專利名稱：一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器及其控制方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電力變壓器一直作為變壓和隔離的主要工具而在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用，它制作工藝簡單，可靠性高。但是其缺點(diǎn)十分明顯，體積、重量、空載損耗大，變壓器油對環(huán)境存在威脅；鐵芯飽和時會產(chǎn)生諧波，在投入電網(wǎng)時還會造成較大的勵磁涌流。帶非線性負(fù)荷時， 畸變電流通過變壓器耦合進(jìn)入電網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的諧波污染；電源側(cè)電壓受到干擾時，又會傳遞到負(fù)載側(cè)，產(chǎn)生電壓閃變，甚至導(dǎo)致對敏感負(fù)荷的影響。隨著大功率電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子變壓器PET(Power Electronic Transformer)作為一種新型的電壓變換、能量傳遞電器，正得到了越來越多的關(guān)注，具有廣闊的應(yīng)用前景。它通過電力電子器件和電力電子變流技術(shù)，對電力系統(tǒng)中的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換和控制，以替代配電系統(tǒng)中的傳統(tǒng)電力變壓器。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述背景技術(shù)中提到的傳統(tǒng)的電力變壓器體積大、重量大、變壓器油對環(huán)境存在威脅等不足，本發(fā)明提出了一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器及其控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器，其特征是該電力電子變壓器包括輸入級、隔離級和輸出級；所述輸入級和隔離級連接；隔離級和輸出級連接；所述輸入級為三電平電路變換器；所述隔離級為三電平半橋直直變換器；所述輸出級為二電平電壓型逆變器。一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器的控制方法，其特征是該方法包括以下步驟步驟1 采集輸入級網(wǎng)側(cè)的電壓和電感電流；步驟2 將步驟1的采集量送至輸入級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到直流高壓；步驟3 采集隔離級的濾波電感電流和輸出電容電壓；步驟4 將步驟2的直流高壓和步驟3的采集量輸入到隔離級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到穩(wěn)定低壓；步驟5 采集輸出級的負(fù)載三相電壓；步驟6 將步驟4的穩(wěn)定低壓和步驟5的采集量輸入到輸出級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到負(fù)載側(cè)的恒壓、恒頻的交流電壓。所述輸入級采用電壓電流雙閉環(huán)控制。所述隔離級采用電壓電流閉環(huán)控制。所述輸出級采用電壓電流閉環(huán)控制。
本發(fā)明采用高頻變壓器，體積小、重量輕、無污染；可保證原方電流可控，功率因數(shù)可調(diào)；負(fù)載側(cè)電壓恒定，不隨負(fù)載變化；大功率電力電子器件可瞬時(us級)關(guān)斷故障大電流。其最突出的就是其原邊電流、副邊電壓及功率因數(shù)可控


圖1為本發(fā)明實施例中電力電子變壓器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明實施例中輸入級三電平整流器控制原理圖；圖3為本發(fā)明實施例中隔離級變換器控制原理圖；圖4為本發(fā)明實施例中負(fù)載側(cè)逆變器控制原理圖；圖5為本發(fā)明實施例中電力電子變壓器控制仿真結(jié)果圖；圖a為輸入級網(wǎng)側(cè)的三相相電壓；圖b為輸入級網(wǎng)側(cè)的三相輸入電流；圖c為高壓側(cè)直流電壓；圖d為電力電子變壓器PET從電網(wǎng)吸收的無功功率；圖e為原方高頻方波；圖 f為原方高頻方波經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)換后的波形；圖g為低壓直流側(cè)獲得穩(wěn)定直流電壓；圖h 為負(fù)載側(cè)穩(wěn)定電壓；圖i為負(fù)載三相電流。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的原理和具體的實施方式。針對配電網(wǎng)應(yīng)用的電力電子變壓器PET (Power Electronic Transformer)如圖1 所示。其中，輸入級為三電平電路變換器；隔離級為三電平半橋直直變換器；輸出級為二電平電壓型逆變器。圖2為電力電子變壓器PET的輸入級的控制原理圖。輸入級采用電壓電流雙閉環(huán)控制。 采集電力電子變壓器PET輸入級網(wǎng)側(cè)電壓和三相輸入電流，通過電壓電流雙閉環(huán)控制方法來控制輸入級，以實現(xiàn)高壓側(cè)直流電壓。電壓外環(huán)中，反饋的直流電壓與給定電壓參考值比較后形成偏差，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后作為d軸參考電流(T輸出；q軸電流的電流參考值q*置0，三電平電路變換器作單位功率因數(shù)運(yùn)行；電流內(nèi)環(huán)中，采集的三相輸入電流經(jīng)坐標(biāo)變換形成d軸和q軸分量，分別與(f、q* 比較，經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后，形成調(diào)制波信號，調(diào)制波信號經(jīng)調(diào)制形成三電平電路變換器脈沖信號。圖3為電力電子變壓器PET的隔離級的控制原理圖。隔離級采用電壓電流閉環(huán)控制。采集輸出級電容電壓Vtl，濾波電感電流瞬時值Ilf，采用電壓電流閉環(huán)控制方法得至IJ穩(wěn)定低壓，即低壓側(cè)直流電壓。電壓外環(huán)中，輸出級電容電壓Vtl與參考電壓信號Vc;相比較，所得的偏差信號經(jīng)過控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的電流參考給定值I:。高頻變壓器副邊電感電流瞬時值Ilf與電流給定參考值I1/比較，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后得到隔離級三電平半橋開關(guān)器件的控制信號。
圖4為電力電子變壓器PET的輸出級的控制原理圖。輸出級采用電壓電流閉環(huán)控制。采集負(fù)載三相電壓，采用恒壓、恒頻控制，穩(wěn)定負(fù)載電壓和頻率。采集的三相電壓經(jīng)過d_q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后得到d軸分量Ud和q軸分量Uq,它們分別與各自的參考值Ud*、 Uq*比較，經(jīng)過調(diào)節(jié)器后形成調(diào)制波信號，調(diào)制波信號經(jīng)調(diào)制形成恒壓、恒頻的交流電壓，即二電平電壓型逆變器脈沖信號。圖5為建立的10千伏/380伏電力電子變壓器PET系統(tǒng)模型穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況圖，其中輸入級直流電壓參考值設(shè)定15千伏，隔離級輸出電流電壓參考值設(shè)定為600伏，高頻變壓器變比10 1，負(fù)載三相電壓參考值設(shè)定為380伏。系統(tǒng)向電網(wǎng)注入無功設(shè)定為100千乏，帶有功負(fù)荷40千瓦，頻率50赫茲。電力電子變壓器PET的輸入級中，網(wǎng)側(cè)輸入電壓輸入電流經(jīng)三電平電路變換器， 在直流側(cè)電容上獲得高壓，可靈活調(diào)節(jié)功率因數(shù)。圖5a為輸入級網(wǎng)側(cè)的三相相電壓；圖5b 為輸入級網(wǎng)側(cè)的三相輸入電流，實現(xiàn)輸入電流正弦化；圖5c中高壓側(cè)直流電壓為15千伏， 達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)；圖5d為PET從電網(wǎng)吸收的無功功率-100千乏，即向電網(wǎng)注入100千乏無功，靈活傳輸有功無功。電力電子變壓器PET的隔離級中，隔離級三電平半橋變換器將輸入級直流高壓調(diào)制成原方高頻方波，如圖5e所示。原方高頻方波經(jīng)高頻變壓器轉(zhuǎn)換，如圖5f所示。隔離級直直變換器通過控制，在低壓直流側(cè)獲得穩(wěn)定直流電壓600伏輸出，如圖5g所示。電力電子變壓器PET的輸出級中，直流低壓經(jīng)二電平電壓型逆變器，采用電壓恒定控制，在負(fù)載側(cè)獲得穩(wěn)定電壓。圖5h中負(fù)載三相電壓380伏，達(dá)到預(yù)期控制。圖5i為負(fù)載三相電流。圖5表明該電力電子變壓器PET系統(tǒng)實現(xiàn)了輸入電流正弦，負(fù)載側(cè)恒定電壓、恒定頻率，并且向電網(wǎng)發(fā)出了需要的無功，功率可控，比傳統(tǒng)變壓器具有優(yōu)越性。本發(fā)明的控制方法具體步驟如下步驟1 采集輸入級網(wǎng)側(cè)的電壓和電感電流；步驟2 將步驟1的采集量送至輸入級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到直流高壓；步驟3 采集隔離級的濾波電感電流和輸出電容電壓；步驟4 將步驟2的直流高壓和步驟3的采集量輸入到隔離級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到穩(wěn)定低壓；步驟5 采集輸出級的負(fù)載三相電壓；步驟6 將步驟4的穩(wěn)定低壓和步驟5的采集量輸入到輸出級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到負(fù)載側(cè)的恒壓、恒頻的交流電壓。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器，其特征是該電力電子變壓器包括輸入級、隔離級和輸出級；所述輸入級和隔離級連接；隔離級和輸出級連接； 所述輸入級為三電平電路變換器； 所述隔離級為三電平半橋直直變換器； 所述輸出級為二電平電壓型逆變器。
2.一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器的控制方法，其特征是該方法包括以下步驟 步驟1 采集輸入級網(wǎng)側(cè)的電壓和電感電流；步驟2 將步驟1的采集量送至輸入級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到直流高壓； 步驟3 采集隔離級的濾波電感電流和輸出電容電壓；步驟4 將步驟2的直流高壓和步驟3的采集量輸入到隔離級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到穩(wěn)定低壓； 步驟5 采集輸出級的負(fù)載三相電壓；步驟6 將步驟4的穩(wěn)定低壓和步驟5的采集量輸入到輸出級，經(jīng)調(diào)節(jié)得到負(fù)載側(cè)的恒壓、恒頻的交流電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器的控制方法，其特征是所述輸入級采用電壓電流雙閉環(huán)控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器的控制方法，其特征是所述隔離級采用電壓電流閉環(huán)控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器的控制方法，其特征是所述輸出級采用電壓電流閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了電力電子技術(shù)領(lǐng)域中的一種針對配電網(wǎng)的電力電子變壓器及其控制方法。本發(fā)明包括輸入級、隔離級和輸出級，通過電力電子變壓器PET原方三電平整流電路、隔離級高頻變壓器的電壓變換和能量傳遞，以及穩(wěn)定的直流側(cè)低壓逆變，實現(xiàn)了原方電流正弦，副方負(fù)載電壓恒定。本發(fā)明具有體積小、重量輕、無污染；可保證原方電流可控，功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以從電網(wǎng)傳送有功給負(fù)載，還可以向電網(wǎng)注入無功，給予電網(wǎng)無功支持。
文檔編號H02M7/5387GK102223078SQ20111015269
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者凌晨, 畢大強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)