动，即H2L模式。同时，通过谐振控制器滤除二脉波，保证低电流纹波输出，实现开关器件的热应力平衡，使电流输出能力增强。

输出级DC/AC全桥逆变器使用电感电流内环和电容电压外环的双闭环控制，这里的电感和电容取自LC滤波电路。电感电流内环能够快速抑制负载扰动影响，获得较好的系统动态响应性能；电压外环可以改善输出电压波形，提高输出精度。

本实用新型技术方案带来的有益效果

(1)电力电子变压器实现储能，保障特殊工况下电力电子变压器足够的能量支持。如主网电压深度跌落时，电力电子变压器及其下级电网仍能稳定运行。

(2)储能电池分散接入，避免了大容量电池的使用。

(3)分散接入的储能电池可以缓冲电力电子变压器内部功率波动，稳定直流侧电压。

(4)整流级和储能电池之间采用IAI接口，实现了有功功率解耦和更为简单的控制。

(5)隔离级采用半桥结构，实现功率的双向流动的同时，平衡开关管电压应力，提高了电力电子变压器的输出能力。

附图说明

图1为本实用新型分散储能的电力电子变压器优选实施例的整体拓扑结构图；

图2为本实用新型分散储能的电力电子变压器中的功率单元拓扑结构图；

图3为本实用新型分散储能的电力电子变压器中的储能电池充放电控制框图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式做进一步描述。以下实施例仅用于更清楚的说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种分散储能的电力电子变压器由四级结构组成：级联整流级、分散储能级、隔离级以及输出级。每级具体实施方案如下：

(1)级联整流级

级联整流级控制器由外环电压调节器、内环电流跟踪器、功率调节器、锁相同步机构等模块组成，如图3所示。采集悬浮的直流电压，计算后得到平均值v_dc，与参考电压v_ref比较并经过PI调节后，得到有功参考电流为保证输入电流的单位功率因数，无功参考电流取零。内环电流跟踪器控制实际电流对指令电流的快速跟踪，从而实现级联整流级输入电流波形和相位的控制。内环电流跟踪器控制后得到指令信号锁相同步机构输出的相位信号用于提供电压矢量定向控制和触发脉冲生成所需的基准相位。

由于直流电压平均值v_dc与参考电压的比较没有考虑各模块间的有功功率不平衡，为保证级联整流级相间和相内各级模块间的功率平衡，电流内环得出的调制信号还不能直接驱动开关管，要进行功率控制。

相间功率平衡控制中，首先检测各相功率P_a，P_b，P_c，求出平均功率P_av，再通过电压修正运算来平衡级联整流级三相交流侧电压，从而控制三相同步的流入功率。其中平均功率P_av和电压修正运算量V₀分别如公式1和公式2所示。

$P_{av}=\frac{P_a+P_b+P_c}{3}---\left(1\right)$

$v_o=\frac{max\{r_a\·v_{ca}^{*},r_b\·v_{cb}^{*},r_c\·v_{cc}^{*}\}}{2}+\frac{min\{r_a\·v_{ca}^{*},r_b\·v_{cb}^{*},r_c\·v_{cc}^{*}\}}{2}---\left(2\right)$

相内功率平衡控制中，通过各级悬浮电压实际值与参考值比较后，PI调节得到直流侧电压静差补偿量v_ki，再通过引入单位前馈电压系数1平衡相内各级模块功率。

(2)分离储能级

分散储能级控制储能电池的充放电。根据检测装置检测的主电网工作情况，储能电池分为充电和放电过程。主电网正常工况下，对储能电池进行充电，直至电荷量百分比SoC达到额定值，进入平衡状态；平衡状态下，控制一个充放电周期内储能电池电荷量的平衡；当主电网在电压短时中断或深度跌落下时，控制储能电池放电，维持电力电子变压器有功功率输出所需的能量。由于储能电池分散单独接入电力电子变压器中，每个储能电池充放电过程可以独立控制。整个充电控制通过一个电荷量外环和一个功率内环来实现；整个放电控制通过一个功率外环和一个电荷量内环来实现；

图3所示储能电池充放电实例由一个切换开关，两个加法器，两个减法器，两个比例控制器，两个积分器组成。

(3)隔离级

DHB采样得到输出电流与额定输出电流指令相比较得出电流误差信号。电流误差信号送入电流控制器，电流控制器可以动态调整电流误差信号，直至稳态时误差信号为0。电流控制器输出的占空比D^ki经调制后便得DHB高压侧的开关管驱动信号S_P，低压侧管的驱动信号S_S通过移相获得。通过改变移相角φ^ki可调节输出电压。

(4)输出级

输出级双闭环控制的具体控制方法为：通过abc/dq变换得到dq直流分量，在dq坐标中用PI对直流分量进行控制，可以实现无静差。但是dq坐标中引入了耦合量(例如电流除受电压控制量u_d、u_q影响外，还受电感的耦合电压和输出电压的影响)需要解耦消除他们的影响。解耦后电流内环，电压外环控制方程如式(3)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\left(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s}\right)\left(i_m^{d^{*}}-i_m^d\right)-{\mathrm{\ω}}_b{L}_m{i}_m^q+u_f^d\\ u_q=\left(K_{ip}+\frac{K_{ii}}{s}\right)\left(i_m^{q^{*}}-i_m^q\right)-{\mathrm{\ω}}_b{L}_m{i}_m^q+u_f^q\end{array}\right.\{\begin{array}{c}{i}_m^d=\left(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s}\right)\left(u_f^{d^{*}}-u_f^d\right)-{\mathrm{\ω}}_b{C}_f{u}_f^q+i_g^d\\ i_m^q=\left(K_{vp}+\frac{K_{vi}}{s}\right)\left(u_f^{q^{*}}-u_f^q\right)-{\mathrm{\ω}}_b{C}_f{u}_f^d+i_g^q\end{array}---\left(3\right)$

所示。

Claims (6)

1.一种分散储能的电力电子变压器，其特征在于：所述电力电子变压器包括功率单元和输出模块，所述功率单元包括H桥模块、储能模块、隔离模块；所述电力电子变压器的输入端的每一相都接入H桥模块的输入端，H桥模块的输出端和与之相应的储能模块的输入端连接，储能模块的输出端和与之相应的隔离模块的输入端连接；所述H桥模块、与H桥模块相应的储能模块和与储能模块相应的隔离模块组成功率单元；在电力电子变压器的每一个单相上都接入n个功率单元和一个输出模块，H桥模块的输入端作为功率单元的输入端，功率单元的输入端与电网连接，相内级联连接，相间星形连接；隔离模块的输出端为功率单元的输出端，功率单元的输出端并联，与输出模块的输入端连接；

每一个单相上的所有H桥模块构成该单相上的级联整流级，每一个单相上的所有储能模块构成该单相上的分散储能级，每一个单相上的所有隔离模块构成该单相上的隔离级，输出级由一个输出模块构成。

2.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于，所述H桥模块为由四个带反并联二级管的IGBT构成的可控全桥整流电路。

3.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于：所述储能模块包括一个Buck-Boost变换器、滤波电感和储能电池，储能电池通过滤波电感和Buck-Boost变换器相连接。

4.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于:所述隔离模块为双向半桥变换器，双向半桥变换器的两边为对称结构，左右两个半桥通过中间的高频变压器连接。

5.如权利要求1所述的电力电子变压器，其特征在于：所述输出模块为全桥DC/AC逆变器。

6.如权利要求3所述的电力电子变压器，其特征在于：所述的储能电池的充放电电路包括一个切换开关、两个加法器、两个减法器、两个比例控制器和两个积分器。