一种内嵌潮流控制器的混合变压器及控制方法

本发明涉及电网潮流控制、电力电子，尤其涉及一种内嵌潮流控制器的混合变压器及控制方法。

背景技术：

1、我国电力工业发展进入转方式、调结构、换动力的关键时期，系统智能化特征日益突出，增强调峰能力建设，提升负荷侧响应水平，建设高效智能电力系统势在必行。但目前我国能源生产和消费逆向分布，“有电送不出、有网无电送”的问题同时存在；潮流分布不均、线路过载、损耗增大，输电量下降以及对已有资源无法进行充分利用的问题不同程度存在。因此，在建设智能电网建设过程中，迫切需要严格强化电网对系统的调节、支撑、转移能力，进一步优化和完善电网结构，使主网架布局和结构更趋合理化，加强区域间电网互济能力。电力变压器作为电力系统中最重要的电气设备之一，它能够实现不同电压等级电网的互联与功率交换，直接影响着电力系统的安全和稳定性。然而，随着智能电网的发展，各种新能源的增加和敏感负荷的增多，电力变压器等设备面临着新的挑战。传统的变压器具有成本低、可靠性高和高效率等优点，但其过于单一的功能使得其不能完全满足现代电力系统的需求。

2、而针对上述问题，目前常用的解决方案：在现有的输电线路上安装柔性交流输电装置，通过电力电子装置对线路上的电气参数进行控制，进而控制线路上的潮流。这种方案通常需要全电力电子架构或大部分为电力电子器件，但复杂的电力电子拓扑结构控制策略的设计难度较高，也降低了系统的稳定运行能力。目前潮流调节能力最全面的柔性交流输电装置统一潮流控制器的设备成本以及运维成本极高，且设备的体积大需要额外的征地安装设备，这极大的限制了其在输电网的推广应用。而，电力变压器为电力系统中最常用的电力设备，通过在传统变压器上增加电力电子变换回路，两者结构形成混合变压器，除了具备常规电力变压器所具有的电压变换、电气隔离以及能量传递等基本功能，还具有提高电能质量、无功补偿以及潮流控制等功能。相比于传统变压器，混合变压器的适用范围更为广泛。而且与统一潮流控制器相比，混合变压器方案以传统变压器为基础，可作为传统变压器的替代装置直接应用于传统电网中，没有额外征地的需求，具有高可靠性，成本低体积小的优点。因此采用混合变压器方案在输电网中调节潮流具有显著的优势。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明提供了一种内嵌潮流控制器的混合变压器及控制方法，能够解决背景技术中提到的问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，一种内嵌潮流控制器的混合变压器，包括：

5、电力变压器和多端口单相模块化多电平换流器，

6、所述电力变压器为绕组有若干抽头的单相或三相变压器，所述电力变压器还包括双绕组或三绕组变压器；

7、所述多端口单相模块化多电平换流器分为能量平衡模块和潮流调节模块；

8、所述潮流调节模块包括若干个单相模块化多电平换流器；

9、所述潮流调节单相模块化多电平换流器的交流输出端口与输电线串联，通过调节串联在输电线上的单相模块化多电平换流器交流输出端口电压的幅值与相位，用于实现输电线有功功率和无功功率的解耦控制。

10、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器的一种优选方案，其中：还包括，

11、所述电力变压器与多端口单相模块化多电平换流器通过变压器绕组的任意两个抽头和能量平衡模块的两个交流端口相连；

12、所述能量平衡模块包括两个单相模块化多电平换流器；

13、所述能量平衡模块与潮流调节模块共享同一公共直流母线；

14、所述能量平衡模块的交流端口与变压器抽头相连，用于实现单相模块化多电平换流器内部能量的稳定。

15、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器的一种优选方案，其中：所述潮流调节模块包括，

16、所述潮流调节模块公共直流母线为直流母线，多个单相模块化多电平换流器通过公共直流母线耦合成潮流调节模块；

17、组成所述潮流调节模块和能量平衡模块的单相模块化多电平换流器的子模块为半桥型或全桥型或其他拓扑结构的子模块。

18、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：一种内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法，其特征在于：包括，线路潮流控制环、内部能量平衡控制环、环流抑制控制和桥臂电压均衡控制，

19、混合变压器的出口侧连接若干条输电线时，其中变压器一次侧的有功功率大小由系统有功功率平衡的需求决定，记该变压器一次侧相连的输电线为潮流调节平衡输电线，记其他输电线为潮流控制输电线；

20、记能量平衡模块的两个单相模块化多电平换流器交流端口的同方向电流为共模电流，所述共模电流形成的回路为共模回路，通过控制共模回路来实现线路的潮流控制；

21、不同方向的电流记为差模电流，所述差模电流形成的回路为差模回路，控制差模回路来实现内部能量平衡；

22、锁相环锁定所述潮流调节平衡输电线的节点三相电压，锁相环输出的相角为abc坐标系到dq坐标系的帕克转换矩阵提供角度。

23、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述线路潮流控制环还包括，

24、所述线路潮流控制环根据潮流控制输电线的有功功率参考值和无功功率参考值计算潮流控制输电线电流的d轴分量参考值和q轴分量参考值计算方法如下：

25、

26、其中，表示有功功率参考值，表示无功功率参考值。

27、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述线路潮流控制环还包括，

28、线路潮流控制环在dq坐标系下进行，利用比例积分控制器进行控制，计算方法如下：

29、

30、其中，和乘以帕克逆转换矩阵，得到abc坐标系下的线路潮流控制环输出参考电压即其中，v表示输电线的节点电压，vt表示变压器抽头处节点电压，i表示输电线的电流，ω表示输电线的交流频率，l表示输电线的等效电感感值，lpfcm表示单相模块化多电平换流器桥臂的等效电感感值，r表示输电线的等效电阻阻值，v,i,l,r的下标j表示为第j条潮流控制输电线的参数，下标d表示为d轴分量，下标q表示为q轴分量，上标*表示为参考值；kp为比例积分控制器比例环节增益系数，ki为比例积分控制器积分环节增益系数，vjd,vjq为前馈项。

31、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述线路潮流控制环还包括，

32、对d轴和q轴进行解耦控制，包括：

33、

34、其中，lpfcm表示单相模块化多电平换流器桥臂的等效电感感值，vjd,vjq为前馈项，所述前馈项用于增强控制环抗干扰能力，加快控制环响应速度。

35、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述内部能量平衡控制环包括，

36、所述内部能量平衡控制环的控制目标为维持模块化多电平换流器内部的电容电压总体稳定在参考值其输出为公共直流母线平衡参考电压用于控制差模电流；

37、所述内部能量平衡控制环的控制在abc坐标系下进行，利用比例积分控制器和准比例谐振控制器对abc三相的公共直流母线电压进行控制，计算方法如下：

38、

39、

40、其中，vdca,vdcb,vdcc为三相公共直流母线电压，为三相差模电流，kp2为比例积分控制器比例环节增益系数，ki2为比例积分控制器积分环节增益系数；gqpr(s)为准pr控制器的传递函数，ω为谐振频率，ωc为截止频率主要影响系统带宽，kp3为准比例谐振控制器比例环节增益系数，kr为准比例谐振控制器谐振环节增益系数。

41、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述环流抑制控制包括，

42、所述环流抑制控制的控制目标为抑制每相的单相模块化多电平换流器之间的环流，其输出为产生环流的二倍频电压，通过对子模块调制信号进行补偿，实现环流的抑制；

43、所述环流抑制控制在abc坐标系下进行，利用准比例谐振控制器对abc三相的相内环流进行抑制，计算方法如下：

44、

45、其中，gqpr(s)为准pr控制器的传递函数，ω为谐振频率，ωc为截止频率主要影响系统带宽，kp4为准比例谐振控制器比例环节增益系数，kr为准比例谐振控制器谐振环节增益系数，为与第k条输电线连接的潮流调节单相模块化多电平换流器子模块环流补偿电压，为能量平衡模块中第一个单相模块化多电平换流器的环流补偿电压，为能量平衡模块中第二个单相模块化多电平换流器的环流补偿电压，ilkp和ilkn为与第k条输电线相连的潮流调节单相模块化多电平换流器上桥臂电流和下桥臂电流，下标l为l相的参数。

46、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述桥臂电压均衡控制包括桥臂电压直流分量调节以及基频环流注入调节；

47、所述桥臂电压直流分量调节的桥臂电压均衡控制，通过调节上下桥臂直流分量进而控制上下桥臂电容电压均衡，输出为单相模块化多电平换流器上桥臂和下桥臂子模块电压直流分量参考值；

48、所述基频环流注入调节的桥臂电压均衡控制，通过注入与电压相位相同的基频环流实现上下桥臂电压的均衡，其输出为注入的基频环流的参考值。

49、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述桥臂电压直流分量调节包括，

50、桥臂电压均衡控制利用pi控制器对abc三相的单相模块化多电平换流器的桥臂电压直流分量进行控制，计算方法如下：

51、

52、其中，为上桥臂电压直流分量参考值，为下桥臂电压直流分量参考值，为上下桥臂电压均值的参考值，vaverage,lkp和vaverage,klp为上桥臂和下桥臂电压的均值，vlink,l为直流母线电压，下标k为与第k条输电线相连的潮流调节单相模块化多电平换流器的参数，下标l为l相的参数，kp5为比例积分控制器比例环节增益系数，ki5为比例积分控制器积分环节增益系数。

53、作为本发明所述的内嵌潮流控制器的混合变压器控制方法的一种优选方案，其中：所述基频环流注入调节包括，

54、基频环流注入调节的桥臂电压均衡控制，计算方法如下：

55、

56、其中，为与第k条输电线相连的潮流调节单相模块化多电平换流器基频环流注入的参考值，vaverage,lkp和vaverage,lkn为潮流调节单相模块化多电平换流器的上下桥臂电压均值，θk为与第k条输电线相连的潮流调节单相模块化多电平换流器输出电压基频分量的相位，kp6为比例积分控制器比例环节增益系数，ki6为比例积分控制器积分环节增益系数。

57、与现有装置相比，本发明具有如下有益效果：

58、本发明和传统变压器相比。本发明提出的混合变压器适用于中高压输电网的潮流解耦控制和无功补偿。本发明提出的混合变压器对传统变压器进行改造，在传统变压器的绕组上引出两个抽头与多端口单相模块化多电平换流器相连即可实现多条线路的潮流调控和无功补偿。具有易实施、操作简单、端口易拓展、功能全面、成本低、体积小的的特点。

59、本发明和统一潮流控制器相比，统一潮流控制器具备潮流解耦控制、无功补偿等功能，但其在调节n条线路的潮流时需要n+1个变压器和n个电压源换流器，因此统一潮流控制器的总体成本和体积巨大，很难在输电网推广应用。不同于统一潮流控制器，该混合变压器可以直接在交流变电站的变压器抽头上连接多端口单相模块化多电平换流器组成混合变压器，从而实现电压变换、电能传输以及变压器出口侧多条输电线路的潮流解耦控制。无需额外在线路上安装价格极高的统一潮流控制器；在拓展潮流控制端口时，统一潮流控制器需增加三相的换流器和一台工频变压器，端口拓展成本很高，而本发明中的混合变压器，只需增加小容量的单相模块化多电平换流器模块数量，可快速、经济地实现潮流控制端口的拓展。总体来说本发明的混合变压器不仅减小了装置的占地面积，更降低了装置安装运行的成本。