电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置及其控制方法

摘要

一种电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置及其控制方法，由可控三相变压器、功率单元、测量与控制模块、串联绕组单元、输入电压互感器构成，可控三相变压器的副边包含主接头、正分接头、负分接头，以及每相各自输出2组变比为N的独立绕组，每相的串联绕组单元由可控三相变压器的另外两相、且电压极性相反的各1组独立绕组串接而成。本发明实现可控变压器输出电压的幅值和相角的独立控制，提高电力系统潮流的动态调节能力、输电能力，改善系统的稳定性和可靠性，具有成本低、电压幅值与相角独立控制、可靠性高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性输电技术领域，特别是一种基于电压幅值与相角独立控制的可控变压器 装置及其控制方法。

背景技术

随着大型电力系统的互联、风电等间歇性新能源的接入以及各种新设备的使用，使得电 网运行在稳定极限边缘的可能性大为增加。因此，电网运行的灵活性、潮流可控性以及电网 稳定性显得日益重要，同时也是智能电网所追求的目标。而在一个结构日益复杂的电网中， 能够同时控制线路的电压和电流将成为问题的关键。

为了控制线路的电压和电流，常规的做法是通过离线的最优潮流计算和状态估计来调整 发电机的励磁，变压器分接头和无功补偿装置，来满足电压和电流的双重约束。但在一个复 杂的网络里，这是一个非常具有挑战性的问题，以至于在实践中没有任何控制器可以实时控 制一个复杂网络。

有一些新的方法可以同时控制线路的节点电压的幅值和相位，通过对节点电压相位与幅 值的控制实现对有功功率与无功功率的控制。能够提供这样功能的装置有FACTS设备，比如 统一潮流控制器（united power flow control,UPFC）和静止同步串联补偿器（static synchronous  series compensator,SSSC）。无功补偿装置如SVC和STATCOM能够通过无功支持控制节点 电压幅值。尽管FACTS装置已经进入成形期，但是上述装置的经济性仍有待检验。移相器能 够提供有功潮流控制，但是不能控制电压，并且这种控制是迟缓的。固态变压器，又称为电 力电子变压器，能够控制电压的幅值和相角，但是需要使用大量的大功率电力电子开关器件， 并且研发仍停留在理论研究阶段。针对以上问题，有人提出了低成本的可控网络变压器 （controllable network transformer,CNT），其所需电力电子开关容量只是变压器容量的一小 部分。它能够控制输出电压的幅值和相角，但是对电压相角的控制范围比较小并且电压幅值 和相角控制不能实现解耦，另外为了消除该方法所产生的低频谐波，需要增加较大的成本。

但是，目前的FACTS技术也存在很大的局限性:FACTS装置工程造价高，推广应用困难； FACTS装置和电力设备及其他控制器之间存在不良作用；FACTS装置自身的损耗大；FACTS 装置的复杂控制结构以及对通信设施等相应附属设备的要求，对电网的运行和控制提出了更 为严格的要求；装置故障所带来的额外问题；串联接入引起的系统稳定性问题等等使其在电 网中的应用受到很大的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置及 其控制方法，该装置基于全控型电力电子开关的可控三相变压器，实现可控变压器输出电压 幅值与相角的独立控制，具有低成本、高可靠性特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置，其特征在于该装置包括：可控三相变 压器、第一功率单元、第二功率单元、测量与控制模块、串联绕组单元、输入电压互感器和 输出电压互感器构成：

所述的可控三相变压器副边包含主接头、正分接头、负分接头，以及每相各自输出2组 变比为N的独立绕组，其中0<N<0.2；

每相的串联绕组单元由可控三相变压器的另外两相、且电压极性相反的各1组独立绕组 串接而成；

所述的第一功率单元由第一开关功率管、第二开关功率管、第一滤波电感第一滤波电容 和第二滤波电容组成；

所述的第二功率单元由第三开关功率管、第三开关功率管、第二滤波电感第三滤波电容 和第四滤波电容组成；

所述的第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率管均由2个 绝缘栅双极型晶体管反向串联构成；

所述的第一开关功率管的一端接所述的可控三相变压器副边的正分接头，所述的第二开 关功率管的一端接负分接头，该第一组开关功率管的另一端和第二组开关功率管的另一端相 连且该连接点与所述的第一滤波电感的一端相连，该第一滤波电感的另一端分别与所述的串 联绕组单元的一端、第四开关功率管的一端、第二滤波电容的一端相连，第二滤波电容的另 一端与所述的可控三相变压器的副边主接头相连，所述的串联绕组单元的另一端与第三开关 功率管的一端相连，所述的第三开关功率管另一端和第四开关功率管另一端相连且该连接点 与所述的第二滤波电感的一端相连，该第二滤波电感的另一端连接输出电源或负载，

所述的第一滤波电容接在所述的可控三相变压器副边的正分接头和负分接头之间，所述 的第三滤波电容跨接在第三开关功率管与第四开关功率管不相连的两端之间，所述的第四滤 波电容的一端与串联绕组单元中2个串接绕组的连接点相连，第四滤波电容的另一端连接输 出电源或负载端，

所述的输入电压互感器的一侧与可控三相变压器原边输入电压主电路相连，电压信号输 出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器，一侧与可控三相变压器副边输出电压主电路相连，电压信号输 出端与所述的测量与控制模块的电压信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块的控制信号输出端分别与所述的第一开关功率管第二开关功率 管、第三开关功率管和第四开关功率管的控制端相连，该测量与控制模块与上位机相连。

所述的测量与控制模块是数字信号处理器、单片机或计算机。

利用所述的电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置进行输出电压幅值与相角控制的 方法，其特征在于，该方法包括下列具体步骤：

1）设可控三相变压器正负分接头变比分别为（1+N）和（1-N），可控三相变压器三相输 入电压分别为：

V_ain＝sin(ω₀t)

V_bin＝sin(ω₀t+120°)(1)

V_cin＝sin(ω₀t-120°)

其中，V_ain为A相输入电压、V_bin为B相输入电压、V_cin为C相输入电压；

2）通过脉宽调制对第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率 管的占空比进行调节：

设第一开关功率管和第二开关功率管的占空比为D₁，设第三开关功率管和第四开关功率 管的占空比为D₂，其中，0≤D₁≤1，0≤D₂≤1；

当D₁=1时，S₁导通，S₂关断，当D₁=0时，S₂导通，S₁关断；当D₂=1时，S₃导通，S₄关断， 当D₂=0时，S₄导通，S₃关断；

3）计算A相输出电压，公式如下：

V_aout＝V_ain[(1+N)D₁+(1-N)(1-D₁)]           (2)

+(NV_bin-NV_cin)D₂

4）将步骤1）中V_ain，V_bin，V_cin代入公式（2）得到：

$V_{\mathrm{aout}}=[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]\sin \left({\omega }_{0}t\right)$(3)

$+\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2\cos \left({\omega }_{0}t\right)$

5）输出电压幅值为：

$A=\sqrt{{[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]}^2+{\left(\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2\right)}^2}---\left(4\right)$

6）输出电压移相角度θ为：

$\theta ={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2}{[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]}\right)---\left(5\right)$

通过改变占空比D₁和D₂能够改变输出电压的幅值和相角。通常N<0.2，因此，幅值调 节主要取决于D₁，相角调节主要取决于D₂。

当N=0.1时，则近似可得，电压幅值控制范围为：

0.9≤A≤1.1                (6)

电压相角控制范围为：

本发明的原理：通过对绝缘栅极晶体管IGBT的脉宽调制的调节可实现对可控变压器输出 电压幅值与相角的独立控制；由于对可控三相变压器的分接头导通进行控制，控制可控三相 变压器分接头的开关功率管IGBT容量仅为可控三相变压器容量的一部分，因而，成本低，从 而实现低成本、高可靠性的电压幅值与相角的独立控制。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

1．开关功率管只需对可控三相变压器分接头的导通进行控制，因而成本低，克服了 已有FACTS装置高成本的问题；

2．实现了可控变压器输出电压幅值与相角的独立控制；

3．输出电压不含低次谐波、质量好。

附图说明

图1是本发明电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置的结构示意图。

图2是本发明改变电压相角原理的电压向量示意图，其中a为展示了如何由B、C两相 电压得到与A相垂直的电压分量；b为输出电压向量调节范围如图中虚线框内所示。

图3是本发明输出电压谐波分析示意图。图中纵坐标Mag为电压幅值，横坐标Frequency 为频率。

图4是本发明工作时电力电子开关器件电压和电流波形仿真图，图中IGBT为绝缘栅极晶 体管，Diode为IGBT的反并联二极管。

图5是本发明可控变压器装置动态响应示意图。

图6是本发明输入输出电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明一种电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置的结构示 意图。由图可见，一种电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置，包括：可控三相变压器 1、第一功率单元2、第二功率单元8、测量与控制模块3、串联绕组单元4、输入电压互感器 5和输出电压互感器6构成：

所述的可控三相变压器1的副边包含主接头12、正分接头13、负分接头11，以及每相 各自输出2组变比为N的独立绕组，其中0<N<0.2；

每相的串联绕组单元4由可控三相变压器1的另外两相、且电压极性相反的各1组独立 绕组串接而成；

所述的第一功率单元2由第一开关功率管S₁、第二开关功率管S₂、第一滤波电感L_f1第 一滤波电容C_f1和第二滤波电容C_f组成；

所述的第二功率单元8由第三开关功率管S₃、第三开关功率管S₄、第二滤波电感L_f2第 三滤波电容C_f3和第四滤波电容C_f4组成；

所述的第一开关功率管S₁、第二开关功率管S₂、第三开关功率管S₃和第四开关功率管 S₄均由2个绝缘栅双极型晶体管反向串联构成（图中未示）；

所述的第一开关功率管S₁的一端接所述的可控三相变压器1副边的正分接头13，所述的 第二开关功率管S₂的一端接负分接头11，该第一组开关功率管S₁的另一端和第二组开关功 率管S₂的另一端相连且该连接点与所述的第一滤波电感L_f1的一端相连，该第一滤波电感L_f1的另一端分别与所述的串联绕组单元4的一端、第四开关功率管S₄的一端、第二滤波电容 C_f2的一端相连，第二滤波电容C_f2的另一端与所述的可控三相变压器1的副边主接头12相连， 所述的串联绕组单元4的另一端与第三开关功率管S₃的一端相连，所述的第三开关功率管S₃ 另一端和第四开关功率管S₄另一端相连且该连接点与所述的第二滤波电感L_f2的一端相连， 该第二滤波电感L_f2的另一端连接输出电源或负载，

所述的第一滤波电容C_f1接在所述的可控三相变压器1副边的正分接头13和负分接头11 之间，所述的第三滤波电容C_f3跨接在第三开关功率管S₃与第四开关功率管S₄不相连的两端 之间，所述的第四滤波电容C_f4的一端与串联绕组单元4中2个串接绕组的连接点相连，第四 滤波电容C_f4的另一端连接输出电源或负载端，

所述的输入电压互感器5的一侧与可控三相变压器原边输入电压主电路相连，电压信号 输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的输出电压互感器6的一侧与可控三相变压器副边输出电压主电路相连，电压信号 输出端与所述的测量与控制模块3的电压信号输入端口相连；

所述的测量与控制模块3的控制信号输出端分别与所述的第一开关功率管S₁第二开关功 率管S₂、第三开关功率管S₃和第四开关功率管S₄的控制端相连，该测量与控制模块3与上 位机相连。

所述的测量与控制模块3是数字信号处理器、单片机或计算机。

利用所述的电压幅值与相角独立控制的可控变压器装置进行输出电压幅值与相角控制的 方法，该方法包括下列具体步骤：

1）设可控三相变压器正负分接头变比分别为（1+N）和（1-N），可控三相变压器三相输 入电压分别为：

V_ain＝sin(ω₀t)

V_bin＝sin(ω₀t+120°)             (1)

V_cin＝sin(ω₀t-120°)

其中，V_ain为A相输入电压、V_bin为B相输入电压、V_cin为C相输入电压；

2）通过脉宽调制对第一开关功率管、第二开关功率管、第三开关功率管和第四开关功率 管的占空比进行调节：

设第一开关功率管和第二开关功率管的占空比为D₁，设第三开关功率管和第四开关功率 管的占空比为D₂，其中，0≤D₁≤1，0≤D₂≤1；

3）计算A相输出电压，公式如下：

V_aout＝V_ain[(1+N)D₁+(1-N)(1-D₁)]     (2)

+(NV_bin-NV_cin)D₂

4）将步骤1）中V_ain，V_bin，V_cin代入公式（2）得到：

$V_{\mathrm{aout}}=[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]\sin \left({\omega }_{0}t\right)$(3)

$+\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2\cos \left({\omega }_{0}t\right)$

5）输出电压幅值为：

$A=\sqrt{{[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]}^2+{\left(\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2\right)}^2}---\left(4\right)$

6）输出电压移相角度θ为：

$\theta ={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{ND}}_2}{[(1+N)D_1+(1-N)(1-D_1)]}\right)---\left(5\right)$

当N=0.1时，则近似可得，电压幅值控制范围为：

0.9≤A≤1.1            (6)

电压相角控制范围为：

通过改变占空比D₁和D₂能够改变输出电压的幅值和相角。通常N<0.2，因此，幅值调 节主要取决于D₁，相角调节主要取决于D₂。

由于S₁与S₂或S₃与S₄交替开断，每组开关（S₁与S₂为一组，S₃与S₄为另一组）在关 断时所承受的电压只是额定电压的2N倍，从而降低了对电力电子开关的电压等级要求。

图2是本发明改变电压相角原理的电压向量示意图，图3是本发明输出电压谐波分析示 意图，如图所示，输出电压不含低次谐波，只含开关频率谐波，因此，容易滤除，由于第一、 二功率单元均含有高频滤波电路，对高频谐波加以滤除，从而使得可控三相变压器输出高质 量的电压的波形。

图4为N=0.1，D₁=0.5，D₂=0时的可控三相变压器电力电子开关器件电压仿真图，图中 显示电力电子开关器件工作电压为可控三相变压器的一小部分，即20％（2N倍）。从仿真图 5中看出输出电压响应很快，图6看出相移了约11度，输出幅值增加了10％，与上述分析结 果一致。