电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法与流程
本发明涉及新能源发电与微电网技术领域，具体涉及一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法。
背景技术：
在绿色节能高效的能源转型驱动下，交直流能源智能配置技术，充分发挥电网的优化配置优势，高效利用清洁能源以满足人民日益增长的多样化能源消费需求，是未来智能配电网发展的重要趋势之一。以电力电子变压器(powerelectronictransformer，pet)为核心的新型交直流配电网，就是为适应这种趋势创新研发。
相比传统变压器，电力电子变压器除了能实现交直流电能变换，还具有能量柔性调控、资源灵活接入、电能质量治理、故障监测隔离等多种功能。实现了区域内交直流网架的互联互通，支持多类型分布式电源和交直流负荷的灵活接入，减少多变换器交直流变换环节。
为了保证电力电子变压器直流端口输出电压稳定，通常都会存在一个大的稳压电容，而保证电力电子变压器故障切除快速响应，直流端口一般会配有直流固态开关，固态开关是实现直流电网故障元件快速隔离、构建直流电网的关键设备。当电力电子变压器直流端口电压已经建立，在固态开关闭合瞬间，电力电子变压器的直流端口的稳压电容会对母线进行充电，在考虑线路阻抗特性情况下，由于直流端口固态开关内部也有一个稳压电容，固态开关电容会首先给母线充电，电力电子变压器直流端口稳压电容再给固态开关电容充电，由于两者充电速度不一致，可能会产生振荡，这样会导致电力电子变压器直流端口的线路电流传感器测得电流峰值过大，线路电流误保护导致整机闭锁、接触器分闸，某交直流工程现场电力电子变压器实验时在直流端口也检测到了此类谐振现象。
关于电力电子变压器研究主要集中在拓扑方式和控制领域，目前国内外鲜有学者对电力电子直流端口线路电流传感器位置进行研究，本发明利用rlc电路串联响应特性，对电力电子变压器直流侧通过固态开关构成的两个放电回路的电流振荡波形开展分析，并给出了电流互感器测点优化选取原则。
技术实现要素：
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，解决了电力电子变压器直流端口稳压电容、固态开关电容充电速度不一致可能会产生振荡，由于直流端口电流传感器布置位置不正确引起线路电流误保护导致整机闭锁、接触器分闸的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征在于：
步骤一，获得电力电子变压器设备和线路具体参数；
步骤二，利用所述设备和线路具体参数计算放电回路谐振电流；
步骤三，比较放电回路谐振电流峰值，确定电力电子变压器直流端口电流互感器位置。
前述的一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征是：所述电力电子变压器设备和线路具体参数包括：电子变压器直流端口电容c1，固态开关内部电容c2，直流线路等效电阻r，直流线路等效电感l，pet端口电压uc1，直流端口负载rload。
前述的一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征是：所述步骤二，具体过程为：
通过由电力电子变压器直流端口电容c1、直流线路等效电感l、直流线路等效电阻r、固态开关内部电容c2组成的放电回路1的kvl方程以及固态开关内部电容c2的瞬时电压电流关系，求得放电回路1的谐振电流i(t)以及固态开关内部电容c2的瞬时电压uc2(t)，由固态开关内部电容c2、直流端口负载rload组成的放电回路2的电流为uc2(t)/rload。
前述的一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征是：所述电力电子变压器直流端口c1等效成一个直流电源。
前述的一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征是：所述放电回路1的谐振电流i(t)以及固态开关内部电容c2的瞬时电压uc2(t)，具体求解过程为：
放电回路1的kvl方程为：
ri(t)+ul(t)+uc2(t)＝uc1(t)(1)
式(1)中，ul(t)为线路等效电感两端电压瞬时值，uc2(t)为固态开关中电容电压瞬时值，uc1(t)为等效直流电源瞬时值；
将式(2)代入式(1)得到：
其零输入响应方程为式(4)：
式(4)的特征方程为式(5)：
lc2s2+rc2s+1＝0(5)
得到式(5)的特征根为式(6)：
其中，s为拉普拉斯变换中的复变量，α为放电电路1电流衰减系数，ω0为放电回路1谐振角频率，ωd为放电回路1衰减谐振角频率，s1、s2是特征根，j是虚数；
解出式(4)的解为式(11)：
在式(11)中k和
式(12)和式(13)中的k1、k2由初始条件i(0)和uc2(0)确定：
k1＝uc2(0)(14)
假设初始条件为i(0)＝0，uc2(0)＝0，则：
k1＝0(16)
通过式(11)和式(2)求解得到uc2(t)和i(t)。
前述的一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，其特征是：所述步骤三，具体过程为：
比较两个放电回路谐振电流峰值max|i(t)|和max|uc2(t)/rload|数值大小，当max|i(t)|>max|uc2(t)/rload|时电流传感器安装在固态开关与直流负荷之间，否则将电流传感器安装在电力电子变压器直流端口与固态开关之间位置。
本发明所达到的有益效果：本发明通过对电力电子变压器直流端口可能形成的电流振荡分析，对电力电子变压器和固态开关之间的放电回路建立rlc串联谐振理论分析，给出了直流侧传感器安装位置优化选择方法，可以有效避免由于直流线路开关闭合瞬间的响应震荡电流导致的直流线路电流保护，保证电力电子变压器直流端口正常可靠并网工作。
附图说明
图1为电力电子变压器拓扑结构；
图2为电力电子变压器直流端口示意图；
图3为固态开关拓扑图；
图4为直流端口放电回路示意图；
图5为直流侧简化电路示意图；
图6为放电回路1串联响应示意图；
图7为直流侧电流测点位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种电力电子变压器直流端口电流互感器位置优化配置方法，包括步骤：
步骤一，获得电力电子变压器设备和线路具体参数；
如图4所示，获得电力电子变压器直流端口电容c1，固态开关内部电容c2，直流线路等效电阻r，直流线路等效电感l，pet端口电压uc，直流端口负载rload。
步骤二，利用所述设备和线路具体参数计算放电回路谐振电流；
具体为：由电力电子变压器直流端口电容c1、直流线路等效电感l、直流线路等效电阻r、固态开关内部电容c2组成的放电回路1的谐振电流为i(t)，利用放电回路1的kvl(基尔霍夫电压定律)方程：ri(t)+ul(t)+uc2(t)＝uc1(t)，以及
步骤三，比较放电回路谐振电流峰值，确定电力电子变压器直流端口电流互感器位置。
具体为：比较两个放电回路谐振电流峰值max|i(t)|和max|uc2(t)/rload|数值大小，当max|i(t)|>max|uc2(t)/rload|时电流传感器安装在固态开关与直流负荷之间即图7中的测点2位置，否则将电流传感器安装在电力电子变压器直流端口与固态开关之间即图7中测点1位置。
电力电子变压器可以将交直流电压自由灵活转换，可以将市电中低压10kv交流配网转变成低压750v直流。
如图1所示，为本发明的一种电力电子变压器(pet)拓扑结构，pet交流侧连接10kv交流，直流侧连接±750v直流，其中h桥为单相全桥，器件采用igbt(绝缘栅双极型晶体管)，dab为双向有源桥(doubleactivebridge,dab)，由两个h桥和一个高频变压器串联组成。可以看出本拓扑实际上是一个串入并出(inputseriesoutputparallel,isop)结构，作用为交流侧h桥串联均分电压，每个h桥承受电压应力降低，直流侧电压等级低所以并联输出，保证输出电压一定的情况下增大功率，降低dab电流应力。
电力电子变压器直流侧端口一般通过大电容c1进行稳压，如图2所示。为了保证电力电子变压器直流端口故障隔离能力，由于机械开关动作时间慢，通常在直流端口安装固态开关，本拓扑中固态开关拓扑如图3所示，电容c2容值为4mf，vt为电力电子开关，采用igbt器件，v为续流二极管。正常工作时，vt一直处于导通状态，故障情况下vt关断，关断时间仅由器件特性决定，故障隔离时间一般可以控制在50us之内。
由于电力电子变压器直流端口通常都是一个稳压电容，当两个电力电子变压器在直流侧直接连接时(指的是并供情况，直接连接(并联)后同时给负荷供电)，两个电容由于初始电压不相等会存在放电回路。如图4中电力电子变压器750v直流端口负荷直接和固态开关连接，当电力电子变压器完成启动充电后接入固态开关，稳压电容c1对电容c2形成放电回路1，c2对750v端口负荷形成放电回路2，当放电回路1和放电回路2的放电时间常数τ1和τ2不相等时，放电回路1可能通过线路电感l和固态开关直流端口电容c2形成串联谐振，通过图4中放电回路1和放电回路2上的两个电流传感器即电力电子变压器直流端口与固态开关之间、固态开关与直流负荷之间的两个电流传感器可以测得振荡电流。当振荡电流峰值过大时，可能会导致线路电流保护误动作跳闸、整机闭锁。
为了进一步研究电力电子变压器直流端口电流振荡特性，可以将图4简化为5，可以看出对于放电回路1就是一个rlc串联振荡电路。
当固态开关电容c2并入电力电子变压器750v直流端口时，由于电力电子变压器的稳压电容c1较大可以等效成一个直流源uc1，对放电回路1进行rlc电路串联响应分析如图6所示，电力电子变压器直流侧简化电路包括：依次串联连接的电力电子变压器的稳压电容c1等效直流电源uc1，线路等效电感l、线路等效电阻r、固态开关中电容c2。
根据图6可以给出kvl(基尔霍夫电压定律)电路方程：
ri(t)+ul(t)+uc2(t)＝uc1(t)(1)
式(1)中，r为线路等效电阻，i(t)为线路电流瞬时值，ul(t)为线路等效电感两端电压瞬时值，uc2(t)为固态开关中电容电压瞬时值，uc1(t)为等效直流电源ua瞬时值。
放电回路1电流可以通过固态开关中电容电压得到：
将式(2)代入式(1)可以得到：
可以看出式(3)是一个常系数非齐次线性二阶微分方程，其零输入响应方程为式(4)：
式(4)的特征方程为式(5)：
lc2s2+rc2s+1＝0(5)
可以得到式(5)的特征根式(6)：
其中，s为拉普拉斯变换中的复变量，α为放电电路1电流衰减系数，ω0为放电回路1谐振角频率，ωd为放电回路1衰减谐振角频率，s1、s2是特征根，j是虚数；s1＝-α+jωd，s2＝-α-jωd，s1,2是两个特征根的统称符号；
具体定义见式(7)-式(9)：
由于电力电子变压器出口直接连接固态开关，故线路距离短电阻小，一般小于0.1ω，通过式(10)可以判断出放电回路1呈现欠阻尼振荡特性：
可以解出式(4)的解为式(11)
在式(11)中k和
式(12)和式(13)中的k1、k2由初始条件i(0)和uc2(0)确定：
k1＝uc2(0)(14)
假设初始条件为i(0)＝0，uc2(0)＝0，则：
k1＝0(16)
通过式(11)和式(2)求解得到uc2(t)和i(t)。对于图7中测点1和测点2的电流分别为i(t)和uc2(t)/rload；t＝0时刻，0时刻为开关合闸时刻；
对比图7中两个测点，为了避免串联谐振电流导致线路电流保护误动作，比较放电回路谐振电流峰值，当max|i(t)|>max|uc2(t)/rload|时，放电回路1的震荡电流更大，为了避免震荡电流引起保护误判断，所以电流传感器应该设计安装在测点2，即用放电回路2的电流代表端口电流。反之，放电回路2的震荡电流更大，为了避免震荡电流引起保护误判断，所以电流传感器应该设计安装在测点1，即用放电回路1的电流代表端口电流。
当电力电子变压器直流端口电压已经建立，在固态开关闭合瞬间，电力电子变压器的直流端口的电容会对母线进行充电，在考虑线路阻抗特性情况下，直流端口会产生振荡。本发明通过对电力电子变压器直流端口可能形成的电流振荡分析，对电力电子变压器和固态开关之间的放电回路建立rlc串联谐振理论分析，给出了直流侧传感器安装位置优化选择方法，可以有效避免由于直流线路开关闭合瞬间的响应震荡电流导致的直流线路电流保护，保证电力电子变压器直流端口正常可靠并网工作。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
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