電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置及其控制方法
2023-05-16 20:00:41
專利名稱：電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及柔性輸電技術領域，特別是一種基於電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置及其控制方法。
背景技術：
隨著大型電力系統的互聯、風電等間歇性新能源的接入以及各種新設備的使用，使得電網運行在穩定極限邊緣的可能性大為增加。因此，電網運行的靈活性、潮流可控性以及電網穩定性顯得日益重要，同時也是智能電網所追求的目標。而在一個結構日益複雜的電網中，能夠同時控制線路的電壓和電流將成為問題的關鍵。為了控制線路的電壓和電流，常規的做法是通過離線的最優潮流計算和狀態估計來調整發電機的勵磁，變壓器分接頭和無功補償裝置，來滿足電壓和電流的雙重約束。但在·一個複雜的網絡裡，這是一個非常具有挑戰性的問題，以至於在實踐中沒有任何控制器可以實時控制一個複雜網絡。有一些新的方法可以同時控制線路的節點電壓的幅值和相位，通過對節點電壓相位與幅值的控制實現對有功功率與無功功率的控制。能夠提供這樣功能的裝置有FACTS設備，比如統一潮流控制器(united power flow control, UPFC)和靜止同步串聯補償器(static synchronous series compensator, SSSC)。無功補償裝置如 SVC 和 STATC0M 能夠通過無功支持控制節點電壓幅值。儘管FACTS裝置已經進入成形期，但是上述裝置的經濟性仍有待檢驗。移相器能夠提供有功潮流控制，但是不能控制電壓，並且這種控制是遲緩的。固態變壓器，又稱為電力電子變壓器，能夠控制電壓的幅值和相角，但是需要使用大量的大功率電力電子開關器件，並且研發仍停留在理論研究階段。針對以上問題，有人提出了低成本的可控網絡變壓器(controllable network transformer, CNT),其所需電力電子開關容量只是變壓器容量的一小部分。它能夠控制輸出電壓的幅值和相角，但是對電壓相角的控制範圍比較小並且電壓幅值和相角控制不能實現解耦，另外為了消除該方法所產生的低頻諧波，需要增加較大的成本。但是，目前的FACTS技術也存在很大的局限性FACTS裝置工程造價高，推廣應用困難；FACTS裝置和電力設備及其他控制器之間存在不良作用；FACTS裝置自身的損耗大；FACTS裝置的複雜控制結構以及對通信設施等相應附屬設備的要求，對電網的運行和控制提出了更為嚴格的要求；裝置故障所帶來的額外問題；串聯接入引起的系統穩定性問題等等使其在電網中的應用受到很大的限制。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置及其控制方法，該裝置基於全控型電力電子開關的可控三相變壓器，實現可控變壓器輸出電壓幅值與相角的獨立控制，具有低成本、高可靠性特點。本發明的技術解決方案如下
一種電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置，其特徵在於該裝置包括可控三相變壓器、第一功率單元、第二功率單元、測量與控制模塊、串聯繞組單元、輸入電壓互感器和輸出電壓互感器構成所述的可控三相變壓器副邊包含主接頭、正分接頭、負分接頭，以及每相各自輸出2組變比為N的獨立繞組，其中0〈N〈0. 2 ；每相的串聯繞組單元由可控三相變壓器的另外兩相、且電壓極性相反的各I組獨立繞組串接而成；所述的第一功率單元由第一開關功率管、第二開關功率管、第一濾波電感第一濾波電容和第二濾波電容組成；所述的第二功率單元由第三開關功率管、第三開關功率管、第二濾波電感第三濾波電容和第四濾波電容組成；
所述的第一開關功率管、第二開關功率管、第三開關功率管和第四開關功率管均由2個絕緣柵雙極型電晶體反向串聯構成；所述的第一開關功率管的一端接所述的可控三相變壓器副邊的正分接頭，所述的第二開關功率管的一端接負分接頭，該第一組開關功率管的另一端和第二組開關功率管的另一端相連且該連接點與所述的第一濾波電感的一端相連，該第一濾波電感的另一端分別與所述的串聯繞組單元的一端、第四開關功率管的一端、第二濾波電容的一端相連，第二濾波電容的另一端與所述的可控三相變壓器的副邊主接頭相連，所述的串聯繞組單元的另一端與第三開關功率管的一端相連，所述的第三開關功率管另一端和第四開關功率管另一端相連且該連接點與所述的第二濾波電感的一端相連，該第二濾波電感的另一端連接輸出電源或負載，所述的第一濾波電容接在所述的可控三相變壓器副邊的正分接頭和負分接頭之間，所述的第三濾波電容跨接在第三開關功率管與第四開關功率管不相連的兩端之間，所述的第四濾波電容的一端與串聯繞組單元中2個串接繞組的連接點相連，第四濾波電容的另一端連接輸出電源或負載端，所述的輸入電壓互感器的一側與可控三相變壓器原邊輸入電壓主電路相連，電壓信號輸出端與所述的測量與控制模塊的電壓信號輸入埠相連；所述的輸出電壓互感器，一側與可控三相變壓器副邊輸出電壓主電路相連，電壓信號輸出端與所述的測量與控制模塊的電壓信號輸入埠相連；所述的測量與控制模塊的控制信號輸出端分別與所述的第一開關功率管第二開關功率管、第三開關功率管和第四開關功率管的控制端相連，該測量與控制模塊與上位機相連。所述的測量與控制模塊是數位訊號處理器、單片機或計算機。利用所述的電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置進行輸出電壓幅值與相角控制的方法，其特徵在於，該方法包括下列具體步驟I)設可控三相變壓器正負分接頭變比分別為(1+N)和(1-N),可控三相變壓器三相輸入電壓分別為Vain = sin (ω0 )Vbin = sin (ω0 +120° )(1)
Vcin = sin (ω0 -120。)其中，Vain為A相輸入電壓、Vbin為B相輸入電壓、Vcin為C相輸入電壓；2)通過脈寬調製對第一開關功率管、第二開關功率管、第三開關功率管和第四開關功率管的佔空比進行調節設第一開關功率管和第二開關功率管的佔空比為D1，設第三開關功率管和第四開關功率管的佔空比為D2，其中，O彡D1彡1，0彡D2彡I ;當D1=I時，S1導通，S2關斷，當D1=O時，S2導通，S1關斷；當D2=I時，S3導通，S4關斷，當D2=O時，S4導通，S3關斷；3)計算A相輸出電壓，公式如下Vaout = Vain[(HN)D1+(I-N) (I-D1)](2)+(NVbin-NVcin)D24)將步驟I)中Vain，Vbin, Vcin代入公式(2)得到
權利要求
1.一種電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置，其特徵在於該裝置包括可控三相變壓器(I)、第一功率單元(2)、第二功率單元(8)、測量與控制模塊(3)、串聯繞組單元(4)、輸入電壓互感器(5)和輸出電壓互感器(6)構成 所述的可控三相變壓器(I)的副邊包含主接頭(12)、正分接頭(13)、負分接頭(11)，以及每相各自輸出2組變比為N的獨立繞組，其中0〈N〈0. 2 ； 每相的串聯繞組單元(4)由可控三相變壓器(I)的另外兩相、且電壓極性相反的各I組獨立繞組串接而成； 所述的第一功率單元(2)由第一開關功率管(S1X第二開關功率管(S2)、第一濾波電感(Lfl)第一濾波電容(Cfl)和第二濾波電容(Cf2)組成； 所述的第二功率單元(8)由第三開關功率管(S3)、第三開關功率管(S4)、第二濾波電感(Lf2)第三濾波電容(Cf3)和第四濾波電容(Cf4)組成； 所述的第一開關功率管(Si)、第二開關功率管(S2)、第三開關功率管(S3)和第四開關功率管(S4)均由2個絕緣柵雙極型電晶體反向串聯構成； 所述的第一開關功率管(S1)的一端接所述的可控三相變壓器(I)副邊的正分接頭(13)，所述的第二開關功率管(S2)的一端接負分接頭(11)，該第一組開關功率管(S1)的另一端和第二組開關功率管(S2)的另一端相連且該連接點與所述的第一濾波電感(Lfl)的一端相連，該第一濾波電感(Lfl)的另一端分別與所述的串聯繞組單元(4)的一端、第四開關功率管(S4)的一端、第二濾波電容(Cf2)的一端相連,第二濾波電容(Cf2)的另一端與所述的可控三相變壓器(I)的副邊主接頭(12)相連，所述的串聯繞組單元(4)的另一端與第三開關功率管(S3)的一端相連，所述的第三開關功率管(S3)另一端和第四開關功率管(S4)另一端相連且該連接點與所述的第二濾波電感(Lf2)的一端相連，該第二濾波電感(Lf2)的另一端連接輸出電源或負載， 所述的第一濾波電容(Cfl)接在所述的可控三相變壓器(I)副邊的正分接頭(13)和負分接頭(11)之間，所述的第三濾波電容(Cf3)跨接在第三開關功率管(S3)與第四開關功率管(S4)不相連的兩端之間，所述的第四濾波電容(Cf4)的一端與串聯繞組單元(4)中2個串接繞組的連接點相連，第四濾波電容(Cf4)的另一端連接輸出電源或負載端， 所述的輸入電壓互感器(5)的一側與可控三相變壓器原邊輸入電壓主電路相連，電壓信號輸出端與所述的測量與控制模塊(3)的電壓信號輸入埠相連； 所述的輸出電壓互感器(6)，一側與可控三相變壓器副邊輸出電壓主電路相連，電壓信號輸出端與所述的測量與控制模塊(3)的電壓信號輸入埠相連； 所述的測量與控制模塊(3)的控制信號輸出端分別與所述的第一開關功率管(S1)第二開關功率管(S2)、第三開關功率管(S3)和第四開關功率管(S4)的控制端相連，該測量與控制模塊(3)與上位機相連。
2.根據權利要求I所述的電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置，其特徵在於所述的測量與控制模塊(3)是數位訊號處理器、單片機或計算機。
3.利用權利要求I所述的電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置進行輸出電壓幅值與相角控制的方法，其特徵在於，該方法包括下列具體步驟 I)設可控三相變壓器正負分接頭變比分別為(1+N)和(1-N)，可控三相變壓器三相輸入電壓分別為
全文摘要
一種電壓幅值與相角獨立控制的可控變壓器裝置及其控制方法，由可控三相變壓器、功率單元、測量與控制模塊、串聯繞組單元、輸入電壓互感器構成，可控三相變壓器的副邊包含主接頭、正分接頭、負分接頭，以及每相各自輸出2組變比為N的獨立繞組，每相的串聯繞組單元由可控三相變壓器的另外兩相、且電壓極性相反的各1組獨立繞組串接而成。本發明實現可控變壓器輸出電壓的幅值和相角的獨立控制，提高電力系統潮流的動態調節能力、輸電能力，改善系統的穩定性和可靠性，具有成本低、電壓幅值與相角獨立控制、可靠性高的特點。
文檔編號H02P13/00GK102801381SQ201210289700
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月15日 優先權日2012年8月15日
發明者李國傑, 許聰, 江秀臣, 盛戈皞 申請人:上海交通大學