CN207339288U - 一种三相分离式混合型电力电子变压器 - Google Patents

一种三相分离式混合型电力电子变压器 Download PDF

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曾鹏
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陈仕军
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Abstract

本实用新型公开了一种三相分离式混合型电力电子变压器，所述的三相分离式混合型变压器包括多绕组变压器、H桥背靠背变换器、静态开关，实现电能质量调控，有效增大了电力电子变压器容量，实现大功率的电能传输，通过采用三相分离式H桥背靠背变换器，每相电路中均采用一个单相全桥电路，使每相电路完全独立，实现每相回路无功功率独立补偿、独立控制以及对分相的无功电流补偿和动态电压恢复，保证输出电压的稳定；同时本实用新型通过对静态开关的合理控制实现串联侧变换器的有效投切，确保正常运行下输出电压不受影响，有效减少补偿电路产生的谐波对电能质量的影响。

Description

一种三相分离式混合型电力电子变压器
技术领域
本实用新型涉及电力电子器件在电力系统中的应用领域，尤其涉及一种三相分离式混合型电力电子变压器。
背景技术
随着电力电子技术的发展和广泛应用，电力电子变压器日益受到人们的关注。电力电子变压器在具有占地面积小、结构紧凑、调节能力强等优点的同时，也有容量小、输入输出电压等级低的缺点，其电能传输能力远低于传统变压器。
目前传统变压器主要功能是实现交流电压等级的变换，实现电网的输电和配电功能，不具备对于电网电能质量进行调节的能力，而目前的电力电子变压器虽然对电网电压、电流的控制能力较强，但存在传输容量较小、电压等级低的缺点，因此需要提出一种三相分离式混合型电力电子变压器既具有传统变压器容量大，也具有电力电子变压器对电网电压、电流较强控制的优点，通过三相分离式混合型电力电子变压器中的电力电子器件实现无功补偿和动态电压补偿的功能，提高电网电能质量，同时目前现有的混合型电力电子变压器采用三相全桥结构，每相电路互相关联，无法分别对每一相的无功功率进行独立补偿，进而不能对每相电路电压补偿进行独立的控制，同时，目前使用的混合型电力电子变压器无法实现电压的动态补偿，且所采用的电压补偿电路会给电网带来谐波，对电能质量的影响较大。
实用新型内容
本实用新型解决的技术问题：
提供一种三相分离式混合型电力电子变压器，以解决传统变压器不具备电网电能质量调节能力以及目前使用的电力电子变压容量小的问题，同时用以解决目前的电力电子变压器无法分别对每一相电路的无功功率进行动态独立补偿和独立控制，以及目前所采用的电压补偿电路给电网带来较多谐波，对电能质量的影响较大的问题。
本实用新型的技术方案：
一种三相分离式混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器和H桥背靠背变换器，所述的多绕组变压器包含原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，多绕组变压器原边绕组与10kV电网三角形连接，多绕组变压器的第一副边绕组与第一旁路开关连接，所述的第一旁路开关、滤波电感及H桥背靠背变换器依次连接，H桥背靠背变换器与LC滤波器连接，多绕组变压器的第二副边绕组分别与第二旁路开关和第三旁路开关连接，所述的第三旁路开关与负载连接，所述的第二旁路开关分别与静态开关和LC滤波器连接，静态开关和LC滤波器分别与第四旁路开关连接，第四旁路开关与负载连接。
所述的H桥背靠背变换器为分相结构，每相H桥背靠背变换器均互相独立，每相H桥背靠背变换器包括一个并联变换器和一个串联变换器，所述的并联变换器和串联变换器并联连接。
所述的静态开关为三相静态开关，每相静态开关包含两个反向晶闸管，所述的两个反向晶闸管并联连接。
每个并联变换器和串联变换器均包括四个双向开关结构，所述的双向开关结构两两串联连接后再并联连接。
所述的双向开关结构包括一个IGBT和一个反向二极管，所述的IGBT和反向二极管并联连接。
本实用新型的有益效果：
本实用新型提供一种三相分离式混合型电力电子变压器，通过采用三相分离式H桥背靠背变换器，每相电路中均采用一个单相全桥电路，使每相电路完全独立，每相回路无功功率可独立补偿及独立控制，实现了对分相的无功电流补偿和动态电压恢复，对不平衡工况下的电能质量具有良好的治理效果，本实用新型采用的拓扑结构有效增大了电力电子变压器容量，使其在实现电能质量调控的同时，实现大功率的电能传输，本实用新型通过对静态开关的合理控制实现串联侧变换器的有效投切，确保正常运行下输出电压不受影响，有效减少补偿电路产生的谐波对电能质量的影响，保证输出电压的稳定，再者，本实用新型的采用串联变换器和并联变换器直流侧背靠背连接的结构，不需要连接直流电源，降低了拓扑的复杂程度。
附图说明
图1是本实用新型分相式混合型电力电子变压器拓扑结构；
图2是本实用新型双向开关结构示意图；
图3是本实用新型并联变换器数学模型；
图4是本实用新型串联变换器数学模型；
图5是本实用新型无功补偿控制流程图；
图6是本实用新型电压补偿控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施方式做更详细的说明：
一种三相分离式混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器和H桥背靠背变换器，所述的多绕组变压器包含原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，多绕组变压器原边绕组与10kV电网三角形连接，多绕组变压器的第一副边绕组与第一旁路开关连接，所述的第一旁路开关、滤波电感及H桥背靠背变换器依次连接，H桥背靠背变换器与LC滤波器连接，多绕组变压器的第二副边绕组分别与第二旁路开关和第三旁路开关连接，所述的第三旁路开关与负载连接，所述的第二旁路开关分别与静态开关和LC滤波器连接，静态开关和LC滤波器分别与第四旁路开关连接，第四旁路开关与负载连接。
多绕组变压器包括铁磁芯、原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，变压器的各绕组缠绕于铁磁芯上，多绕组电磁变压器的两个副边绕组包含负载绕组和并联变换器的接入绕组，其中多绕组电磁变压器的磁芯、原边绕组线圈和副边绕组线圈装入介电树脂中或者由惰性气体或者环境气体包围的环境中。
所述H桥背靠背变换器采用分相结构，每相的H桥背靠背变换器之间都是相互独立不存在电气结构上的连接，每一相中的H桥背靠背变换器都是由一个并联变换器和一个串联变换器组成，每个并联变换器和串联变换器均包括四个双向开关结构，所述的双向开关结构两两串联连接后再并联连接，所述的双向开关结构包括一个IGBT和一个反向二极管，所述的IGBT和反向二极管并联连接，也就是说，每个并联变换器和串联电抗器包含有4个IGBT和4个反向并联二极管，4个IGBT组成一个H全桥，从H全桥两个桥臂中间引出交流侧连接线，从H桥的上下两端引出直流侧连接线，并联变换器的交流侧通过滤波电感和旁路开关连接到三相多绕组变压器的一组副边绕组线圈上，直流侧通过直流侧电容与串联变换器直流侧相连，组成H桥背靠背结构，相比于传统的电力电子变压器，由于采用了H桥背靠背结构，电力电子变压器部分不再需要提供直流电源，降低了混合型电力电子变压器的拓扑结构复杂程度，提高了三相分离式混合型电力电子变压器的运行可靠性，H桥并联变换器主要的功能是提供无功补偿电流和维持直流侧电压的稳定，H桥背靠背变换器中的并联变换器采用电流型拓扑结构，其数学模型有利于简化控制输出的有功电流和无功电流，并联变换器通过控制输出的有功电流的方向和大小，维持直流侧电压的稳定，通过控制输出的无功电流的大小和方向，实现三相分离式混合型电力电子变压器的无功功率补偿，H桥背靠背变换器中的串联变换器采用电压型拓扑结构，其数学模型有利于简化控制输出的电压波形，通过对串联变换器输出的电压波形的控制，实现对负载回路输出电压的动态补偿。
所述的静态开关为三相静态开关，每相静态开关由两个反向并联的晶闸管组成；静态开关包含a、b、c三相3个独立的静态开关，每个静态开关由两个晶闸管反向并联组成，每个静态开关串联接入多绕组变压器的负载回路上，与串联变换器的输出侧相并联，当静态开关导通的时候，串联变换器被旁路，输出的负载回路电压中不包含串联变换器的补偿电压，避免了串联变换器可能带来的高次谐波，当静态开关断开的时候，串联变换器接入到负载回路中，通过控制串联变换器的输出电压可以实现输出负载回路的电压补偿，提高电网输出电压的稳定性。一种三相分离式混合型电力电子变压器，控制方法包括以下步骤：
步骤1：测量三相分离式混合型电力电子变压器电压、电流；
步骤2：计算三相分离式混合型电力电子变压器无功功率，对补偿电流进行控制；
步骤3：检测三相分离式混合型电力电子变压器电压故障；
步骤4：三相分离式混合型电力电子变压器动态电压补偿及控制。
步骤1所述的测量三相分离式混合型电力电子变压器电压、电流还包括以下步骤：
步骤1.1测量负载回路的电压ua、ub、uc、负载回路电流ia、ib、ic；
步骤1.2测量并联变换器的输出电流iLpa、iLpb、iLpc以及串联变换器的输出电流iLa、iLb、iLc；
步骤1.3测量串联变换器的电容电流isa、isb、isc、电容电压uga、ugb、ugc；
步骤1.4将测量的负载回路的电压、电流，并联变换器和串联变换器的输出电流以及串联变换器的电容电流和电容电压进行Clark变换：将采集得到的电压电流作为虚拟a相的值，将虚拟a相的值在时间轴上的前移三分之一个周期的值作为虚拟b相值，前移三份之二个周期的值作为虚拟c相值，对虚拟的abc三相的值通过单相Clark变换，得到负载回路电压在单相dq坐标系下的值uad、uaq、ubd、uaq、ucd、ucq，负载回路电流iad、iaq、ibd、ibq、icd、icq，并联变换器输出电流iLpad、iLpaq、iLpbd、iLpbq、iLpcd、iLpcq，串联变换器输出电流iLad、iLaq、iLbd、iLbq、iLcd、iLcq，电容电流isad、isaq、isbd、isbq、iscd、iscq，电容电压ugad、ugaq、ugbd、ugbq、ugcd、ugcq。
步骤2所述的计算三相分离式混合型电力电子变压器无功功率，对补偿电流进行控制还包括以下步骤：
步骤2.1计算三相分离式混合型电力电子变压器单相无功电流iid、iiq；
步骤2.2计算三相分离式混合型电力电子变压器无功补偿电流Δiiq，其中i＝a、b、c；根据单相无功瞬时理论，其瞬时无功功率值Qi＝1.5(-uiqiid+uidiiq)(uiq、uid为三相电压输出值，i＝a、b、c),根据当前的无功电流、无功电流补偿系数、无功补偿容量的限制，计算无功补偿电流Δiiq(i＝a、b、c)；
步骤2.3对无功补偿电流进行闭环控制：为了维持分相式混合型电力电子变压器中的直流电压平衡，以直流侧电压额定值作为指令值，直流侧实际电压ucap作为反馈值进行PI控制，其输出结果作为有功电流指令值，以实现直流侧电压稳定的目的。
步骤3所述的检测三相分离式混合型电力电子变压器电压故障还包括以下步骤：
步骤3.1计算三相分离式混合型电力电子变压器相电压矢量和uidq，其中i＝a、b、c；
步骤3.2计算三相分离式混合型电力电子变压器电压偏差Δui，其中i＝a、b、c；
步骤3.3判断三相分离式混合型电力电子变压器电压故障：由相电压矢量uidq和根据设定的额定电压值u0可以得到相电压的偏差电压Δui(i＝a、b、c)，根据设定的电压故障阈值判断电压故障是否发生，当电压故障发生时，激活静态开关控制信号S，控制串联变换器接入到负载回路输出电压中。
步骤4所述的三相分离式混合型电力电子变压器动态电压补偿及控制还包括以下步骤：
步骤4.1对三相分离式混合型电力电子变压器电压电流双闭环控制；以电压故障检测环节得到的偏差电压Δui(i＝a、b、c)作为d轴指令电压的给定值，以0作为q轴指令电压的给定值，通过对d轴和q轴的外环电压进行PI调节得到内环d轴控制指令电流和q轴的控制电流由d轴和q轴的指令电流以及d轴和q轴的实际电流iLid、iLiq(i＝a、b、c)进行闭环比例控制得到输出的控制电压；
步骤4.2对三相分离式混合型电力电子变压器进行反向Clark变换；对逆变器控制电压进行单相dq0/abc变换，得到i相(i＝a、b、c)IGBT的控制电压
步骤4.3对三相分离式混合型电力电子变压器输出电压进行PWM调制。
为了充分了解所提出的三相分离式混合型电力电子变压器拓扑结构，量化其电能质量控制性能，对H桥背靠背变换器中的串联变换器和并联变换器建立abc三相静止坐标系下和dq两相旋转坐标系下的数学模型，如图3和图4所示，由于三相分离式混合型电力电子变压器采用了分相拓扑结构，既可以基于abc三相静止坐标系下的数学模型和dq两相旋转坐标系下建立三相统一控制的方法，也可以利用dq两相旋转坐标系下数学模型和单相dq变换在单相中建立虚拟dq0坐标系，实现单相虚拟dq控制，无论对应于三相统一控制还是分相控制，建立的数学模型是相同的。
H桥背靠背变换器中并联变换器在abc静止坐标系下的数学模型为：
其中Ls是并联变换器的滤波电感，isi(i＝a、b、c)是并联变换器注入到变压器中的三相电流，usi(i＝a、b、c)是变压器副边绕组的三相电压，una(i＝a、b、c)是并联变换器交流侧的三相电压值；对abc三相静止坐标系下的并联变换
器的数学模型进行Clark变换可以得到dq旋转坐标系下的数学模型：
其中i＝a、b、c，Ls是并联变换器的滤波电感，iLpid、iLpiq是并联变换器i相(i＝a、b、c)在单相虚拟dq坐标系下d轴和q轴的电流，usid、usiq是并联变换器i相(i＝a、b、c)在单相虚拟dq坐标系下d轴和q轴的网侧电压，unip、uniq是并联变换器i相(i＝a、b、c)在单相虚拟dq坐标系下d轴和q轴的输出电压，ω是电网角频率，由该等式可得如图3所示的并联变换器的数学模型。
对于并联变换器的控制框图如图5所示，将i相检测得到的电压电流作单相dq0/abc变换得到的电压usid和usiq和电流iLpid、iLpiq，在单相dq坐标系下计算无功电流Qi＝1.5(-usiqiLpid+usidiLpiq)，由无功功率Qi、无功补偿比例和无功补偿容量限制计算得到无功补偿电流Δiq，以Δiq作为并联变换器无功电流的指令值。为了维持分相式混合型电力电子变压器中的直流电压平衡，以直流侧电压额定值作为指令值，直流侧实际电压ucap作为反馈值进行PI控制，其输出结果作为有功电流指令值，以实现直流侧电压稳定的目的。
为了对并联变换器实现精确的控制，对单相虚拟dq坐标系下的电流进行解耦控制，控制单相虚拟dq轴电流，使并联变换器的输出电流跟随给定电流，采用闭环PI调节的方式，其控制方程为：
其中i＝a、b、c，Kp是比例系数，Ki是积分系数。该控制方程对应于图2所示的无功补偿流程中的单相闭环控制。
H桥背靠背变换器中串联变换器在abc静止坐标系下的数学模型为：
其中umi(i＝a，b，c)是串联变换器交流侧的输出电压，ugi(i＝a，b，c)是串联变换器进过LC滤波器后的并网电压，iLi(i＝a，b，c)是串联变换器的电感输出电流，isi(i＝a，b，c)是LC滤波器流过电容的电流，Ls是LC滤波器电感，Cs是LC滤波器电容；对abc三相静止坐标系下的串联变换器数学模型进行Clark变换可以得到dq旋转坐标系下的数学模型：
其中i＝a、b、c，Ls是LC滤波器中的电感，Cs是LC滤波器中的电容，iLid、iLiq是iLi(i＝a、b、c)是经过LC滤波器电感电流经过单相Clark变换后的值，isid、isiq是isi(i＝a、b、c)是流出LC滤波器的电流经过单相Clark变换后的值，umid、umiq是umi(i＝a、b、c)是串联变换器输出侧的三相电压经过单相Clark变换后的值，ugid、ugiq是ugi(i＝a、b、c)是经过LC滤波器后的输出电压经过单相Clark变换后的值。
从dq旋转坐标系下的数学模型可以得到图4所示的串联变换器模型，由串联变换器的数学模型可以对串联变换器输出的电压电流值进行精确的控制，设计适用于串联变换器和并联变换器的控制方法，实现无功电流不平衡补偿控制器和动态电压补偿控制器。
对串联变换器的控制框图如图6所示，将i相检测得到的电压作dq0/abc变换得到的电压usid和usiq，计算i相电压的电压向量和usidq，计算i相电压向量和额定电压u0之间的电压差值Δui，以电压差值Δui作为d轴指令电压进行电压电流双闭环控制，q轴电压指令值为0，对串联变换器进行电压电流双闭环控制。

Claims (5)

1.一种三相分离式混合型电力电子变压器，包括多绕组变压器和H桥背靠背变换器，其特征在于：所述的多绕组变压器包含原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，多绕组变压器原边绕组与10kV电网三角形连接，多绕组变压器的第一副边绕组与第一旁路开关连接，所述的第一旁路开关、滤波电感及H桥背靠背变换器依次连接，H桥背靠背变换器与LC滤波器连接，多绕组变压器的第二副边绕组分别与第二旁路开关和第三旁路开关连接，所述的第三旁路开关与负载连接，所述的第二旁路开关分别与静态开关和LC滤波器连接，静态开关和LC滤波器分别与第四旁路开关连接，第四旁路开关与负载连接。
2.根据权利要求1所述的一种三相分离式混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的H桥背靠背变换器为分相结构，每相H桥背靠背变换器均互相独立，每相H桥背靠背变换器包括一个并联变换器和一个串联变换器，所述的并联变换器和串联变换器并联连接。
3.根据权利要求1所述的一种三相分离式混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的静态开关为三相静态开关，每相静态开关包含两个反向晶闸管，所述的两个反向晶闸管并联连接。
4.根据权利要求2所述的一种三相分离式混合型电力电子变压器，其特征在于：每个并联变换器和串联变换器均包括四个双向开关结构，所述的双向开关结构两两串联连接后再并联连接。
5.根据权利要求4所述的一种三相分离式混合型电力电子变压器，其特征在于：所述的双向开关结构包括一个IGBT和一个反向二极管，所述的IGBT和反向二极管并联连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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
CN114069633A (zh) * 2021-10-29 2022-02-18 东北电力大学 一种含高频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器

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