串联变压器快速投入系统及方法

本发明涉及一种串联变压器快速投入系统及方法，属于电力系统电能质量治理。

背景技术：

1、电压暂降是电力系统中常见的电能质量问题，主要由各种短路故障引起。供电电压在短时间内快速下降到额定电压的10%~90%，并持续10ms~1min。由于电压暂降持续时间短，通常在100ms以内，对治理装置的响应速度提出了极高的要求。

2、随着电力电子技术的发展，目前已有多种电压暂降治理装置投入应用。固态切换开关（ssts）具备两套独立电源，在电压扰动时快速切换至备用电源供电。不间断电源（ups）可在电压暂降时维持用户侧电压恒定，但其结构复杂、大功率应用时成本较高。统一电能质量控制器（upqc）由串、并联有源电力滤波器两部分组成，成本高、结构复杂控制难度大。动态电压恢复器（dvr）通过在负荷回路中串联变压器注入补偿电压，响应速度快、动态性能好，是目前应用较为广泛的电压暂降治理方案

3、然而，串联变压器的投入面临一个关键技术难题。正常运行时，若变压器始终串联在回路中，当电网侧发生短路故障时，需要迅速断开开关，切断原有支路。现有技术通常晶闸管作为开关器件，配合机械开关（断路器）来实现，使变压器旁路投入工作。其断开速度直接决定了串联变压器的投入速度，进而影响电压补偿的响应时效。采用此方式，机械开关断开，由于断开瞬间开关触头上仍有大负荷电流流过，会产生电弧，必须等待电流过零点后才能完成灭弧，灭弧时间约为40~60ms。此外，短路电流仍需流经晶闸管，配置上万安培通流能力的晶闸管价格昂贵，显著增加系统成本。

4、考虑到电压暂降事件通常仅持续10ms~100ms，上述20ms的旁路断开时间将严重影响补偿效果，甚至导致补偿失败。因此，如何实现串联变压器的快速投入，缩短串联变压器投入补偿的时间，是电压暂降治理领域亟待解决的关键技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足之处，提供了一种串联变压器快速投入系统，该系统通过控制逆变器输出电流与负荷电流反向，在零电流条件下实现快速开断开关，将变压器快速串联接入主回路中，大幅提升了电压补偿的响应速度。

2、本发明的另一目的在于提供一种串联变压器快速投入方法，该方法基于上述的串联变压器快速投入系统实现。

3、本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

4、一种串联变压器快速投入系统，包括电网、负荷、串联变压器、旁路开关、本地能量源、逆变器和滤波电路，所述串联变压器采用同名端反接方式连接，串联变压器的二次绕组串联接入电网与负荷之间的主回路中，串联变压器的一次绕组与滤波电路的输出端连接，所述旁路开关设置在电网与负荷之间，所述逆变器的直流侧与本地能量源连接，逆变器的交流侧通过滤波电路与串联变压器的一次绕组连接。

5、进一步的，所述电网输出电源电压us，电源电流is流经所述串联变压器的二次绕组后向负荷供电，负荷两端电压为ul，负荷电流为il；所述串联变压器的变比为k，串联变压器的一次绕组电流为i，一次绕组两端电压为u。

6、进一步的，所述逆变器为电压型h桥逆变器，包括全控型开关器件v1、v2、v3、v4，全控型开关器件v1与v2串联构成第一桥臂，全控型开关器件v3与v4串联构成第二桥臂；所述第一桥臂与第二桥臂并联后连接于直流母线电容两端；所述逆变器的交流输出端取自第一桥臂中点与第二桥臂中点。

7、进一步的，所述滤波电路包括滤波电感和滤波电容，所述滤波电感串联于逆变器的交流输出端与串联变压器的二次绕组之间，所述滤波电容并联于串联变压器的二次绕组两端。

8、本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

9、一种串联变压器快速投入方法，基于上述的串联变压器快速投入系统实现，所述方法包括：

10、系统处于正常运行状态，实时采集电网电压的瞬时值信号，进行处理并提取相位信息，同时采集负荷电流，对电网电压有效值进行实时监测，检测与判断是否发生电压暂降事件；

11、在检测到电压暂降事件后，控制逆变器进入电流控制模式，根据串联变压器的变比和当前负荷电流，利用变压器同名端反接的特性，控制逆变器输出电流，使变压器二次侧电流与负荷电流大小相等、方向相反，从而将旁路开关上流过的电流抵消至0，实现旁路开关的零电流开断条件；

12、持续检测旁路开关上的电流，当电流降至预设零电流阈值以下，确认满足零电流开断条件后，向旁路开关发出分闸指令，控制旁路开关快速断开，串联变压器正式串联接入电源侧与负荷侧之间的主回路中；

13、逆变器从电流控制模式切换至其他控制模式，结合串联变压器的拓扑特性，对主回路的电气量进行调节与控制，实现串联变压器投入后所需实现的目标功能，系统进入新的稳定运行状态。

14、进一步的，所述实时采集电网电压的瞬时值信号，包括：

15、通过电压互感器对电网电压进行采样，获取电网电压的瞬时值信号，设电网电压的瞬时值为：

16、；

17、其中，um为电网电压幅值，ω为电网角频率，φ为电网电压初相位。

18、进一步的，所述对电网电压有效值进行实时监测，检测与判断是否发生电压暂降事件，包括：

19、根据电网电压的瞬时值，采用离散化方法计算电网电压有效值us：

20、；

21、其中，n为一个周期内的采样点数，us(i)为第i个采样点的电压瞬时值；

22、根据电网电压有效值us，计算电压暂降深度d：

23、；

24、其中，un为电网额定电压；

25、将电压暂降深度d与预设的电压暂降阈值dth进行比较，当d > dth且持续时间超过暂降确认时间tconfirm后，正式判定发生电压暂降事件。

26、进一步的，所述控制逆变器进入电流控制模式，根据串联变压器的变比和当前负荷电流，利用变压器同名端反接的特性，控制逆变器输出电流，使变压器二次侧电流与负荷电流大小相等、方向相反，从而将旁路开关上流过的电流抵消至0，实现旁路开关的零电流开断条件，包括：

27、正常运行时，旁路开关闭合，负荷电流il通过旁路开关流向负荷，设旁路开关k上的电流为ik，串联变压器一次电流为i1，二次电流为i2，根据基尔霍夫电流定律，节点电流关系为：

28、；

29、串联变压器采用同名端反接方式连接，当逆变器输出电流i时，逆变器输出为负，节点电流关系变为：

30、；

31、根据变压器变比关系，串联变压器一次电流i1与二次电流i2的关系为：

32、；

33、将串联变压器一次电流i1与二次电流i2的关系式代入节点电流关系式，得到旁路开关上的电流：

34、；

35、当控制逆变器输出电流时：

36、；

37、此时旁路开关上的电流降至零，满足零电流开断条件；

38、对逆变器进行用电流控制，根据串联变压器的变比k和当前负荷电流il，计算逆变器所需要输出的目标值：

39、；

40、其中，为逆变器输出电流的指令值，以为参考，通过pi闭环电流控制器驱动逆变器实时跟踪该目标值，确保逆变器输出电流准确跟随负荷电流的动态变化，实现对旁路开关电流的持续抵消；

41、在电流控制模式下，逆变器的输出电压u由变压器漏抗和电网电压确定，设变压器一次漏抗为xt，则逆变器输出电压为：

42、；

43、持续检测旁路开关上的电流幅值ik，将电流幅值ik与预设的零电流阈值ith进行实时比较，当满足|ik|ith，则继续维持电流控制模式运行，等待电流进一步降低，直至满足|ik|

44、进一步的，所述向旁路开关发出分闸指令，控制旁路开关快速断开，串联变压器正式串联接入电源侧与负荷侧之间的主回路中，包括：

45、向旁路开关的驱动回路发送分闸指令；

46、旁路开关接收到分闸指令后执行断开动作；

47、旁路开关完成断开后，串联变压器的二次绕组不再被短接，串联变压器正式串联接入电源侧与负荷侧之间的主回路中，系统拓扑由正常旁路运行状态切换为串联补偿运行状态，同步检测确认变压器已正常投入、主回路拓扑切换成功后，向上层控制器发送投入完成信号。

48、进一步的，所述逆变器从电流控制模式切换至其他控制模式，结合串联变压器的拓扑特性，对主回路的电气量进行调节与控制，实现串联变压器投入后所需实现的目标功能，包括：

49、逆变器从电流控制模式切换至目标控制模式，切换过程采用软切换策略，以电流控制模式末态的输出量作为目标控制模式的初始给定值，确保切换瞬间逆变器输出电压uinv连续无突变；

50、切换至目标控制模式后，利用串联变压器同名端反接的拓扑特性，对主回路进行电压分析，负荷侧电压ul与电网电压有效值us、逆变器输出电压uinv满足以下关系：

51、；

52、当需要将负荷侧电压补偿至目标值时，解出逆变器所需输出的电压给定值：

53、；

54、以作为逆变器输出电压的指令值，通过闭环电压控制器实时驱动逆变器输出，使负荷侧电压ul稳定跟踪目标值；

55、在目标控制模式运行期间，持续监测电网电压有效值us及负荷侧电气量，当触发条件消失、电网恢复正常后，控制逆变器输出平稳归零，随后闭合旁路开关，将串联变压器的二次绕组重新短接。

56、本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

57、1、本发明通过电流控制模式实现电流转移，使旁路开关在零电流条件下断开，彻底消除了电弧问题，将变压器投入时间从传统方案的40～60ms缩短至5ms以内，大幅提升了电压补偿的响应速度。

58、2、本发明采用零电流开断技术，旁路开关无需承受灭弧压力，可采用普通断路器或开关器件，无需配置昂贵的大容量晶闸管，显著降低了系统成本。

59、3、本发明在电流控制模式期间，逆变器输出电压接近电网电压，输出电流为正常负荷电流量级，逆变器和变压器均无需承受短路电流冲击，降低了设备容量需求。