一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器

1.本发明属于电力电子装置在配电系统技术领域，具体涉及一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器。


背景技术：

2.配电终端电能质量直接影响着供用电设备的安全、工业生产水平与人民生活质量。随着能源互联网建设，配电网中分布式光伏、电动汽车、电池储能等新型源/荷占比逐年提升，使得高/低电压、谐波放大、三相不平衡等配电终端电能质量问题日益凸显。尤其是供电区域内电能质量敏感的重要负荷，如精密仪器制造企业、大型数据中心等，对电能质量提出了更高的要求。
3.电力变压器是输配电系统的基础设备，广泛应用于工业、农业、交通、城市社区等领域。传统电力变压器不具备电流谐波抑制、电压柔性调压、直流配电接口等功能。近年来，已经提出了将功率变换装置与电力变压器组合以提高电能质量的混合配电变压器。目前方案往往针对无功补偿、谐波治理、三相负荷不平衡等问题分别或部分集成在一起进行，解决措施不具综合性，装置集成度和综合利用率较低，同时也不具备新型源/荷“即插即用”的直流配电接口。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器，能够提供稳定可靠的低压直流母线以实现分布式可再生能源、储能系统、新型直流负荷的“即插即用”。
5.本发明所采用的技术方案是，一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器，包括三个高压绕组、三个高压独立绕组、三个低压绕组、三个低压独立绕组，每个高压独立绕组并联一个旁路开关，每个高压绕组均连接一个高压独立绕组形成高压侧绕组，每个高压侧绕组一端连接三相电源，另一端连接其他高压侧绕组，三个低压绕组一端星接形成节点n1，另一端分别连接三相负载，节点n1通过导线连接三相负载中线，三个低压独立绕组一端星接形成节点n2，另一端分别通过滤波器连接前级电压源变换器不同相，节点n2通过滤波电感l
se
连接前级电压源变换器交流侧中线，三个高压绕组分别与三个低压绕组对应相通过缠绕铁芯进行磁反应耦合，三个高压独立绕组分别与三个低压独立绕组对应相通过缠绕铁芯进行磁反应耦合，还包括后级电压源变换器，后级电压源变换器交流侧通过电感连接负载侧母线，前级电压源变换器直流侧与后级电压源变换器直流侧相接并引出低压直流配电端口。
6.本发明的特点还在于：
7.三个高压侧绕组连接方式为：三个高压侧绕组首尾依次连接形成三角形，三角形每个角分别连接三相电源的一相；
8.其中，连接三相电源a相的任意一个高压侧绕组定义为a相高压侧绕组，连接三相
电源b相的高压侧绕组定义为b相高压侧绕组，连接三相电源c相的高压侧绕组定义为c相高压侧绕组。
9.三个高压侧绕组连接方式为：三个高压侧绕组一端连接成一个节点，三个高压侧绕组另一端分别连接三相电源三相；
10.其中，连接三相电源a相的高压侧绕组为a相高压侧绕组；连接三相电源b相的高压侧绕组为b相高压侧绕组；连接三相电源c相的高压侧绕组为c相高压侧绕组。
11.前级电压源变换器直流侧和后级电压源变换器直流侧同时并分离电容。
12.滤波器包括滤波电感、滤波电容，滤波电感串联在低压独立绕组另一端与前级电压源变换器不同相之间，前级电压源变换器不同相之间并联滤波电容。
13.本发明的有益效果是：
14.本发明一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器，提供低压直流配电接口，将电压调节、谐波治理、三相负荷不平衡等电能质量治理功能整合，同时提供稳定可靠的低压直流母线以实现分布式可再生能源、储能系统、新型直流负荷的“即插即用”，从而克服目前现有技术问题。
附图说明
15.图1是本发明一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器实施例一结构示意图；
16.图2是本发明一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器实施例二结构示意图；
17.图3是本发明前级电压源变换器电压调节控制策略示意图；
18.图4是本发明两台电压源变换器中三相四桥臂电压源变换器示意电路图；
19.图5是网侧电压发生骤升和骤降波动时负载侧电压示意图；
20.图6是通过稳压调制稳定住的负载侧电压的示意图；
21.图7是本发明后级电压源变换器谐波检测策略框图；
22.图8是后级电压源变换器谐波补偿的谐波补偿环节与直流侧稳压的控制策略框图；
23.图9示出了用于电压源变换器晶体管igbt的spwm调制框图；
24.图10示出后级电压源变换器谐波补偿后的负载侧电流波形示意图；
25.图11示出后级电压源变换器直流侧稳压后的波形示意图。
26.图中，v
ga
、v
gb
、v
gc
分别表示网侧三相电压a、b、c相电压；
[0027]vsa
、v
sb
、v
sc
分别表示用户侧三相电压a、b、c相电压；
[0028]vca
、v
cb
、v
cc
示出前级压源型变换器输出端口提供的补偿电压；
[0029]iga
、i
gb
、i
gc
分别表示网侧三相电流a、b、c相电流；
[0030]isa
、i
sb
、i
sc
分别表示低压侧三相电流a、b、c相电流；
[0031]ila
、i
lb
、i
lc
分别表示流入用户侧的三相电流a、b、c相电流；
[0032]ifa
、i
fb
、i
fc
分别表示流入用户侧的三相电流a、b、c基波分量；
[0033]iha
、i
hb
、i
hc
分别表示流入用户侧的三相电流a、b、c谐波分量；
[0034]ia1
、i
b1
、i
c1
分别表示前级压源型变换器输出电流a、b、c相电流；
[0035]ia2
、i
b2
、i
c2
分别表示后级压源型变换器输出电流a、b、c相电流；
[0036]idref
、i
qref d-q坐标轴下用户侧谐波电流参考值；
[0037]id2
、i
q2 d-q坐标轴下后级电压源型变换器实际谐波补偿电流；
[0038]
l
sea
、l
seb
、l
sec
分别表示前级电压源型变换器滤波电感；
[0039]csea
、c
seb
、c
sec
分别表示前级电压源型变换器滤波电容；
[0040]
l
sha
、l
shb
、l
shc
分别表示后级电压源型变换器滤波电感；
[0041]wa1
、w
b1
、w
c1
分别表示工频变压器高压侧a、b、c三相主绕组；
[0042]wa1
、w
b1
、w
c1
分别表示工频变压器低压侧a、b、c三相主绕组；
[0043]wa2
、w
b2
、w
c2
分别表示耦合变压器高压侧a、b、c三相独立绕组；
[0044]wa2
、w
b2
、w
c2
分别表示耦合变压器低压侧a、b、c三相独立绕组；
[0045]
sa、sb、sc分别表示耦合变压器高压侧a、b、c三相旁路开关；
[0046]cv1
、c
v2
分别表示前级电压源变换器和后级电压源变换器；
[0047]
vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6、vt7、vt8分别表示前级三相四桥臂变换器所中的8个绝缘栅双极晶体管；
[0048]
vd1、vd2、vd3、vd4、vd5、vd6、vd7、vd8分别表示后级三相四桥臂变换器所中的8个绝缘栅双极晶体管。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0050]
本发明一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器，其特征在于，包括三个高压绕组w
a1
、w
b1
、w
c1
，三个高压独立绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
、三个低压绕组w
a1
、w
b1
、w
c1
，三个独立低压绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
，每个高压独立绕组并联一个旁路开关，可控制耦合变压器的通断时刻，在需要进行调压操作时，旁路开关断开；网侧电压稳定时，旁路开关闭合，每个高压绕组均连接一个高压独立绕组形成高压侧绕组，每个高压侧绕组一端连接三相电源，另一端连接其他高压侧绕组，三个低压绕组一端星接形成节点n1，另一端分别连接三相负载，节点n1通过导线连接三相负载，三个低压独立绕组一端星接形成节点n2，另一端分别通过滤波电感连接前级电压源变换器交流侧不同相，每个低压独立绕组两端之间连接滤波电容，节点n2通过滤波电感l
se
连接前级电压源变换器交流侧中线，三个高压绕组分别与三个低压绕组对应相通过缠绕铁芯进行磁反应耦合形成工频变压器，三个高压独立绕组分别与三个低压独立绕组对应相通过缠绕铁芯进行磁反应耦合形成耦合变压器，还包括后级电压源变换器，后级电压源变换器交流侧通过电感连接三相负载，前级电压源变换器直流侧和后级电压源变换器直流侧同时并联分离电容，稳定直流侧电压，前级电压源变换器cv1直流侧端口v
dc1+
与后级电压源变换器cv2直流侧端口v
dc2+
相连作为智能配电变压器低压直流正极端口v
dc+
，前级电压源变换器cv1直流侧端口v
dc1-与后级电压源变换器cv2直流侧端口v
dc2-相连作为智能配电变压器低压直流负极端口v
dc-，实现光伏、储能、汽车充电桩、风机等新型源/荷的友好接入。
[0051]
前级电压源变换器cv1与后级电压源变换器cv2均采用三相四线制。
[0052]
实施例一
[0053]
如图1所示，三个高压侧绕组连接方式为：三个高压侧绕组首尾依次连接形成三角
形，三角形每个角分别连接三相电源的一相；
[0054]
其中，连接三相电源a相的任意一个高压侧绕组定义为a相高压侧绕组，连接三相电源b相的高压侧绕组定义为b相高压侧绕组，连接三相电源c相的高压侧绕组定义为c相高压侧绕组，具体为：a相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载a相的低压绕组，b相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载b相的低压绕组，c相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载c相的低压绕组，a相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载a相的低压独立绕组，b相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载b相的低压独立绕组，c相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载c相的低压独立绕组。
[0055]
实施例二
[0056]
如图2所示，三个高压侧绕组连接方式为：三个高压侧绕组一端连接成一个节点，三个高压侧绕组另一端分别连接三相电源三相；
[0057]
其中，连接三相电源a相的高压侧绕组为a相高压侧绕组；连接三相电源b相的高压侧绕组为b相高压侧绕组；连接三相电源c相的高压侧绕组为c相高压侧绕组，具体为：a相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载a相的低压绕组，b相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载b相的低压绕组，c相高压侧绕组中的高压绕组耦合连接三相负载c相的低压绕组，a相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载a相的低压独立绕组，b相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载b相的低压独立绕组，c相高压侧绕组中的高压独立绕组耦合连接三相负载c相的低压独立绕组。
[0058]
本发明实施例一、实施例二是两种智能配电变压器构造，使用时对两种智能配电变压器控制策略一致，下面详细描述本发明实例一构造的第一智能配电变压器，所述实施例的示例如图1所示。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明。
[0059]
本发明中，使用的高压绕组w
a1
、高压绕组w
b1
、高压绕组w
c1
，低压绕组w
a1
、低压绕组w
b1
、低压绕组w
c1
形成工频变压器。高压独立绕组w
a2
、高压独立绕组w
b2
、高压独立绕组w
c2
，低压独立绕组w
a2
、低压独立绕组w
b2
、低压独立绕组w
c2
形成耦合变压器，高压独立绕组并联旁路开关sa、sb、sc，高压绕组和低压绕组通过缠绕于各自铁芯上形成主绕组，高压独立绕组和低压独立绕组通过缠绕于各自铁芯上形成独立绕组，其中磁芯材料选择硅钢片，旁路开关控制耦合变压器高压独立绕组的通断，并统一集成在工频变压器中。本发明中电力电子变压器包括前级电压源型变换器cv1和后级电压源型变换器cv2，两台电压源型变换器以背靠背方式相连接，本实施例中采用的电压源型变换器为三相四桥臂换流器。
[0060]
工频变压器高压各相绕组w
a1
、w
b1
、w
c1
与耦合变压器高压各相独立绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
串联后采用δ接线方式，三相高压独立绕组并联旁路开关sa、sb、sc，工频变压器低压绕组w
a1
、w
b1
、w
c1
与耦合变压器低压独立绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
各自采用yn型接线方法。其中工频变压器高压绕组与低压绕组的变比为14140:311，耦合变压器高压独立绕组与低压独立绕组的变比为4:1。低压独立绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
与前级电压源型变换器相连接。其中v
ca
、v
cb
、v
cc
为前级电压源变换器提供的三相补偿电压，通过调节v
ca
、v
cb
、v
cc
来控制负载侧电压稳定在额定值，以实现在网侧电压波动时混合型智能配电变压器的动态电压连续补偿功能。例如，若网侧额定电压为10kv，当网侧电压稳定时，不需要进行电压补偿功能，此时旁路开关sa、sb、sc处于闭合状态；当某一时间段内网侧电压出现
±
10％幅值波动(骤升或者骤降)，需要进行电压补偿，此时控制断开旁路开关sa、sb、sc，耦合变压器开始工作，通过图3所示的电压补偿控
制框图可以获得网侧电压波动时前级电压源型变换器cv1输出电压的参考值。其中v
ga
、v
gb
、v
gc
分别表示电压源侧a、b、c三相相电压，电压补偿控制策略采用每相独立控制，a、b、c任意相发生电压波动时，每相的控制单独起作用，采集高于或低于电压正常水平的电压波动值，通过耦合变压器控制消除电压波动值，始终将电压控制在正常水平之内。
[0061][0062]
如公式(1)，a、b、c三相相电压采集信号经过延时四分之一周期处理后，可以计算出各相电压的幅值。实施例中各相电压在稳态工作下电压幅值为8164v(若某段时间网侧电压出现波动，幅值会骤升或者骤降)。通过锁相环可以得到各相电压相位，由于工频变压器采用δ/yn接线方式，网侧电压与负载侧电压角度相差30
°
，在进行电压调节控制时，需将角度差补偿到前级电压源变换器cv1的调制波中公式(2)。
[0063][0064]
其中，v
gkm
是高压侧电压的幅值，v
ref
是高压侧稳定时的参考值，θ表示高压侧的角度。
[0065]
当网侧相电压出现波动时，控制系统将电网电压实时幅值与网侧额定电压幅值作差得出网侧电压波动量，并作为前级电压源变换器cv1输出端口的参考电压。动态电压补偿控制策略采用电压外环电流内环的双环控制，外环采用pr控制器(比例谐振控制器，proportional resonance controller)控制电压误差量，内环采用p控制器(比例控制器，proportional controller)控制器电流误差量，加入前馈补偿以实现宽电压调节范围并提高闭环系统动态响应特性。将误差信号输入到前级电压源变换器的控制侧中，调节前级电压源变换器v
ca
、v
cb
、v
cc
，来实现用户侧相电压v
sa
、v
sb
、v
sc
稳定在220v额定电压值。
[0066]
前级电压源变换器cv1和后级电压源变换器cv2可以是具有图4中所示vsc结构的电压源转换器。前级电压源变换器cv1采用三相四线制结构，cv1包括a、b、c以及零序四个桥臂，四个桥臂中包含vt1、vt2、vt3、vt4、vt5、vt6、vt7、vt8八个绝缘栅双极晶体管(igbt)和反并联二极管，其中vt1、vt5构成前级电压源变换器的a相桥臂，vt2、vt6构成前级电压源变换器的b相桥臂，vt3、vt7构成前级电压源变换器的c相桥臂。vt4、vt8构成前级电压源变换器的零序桥臂连接到低压独立绕组的中性点，可以通过零序桥臂解决三相不平衡问题。另外前级电压源变换器通过滤波电感l
a1
、l
b1
、l
c1
，滤波电容c
a1
、c
b1
、c
c1
连接到低压独立绕组w
a2
、w
b2
、w
c2
中，其中滤波器参数分别为500uh、20uf。前级电压源型变换器cv1与后级电压源型变换器cv2并联在额定电压等级为760v的低压直流母线v
dc
上，直流母线电容c
dc
起到稳压作用，c
dc
的参数为2mf。前级电压源变换器的拓扑不仅局限于三相四桥臂变流器，也可以采用三电平变流器等电压源型变换器拓扑结构，只要能实现调节输出端口电压值即可。
[0067]
当网侧电压发生高/低电压波动时，混合型智能配电变压器变压器动态电压补偿作用用户侧电压波形如图5所示，其中虚线代表高压绕组电压、实线低压绕组电压。如图6所示，在0.05s-0.1s阶段内，网侧电压没有出现波动，用户侧电压峰值电压稳定在311v；在0.1s-0.2s阶段内网侧电压骤升10％电压峰值达到8980v，前级电压源变换器检测到网侧电压骤升并调节独立绕组电压v
ca
、v
cb
、v
cc
电压峰值为353v，其与网侧电压v
ga
、v
gb
、v
gc
同相位。本实例采用的独立绕组变比为1：4，高压独立绕组电压峰值为1413v。用户侧峰值电压在0.01s后迅速从342v稳定在311v；在0.2s-0.3s阶段内网侧电压恢复到额定电压，前级电压
源变换器检测到网侧电压变化并调节独立绕组电压vv
ca
、v
cb
、v
cc
大约为0v；0.3s-0.4s阶段内网侧电压跌落10％电压峰值降到7348v，前级电压源变换器检测到网侧电压变化并调节独立绕组电压v
ca
、v
cb
、v
cc
电压峰值为353v，其与网侧电压v
ga
、v
gb
、v
gc
反相位。本实例采用的独立绕组变比为1：4，高压侧辅助绕电压峰值为1413v。用户侧峰值电压在0.01s后迅速从280v稳定在311v。通过合理设计独立绕组匝数比可以提高前级电压源变换器调节网侧电压波动范围，前级电压源变换器低压侧的电压计算公式为：
[0068][0069]
前级电压源变换器生成补偿电压的控制信号表达式为：
[0070][0071]
如图4中cv2示出用于智能配电变压器的后级电压源变换器。在这一实例中，后级电压源变换器cv2采用三相四线制结构以实现直流侧电压稳定与用户侧谐波补偿等功能。cv2包括a、b、c以及零序四个桥臂，包含vd1、vd2、vd3、vd4、vd5、vd6、vd7、vd8八个绝缘栅双极晶体管(igbt)和反并联二极管，其中vd4、vd8构成后级电压源变换器a相桥臂，vd3、vd7构成后级电压源变换器b相桥臂，vd2、vd6构成后级电压源变换器c相桥臂，vd1、vd5构成后级电压源变换器零序桥臂并连接到三相四线制用户侧中性线上。后级电压源型变换器cv2与前级电压源变换器cv1共直流母线v
dc
。后级电压源型变换器cv2中的a、b、c三相经过2mh滤波电感l
a2
、l
b2
、l
c2
后分别对应并联到用户侧三相母线。后级电压源变换器cv2实现谐波电流补偿、无功补偿等功能。
[0072]
图7示出后级电压源变换器谐波补偿控制策略框图，其中检测环节采用i
p-iq谐波检测算法。锁相环(pll)跟踪网侧电压的相位和频率，采集用户侧三相电流i
la
、i
lb
、i
lc
经过clark变换公式(5)可以得到两相电流i
ɑ
和i
β
。通过瞬时功率公式(6)可以计算出瞬时有功电流i
p
和瞬时无功电流iq数值。瞬时有功电流i
p
和瞬时无功电流iq经过低通滤波器(lpf)得到直流分量和经过clark反变换公式(8)可得到三相电流基波分量i
fa
、i
fb
、i
fc
。将采用户侧非线性电流i
la
、i
lb
、i
lc
与三相电流基波分量i
fa
、i
fb
、i
fc
作差如公式(9)，即可以得到谐波电流i
ha
、i
hb
、i
hc
。
[0073][0074][0075][0076]
[0077][0078][0079][0080]
图8示出后级电压源变换器cv2直流母线电压稳定与谐波电流补偿控制策略框图。为实现直流侧电压控制与谐波电流准确补偿，将谐波电流i
ha
、i
hb
、i
hc
与后级电压源变换器端口输出电流i
a2
、i
b2
、i
c2
作派克变换得到d-q坐标轴下的谐波电流参考值i
dref
、i
qref
以及实际谐波补偿电流i
d2
、i
q2
。其中稳定直流电压与有功电流有关，将采集量直流侧电压v
dc
与800v期望电压作差后经比例积分控制(pi)得到的数值加到谐波电流d轴参考值i
dref
电流中,从而实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定功能。进行d-q轴变换时谐波电流id、iq存在耦合量，电流内环中加入了解耦控制从而实现谐波电流精确补偿。将电流环输出的占空比参考值dd、dq经过派克反变换得到所需占空比da、db、dc。
[0081]
图9示出控制组成a、b、c三相桥臂的绝缘栅双极性晶体管(igbt)开通和关断的spwm控制框图，实例采用双极性调制策略，得到的参考调制波da、db、dc与载波(频率为20khz)进行比较运算，得出的值若大于0，选择器输出高电平1，反之输出低电平0，形成spwm脉冲波，调制组成a、b、c三相桥臂的晶体管igbt开通与关断。对于零序桥臂的开关管，在后级电压源变换中采集三相电流之和与中性线零序电流作差，在前级电压源变换中采集三相电压之和与中性线零序电压作差，都经过pi控制器得到的调制波与载波作比较，得出的差值若大于0，选择器输出高电平1，反之输出低电平0，形成spwm脉冲波，调制零序桥臂开关管igbt开通与关断。
[0082]
图10示出后级电压源变换器在0.1s加入谐波补偿后低压绕组侧电流，可以看出工频变压器低压绕组输出端口电流主要谐波分量被消除。
[0083]
图11示出直流侧稳压波形，当网侧电压发生电压骤升和电压骤降时，都能迅速稳定到800v期望电压幅值。
[0084]
通过上述方式，本发明一种含工频隔离型背靠背变换器的混合型智能配电变压器，提供低压直流配电接口，将电压调节、谐波治理、三相负荷不平衡等电能质量治理功能整合，同时提供稳定可靠的低压直流母线以实现分布式可再生能源、储能系统、新型直流负荷的“即插即用”，从而克服目前现有技术问题。