统一电能质量治理的混合型电力电子变压器及其控制方法与流程

本发明设计统一电能质量治理的混合型电力电子变压器及其控制方法，属于电力电子在电力系统中的应用技术领域。

技术背景

现代社会中电能是一种使用最广泛的能源，其应用程度标志着一个国家的发展水平。随着我国科学技术和国民经济的飞速发展，人们对电能的需求大幅增加，同时对电能质量的要求越来越高。电能质量对于电力系统和电气设备的安全、经济运行、工业生产和产品质量以及维持正常生活秩序均有着重要意义。

目前，电力系统出现了一系列新的特点：一是大型、超大型电力系统开始出现，如何保证大型电力系统的安全稳定运行是一个突出问题；二是可再生能源发电技术得到了普遍关注，电力系统的电源由传统的工频交流形式变成了多种形式并存，如直流电源(光伏发电)、交流变频电源(风力发电)等，这些可再生能源发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高效、高质量的能量转换和控制问题；三是非线性负荷增长迅速，造成供电电能质量不断下降，而大量敏感性负荷用户对电能质量的要求约来越高，导致电能质量问题日益突出。

在电力系统面对这些新挑战的背景下，作为电力系统最基本输变电装置的电力变压器，过于单一的功能使得其越来越难以满足现代电力系统的要求。而且，常规电力变压器还存在如下缺点，包括：体积、重量大，变压器绝缘油对环境存在威胁；空载损耗较高，而负载时易导致输出电压下降；负荷侧发生故障时，不能隔离故障，从而导致故障扩大；带非线性负载时，畸变电流通过变压器耦合进入电网，会对电网造成污染；电源侧电压受到干扰时，又会传递到负荷侧，导致对敏感负荷的影响；需要配套的相关设备对其进行保护；另外，铁芯饱和时，会产生谐波，在投入电网时还会造成较大的励磁涌流。因此，如何从功能上对电力变压器进行革新，实现变压器技术的再一次飞跃，使其满足现代，乃至未来电力系统的各种新要求，是一个很有价值的理论课题和实践课题，也是广大研究工作者们面临的新的挑战。因此，自20世纪以来，国内外学者都在积极探索研究新型电力变压器。

技术实现要素：

发明目的：针对混合型电力电子变压器的拓扑及其关键控制技术，在拓扑、电能质量检测、电压稳定控制、无功补偿控制等几个方面做出了研究。本发明的目的在于提出一种具有统一电能质量治理功能的混合型电力电子变压器及其控制方法，该混合型变压器既具有电能传输、电压转换等基本功能，又具有电能质量检测及治理的新型功能，该功能在新型拓扑的基础上，通过pi双闭环控制策略以及正序、负序无功同步控制策略，实现了电压的稳定、谐波过滤以及无功补偿从而使电能质量得到有效治理，从而克服现有技术的不足。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用基于特定的具有统一电能质量治理功能的混合型电力电子变压器拓扑的电压稳定控制和无功补偿控制方法。

统一电能质量治理的混合型电力电子变压器及其控制方法，包括适用于中压交流配电网的多绕组工频变压器、适用于三角形连接和星形连接的串并联背靠背变流器以及适用于该混合型电力电子变压器的主回路电能质量检测方法和控制方法；

该工频变压器包含三个绕组，第一绕组连接10kv交流配电网，第二绕组主回路作为400v配网串联上变流器输出侧以后连接普通负载，第三绕组连接电力电子变流器；

该电力电子变流器为两电平背靠背结构，包含一个ac/dc整流单元、一个dc/ac逆变单元、两侧的lc滤波单元、一个放电/平衡回路单元和一个直流输出端口，其中，整流单元和逆变单元均为三相全桥结构，前级整流单元、放电/平衡回路单元、后级逆变单元依次相连，直流输出端口并联于放电平衡回路出口两端；

该混合型电力电子变流器输出端口通过变压器与第二绕组负载端串联耦合，整流单元具有无功补偿、谐波治理能力，逆变单元具有电压调节能力；

该混合型电力电子变流器包含电能质量检测单元，首先采集网侧三相电压usa、usb、usc，经过dq0正交坐标变换得到有功、无功及零序分量，再将有功、无功信号通过滤波器，得到有功、无功直流分量，将得到的有功、无功、零序分量进行正交坐标逆变换，得到谐波电压分量，网侧电压减去谐波分量即为电压谐波及畸变分量；

电能质量治理的控制方法包括电压稳定控制和无功补偿控制相结合的控制方法，其中电压稳定控制单元采集网侧电压us和负载端电压ul，以ulref为给定的参考电压与ul作差，经过pi调节后所得值与ulref和us之差相加，并减去增益后的滤波电流，所得信号经过逆变器ki后得到逆变电压ui，叠加滤波电压负反馈uc，进入滤波器进行滤波，所得滤波电压经由滤波电流负反馈，最后在n倍增益后输出调节电压δu；

无功补偿控制单元采集电网三相电压，对三相电压进行正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量同时，单元采集电网三相电流，分别进行正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号单元逆变侧反馈电流信号经过正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换得到正序和负序有功、无功电流瞬时值直流侧电压瞬时值udc与参考值udcref作差经pi调节器后作为正序有功电流参考值由负载侧电流经过正序d-q坐标变换后得到正序无功电流参考值单元采用正序、负序双序同步控制，正序无功分量采用以频率ω旋转的正序变换控制器补偿，得到正序电压控制指令信号和负序分量以-ω旋转的负序变换控制器补偿，得到负序电压控制指令信号将负序电压指令信号转换至正序d-q坐标系下，得到输入svpwm模块的电压指令信号和两个控制器同时工作，完成电能质量治理控制。

拓扑包含如下结构：

a、多绕组变压器包含三个绕组，其中第一绕组(1)连接网侧，第二绕组(2)作为主回路串联变流器输出侧变压器后连接普通负载，第三绕组(3)与电力电子变流器相连接；

b、主回路首末两端接入旁路，并在两端连接旁路开关；

c、电力电子变流器前级ac/dc整流单元包含6个igbt和6个反向并联二极管，每两个igbt和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，前级三相全桥由三个桥臂组成，每个桥臂的中点与多绕组变压器的第三绕组(3)连接，前级三相全桥输出级与放电/平衡回路相连接；

d、变流器两端分别连接一组滤波器，且在变流器始端加入旁路开关，同时主回路串联变压器并联投切晶闸管；

e、放电/平衡回路单元包含2个igbt和2个电容，两个igbt首尾串联，两个电容首尾串联，串联后的igbt和电容相互并联，串联igbt中点与串联电容中点间连接电阻，且串联电容中点接地，放电/平衡回路单元输出级与后级dc/ac逆变单元相连接；

f、直流输出端口并联于放电/平衡回路单元输出级两端，用于接直流负载和分布式能源；

g、后级dc/ac逆变单元6个igbt和6个反向并联二极管，每两个igbt和反向并联二极管首尾串联组成一个桥臂，后级三相全桥由三个桥臂组成，每个桥臂中点引线，作为电力电子变流器的输出端口；

h、电力电子变流器的输出端口通过变压器与第二绕组(2)负载端相耦合，从而起到电能质量治理的作用。

电能质量检测的方法包含如下步骤：

第一步、采集网侧三相电压usa、usb、usc，经过dq0正交坐标变换得到有功、无功及零序分量；

第二步、将有功、无功信号通过滤波器，得到有功、无功直流分量；

第三步、将得到的有功、无功、零序分量进行正交坐标逆变换，得到谐波电压分量；

第四步、网侧电压减去谐波分量即为电压谐波及畸变分量。

电压稳定控制和无功补偿控制相结合的控制方法包括电压稳定控制和无功补偿控制。

电压稳定控制包括：

a、采集网侧电压us和负载侧电压ul，给定值ulref与ul作差，进入pi调节器进行调节，同时将给定值ulref与us作差；

b、pi调节器的输出信号与给定值ulref和us之差相加，并减去kc倍的滤波电流值，经过逆变器增益ki，减去滤波电压后，信号进入滤波器；

c、信号经滤波器滤波后经过负载端电压负反馈，并n倍增益后，输出注入电网电压δu。6、根据权利4要求所述的统一电能质量治理的混合型电力电子变压器及其控制方法，其特征在于：无功补偿控制包括：

a、采集电网三相电压usa、usb、usc，三相电流isa、isb、isc以及控制单元逆变侧三相电流ica、icb、icc，并将三组电压、电流分别进行正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量正序无功电流信号和负序有功、无功信号正序和负序有功、无功电流瞬时值

i、采集控制单元直流侧电压udc，并与给定值udcref作差后进入pi调节器进行调节，输出正序有功电流参考值

j、正序无功分量采用以频率ω旋转的正序变换控制器补偿，通过电流解耦，得到正序电压控制指令信号和负序分量以-ω旋转的负序变换控制器补偿，通过电流解耦，得到负序电压控制指令信号

d、将负序电压指令信号转换至正序d-q坐标系下，得到输入svpwm模块的电压指令信号和两个控制器同时工作，完成电能质量治理控制。

有益效果：本发明具有统一电能质量治理功能的混合型电力电子变压器及其控制方法，能够有效抑制电网不平衡度和谐波污染，防止电压跌落，同时具备无功补偿功能和稳定直流输出功能，使电能质量各项指标得到极大改善。

附图说明

图1混合型电力电子变压器拓扑

图2电能质量检测方法

图3动态电压调节控制

图4静态无功补偿控制

图中：其中：1-第一绕组；2-第二绕组；3-第三绕组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明

本发明涉及的多绕组变压器及电力电子变流器，其中第三绕组(3)采用包括星形连接和三角形连接的两种连接方式，电力电子变流器采用动态调节和静态调节相结合的控制方式，具有统一电能质量治理功能的混合型电力电子变压器及其控制方法具体实施方法如下：

电能质量检测控制过程如图2所示，首先采集网侧三相电压usa、usb、usc，经过dq0正交坐标变换得到有功、无功及零序分量ud、uq、u0，再将有功、无功信号通过滤波器，得到有功、无功直流分量将得到的有功、无功、零序分量进行正交坐标逆变换，得到谐波电压分量uaf、ubf、ucf，网侧电压减去谐波分量即为电压谐波及畸变分量uah、ubh、uch；

电压稳定控制过程如图3所示，采用pi双闭环控制，由所采集的网侧电压以及负荷侧电压，经过pi调节以及滤波器滤波，最后得到注入网侧的补偿输出电压δu；

无功补偿控制方式如图4所示。采集电网三相电压，对三相电压进行正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量同时，单元采集电网三相电流，分别进行正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号单元逆变侧反馈电流信号经过正序d-q正交坐标变换和负序d-q正交坐标变换得到正序和负序有功、无功电流瞬时值直流侧电压瞬时值udc与参考值udcref作差经pi调节器后作为正序有功电流参考值由负载侧电流经过正序d-q坐标变换后得到正序无功电流参考值单元采用正序、负序双序同步控制策略，正序无功分量采用以频率ω旋转的正序变换控制器补偿，得到正序电压控制指令信号和负序分量以-ω旋转的负序变换控制器补偿，得到负序电压控制指令信号将负序电压指令信号转换至正序d-q坐标系下，得到输入svpwm模块的电压指令信号和两个控制器同时工作，完成正序和负序的无功分量补偿。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说；在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。