一种固态变压器、控制方法及装置与流程

本发明涉及输变电
技术领域：
，具体涉及一种固态变压器、控制方法及装置。
背景技术：
：近年来由于电力电子器件的飞速发展使得电力电子技术在电力系统中的应用成为可能，近年来所提出固态变压器(SolidStateTransformer，以下简称SST)相对于传统无源变压器来说是一种新兴技术。传统无源变压器由于无源电磁原件的存在而缺乏可控性，因此需要一些电力电子器件，如柔性交流输电系统来解决电压骤降骤升、无功补偿、频率波动等电能质量问题。现有技术采用传统无源变压器进行两个电网间的能量交换，其不能直接对变压器进行控制，需通过对变压器一次、二次侧的功率转换器分别进行电压与频率的控制，实现相应的功能，并且功率是单向流动的，即电能是从一次侧传输到二次侧或者由二次侧传输到一次侧。因此，如何提出一种固态变压器及其控制方法，能够实现对两个不同等级电网的功率控制和功率双向流动成为业界亟待解决的重要课题。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种固态变压器、控制方法及装置。一方面，本发明提出一种固态变压器，包括：两个三相-单相矩阵变换器和一个高频变压器，所述两个三相-单相矩阵变换器通过所述高频变压器耦合连接，且关于所述高频变压器对称设置；每个三相-单相矩阵变换器包括三相六桥臂，每相的上下两桥臂并联，每个桥臂由两个电流方向相反的绝缘栅双极型晶体管器件串联构成；源网侧电网和负载侧电网分别通过滤波电感与一个所述三相-单相矩阵变换器的每相连接，与所述源网侧电网相连的所述三相-单相矩阵变换器的每相并联有滤波电容。另一方面，本发明提供一种用于控制上述实施例固态变压器的方法，所述方法包括：获取负载侧电网的电流和电压；根据所述电压通过锁相环获得参考相位角；根据所述电流和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电流在dq坐标下的电流直轴分量和电流交轴分量；根据所述电压和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电压在dq坐标下的电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和预设功率，获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0；其中，若所述预设功率为正值，则功率正向流动，否则功率反向流动；根据所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值，以及所述电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值，分别通过PI调节器获得电流直轴输出值和电流交轴输出值；将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得三相正弦调制波，并将所述三相正弦调制波进行空间矢量脉冲调制，获得开关管驱动信号以控制绝缘栅双极型晶体管器件动作。再一方面，本发明提供一种固态变压器的控制装置，其特征在于，包括：获取单元，用于获取负载侧电网的电流和电压；第一计算单元，用于根据所述电压通过锁相环获得参考相位角；第一坐标变换单元，用于根据所述电流和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电流在dq坐标下的电流直轴分量和电流交轴分量；第二坐标变换单元，用于根据所述电压和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电压在dq坐标下的电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和参考功率，获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0；其中，若所述预设功率为正值，则功率正向流动，否则功率反向流动；第二计算单元，用于根据所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值，以及所述电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值，分别通过PI调节器获得电流直轴输出值和电流交轴输出值；调制单元，用于将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得三相正弦调制波，并将所述三相正弦调制波进行空间矢量脉冲调制，获得开关管驱动信号以控制绝缘栅双极型晶体管器件动作。本发明提供的固态变压器、控制方法及装置，通过固态变压器连接不同的电网，对固态变压器采用输出电流闭环控制，可以实现对电网间的功率交换控制和功率流向控制，能够提高电能的质量。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明实施例固态变压器的结构示意图；图2为本发明实施例固态变压器的控制方法的流程示意图；图3为本发明实施例固态变压器的控制装置的结构示意图；图4a-图4e为本发明实施例MC-SST在预设功率为10kW时的仿真结果；图5a-图5c为本发明实施例MC-SST在预设功率为-15kW时的仿真结果；图6a为高频变压器初次侧电压vp的仿真结果；图6b为高频变压器二次侧电压vs的仿真结果；附图标记说明：1-源网侧电网；2-负载侧电网；3-滤波电感；4-滤波电容；5-桥臂；6-三相-单相矩阵变换器；7-高频变压器。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1为本发明实施例固态变压器的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的固态变压器(SolidStateTransformer，以下简称SST)包括两个三相-单相矩阵变换器6(MatrixConverter，以下简称MC)和一个高频变压器7，两个三相-单相矩阵变换器6通过高频变压器7耦合连接，并且关于高频变压器7对称设置；每个三相-单相矩阵变换器6包括三相六桥臂，每相的上下两桥臂5并联，每个桥臂5由两个电流方向相反的绝缘栅双极型晶体管(Insulated-gate-bipolartransistor，以下简称IGBT)器件串联构成，IGBT用于控制桥臂5的连通和断开；源网侧电网1的每相与一个滤波电感3相连，每个滤波电感3与一个三相-单相矩阵变换器6的每相连接，负载侧电网2的每相与一个滤波电感3相连，每个滤波电感3与一个三相-单相矩阵变换器6的每相连接，与源网侧电网1相连的三相-单相矩阵变换器6的每相并联有滤波电容4，滤波电感3用于减小电路中的谐波波纹，滤波电容4用于防止换流时产生的毛刺对电网的冲击。本发明提供的固态变压器以下简称MC-SST。下面对所述MC-SST的工作过程进行说明。在供电工作模式下，与源网侧电网1相连的三相-单相矩阵变换器6从源网获取电能，以电流源型整流器运行，然后通过虚拟直流母线转换为高频交流电压输送到高频变压器7的初次侧，高频变压器7将初次侧的所述高频交流电压经n：1降压耦合至二次侧，n为变压器的变比，与负载侧电网2相连的三相-单相矩阵变换器6将降压耦合后的高频交流电压恢复为虚拟直流母线，然后以电压源逆变器运行，将电能传输给负载侧电网2。在反向工作模式下，与负载侧电网2相连的三相-单相矩阵变换器6从负载侧电网2获取电能，以电流源型整流器运行，然后通过虚拟直流母线转换为高频交流电压输送到高频变压器7的二次侧，高频变压器7将二次侧的所述高频交流电压经1：n升压耦合至初次侧，与源网侧电网1相连的三相-单相矩阵变换器6将升压耦合后的高频交流电压恢复为虚拟直流母线，然后以电压源逆变器运行，将电能传输给源网侧电网1。变压器的变比n可以通过如下公式计算获得。Usm＝1.5n·mI·mV·Vom其中，Usm为源网侧电网1的基波电压幅值，Vom为负载侧电网2的基波电压幅值，mI是源网侧电网1的输入电流基波分量的幅值与高频变压器7的初次侧电流平均值之比，mV是负载侧电网2的输出电压基波分量的幅值与高频变压器7的二次侧电压平均值之比。本发明提供的固态变压器，能够连接不同的电网，通过对固态变压器采用输出电流闭环控制，可以实现对电网间的功率交换控制和功率流向控制，能够提高电能的质量。所述MC-SST在用于不同等级电网间时，所述源网侧电网或所述负载侧电网的电压和电流在频率和相位不同步时进行能量交换会产生大量谐波，不利于电网内设备的正常运行，同时能量损耗较大，在逆变时还可能会损坏设备。因此需要通过一定的控制方法对所述单级双向式固态变压器进行控制，以实现所述源网侧电网的电流和电压的频率和相位同步以及负载侧的电流和电压的频率和相位同步。图2为本发明实施例固态变压器的控制方法的流程示意图，如图2所示，本发明提供的用于控制上述实施例固态变压器的方法包括：S201、获取负载侧电网的电流和电压；具体地，固态变压器的控制装置对负载侧电网的电流和电压进行周期性的采样，采样周期远远小于所述负载侧电网的基波周期，例如负载侧电网基波周期为0.02秒，采样周期可以为0.2毫秒。S202、根据所述电压通过锁相环获得参考相位角；具体地，所述固态变压器的控制装置根据获取到的所述电压经锁相环获得参考相位角，所述参考相位角作为后续电压和电流ABC-dq坐标变换的相位基准，以保证所述电压和所述电流的ABC-dq坐标变换在相同的相位角下进行。S203、根据所述电流和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电流在dq坐标下的电流直轴分量和电流交轴分量；具体地，所述固态变压器的控制装置将获取到的所述电流以所述参考相位角为相位基准进行ABC-dq坐标变换，得到电流直轴分量和电流交轴分量，所述电流直轴分量反应有功电流分量，所述电流交轴分量反应无功电流分量。所述电流直轴分量Idf可以通过如下公式计算获得：Idf＝2/3[ioAsinθ+ioBsin(θ-2π/3)+ioCsin(θ+2π/3)]所述电流直轴分量Iqf可以通过如下公式计算获得：Iqf＝2/3[ioAcosθ+ioBcos(θ-2π/3)+ioCcos(θ+2π/3)]其中，ioA、ioB和ioC分别表示所述负载侧电网的三相电流，θ为所述参考相位角。S204、根据所述电压和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电压在dq坐标下的电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和预设功率，获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0；其中，若所述预设功率为正值，则功率正向流动，否则功率反向流动；具体地，所述固态变压器的控制装置将获取到的所述电压以所述参考相位角为相位基准进行ABC-dq坐标变换，得到电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和预设功率计算获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0。所述预设功率如果为正值，表明MC-SST处于供电工作模式下，功率正向流动，即电能从所述源网侧电网向所述负载侧电网传输；所述预设功率如果为负值，表明MC-SST处于反向工作模式下，功率反向流动，即电能从所述负载侧电网向所述源网侧电网传输。通过所述预设功率可以实现对源网侧电网和负载侧电网之间传递功率的大小和流向的控制。所述电压直轴分量Vd可以通过如下公式计算获得：Vd＝2/3[VgAsinθ+VgBsin(θ-2π/3)+VgCsin(θ+2π/3)]其中，VgA、VgB和VgC分别表示所述负载侧电网的三相电压，θ为所述参考相位角。所述电流直轴参考值Idr可以通过如下公式计算获得：Idr＝(2/3)P/Vd，其中，P为所述预设功率。S205、根据所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值，以及所述电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值，分别通过PI调节器获得电流直轴输出值和电流交轴输出值；具体地，所述固态变压器的控制装置将所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值作为PI调节器d轴的输入，将电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值作为PI调节器q轴的输入，PI调节器可以通过调整电流直轴输出值和电流交轴输出值输出，以减少上述差值，实现对所述电流的跟踪。S206、将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得三相正弦调制波，并将所述三相正弦调制波进行空间矢量脉冲调制，获得开关管驱动信号以控制绝缘栅双极型晶体管器件动作。具体地，所述固态变压器的控制装置将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得正弦三相调制波，对所述正弦三相调制波进行空间矢量脉冲宽度调制获得对MC-SST进行控制的开关管驱动信号，再根据所述开关管驱动信号对MC的绝缘栅双极型晶体管器件进行连通和断开的控制，从而控制所述源网侧电网的电流和电压的频率和相位同步以及负载侧的电流和电压的频率和相位同步。本发明提供的固态变压器的控制方法，通过对连接不同的电网的固态变压器采用输出电流闭环控制，可以实现对电网间的功率交换控制和功率流向控制，能够提高电能的质量。在上述实施例的基础上，进一步地，所述根据所述电流和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电流在dq坐标下的电流直轴分量和电流交轴分量包括：根据Idf＝2/3[ioAsinθ+ioBsin(θ-2π/3)+ioCsin(θ+2π/3)]，计算所述电流直轴分量Idf；根据Iqf＝2/3[ioAcosθ+ioBcos(θ-2π/3)+ioCcos(θ+2π/3)]，计算所述电流直轴分量Iqf；其中，ioA、ioB和ioC分别表示所述负载侧电网的三相电流，θ为所述参考相位角。在上述各实施例的基础上，进一步地，所述根据所述电压和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电压在dq坐标下的电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和预设功率，获得电流直轴参考值包括：根据Vd＝2/3[VgAsinθ+VgBsin(θ-2π/3)+VgCsin(θ+2π/3)]，计算所述电压直轴分量Vd，其中，VgA、VgB和VgC分别表示所述负载侧电网的三相电压，θ为所述参考相位角；根据Idr＝(2/3)P/Vd，计算所述电流直轴参考值Idr，其中，P为所述预设功率。图3为本发明实施例固态变压器的控制装置的结构示意图，如图3所示，本发明提供的固态变压器的控制装置包括获取单元301、第一计算单元302、第一坐标变换单元303、第二坐标变换单元304、第二计算单元305和调制单元306，其中：获取单元301用于获取负载侧电网的电流和电压；第一计算单元302用于根据所述电压通过锁相环获得参考相位角；第一坐标变换单元303用于根据所述电流和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电流在dq坐标下的电流直轴分量和电流交轴分量；第二坐标变换单元304用于根据所述电压和所述参考相位角，通过ABC-dq坐标变换获得所述电压在dq坐标下的电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和参考功率，获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0；其中，若所述预设功率为正值，则功率正向流动，否则功率反向流动；第二计算单元305用于根据所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值，以及所述电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值，分别通过PI调节器获得电流直轴输出值和电流交轴输出值；调制单元306用于将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得三相正弦调制波，并将所述三相正弦调制波进行空间矢量脉冲调制，获得开关管驱动信号以控制绝缘栅双极型晶体管器件动作。具体地，获取单元301对负载侧电网的电流和电压进行周期性的采样，采样周期远远小于所述负载侧电网的基波周期，例如负载侧电网基波周期为0.02秒，采样周期可以为0.2毫秒。第一计算单元302根据获取到的所述电压经锁相环获得参考相位角，所述参考相位角作为后续电压和电流ABC-dq坐标变换的相位基准，以保证所述电压和所述电流的ABC-dq坐标变换在相同的相位角下进行。第一坐标变换单元303将获取到的所述电流以所述参考相位角为相位基准进行ABC-dq坐标变换，得到电流直轴分量和电流交轴分量，所述电流直轴分量反应有功电流分量，所述电流交轴分量反应无功电流分量。所述电流直轴分量Idf可以通过如下公式计算获得：Idf＝2/3[ioAsinθ+ioBsin(θ-2π/3)+ioCsin(θ+2π/3)]所述电流直轴分量Iqf可以通过如下公式计算获得：Iqf＝2/3[ioAcosθ+ioBcos(θ-2π/3)+ioCcos(θ+2π/3)]其中，ioA、ioB和ioC分别表示所述负载侧电网的三相电流，θ为所述参考相位角。第二坐标变换单元304将获取到的所述电压以所述参考相位角为相位基准进行ABC-dq坐标变换，得到电压直轴分量，并根据所述电压直轴分量和预设功率计算获得电流直轴参考值，并将电流交轴参考值设为0。所述预设功率如果为正值，表明MC-SST处于供电工作模式下，功率正向流动，即电能从所述源网侧电网流向所述负载侧电网；所述预设功率如果为负值，表明MC-SST处于反向工作模式下，功率反向流动，即电能从所述负载侧电网流向所述源网侧电网。通过所述预设功率可以实现对源网侧电网和负载侧电网之间传递功率的大小和流向的控制。所述电压直轴分量Vd可以通过如下公式计算获得：Vd＝2/3[VgAsinθ+VgBsin(θ-2π/3)+VgCsin(θ+2π/3)]其中，VgA、VgB和VgC分别表示所述负载侧电网的三相电压，θ为所述参考相位角。所述电流直轴参考值Idr可以通过如下公式计算获得：Idr＝(2/3)P/Vd，其中，P为所述预设功率。第二计算单元305将所述电流直轴参考值减去所述电流直轴分量的差值作为PI调节器d轴的输入，将所述电流交轴参考值减去所述电流交轴分量的差值作为PI调节器q轴的输入，PI调节器可以通过调整电流直轴输出值和电流交轴输出值输出，以减少上述差值，实现对所述电流的跟踪。调制单元306将所述电流直轴输出值和电流交轴输出值进行dq-ABC坐标变换，获得正弦三相调制波，对所述正弦三相调制波进行空间矢量脉冲宽度调制获得对MC-SST进行控制的开关管驱动信号，再根据所述开关管驱动信号对MC的绝缘栅双极型晶体管器件进行连通和断开的控制，从而控制所述源网侧电网的电流和电压的频率和相位同步以及负载侧的电流和电压的频率和相位同步。在上述实施例的基础上，进一步地，所述第一坐标变换单元303具体用于：根据Idf＝2/3[ioAsinθ+ioBsin(θ-2π/3)+ioCsin(θ+2π/3)]，计算所述电流直轴分量Idf；根据Iqf＝2/3[ioAcosθ+ioBcos(θ-2π/3)+ioCcos(θ+2π/3)]，计算所述电流直轴分量Iqf；其中，ioA、ioB和ioC分别表示所述负载侧电网的三相电流，θ为所述参考相位角。在上述各实施例的基础上，进一步地，所述第二坐标变换单元304具体用于：根据Vd＝2/3[VgAsinθ+VgBsin(θ-2π/3)+VgCsin(θ+2π/3)]，计算所述电压直轴分量Vd，其中，VgA、VgB和VgC分别表示所述负载侧电网的三相电压，θ为所述参考相位角；根据Idr＝(2/3)P/Vd，计算所述电流直轴参考值Idr，其中，P为所述预设功率。本发明提供的固态变压器的控制装置，通过对连接不同的电网的固态变压器采用输出电流闭环控制，可以实现对电网间的功率交换控制和功率流向控制，能够提高电能的质量。本发明提供的装置的实施例具体可以用于执行上述各方法实施例的处理流程，其功能在此不再赘述，可以参照上述方法实施例的详细描述。为验证本发明所提出所述固态变压器及其控制方法，在MATLAB中的Simulink仿真环境下建立MC-SST以及控制装置的仿真系统，表1为所述仿真系统中的参数设置。表1系统参数参数设置值高频变压器匝数比，n2.45负载电网电压有效值326V源网电压有效值1.1kV两电网的基频，f050Hz两个矩阵变换器的开关频率,fs5kHz源网侧滤波电感，Lf10mH源网侧滤波器内阻，Rf5Ω源网侧滤波电容，Cf10μH负载侧滤波电感，Lg10mH负载侧滤波器内阻，Rg0.2Ω在所述仿真系统中分别对所述预设功率P＝10kW，即MC-SST在供电工作模式下的工作过程和对所述预设功率P＝-15kW，即MC-SST在反向工作模式下的工作过程进行了仿真。图4a-图4c为本发明实施例MC-SST在预设功率为10kW时的仿真结果。图4a表示出源网侧电网的三相电压usa、usb和usc的波形，图4b表示出源网侧电网的三相电流isa、isb和isc的波形，图4c表示出负载侧电网的三相电压vgA、vgB和vgC的波形，图4d表示出负载侧电网的三相电流ioA、ioB和ioC的波形，图4e表示出负载侧有功功率和无功功率的状态。如图4a和图4c所示，MC-SST实现了电压幅值不同的源网侧电网和负载侧电网的连接。如图4e所示，在仿真过程中，有功功率P0和无功功率Q0的初始状态均为0，仿真系统启动后，经过所述固态变压器的控制装置的调节，有功功率达到所述预设功率10kW，而无功功率经调节后保持为零，表明单位功率因数并网。图5a-图5c为本发明实施例MC-SST在预设功率为-15kW时的仿真结果。图5a表示出源网侧电网的三相电流isa、isb和isc的波形，图5b表示出负载侧电网的三相电流ioA、ioB和ioC的波形，图5c表示出负载侧有功功率和无功功率的状态。如图5a所示，与图4b相比，源网侧电网的电流在供电工作模式和反向工作模式下，频率相同但相位相反；如图5b所示，与图4d相比，源网侧电网的电流在供电工作模式和反向工作模式下，频率相同但相位相反，可见所述MC-SST实现了功率双向流通。如图5b所示，负载侧电网的电流波形正弦度较高，即谐波小，实现了对电能质量的控制。如图5c所示，在仿真过程中，有功功率P0和无功功率Q0的初始状态均为0，仿真系统启动后，经过所述固态变压器的控制装置的调节，所述负载侧电网的有功功率达到所述预设功率–15kW，功率方向与所述预设功率为10kw时的功率方向相反。图6a为高频变压器初次侧电压vp的仿真结果，图6b为高频变压器二次侧电压vs的仿真结果，由图6a和图6b可以看出经虚拟直流母线电压初次侧电压vp被降为幅值1.5kV周期40μs的矩形波，二次侧电压vs为幅值600V周期40μs的矩形波。对比vp与vs可见，vs存在20μs的延迟，二者幅值之比为2.45。因此，MC-SST工作正常。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。当前第1页1 2 3