一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，包括以下步驟：利用變壓器三相中任意兩相需輸出的零序電壓作用下的有功功率差值和三相中第三相需輸出的零序電壓作用下的有功功率計(jì)算零序電壓d軸分量和q軸分量；根據(jù)零序電壓d軸分量，零序電壓q軸分量，以及電網(wǎng)角頻率計(jì)算零序電壓；將變壓器高壓級(jí)輸出的三相調(diào)制波分別與零序電壓進(jìn)行疊加生成新的三相調(diào)制波；根據(jù)新的三相調(diào)制波生成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖以控制變壓器的高壓級(jí)，實(shí)現(xiàn)相間功率均衡控制。該方法能夠在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，對(duì)PET三相傳輸功率進(jìn)行均衡校正，保證了在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，PET相間功率均衡以及高壓級(jí)直流電壓的平衡。
【專利說明】
-種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，屬于電力電子裝置控制 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力電子變壓器(Power Electronic Transformer,PET)不僅可W實(shí)現(xiàn)電壓變換、 電氣隔離和能量的雙向流動(dòng)等傳統(tǒng)變壓器的功能，而且具有體積小、重量輕、輸出電壓幅值 恒定，可進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，隨著大功率半導(dǎo)體器件與磁性材料的迅速發(fā)展，已成為智能 電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵設(shè)備。
[0003] 電力電子變壓器主回路拓?fù)淙鐖D1所示，由高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)組成。高壓級(jí) 為Η橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，高壓級(jí)中的每相均由若干個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的接 入，且并網(wǎng)電壓和電流諧波?。桓綦x級(jí)由Ν個(gè)雙向全橋DC/DC變換器(Dual Active Bridge, DAB)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)和電氣隔離，并提供低壓直流母線，可接入直流負(fù)載;低壓 級(jí)用Ξ相四橋臂逆變器作為電壓源，W滿足單相和Ξ相交流負(fù)載的接入。其中Usa、Usb、Usc為 電網(wǎng)電壓。
[0004] 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，假設(shè)PET高壓級(jí)輸出電壓包含正序電壓和負(fù)序電壓，電流中僅 含正序電流，如式(1)和(2)所示：
[0005] ( 1 )
[0006] (2)
[0007]式中：Vp為正序電壓幅值，Vn為負(fù)序電壓幅值，ω為電網(wǎng)角頻率，Ip為正序電流幅 值;W正序電壓相位為基準(zhǔn)相位，9、α分別為負(fù)序電壓和正序電流的初始相位。
[000引根據(jù)PET的電壓和電流，可得一個(gè)工頻周期內(nèi)Ξ相平均有功功率如式(3)所示：
[0009]
(3)
[0010] 從上式可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)，ΡΕΤΞ相傳輸?shù)挠泄β视蓛刹糠纸M成，一部 分為正序電壓與正序電流作用下的有功功率，一部分為負(fù)序電壓與正序電流作用下的有功 功率。正序電壓與正序電流作用下的有功功率在Ξ相相同；負(fù)序電壓與正序電流作用下的 有功功率在Ξ相不同，但其Ξ相之和為零。因此，負(fù)序電壓與正序電流作用下的有功功率雖 不改變PET傳輸?shù)目傆泄β?，但其改變了有功功率在ΡΕΤΞ相之間的分配，導(dǎo)致了 ΡΕΤΞ相 傳輸功率的不均衡。
[0011] 所W，電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致ΡΕΤΞ相傳輸功率的不均衡和高壓級(jí)直 流母線電壓的不平衡。針對(duì)該問題，目前的方法為:PET向電網(wǎng)注入負(fù)序電流，通過負(fù)序電流 調(diào)整有功功率在ΡΕΤΞ相間的分配，達(dá)到Ξ相有功功率均衡的目的。采用該方法時(shí)，PET輸出 的Ξ相電流不對(duì)稱，對(duì)電網(wǎng)造成污染，且增加了 PET的電流應(yīng)力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，用W解決電網(wǎng) 電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，ΡΕΤΞ相傳輸功率不均衡的問題。
[0013] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方 法，包括W下步驟：
[0014] (1)、利用變壓器高壓級(jí)Ξ相中任意兩相零序電壓作用下有功功率差值和Ξ相中 第Ξ相零序電壓作用下有功功率計(jì)算零序電壓d軸分量和零序電壓q軸分量；
[0015] (2)、根據(jù)所述零序電壓d軸分量，零序電壓q軸分量，W及電網(wǎng)角頻率計(jì)算零序電 壓；
[0016] (3)、將變壓器高壓級(jí)輸出的Ξ相調(diào)制波分別與所述零序電壓進(jìn)行疊加 W生成新 的二相調(diào)制波；
[0017] (4)、根據(jù)所述新的Ξ相調(diào)制波生成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖W控制變壓器的高壓級(jí)，實(shí)現(xiàn) 相間功率均衡控制。
[0018] 所述變壓器高壓級(jí)Ξ相中任意兩相零序電壓作用下有功功率差值的計(jì)算手段為： 將變壓器高壓級(jí)Ξ相中任意兩相的直流電壓平均值做差，利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，得 到所述任意兩相需輸出的零序電壓作用下的有功功率差值；
[0019] 所述Ξ相中第Ξ相零序電壓作用下有功功率的計(jì)算手段為:將該Ξ相中第Ξ相的 直流電壓平均值與所有子模塊直流電壓平均值做差，差值利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，得 到所述第Ξ相需輸出的零序電壓作用下的有功功率。
[0020] 所述Ξ相中任意兩相為B相和C相，所述第Ξ相為A相。
[0021 ] 所述零序電壓的計(jì)算公式為:vo = V〇dcos( ω t)-V〇qsin( ω t)，式中：Vod為零序電壓 d軸分量，Voq為零序電壓q軸分量，ω t為電網(wǎng)正序電壓相位。
[0022] 所述零序電壓d軸分量的計(jì)算公式為零序電壓q軸
7 分量的計(jì)算公式3
[0023] 其中，poa為A相需輸出的零序電壓作用下的有功功率，pob-poc為B相與C相需輸出的 零序電壓作用下的有功功率的差值，Ipd為正序電流的d軸分量，Ipq為正序電流的q軸分量。
[0024] 根據(jù)所述新的Ξ相調(diào)制波采用載波移向調(diào)制得到所述觸發(fā)脈沖。
[0025] 首先，本發(fā)明提供了一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，根據(jù)該方法能 夠在電網(wǎng)電壓發(fā)生不平衡故障時(shí)，對(duì)ΡΕΤΞ相傳輸功率進(jìn)行均衡校正，保證了在電網(wǎng)電壓發(fā) 生不平衡故障時(shí)，PET相間功率均衡W及PET高壓級(jí)直流母線電壓的平衡。
[0026] 而且，由于采用基于負(fù)序電流注入法的相間功率均衡方法會(huì)出現(xiàn)PET輸出的Ξ相 電流不對(duì)稱，對(duì)電網(wǎng)造成污染，W及增加了PET的電流應(yīng)力的問題，所W本發(fā)明提供的基于 零序電壓的均衡控制方法具有W下優(yōu)勢:本發(fā)明的相間功率均衡方法通過閉環(huán)控制得到零 序電壓，解決了電網(wǎng)不平衡故障下PET相間功率不均衡的問題，具有實(shí)現(xiàn)簡單，而且在控制 時(shí):ΡΕΤΞ相電流對(duì)稱，不會(huì)造成電網(wǎng)污染，W及降低了電流應(yīng)力。
【附圖說明】
[0027] 圖1是電力電子變壓器的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2是電力電子變壓器相間功率均衡控制方法的控制原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 本發(fā)明提供的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法包括W下步驟：
[0030] (1)、利用Ξ相中任意兩相零序電壓作用下有功功率的差值和Ξ相中第Ξ相零序 電壓作用下有功功率計(jì)算零序電壓d軸分量和零序電壓q軸分量；
[0031] (2)、根據(jù)零序電壓d軸分量，零序電壓q軸分量，W及電網(wǎng)角頻率計(jì)算零序電壓；
[0032] (3)、將變壓器輸出的Ξ相調(diào)制波分別與零序電壓進(jìn)行疊加 W生成新的Ξ相調(diào)制 波；
[0033] (4)、根據(jù)新的Ξ相調(diào)制波控制生成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖W控制變壓器，W實(shí)現(xiàn)相間功 率均衡控制。
[0034] 針對(duì)該控制方法中的各個(gè)步驟，并結(jié)合圖2,對(duì)該控制方法進(jìn)行具體說明：
[0035] 假設(shè)PET高壓級(jí)輸出的零序電壓為：
[0036] vo = Vocos( ω t+β) (4)
[0037] 式中:Vo為零序電壓幅值，β為零序電壓的初始相位。
[0038] PET輸出零序電壓后，一個(gè)工頻周期內(nèi)Ξ相平均有功功率為：
[0039]
[0040] 電網(wǎng)電壓不平衡期間，假設(shè)輸入至ΡΕΤΞ相的有功功率相同，利用公式表示為：
[0041] pa = pb = Pc (6)
[0042] 根據(jù)式(5)和式(6)可得：
[0043] Vncos (目+α )+V〇cos (β-α) = Vncos (目+α+化/3 )+Vocos (β-α+化/3) (7)
[0044] Vncos (目+α )+Vocos (β-α) = Vncos (目+α-化/3 )+Vocos (β-α-化/3) (8)
[0045] 將式(7)和式(8)相加后化簡可得：
[0046] VnC〇s(0+a)+Vocos(0-a)=〇 (9)
[0047] 將式(7)和式(8)相減后化簡可得：
[004引 Vnsin(目+a)+V0sin(0-a)=0 (10)
[0049] 根據(jù)式(9)和式(10)能夠得出，零序電壓和負(fù)序電壓在幅值上滿足W下等式：
[0050] Vn=Vo (11)
[0051]在初始相位上滿足：
[0化2] β = θ+化-JI (12)
[0053] 因此，當(dāng)PET輸出的零序電壓矢量與負(fù)序電壓矢量幅值相等，在初始相位上滿足式 (12)時(shí)，零序電壓與正序電流作用下的有功功率就可完全抵消負(fù)序電壓與正序電流作用下 的有功功率，實(shí)現(xiàn)ΡΕΤΞ相有功功率的均衡。
[0054] 在零序電壓與PET正序電流的作用下，一個(gè)工頻周期內(nèi)PET高壓級(jí)Ξ條換流鏈的平 均功率為：
[0055]
(13)
[0056] 由于p〇a+p〇b+p〇c = 0，因此零序電壓僅改變了有功功率在WTS相之間的分配，而不 會(huì)對(duì)輸入PET的總有功功率造成影響。
[0057] 令V〇d = Vocos0，V〇q = Vosi址，結(jié)合式(4)，注入的零序電壓為
[005引 vo = V0dcos( ω t)-V0qsin( ω t) (14)
[0059] 其中，Qt為電網(wǎng)正序電壓相位，利用雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的不平衡鎖相環(huán)得到。
[0060] 將PET高壓級(jí)的；相電流變換至dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，能夠得到Ipd與Ipq，其中：
[0061 ]
(15)
[0062] 其中，Ipd為正序電流的d軸分量，Ipq為正序電流的q軸分量。
[0063] 結(jié)合式(13)~（15)可得
[0069]其中，i=a，b，c，C為陽T高壓級(jí)單相的等效電容，Udci(t)為t時(shí)刻各相直流電壓平 均值，Udci(to)為to時(shí)刻各相直流電壓平均值，Ppi為正序電壓作用下的有功功率，Pn功負(fù)序 電壓作用下的有功功率，P01為零序電壓作用下的有功功率。各相直流電壓的大小直接反應(yīng) 了輸入其有功功率的大小，由于變壓器在正序電壓作用下的Ξ相有功功率相等，零序電壓 作用下的有功功率用于校正負(fù)序電壓作用下的有功功率所引起的相間功率不均衡，因此對(duì) 直流電壓平均值進(jìn)行閉環(huán)控制可得到需輸出的零序電壓作用下的有功功率。
[0070] 各相子模塊直流電壓平均值為
[0071] '
, (1句)
[0072] 其中Udcbi為A相各個(gè)子模塊的直流電壓，Udcbi為B相各個(gè)子模塊的直流電壓，Udcci為 C相各個(gè)子模塊的直流電壓。
[0073] 所有子模塊直流電壓的平均值為
[0074]
(20)
[00對(duì)立相子模塊直流母線電壓存在100化的波動(dòng)，因此對(duì)其平均值Udca、Udcb、Udcc進(jìn)行了 濾波，低通濾波器的截止頻率為15化。陽T所有子模塊的直流電壓平均值不存在波動(dòng)，不需 要濾波處理。
[0076] 所W，該控制方法為:首先將變壓器高壓級(jí)Ξ相中B相與C相的直流電壓平均值做 差，利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，得到運(yùn)兩相需輸出的零序電壓作用下的有功功率差值pob- P0。;將A相的直流電壓平均值與所有子模塊直流電壓平均值的差值，利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán) 控制，得到A相需輸出的零序電壓作用下的有功功率poa;然后通過上述計(jì)算公式(17)得出零 序電壓d軸分量和零序電壓q軸分量，然后通過計(jì)算公式（14)得出零序電壓矢量。而且，如圖 2所示，113、^、11。為變壓器高壓級(jí)電流控制輸出的立相調(diào)制波，將計(jì)算得到的零序電壓矢量 分別疊加到Ua、Ub、Uc中，即將陽T高壓級(jí)電流控制輸出的調(diào)制波Ua、Ub、Uc均與零序電壓相加， 對(duì)應(yīng)得到加入零序電壓后的高壓級(jí)Ξ相調(diào)制波Ua*、Ub*、Ι?Λ其中，Ua* = Ua+VO，Ub* = Ub+VO，Uc* = Uc+v日。最后，采用載波移向調(diào)制（CPS-SPmO得到PET高壓級(jí)模塊的P歷觸發(fā)脈沖，根據(jù)該 PWM觸發(fā)脈沖控制PET高壓級(jí)中對(duì)應(yīng)子模塊的導(dǎo)通，W實(shí)現(xiàn)相間功率均衡控制。
[0077] W上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對(duì) 實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 、利用變壓器高壓級(jí)三相中任意兩相零序電壓作用下有功功率差值和三相中第三 相零序電壓作用下有功功率計(jì)算零序電壓d軸分量和零序電壓q軸分量； (2) 、根據(jù)所述零序電壓d軸分量，零序電壓q軸分量，以及電網(wǎng)角頻率計(jì)算零序電壓； (3) 、將變壓器高壓級(jí)輸出的三相調(diào)制波分別與所述零序電壓進(jìn)行疊加以生成新的三 相調(diào)制波； (4) 、根據(jù)所述新的三相調(diào)制波生成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖以控制變壓器的高壓級(jí)，實(shí)現(xiàn)相間 功率均衡控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于， 所述變壓器高壓級(jí)三相中任意兩相零序電壓作用下有功功率差值的計(jì)算手段為:將變 壓器高壓級(jí)三相中任意兩相的直流電壓平均值做差，利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，得到所 述任意兩相需輸出的零序電壓作用下的有功功率差值； 所述三相中第三相零序電壓作用下有功功率的計(jì)算手段為:將該三相中第三相的直流 電壓平均值與所有子模塊直流電壓平均值做差，差值利用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制，得到所 述第三相需輸出的零序電壓作用下的有功功率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于，所述三 相中任意兩相為B相和C相，所述第三相為A相。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于，所述零 序電壓的計(jì)算公式為:v〇 = V〇dcos( ω t)-V〇q sin( ω t)，式中：V()d為零序電壓d軸分量，V〇q為 零序電壓q軸分量，wt為電網(wǎng)正序電壓相位。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于， 所述零序電壓d軸分量的計(jì)算公式為P序電壓q軸分量 的計(jì)算公式^其中，p〇aSA相需輸出的零序電壓作用下的有功功率，pQb-pQ。為B相與C相需輸出的零序 電壓作用下的有功功率的差值，Ipd為正序電流的d軸分量，ΙΜ為正序電流的q軸分量。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力電子變壓器相間功率均衡控制方法，其特征在于，根據(jù)所 述新的三相調(diào)制波采用載波移向調(diào)制得到所述觸發(fā)脈沖。
【文檔編號(hào)】H02J3/26GK105870944SQ201610193174
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】胡博, 劉君, 馮宇鵬, 吳金龍, 王先為, ?；i, 劉欣和, 姚為正
【申請(qǐng)人】國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司鞍山供電公司, 國網(wǎng)北京市電力公司, 國家電網(wǎng)公司, 許繼集團(tuán)有限公司, 西安許繼電力電子技術(shù)有限公司, 許繼電氣股份有限公司