本發(fā)明設(shè)計(jì)統(tǒng)一電能質(zhì)量治理的混合型電力電子變壓器及其控制方法，屬于電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

現(xiàn)代社會(huì)中電能是一種使用最廣泛的能源，其應(yīng)用程度標(biāo)志著一個(gè)國家的發(fā)展水平。隨著我國科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)電能的需求大幅增加，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。電能質(zhì)量對(duì)于電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、工業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量以及維持正常生活秩序均有著重要意義。

目前，電力系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列新的特點(diǎn)：一是大型、超大型電力系統(tǒng)開始出現(xiàn)，如何保證大型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是一個(gè)突出問題；二是可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了普遍關(guān)注，電力系統(tǒng)的電源由傳統(tǒng)的工頻交流形式變成了多種形式并存，如直流電源(光伏發(fā)電)、交流變頻電源(風(fēng)力發(fā)電)等，這些可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，都涉及到一系列的大功率、高效、高質(zhì)量的能量轉(zhuǎn)換和控制問題；三是非線性負(fù)荷增長迅速，造成供電電能質(zhì)量不斷下降，而大量敏感性負(fù)荷用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求約來越高，導(dǎo)致電能質(zhì)量問題日益突出。

在電力系統(tǒng)面對(duì)這些新挑戰(zhàn)的背景下，作為電力系統(tǒng)最基本輸變電裝置的電力變壓器，過于單一的功能使得其越來越難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。而且，常規(guī)電力變壓器還存在如下缺點(diǎn)，包括：體積、重量大，變壓器絕緣油對(duì)環(huán)境存在威脅；空載損耗較高，而負(fù)載時(shí)易導(dǎo)致輸出電壓下降；負(fù)荷側(cè)發(fā)生故障時(shí)，不能隔離故障，從而導(dǎo)致故障擴(kuò)大；帶非線性負(fù)載時(shí)，畸變電流通過變壓器耦合進(jìn)入電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染；電源側(cè)電壓受到干擾時(shí)，又會(huì)傳遞到負(fù)荷側(cè)，導(dǎo)致對(duì)敏感負(fù)荷的影響；需要配套的相關(guān)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；另外，鐵芯飽和時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧波，在投入電網(wǎng)時(shí)還會(huì)造成較大的勵(lì)磁涌流。因此，如何從功能上對(duì)電力變壓器進(jìn)行革新，實(shí)現(xiàn)變壓器技術(shù)的再一次飛躍，使其滿足現(xiàn)代，乃至未來電力系統(tǒng)的各種新要求，是一個(gè)很有價(jià)值的理論課題和實(shí)踐課題，也是廣大研究工作者們面臨的新的挑戰(zhàn)。因此，自20世紀(jì)以來，國內(nèi)外學(xué)者都在積極探索研究新型電力變壓器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)混合型電力電子變壓器的拓?fù)浼捌潢P(guān)鍵控制技術(shù)，在拓?fù)洹㈦娔苜|(zhì)量檢測、電壓穩(wěn)定控制、無功補(bǔ)償控制等幾個(gè)方面做出了研究。本發(fā)明的目的在于提出一種具有統(tǒng)一電能質(zhì)量治理功能的混合型電力電子變壓器及其控制方法，該混合型變壓器既具有電能傳輸、電壓轉(zhuǎn)換等基本功能，又具有電能質(zhì)量檢測及治理的新型功能，該功能在新型拓?fù)涞幕A(chǔ)上，通過pi雙閉環(huán)控制策略以及正序、負(fù)序無功同步控制策略，實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定、諧波過濾以及無功補(bǔ)償從而使電能質(zhì)量得到有效治理，從而克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用基于特定的具有統(tǒng)一電能質(zhì)量治理功能的混合型電力電子變壓器拓?fù)涞碾妷悍€(wěn)定控制和無功補(bǔ)償控制方法。

統(tǒng)一電能質(zhì)量治理的混合型電力電子變壓器及其控制方法，包括適用于中壓交流配電網(wǎng)的多繞組工頻變壓器、適用于三角形連接和星形連接的串并聯(lián)背靠背變流器以及適用于該混合型電力電子變壓器的主回路電能質(zhì)量檢測方法和控制方法；

該工頻變壓器包含三個(gè)繞組，第一繞組連接10kv交流配電網(wǎng)，第二繞組主回路作為400v配網(wǎng)串聯(lián)上變流器輸出側(cè)以后連接普通負(fù)載，第三繞組連接電力電子變流器；

該電力電子變流器為兩電平背靠背結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)ac/dc整流單元、一個(gè)dc/ac逆變單元、兩側(cè)的lc濾波單元、一個(gè)放電/平衡回路單元和一個(gè)直流輸出端口，其中，整流單元和逆變單元均為三相全橋結(jié)構(gòu)，前級(jí)整流單元、放電/平衡回路單元、后級(jí)逆變單元依次相連，直流輸出端口并聯(lián)于放電平衡回路出口兩端；

該混合型電力電子變流器輸出端口通過變壓器與第二繞組負(fù)載端串聯(lián)耦合，整流單元具有無功補(bǔ)償、諧波治理能力，逆變單元具有電壓調(diào)節(jié)能力；

該混合型電力電子變流器包含電能質(zhì)量檢測單元，首先采集網(wǎng)側(cè)三相電壓usa、usb、usc，經(jīng)過dq0正交坐標(biāo)變換得到有功、無功及零序分量，再將有功、無功信號(hào)通過濾波器，得到有功、無功直流分量，將得到的有功、無功、零序分量進(jìn)行正交坐標(biāo)逆變換，得到諧波電壓分量，網(wǎng)側(cè)電壓減去諧波分量即為電壓諧波及畸變分量；

電能質(zhì)量治理的控制方法包括電壓穩(wěn)定控制和無功補(bǔ)償控制相結(jié)合的控制方法，其中電壓穩(wěn)定控制單元采集網(wǎng)側(cè)電壓us和負(fù)載端電壓ul，以u(píng)lref為給定的參考電壓與ul作差，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)后所得值與ulref和us之差相加，并減去增益后的濾波電流，所得信號(hào)經(jīng)過逆變器ki后得到逆變電壓ui，疊加濾波電壓負(fù)反饋uc，進(jìn)入濾波器進(jìn)行濾波，所得濾波電壓經(jīng)由濾波電流負(fù)反饋，最后在n倍增益后輸出調(diào)節(jié)電壓δu；

無功補(bǔ)償控制單元采集電網(wǎng)三相電壓，對(duì)三相電壓進(jìn)行正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換，得到正序有功和無功分量以及負(fù)序有功和無功分量同時(shí)，單元采集電網(wǎng)三相電流，分別進(jìn)行正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換，得到正序無功電流信號(hào)和負(fù)序有功、無功信號(hào)單元逆變側(cè)反饋電流信號(hào)經(jīng)過正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換得到正序和負(fù)序有功、無功電流瞬時(shí)值直流側(cè)電壓瞬時(shí)值udc與參考值udcref作差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器后作為正序有功電流參考值由負(fù)載側(cè)電流經(jīng)過正序d-q坐標(biāo)變換后得到正序無功電流參考值單元采用正序、負(fù)序雙序同步控制，正序無功分量采用以頻率ω旋轉(zhuǎn)的正序變換控制器補(bǔ)償，得到正序電壓控制指令信號(hào)和負(fù)序分量以-ω旋轉(zhuǎn)的負(fù)序變換控制器補(bǔ)償，得到負(fù)序電壓控制指令信號(hào)將負(fù)序電壓指令信號(hào)轉(zhuǎn)換至正序d-q坐標(biāo)系下，得到輸入svpwm模塊的電壓指令信號(hào)和兩個(gè)控制器同時(shí)工作，完成電能質(zhì)量治理控制。

拓?fù)浒缦陆Y(jié)構(gòu)：

a、多繞組變壓器包含三個(gè)繞組，其中第一繞組(1)連接網(wǎng)側(cè)，第二繞組(2)作為主回路串聯(lián)變流器輸出側(cè)變壓器后連接普通負(fù)載，第三繞組(3)與電力電子變流器相連接；

b、主回路首末兩端接入旁路，并在兩端連接旁路開關(guān)；

c、電力電子變流器前級(jí)ac/dc整流單元包含6個(gè)igbt和6個(gè)反向并聯(lián)二極管，每兩個(gè)igbt和反向并聯(lián)二極管首尾串聯(lián)組成一個(gè)橋臂，前級(jí)三相全橋由三個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂的中點(diǎn)與多繞組變壓器的第三繞組(3)連接，前級(jí)三相全橋輸出級(jí)與放電/平衡回路相連接；

d、變流器兩端分別連接一組濾波器，且在變流器始端加入旁路開關(guān)，同時(shí)主回路串聯(lián)變壓器并聯(lián)投切晶閘管；

e、放電/平衡回路單元包含2個(gè)igbt和2個(gè)電容，兩個(gè)igbt首尾串聯(lián)，兩個(gè)電容首尾串聯(lián)，串聯(lián)后的igbt和電容相互并聯(lián)，串聯(lián)igbt中點(diǎn)與串聯(lián)電容中點(diǎn)間連接電阻，且串聯(lián)電容中點(diǎn)接地，放電/平衡回路單元輸出級(jí)與后級(jí)dc/ac逆變單元相連接；

f、直流輸出端口并聯(lián)于放電/平衡回路單元輸出級(jí)兩端，用于接直流負(fù)載和分布式能源；

g、后級(jí)dc/ac逆變單元6個(gè)igbt和6個(gè)反向并聯(lián)二極管，每兩個(gè)igbt和反向并聯(lián)二極管首尾串聯(lián)組成一個(gè)橋臂，后級(jí)三相全橋由三個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂中點(diǎn)引線，作為電力電子變流器的輸出端口；

h、電力電子變流器的輸出端口通過變壓器與第二繞組(2)負(fù)載端相耦合，從而起到電能質(zhì)量治理的作用。

電能質(zhì)量檢測的方法包含如下步驟：

第一步、采集網(wǎng)側(cè)三相電壓usa、usb、usc，經(jīng)過dq0正交坐標(biāo)變換得到有功、無功及零序分量；

第二步、將有功、無功信號(hào)通過濾波器，得到有功、無功直流分量；

第三步、將得到的有功、無功、零序分量進(jìn)行正交坐標(biāo)逆變換，得到諧波電壓分量；

第四步、網(wǎng)側(cè)電壓減去諧波分量即為電壓諧波及畸變分量。

電壓穩(wěn)定控制和無功補(bǔ)償控制相結(jié)合的控制方法包括電壓穩(wěn)定控制和無功補(bǔ)償控制。

電壓穩(wěn)定控制包括：

a、采集網(wǎng)側(cè)電壓us和負(fù)載側(cè)電壓ul，給定值ulref與ul作差，進(jìn)入pi調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)將給定值ulref與us作差；

b、pi調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與給定值ulref和us之差相加，并減去kc倍的濾波電流值，經(jīng)過逆變器增益ki，減去濾波電壓后，信號(hào)進(jìn)入濾波器；

c、信號(hào)經(jīng)濾波器濾波后經(jīng)過負(fù)載端電壓負(fù)反饋，并n倍增益后，輸出注入電網(wǎng)電壓δu。6、根據(jù)權(quán)利4要求所述的統(tǒng)一電能質(zhì)量治理的混合型電力電子變壓器及其控制方法，其特征在于：無功補(bǔ)償控制包括：

a、采集電網(wǎng)三相電壓usa、usb、usc，三相電流isa、isb、isc以及控制單元逆變側(cè)三相電流ica、icb、icc，并將三組電壓、電流分別進(jìn)行正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換，得到正序有功和無功分量以及負(fù)序有功和無功分量正序無功電流信號(hào)和負(fù)序有功、無功信號(hào)正序和負(fù)序有功、無功電流瞬時(shí)值

i、采集控制單元直流側(cè)電壓udc，并與給定值udcref作差后進(jìn)入pi調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出正序有功電流參考值

j、正序無功分量采用以頻率ω旋轉(zhuǎn)的正序變換控制器補(bǔ)償，通過電流解耦，得到正序電壓控制指令信號(hào)和負(fù)序分量以-ω旋轉(zhuǎn)的負(fù)序變換控制器補(bǔ)償，通過電流解耦，得到負(fù)序電壓控制指令信號(hào)

d、將負(fù)序電壓指令信號(hào)轉(zhuǎn)換至正序d-q坐標(biāo)系下，得到輸入svpwm模塊的電壓指令信號(hào)和兩個(gè)控制器同時(shí)工作，完成電能質(zhì)量治理控制。

有益效果：本發(fā)明具有統(tǒng)一電能質(zhì)量治理功能的混合型電力電子變壓器及其控制方法，能夠有效抑制電網(wǎng)不平衡度和諧波污染，防止電壓跌落，同時(shí)具備無功補(bǔ)償功能和穩(wěn)定直流輸出功能，使電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)得到極大改善。

附圖說明

圖1混合型電力電子變壓器拓?fù)?/p>

圖2電能質(zhì)量檢測方法

圖3動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)控制

圖4靜態(tài)無功補(bǔ)償控制

圖中：其中：1-第一繞組；2-第二繞組；3-第三繞組。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明

本發(fā)明涉及的多繞組變壓器及電力電子變流器，其中第三繞組(3)采用包括星形連接和三角形連接的兩種連接方式，電力電子變流器采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和靜態(tài)調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方式，具有統(tǒng)一電能質(zhì)量治理功能的混合型電力電子變壓器及其控制方法具體實(shí)施方法如下：

電能質(zhì)量檢測控制過程如圖2所示，首先采集網(wǎng)側(cè)三相電壓usa、usb、usc，經(jīng)過dq0正交坐標(biāo)變換得到有功、無功及零序分量ud、uq、u0，再將有功、無功信號(hào)通過濾波器，得到有功、無功直流分量將得到的有功、無功、零序分量進(jìn)行正交坐標(biāo)逆變換，得到諧波電壓分量uaf、ubf、ucf，網(wǎng)側(cè)電壓減去諧波分量即為電壓諧波及畸變分量uah、ubh、uch；

電壓穩(wěn)定控制過程如圖3所示，采用pi雙閉環(huán)控制，由所采集的網(wǎng)側(cè)電壓以及負(fù)荷側(cè)電壓，經(jīng)過pi調(diào)節(jié)以及濾波器濾波，最后得到注入網(wǎng)側(cè)的補(bǔ)償輸出電壓δu；

無功補(bǔ)償控制方式如圖4所示。采集電網(wǎng)三相電壓，對(duì)三相電壓進(jìn)行正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換，得到正序有功和無功分量以及負(fù)序有功和無功分量同時(shí)，單元采集電網(wǎng)三相電流，分別進(jìn)行正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換，得到正序無功電流信號(hào)和負(fù)序有功、無功信號(hào)單元逆變側(cè)反饋電流信號(hào)經(jīng)過正序d-q正交坐標(biāo)變換和負(fù)序d-q正交坐標(biāo)變換得到正序和負(fù)序有功、無功電流瞬時(shí)值直流側(cè)電壓瞬時(shí)值udc與參考值udcref作差經(jīng)pi調(diào)節(jié)器后作為正序有功電流參考值由負(fù)載側(cè)電流經(jīng)過正序d-q坐標(biāo)變換后得到正序無功電流參考值單元采用正序、負(fù)序雙序同步控制策略，正序無功分量采用以頻率ω旋轉(zhuǎn)的正序變換控制器補(bǔ)償，得到正序電壓控制指令信號(hào)和負(fù)序分量以-ω旋轉(zhuǎn)的負(fù)序變換控制器補(bǔ)償，得到負(fù)序電壓控制指令信號(hào)將負(fù)序電壓指令信號(hào)轉(zhuǎn)換至正序d-q坐標(biāo)系下，得到輸入svpwm模塊的電壓指令信號(hào)和兩個(gè)控制器同時(shí)工作，完成正序和負(fù)序的無功分量補(bǔ)償。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說；在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。