一种新型工频电力电子变压器及其实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新型工频电力电子变压器及其实现方法，属于电力电子技术应用 于电网的电能传输及电能质量治理领域，设及配电网的负序和无功治理装置，适用于配电 网中的变电所。
【背景技术】
[000引 现有的电力电子变压器（PowerElec化onicTransformer,阳T)是一种含有电力 电子变换器且通过高频变压器实现磁禪合的变电装置，它通过电力电子变换技术和高频变 压器实现电力系统中的电压变换和能量传递，改善供电电能质量。
[0003] 由于现有的电力电子变压器采用五级变换结构，且直接将电力电子设备接入电 网，故其容量低、效率低、可靠性低。在电力系统中，负荷总存在某种程度的不对称，当该种 不对称负荷接入电网时，传统电力电子变压器的低压侧会出现负序电流，且功率因数也偏 低，因而改善电能质量的效果并不理想。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提高电力电子变压器改善电能质量的效果，提出一种新型工频电 力电子变压器及其实现方法。
[0005] 本发明采用如下技术方案；一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，包括=绕 组工频变压器、电压源换流器VSCi、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，所述的S绕 组工频变压器高压侧与高压输电线路相连，所述的=绕组工频变压器高压侧装有测量元件 HT;所述=绕组工频变压器的低压第一绕组与负载相连，所述=绕组工频变压器低压侧上 装有测量元件LT，所述测量元件LT与所述电压源换流器VSC组的交流侧相连；所述电压源 换流器VSCi、所述电压源换流器VSC组的交流端分别与所述S绕组工频变压器的高压侧和 所述S绕组工频变压器的低压第一绕组相连，所述电压源换流器VSCi、所述电压源换流器 VSC组直流侧背靠背连接在一起，所述直流电容器并联在所述电压源换流器VSCi、所述电压 源换流器VSC组的直流侧之间，所述直流电容器的两端装有直流电容电压测量元件DCPT; 所述控制器分别与所述测量元件HT、所述测量元件LT、所述直流电容电压测量元件DCPT、 所述电压源换流器VSCi、所述电压源换流器VSC组相连。
[0006] 更进一步地说，所述控制器包括输入环节、控制环节、人机界面子系统、输出环节， 所述输入环节与所述控制环节相连，所述控制环节与所述输出环节相连，所述输出环节与 所述电压源换流器VSCi、所述电压源换流器VSC组相连接，控制环节与所述人机界面子系统 相连，用于显示和设定运行参数。
[0007] 更进一步地说，所述输入环节包括高压侧信号采集单元、低压第一绕组信号采集 单元、直流电容电压采集单元、输入信号处理单元，所述高压侧信号采集单元与所述测量元 件HT相连，所述低压第一绕组信号采集单元与所述测量元件LT相连，所述直流电容电压采 集单元与所述直流电容电压测量元件DCPT相连，输入环节通过HT、LT将S绕组工频变压 器高压侧的电流、电压w及低压第一绕组的电流、电压实时传输至输入信号处理单元，输入 信号处理单元进行低压侧负序电流和无功电流的实时分解计算，得到低压侧的正序有功电 流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四组电流分量；在不考虑零序有功电流和 零序无功电流分量的条件下，对于上述可能存在的四组电流分量，其中：正序有功电流是不 需要进行补偿的；负序有功电流需要优先补偿到零；负序无功电流和正序无功电流需要尽 量补偿到零。
[0008] 更进一步地说，所述控制环节由VSCi控制模块和VSC组控制模块组成，通过对低 压侧a相、b相、C相有功功率的平衡，W及各自输出无功功率的补偿，计算出产生作用于 VSCi、VSC组的控制信号。
[0009] 更进一步地说，所述输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将 控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动VSCi、VSC组的电 力电子开关器件。
[0010] 更进一步地说，所述电压源换流器VSC组包含单相电压源换流器VSC2、单相电压源 换流器VSC3、单相电压源换流器VSC4,通过调节VSC2、VSC3、VSC4的脉宽调制比m2、m3、m4和相 位角5 2、5 3、5 4,将a相、b相、C相的无功功率补偿到0,并且将a相、b相、C相的有功功 率口。、口6^。分别调节至口'a、P'b、P'。，其中巧'=C'=^(C+巧+巧）.通过调节VSCi 的脉宽调制比叫和相位角51，将=绕组工频变压器高压侧无功功率补偿至零，并保持直流 电容电压恒定。
[0011] 一种新型工频电力电子变压器的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0012] 假设S绕组变压器高压侧的电压是S相对称的，其原边、副边电流电压关系：
【主权项】
1. 一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，包括三绕组工频变压器、电压源换流器 VSC1、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，所述的三绕组工频变压器高压侧与高压输 电线路相连，所述的三绕组工频变压器高压侧装有测量元件HT ;所述三绕组工频变压器的 低压第一绕组与负载相连，所述三绕组工频变压器低压侧上装有测量元件LT，所述测量元 件LT与所述电压源换流器VSC组的交流侧相连；所述电压源换流器VSC 1、所述电压源换流 器VSC组的交流端分别与所述三绕组工频变压器的高压侧和所述三绕组工频变压器的低 压第一绕组相连，所述电压源换流器VSC 1、所述电压源换流器VSC组直流侧背靠背连接在一 起，所述直流电容器并联在所述电压源换流器VSC1、所述电压源换流器VSC组的直流侧之 间，所述直流电容器的两端装有直流电容电压测量元件DCPT ;所述控制器分别与所述测量 元件HT、所述测量元件LT、所述直流电容电压测量元件DCPT、所述电压源换流器VSC1、所述 电压源换流器VSC组相连。
2. 根据权利要求1所述的一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，所述控制器包 括输入环节、控制环节、人机界面子系统、输出环节，所述输入环节与所述控制环节相连，所 述控制环节与所述输出环节相连，所述输出环节与所述电压源换流器VSC 1、所述电压源换 流器VSC组相连接，控制环节与所述人机界面子系统相连。
3. 根据权利要求2所述的一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，所述输入环节 包括高压侧信号采集单元、低压第一绕组信号采集单元、直流电容电压采集单元、输入信号 处理单元，所述高压侧信号采集单元与所述测量元件HT相连，所述低压第一绕组信号采集 单元与所述测量元件LT相连，所述直流电容电压采集单元与所述直流电容电压测量元件 DCPT相连。
4. 根据权利要求3所述的一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，所述控制环节 由VSC1控制模块和VSC组控制模块组成，通过对低压侧a相、b相、c相有功功率的平衡，以 及各自输出无功功率的补偿，计算出产生作用于VSC n VSC组的控制信号。
5. 根据权利要求4所述的一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，所述输出环节 包括PWM生成电路和驱动放大电路，所述PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，所 述驱动放大电路将所述PWM控制脉冲放大后驱动VSC 1、VSC组的电力电子开关器件。
6. 根据权利要求5所述的一种新型工频电力电子变压器，其特征在于，所述电压源换 流器VSC组包含单相电压源换流器VSC2、单相电压源换流器VSC 3、单相电压源换流器VSC4。
7. -种新型工频电力电子变压器的实现方法，其特征在于，包括如下步骤： 假设三绕组变压器高压侧的电压是三相对称的，其原边、副边电流电压关系：
其中，t、％、4、A、％、砍分别为变压器高、低压第一绕组的三相电压，K 为变压器高压侧与低压第一绕组的变比，由（1)式可知，变压器低压第一绕组三相电压也 是对称的；以a相电压为基准，即A=RZO，则A=MZ-120=，C =L/,.Z120，根据 对称分量法，可得到变压器低压侧正序、负序电流为：
其中
假设三绕组变压器低压侧a相、b 相、C相负载分别为Pa+jQa、Pb+jQb、PjjQ。，则可以得到a相、b相、C相的电流分别为：
由公式（7)和（8)可以看出理想状态下变压器高压侧的负序电流与低压侧负载的关 系：若要将低压第一绕组负序电流补偿至〇,即要求变压器a、b、c三相负载的无功和有功均 相同；进一步将低压第一绕组的正序电流和负序电流分解为变压器低压侧的正序、负序电 流可以分别分解为有功分量和无功分量，两者均相互垂直，如下： 其中，
由公式（9)、（10)和（11)可以看出，针对三绕组变压器，其低压第一绕组电流可以分解 为以下几个分量：正序有功电流I1P，正序无功电流Iiq，负序有功电流I2p，以及负序无功电 流I 2Q;显然I ">无需补偿，因此对补偿负序电流而言，需要首先补偿负序有功电流12P为零； 对12(3进行补偿，其目的是补偿负序电流，兼顾提高功率因数；在完成负序补偿的基础上对 11(3进行补偿，其目的是提高功率因数。
【专利摘要】本发明公开了一种新型工频电力电子变压器及其实现方法，属于电力电子技术应用于电网的电能传输及电能质量治理领域。本发明包括三绕组工频变压器、电压源换流器VSC1、电压源换流器VSC组、直流电容器、控制器，通过实时的采集三绕组工频变压器高压侧的电流、电压以及低压第一绕组的电流、电压，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量和低压侧电流分量状态，制定相应更直接、精细、有选择的补偿方案，通过分别调整变压器高压侧VSC1和低压第一绕组VSC组的交流输出，从而补偿电网的无功功率和调配有功功率，达到有效地降低低压侧负序电流和提高低压侧功率因数的目的。本发明具有容量大、成本低、可靠性高、兼容性好的优点。
【IPC分类】H02M5-10, H02J3-00, H02J3-18
【公开号】CN104753359
【申请号】CN201510001934
【发明人】陈谦, 齐贝贝, 孙萌, 鞠平, 金宇清, 余方召, 唐莹莹
【申请人】河海大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年1月4日