有载调压装置的控制方法、存储介质和有载调压装置

1.本发明属于变压器技术领域，具体提供一种有载调压装置的控制方法、存储介质和有载调压装置。


背景技术：

2.目前常规的有载调压装置主要是通过机械开关或电子开关在有载调压变压器一次侧绕组组合所确定的有载调压范围内，按照预设的固定步长(有载调压变压器的每档可调变比范围)进行调压(有级调压)。由于只能按照预设的固定步长进行调压，导致调压过程中电压波形过渡地不够平滑，无法实现无级调压。并且，当有载调压装置在进行无功功率补偿时，通常需要增加额外定制的设备来实现，没有与有载调压装置的有级调节相结合，因此无功补偿效果有限，也无法与有载调压装置的变压器变比相匹配。
3.为了解决上述问题，申请公布号为cn114171306 a的中国专利公开了一种非隔离取能型有载调压变压器，可将取能绕组的绕组电压进行电能变换，并将电能变换后的绕组电压通过供电线路施加到一次侧绕组上，以实现对一次侧绕组的绕组电压进行无级调节。然而，该技术方案并未解决当电网电压和/或负荷阻抗角变化时，同时进行一次侧的绕组电压无级调节和无功补偿。因此，如何将有级调压和无级调压相结合，在满足有载调压变压器负荷电压调节需求同时，兼顾无功补偿，已成为亟需解决的问题。
4.相应地，本领域需要一种新的方案来解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在解决或部分解决上述技术问题，即如何将有级调压和无级调压相结合，在满足有载调压变压器负荷电压调节需求同时，兼顾无功补偿的问题。
6.在第一方面，本发明提供一种有载调压装置的控制方法，所述有载调压装置的一次侧拓扑结构包括主绕组、有级调压模块和无级调压模块；所述有级调压模块包括一个或多个串联连接的有级绕组和多个开关，所述无级调压模块包括逆变子模块和隔离变压器，所述方法包括：分别获取电网电压和负荷阻抗角；根据所述电网电压、所述有载调压装置的一次侧系统额定电压得到电压偏差幅值系数；根据所述电压偏差幅值系数、所述负荷阻抗角，得到最优档位系数值；根据所述电压偏差幅值系数、所述负荷阻抗角、所述最优档位系数值，得到计算补偿电压，其中所述计算补偿电压包括计算补偿电压幅值和计算补偿电压角度值；基于所述最优档位系数值，控制所述有级调压模块；基于所述计算补偿电压，控制所述无级调压模块。
7.在上述有载调压装置的控制方法的一个实施方式中，“根据所述电网电压、所述有载调压装置的一次侧系统额定电压得到电压偏差幅值系数”包括：
所述电压偏差幅值系数的计算方法为：其中，μ为所述电压偏差幅值系数，us为所述电网电压，u0为所述一次侧系统额定电压。
8.在上述有载调压装置的控制方法的一个实施方式中，“根据所述电压偏差幅值系数、所述负荷阻抗角，得到最优档位系数值”包括：根据所述电压偏差幅值系数、所述负荷阻抗角，得到期望分接开关档位系数；选择与所述期望分接开关档位系数的差值的绝对值最小的有载调压变压器的分接开关档位系数为所述最优档位系数值；其中，所述期望分接开关档位系数的计算方法为：其中，ε
*
为所述期望分接开关档位系数，μ为所述电压偏差幅值系数，θ为所述负荷阻抗角。
9.在上述有载调压装置的控制方法的一个实施方式中，“根据所述电压偏差幅值系数、所述负荷阻抗角、所述最优档位系数值，得到计算补偿电压，其中所述计算补偿电压包括计算补偿电压幅值和计算补偿电压角度值”包括：所述补偿电压计算幅值的计算方法为：所述补偿电压计算角度值的计算方法为：其中，uc为所述计算补偿电压，|uc|为所述计算补偿电压幅值，β为所述计算补偿电压角度值，μ为所述电压偏差幅值系数，θ为所述负荷阻抗角，ε
l
为所述最优档位系数值。
10.在上述有载调压装置的控制方法的一个实施方式中，“基于所述最优档位系数值控制所述有级调压模块”包括：根据所述最优档位系数值，得到有载调压装置的变压器变比档位；所述最优档位系数值与所述变压器变比档位之间的关系为：ε
l
＝(1+n
×
α)其中，ε
l
为所述最优档位系数值，n为所述变压器变比档位，α为每一档所述变压器变比档位所对应的可调变比范围。
11.在上述有载调压装置的控制方法的一个实施方式中，“基于所述计算补偿电压，控制所述无级调压模块”包括：根据所述计算补偿电压，通过pll模块对电网电压进行矢量定向，得到补偿电压指令，其中所述补偿电压指令包括补偿电压d轴指令和补偿电压q轴指令；
根据所述补偿电压指令，通过pwm信号控制所述无级调压模块的所述逆变子模块。
12.在第二方面，本发明提出了一种存储介质，所述存储介质适于存储多条程序代码，所述程序代码适于由处理器加载并运行以执行上述任一项方案所述的有载调压装置的控制方法。
13.在第三方面，本发明提出了一种有载调压装置，包括存储器和处理器，所述存储器适于存储多条程序代码，其特征在于，所述程序代码适于由所述处理器加载并运行以执行上述任一项方案所述的有载调压装置的控制方法。
14.在采用上述技术方案的情况下，本发明通过获取的电网电压和负荷阻抗角等电网数据，计算最优档位系数值和补偿电压，并根据最优档位系数值控制有级调压模块的开关，根据补偿电压控制无级调压模块的逆变子模块，从而获得所需的变压器变比值和补偿电压的振幅和相位。通过本发明的方法，可以将有级调压和无级调压相结合实现有载调压装置的无级调压，同时兼顾无功补偿；并且在调压控制时，首先将有载调压变压器变比调至最优，使无级调压装置输出的补偿电压的矢量值最小，从而扩大了补偿无功的能力。
附图说明
15.下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
16.图1是本发明实施例的有载调压装置的拓扑结构。
17.图2是本发明实施例的有载调压装置的控制方法的主要步骤流程图。
18.图3是本发明实施例的有载调压装置控制电压的矢量示意图。
19.图4是本发明实施例的基于电网电压的矢量定向，得到补偿电压指令的主要步骤流程图。
20.图5是本发明实施例的根据补偿电压指令产生逆变子模块的pwm控制波的主要步骤流程图。
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明实施例，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。
22.本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。
23.首先阅读图1，图1是本发明实施例的有载调压装置的拓扑结构。有载调压变压器tr包括一次侧的主绕组1、有级绕组和取能绕组，以及负载侧的负荷绕组，并且主绕组、有级绕组和取能绕组为共磁芯结构。
24.本发明实施例的有载调压装置的一次侧拓扑结构包括主绕组1、有级调压模块2和无级调压模块3。
25.有级调压模块2包括一个或多个串联连接的有级绕组和多个开关，每个开关的第一端分别连接有级绕组的一端或两个串联连接的有级绕组的公共端，其中，第一有级绕组
的第一端和第一开关的第一端相连接，形成有级调压模块的第一端，全部开关的第二端连接在一起，形成有级调压模块的第二端。
26.如图1所示，有级绕组tl1、tl2、
…
、tln串联连接，n为大于或等于1的整数，优选地，n+1个开关均为由两个晶闸管(thyristor)反向并联组成的柔性开关。作为示例，柔性开关21由两个反向并联的晶闸管g1和g2组成。第一柔性开关21的第一端与第一有级绕组tl1的第一端相连接，形成有级调压模块2的第一端；由晶闸管g3和g4组成的柔性开关的第一端与串联连接的有级绕组tl1的第二端和tl2的第一端的公共端相连接；由晶闸管g2n+1和g2n+2组成的柔性开关的第一端与有级绕组tln的第二端相连接；全部柔性开关连接在一起，形成有级调压模块2的第二端。
27.通过控制有级调压模块2中各柔性开关的接通或断开，选择不同的变比档位，即可以实现有载调压变压器的变压器变比可调。在本发明实施例中设定，k为变压器变比，k0为额定变压器变比，两者之间存在如式1的关系：k＝(1+n
×
α)k0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式1)其中，n为有载调压变压器的变比档位，且n为整数，α为每档可调变比范围，k0、α均为有载调压变压器固有的参数，当选择不同的变比档位n时，即可得到不同的变压器变比k。
28.进一步设定，有载调压变压器的变压器变比k与有载调压变压器的额定变压器变比k0的比值为有载调压变压器的分接开关档位系数ε，并且根据式1可得到式2如下，
29.由式2可知，ε为离散量，其取值范围ε∈[ε
min
,ε
min
]。作为示例，有载调压变压器的每档可调变比范围为2.5％，其变比档位为-4至4之间的整数，则ε的取值范围为：ε∈[(1-4
×
2.5％),(1+4
×
2.5％)]，即ε∈[90％，110％]。
[0030]
需要说明的是，本领域技术人员也可根据实际情况，选择由其他类型的可控型电力电子器件组成的柔性开关，该可控型电力电子器件可以是全控型功率半导体器件，如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)或集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor，igct)等器件。
[0031]
之所以选择基于可控型电力电子器件的柔性开关，是因为此类型的开关能够快速、可靠地对有级绕组进行投切控制，从而克服了现有技术中采用机械开关对绕组进行投切控制时由于响应时间长而无法快速地完成有载调压，以及当机械开关的机械寿命降低后无法保证变压器继续可靠地进行有载调压的缺陷。
[0032]
继续阅读图1，无级调压模块3包括依次连接的取能子模块32、逆变子模块31、隔离变压器t2。
[0033]
在本发明实施例中，取能子模块32通过取能绕组获取能量得到交流电源，经取能子模块32中的全桥整流单元将交流电源转变为直流电源，为逆变子模块31提供直流电源，逆变子模块31受控产生设定幅值和相位的有载调压装置的补偿信号，并通过隔离变压器t2接入到有载调压装置的一次侧回路中。
[0034]
取能子模块32由取能绕组、电感l2和全桥整流单元组成，其中全桥整流单元由可控型电力电子器件q5、q6、q7、q8组成的全桥电路和整流电容ec1构成。
[0035]
逆变子模块31由可控型电力电子器件q1、q2、q3、q4组成的全桥电路、电感l1、电容c1共同构成lc全桥逆变电路。
[0036]
无级调压模块3中的组成全桥电路的可控型电力电子器件可以选用mosfet、igbt等全控型功率半导体器件。
[0037]
继续阅读图2，图2是本发明实施例的有载调压装置的控制方法的主要步骤流程图。如图2所示的本发明实施例的有载调压装置的控制方法包括：步骤s201：分别获取电网电压和负荷阻抗角；步骤s202：根据电网电压、有载调压装置的一次侧系统额定电压得到电压偏差幅值系数；步骤s203：根据电压偏差幅值系数、负荷阻抗角，得到最优档位系数值；步骤s204：根据电压偏差幅值系数、负荷阻抗角、最优档位系数值，得到计算补偿电压；步骤s205：基于最优档位系数值，控制有级调压模块；步骤s206：基于计算补偿电压，控制无级调压模块。
[0038]
在本发明实施例中，有载调压装置的一次侧接入高压配电网，因此一次侧也可以称作高压侧，二次侧输出接终端负荷应用的低压配电网，因此二次侧也可以称作低压侧，通过有载调压装置将终端负荷侧的低电压保持在额定电压值。
[0039]
在步骤201中，电网电压为图1中电网电源的电压us，电网电源为电网中的任意一相，电网电压us可通过交流电压表测量获得。
[0040]
负荷阻抗角θ可通过负荷电压相角与负荷电流相角作差得到，计算方法为：其中，为负荷电压相角，为负荷电流相角。
[0041]
负荷电压和负荷电流为图1中低压侧加载到负载两端的电压和电流。电压相角和电流相角的测量方式本发明不做限定。作为示例，可采用专用相角测量设备进行测量，或采用零点相角法自行进行相角测量，本领域技术人员也可采用其他方式进行相角测量。
[0042]
在步骤s202中，定义电压偏差幅值系数，用于反应电网电压偏离额定电压的程度，其计算方法为：其中，μ为电压偏差幅值系数，us为步骤s201中测量得到的电网电压，u0为一次侧系统额定电压。
[0043]
在本发明实施例中，为了便于计算与描述，将有载调压装置中有载调压变压器t1两侧的电压和电流均折算到负荷电压u
l
侧。
[0044]
继续参阅图3，图3为本发明实施例的有载调压装置控制电压矢量示意图。如图3所示，图中k为有载调压装置的变压器变比，在降压应用中k《1，u
′s为电网电压us折算至负荷电压侧的电压矢量，u
′s＝kus；u
′c为无级调压模块3输出的补偿电压uc折算至负荷电压侧的电压矢量，u
′c＝kuc；u
l
为负荷电压的电压矢量。
[0045]
图3中，θ为补偿前的负荷阻抗角，即负载电流与负载电压的阻抗角，φ为补偿后的
负荷电压u
l
与电网电压us之间的相角，β为补偿电压uc与电网电压us之间的角度。
[0046]
当φ＝θ时，使得电网电压us与负载电流i
l
同相位，即此时有载调压装置向负载提供的无功最小，从而实现了有载调压装置的单位功率因数运行。电网电压us折算至负荷电压侧的电压u
′s、负荷电压u
l
及夹角φ均保持不变的情况下，当∠β＝90
°
+∠θ时，补偿电压u
′c的幅值最小。
[0047]
继续阅读图3，根据直角三角形的边角关系，可得：|kus|cosθ＝|u
′s|cosθ＝|u
l
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式5)
[0048]
将k0|u0|＝|u
l
|带入式5，并结合电压偏差幅值系数μ，可得：
[0049]
结合式2，可得到有载调压变压器的期望分接开关档位系数ε
*
，其计算方法为：
[0050]
在步骤s203中，根据式7计算得到期望分接开关档位系数ε
*
后，将ε
*
与有载调压变压器的分接开关档位系数ε取值范围内的各数值分别进行比较，取差值最小的ε作为最优档位系数值ε
l
。
[0051]
在图3中，以电网电压us、负载电压u
l
与补偿电压uc构成的三角形为基准，根据三角形余弦定理，可得：(kuc)2＝u
l2
+(kus)
2-2u
l
(kus)cosθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式8)
[0052]
由前所述及图3所示可知：u
′s＝kus，u
′c＝kucꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式9)
[0053]
由图3、式4和式9可得到：u
′s＝kus＝kμu0＝μu
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式10)
[0054]
将式8的两边额定变压器变比k0的平方，并结合式9和式10可得：(k0kuc)2＝(k0u
l
)2+(k0kus)
2-2(k0u
l
)(k0kus)cosθ＝(k0u
l
)2+(k0kμu0)
2-2(k0u
l
)(k0kμu0)cosθ＝u
l2
[k
02
+(kμ)
2-2k0kμcosθ]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式11)
[0055]
将式11两边同除以(k0k)2，并结合式2可得：
[0056]
将式12两边同时开平方根，可得：
[0057]
由图3可得，此时补偿电压角度β为：
[0058]
同样推导思路，结合式2、式9和式10，可得：
[0059]
在有载调压装置工作过程中，由步骤s203可知，分接开关档位系数ε实际是工作在最优档位系数值ε
l
上，因此，用ε
l
替换式14和式15中的ε的值，可得无级调压模块输出的计算补偿电压uc，其包括如式16所示的计算补偿电压幅值|uc|和如式17所示的计算补偿电压角度值β。度值β。
[0060]
在步骤s204中，根据式16和式17计算得到无级调压模块3的计算补偿电压幅值|uc|和计算补偿电压角度值β。
[0061]
在步骤s205中，根据式2，最优档位系数值ε
l
和有载调压变压器的变比档位n之间的关系为ε
l
＝(1+n
×
α)，因此得到ε
l
后即可得到n，进而再根据有载调压变压器的变比档位n控制有级调压模块2中各开关的导通或关断，进行有级调压。
[0062]
此时，有载调压变压器变比最优取值k
l
＝ε
l
k0，有载调压装置通过控制有级调压模块2中各开关的导通或关断，使有载调压变压器的变比k调至最优，从而可以使无级调压装置输出的补偿电压的矢量值最小，从而扩大了补偿无功的能力。
[0063]
在步骤s206中，首先通过pll锁相模块对电网电压进行矢量定向，计算得到补偿电压指令，具体流程参见图4。
[0064]
如图4所示，将采样得到的电网电压us送入pll锁相模块，得到电网电压矢量位置ωt，再根据ωt得到基于电网电压矢量的定向参数矩阵；基于电网电压矢量的定向参数矩阵，将步骤s204得到的计算补偿电压uc折算至电网电压矢量定向的坐标系，得到补偿电压指令，其中补偿电压指令包括补偿电压d轴指令和补偿电压q轴指令
[0065]
如图5所示，将补偿电压d轴指令补偿电压q轴指令以及实际测量的补偿电压折算至电网电压矢量定向的坐标系的d轴分量u
cd
和q轴分量u
cq
送入闭环控制器，并采用电压外环电流内环控制，得到d轴和q轴的控制电压，再经过基于电网电压矢量的逆定向参数矩阵得到pwm控制器的控制信号，由pwm发生器输出全桥逆变驱动pwm波对无级调压模块3的逆变子模块31进行控制，产生所需幅值和相位的补偿电压，实现有载调压装置的无级调压和无功补偿。
[0066]
对于闭环控制器的类型、结构和控制方法本发明不做限定，作为示例，可选用基于pi控制器的电压外环、电流内环的双闭环控制的结构和方法，本领域技术人员也可采用其他方式控制全桥逆变电路产生所需的补偿电压。
[0067]
需要说明的是，d-q坐标变换、电压外环电流内环控制方法、pwm控制全桥逆变电路
均为本领域公知技术，在此不做赘述，本领域技术人员可参阅相关公开技术资料实现。
[0068]
需要说明的是，步骤s205的有级调压模块的控制周期一般接近于电网电压周期，作为示例有级调压模块的控制周期可设置为100ms至200ms，即控制频率为5hz至10hz；而步骤s206中，无级调压模块主要是控制全桥逆变电路工作，因此其控制频率应远大于电网电压的频率，作为示例，无级调压模块的控制频率可设置为5khz～10khz，即控制周期为0.1ms至0.2ms。
[0069]
有级调压模块的电网电压、负荷电压相角与负荷电流相角等电路参数的采样频率，可设置为与有级调压模块的控制频率相同，无级调压模块的电路参数采样频率可以设置成与无级调压模块的控制频率相同，也可使用有级调压模块的采样数据。
[0070]
在本发明实施例中，取能子模块32中的由可控型电力电子器件组成的全桥整流电路的控制方法，本发明不做限定。作为示例，可选用专用全桥整流控制芯片实现；也可以在设定直流输出电压后，采用电压外环电流内环的双闭环控制方法，控制全桥各桥臂实现整流功能。
[0071]
在另一个实施例中，取能子模块32中的全桥整流电路由单向导通的整流二极管构成，此时取能子模块32不需要控制即可实现整流功能。
[0072]
在另一个实施例中，有载调压变压器不含有取能绕组，可选用ac转dc模块作为取能子模块为逆变子模块提供直流电源。
[0073]
需要说明的是，取能子模块的直流电压输出需与有载调压装置的无级调压模块的补偿能力相适应，通常取能子模块的直流电压输出值应大于逆变子模块的补偿电压的最大值。在不偏离本发明的原理的前提下，上述取能子模块结构的变化，都不应被认为超出本发明的保护范围之内。
[0074]
进一步，本发明还提供了一种存储介质，该存储介质可以被配置成存储执行上述方法实施例的有载调压装置的控制方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行来实现上述有载调压装置的控制方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。该存储介质可以是包括各种电子设备形成的存储装置设备，可选地，本发明实施例中存储介质是非暂时性的可读写存储介质。
[0075]
进一步，本发明还提供了一种有载调压装置，该装置包括存储器和处理器，该存储器可以被配置成存储执行上述方法实施例的有载调压装置的控制方法的程序，该程序可以由处理器加载并运行来实现上述有载调压装置的控制方法。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体技术细节未揭示的，请参照本发明实施例方法部分。
[0076]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0077]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等序数词仅用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例能够以除了
在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0078]
另外，在本技术的描述中，术语“a和/或b”表示所有可能的a与b的组合，比如只是a、只是b或者a和b。
[0079]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。