一种变压器集成化混合型交直流微电网及控制方法

本发明属于混合型交直流微电网并网领域，具体地涉及一种变压器集成化混合型交直流微电网及控制方法。

背景技术：

1、交直流微电网连接到电网，其中电压故障最常见，因此在电网故障的条件下交直流微电网的故障穿越能力和电能质量性能已成为一个关键问题。随着可再生能源和替代能源的不断扩散，分布式电源的利用和发展越来越受到重视。在大多数情况下，传统的混合型交直流微电网由交流子网和直流子网组成，通常混合型交直流微电网直接连接到380v低压母线。电网通常在10kv的电压水平下运行，并且容易出现几个电能质量问题，例如电压骤降和负载波动。然而，对混合型交直流微电网运行和控制策略的研究很少考虑到电网出现故障的影响。在大多数研究中，一旦检测到电网侧发生故障，混合型交直流微电网系统将立即与电网断开。虽然这种做法易于操作，但不可避免地会导致并网模式和孤岛模式之间的意外切换，这将导致以下缺点：无法保证混合型交直流微电网的电能质量；重新连接过程复杂，需要设计并网预同步算法，并可能导致瞬态冲击电流的发生，这将影响混合型交直流微电网的安全。也有采用增加一个串联补偿变压器的方式来实现电压补偿，该方式需要额外的补偿变压器，在一定程度上增加了设备的制造成本。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明公开了一种变压器集成化混合型交直流微电网及控制方法，以通过提高交直流微电网补偿电压和传输功率能力来提高电能质量的应用。

2、所述的混合型交直流微电网可以通过变流器协调控制，提高交直流微电网的电能质量，并考虑到在电网发生故障时，将串并联变流器接入工频变压器的串联绕组，采用工频变压器进行电压补偿，给低压交流母线提供电压支撑。所述的串并联变流器通过工频变压器的串联绕组接入，不再需要额外的补偿变压器，节约设备制造成本。

3、本发明第一方面提供一种变压器集成化混合型交直流微电网，包括由连接在低压交流母线上的交流型分布式电源和交流负载形成的交流微电网，以及由连接在低压直流母线上的直流型分布式电源和直流负载形成的直流微电网；还包括混合式变压器、互联变流器、双向开关k1、双向开关k2、双向开关k3和双向开关k4；所述混合式变压器包括工频变压器和串并联变流器；

4、所述互联变流器的交流侧连接至所述低压交流母线，直流侧连接至所述低压直流母线；

5、所述工频变压器的高压侧通过所述双向开关k1接入高压配电网，低压侧连接所述低压交流母线，串联绕组侧通过所述双向开关k3连接至所述串并联变流器的交流侧；

6、所述串并联变流器的交流侧通过所述双向开关k2连接至所述低压交流母线，所述串并联变流器的直流侧连接至所述低压直流母线；

7、所述工频变压器的串联绕组侧并联有所述双向开关k4。

8、本发明第二方面提供一种用于前述的变压器集成化混合型交直流微电网的控制方法，包括以下步骤：设所述变压器集成化混合型交直流微电网在电网正常运行时的运行模式为模式1：串并联变流器和互联变流器以并联模式运行；所述变压器集成化混合型交直流微电网在电网故障运行时的运行模式为模式2：串并联变流器和互联变流器以串联模式运行；所述变压器集成化混合型交直流微电网在电网故障超过一定范围运行模式为模式3：混合型交直流微电网处于孤岛运行模式；

9、根据电网的运行工况控制双向开关k1至k4的开关状态，使得所述变压器集成化混合型交直流微电网在运行模式1、运行模式2、运行模式3之间进行切换。

10、在一种实施例中，根据电网的运行工况控制双向开关k1至k4的开关状态，使得所述变压器集成化混合型交直流微电网在运行模式1、运行模式2、运行模式3之间进行切换，包括：

11、当电网正常时，控制所述双向开关k1、所述双向开关k2、所述双向开关k4闭合，并控制所述双向开关k3断开，所述变压器集成化混合型交直流微电网执行运行模式1；

12、当电网发生故障且故障未超过交直流微电网的可接受水平时，控制所述双向开关k1、所述双向开关k3闭合，并控制所述双向开关k2、所述双向开关k4断开，所述变压器集成化混合型交直流微电网执行运行模式2；

13、当电网发生故障且故障超过交直流微电网的可接受水平时，控制所述双向开关k2闭合，并控制所述双向开关k1、所述双向开关k3、所述双向开关k4断开，所述变压器集成化混合型交直流微电网执行运行模式3。

14、与现有技术相比，本发明具有如下特点：

15、1)低投资成本。该发明不再采用增加串联补偿变压器的方法，而是将串并联变流器接入所述工频变压器的串联绕组侧，从而将所述工频变压器和串并联变流器构成一个整体，不再需要额外的补偿变压器，节约设备制造成本；所述工频变压器采用三个单相工频变压器，价格低廉、技术成熟，只需少量电力电子变流器实现主动调控，大大降低了投资成本。

16、2)高可靠性。通过控制双向开关的断开与闭合，改变所述串并联变流器在所述所述混合型交直流微电网的连接关系，使得所述串并联变流器呈现多模式运行以实现电压支撑和补偿以及功率传输，当电网发生故障时，减少混合型交直流微电网系统立即与电网断开的情况，减少故障对母线和混合型交直流微电网的影响，提高了电能质量。

技术特征：

1.一种变压器集成化混合型交直流微电网，包括由连接在低压交流母线上的交流型分布式电源和交流负载形成的交流微电网，以及由连接在低压直流母线上的直流型分布式电源和直流负载形成的直流微电网；其特征在于：

2.根据权利要求1所述的变压器集成化混合型交直流微电网，其特征在于：所述工频变压器包括三个单相工频变压器，每个单相工频变压器均采用“日字型”三柱三绕组结构，其中，三绕组分别为高压绕组、串联绕组和低压绕组，所述串联绕组与所述双向开关k4并联；

3.根据权利要求1或2所述的变压器集成化混合型交直流微电网，其特征在于：所述串并联变流器包括第一功率变换模块和第一lc滤波器，所述第一功率变换模块的交流侧连接所述第一lc滤波器，所述第一lc滤波器通过所述双向开关k3与所述工频变压器的串联绕组侧连接；所述所述第一lc滤波器还通过所述双向开关k2与所述低压交流母线连接；其中，所述第一功率变换模块采用三相两电平拓扑或三相三电平拓扑。

4.根据权利要求1或2所述的变压器集成化混合型交直流微电网，其特征在于，所述互联变流器包括第二功率变换模块和第二lc滤波器，所述第二功率变换模块的交流侧通过所述第二lc滤波器连接所述低压交流母线；其中，所述第二功率变换模块采用三相两电平拓扑或三相三电平拓扑。

5.一种用于权利要求1-4任一项所述变压器集成化混合型交直流微电网的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，根据电网的运行工况控制双向开关k1至k4的开关状态，使得所述变压器集成化混合型交直流微电网在运行模式1、运行模式2、运行模式3之间进行切换，包括：

7.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，串并联变流器和互联变流器以并联模式运行时执行：所述串并联变流器采用功率外环和电流内环双闭环控制有功功率和无功功率的方法，通过d–q参考系中的电流控制有功功率和无功功率的功率输出。

8.根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，串并联变流器和互联变流器以串联模式运行时执行：所述串并联变流器控制方法采用电压外环和电流内环双闭环控制电压的方法，通过d–q参考系中的电压控制串并联变流器交流侧补偿电压，输出给定的电压幅值和电压相位，以对低压交流端口进行调幅和调相。

9.一种变压器集成化混合型交直流微电网的控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的控制程序，所述控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求5-8中任一项所述的变压器集成化混合型交直流微电网的控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5-8中任一项所述的变压器集成化混合型交直流微电网的控制方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种变压器集成化混合型交直流微电网及控制方法，包括：混合式变压器、互联变流器、双向开关K1至K4；混合式变压器包括工频变压器和串并联变流器；工频变压器的高压侧通过双向开关K1接入高压配电网，低压侧连接低压交流母线，串联绕组侧通过双向开关K3连接串并联变流器的交流端口；串并联变流器的交流侧通过双向开关K2连接低压交流母线，串并联变流器的直流侧连接低压直流母线；互联变流器的交流侧连接低压交流母线，直流侧连接低压直流母线；工频变压器的串联绕组侧还并联有双向开关K4；根据电网的运行工况控制多个双向开关的开闭改变串并联变流器的连接关系，使串并联变流器呈现多模式运行，提高混合型交直流微电网的电能质量。

技术研发人员：赖锦木,尹越,尹项根,王要强,李宝伟,陈卫,胡家玄,刘阳,陈俊宏
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15