基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统及其控制方法

1.本发明涉及电能质量电压补偿技术领域，尤其指一种基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着智能配电网和电力电子技术的快速发展，以及大量的电力电子设备应用、分布式能源接入，电网电能质量问题逐渐突显出来。其中，电压跌落引起的事故次数大约是由电压中断引起的事故次数的10倍，因此电压跌落问题被认为是影响电力负荷稳定运行的重要问题之一。
3.为解决配电网电压跌落问题，主要是依靠新增补偿装置来抑制或消除电压跌落的发生。传统的补偿装置有备用发电机、有载调压变压器、静止无功补偿器等，但这些装置受到响应速度、补偿精度制约，不能有效实施对电压跌落的全补偿。随着电力电子技术的快速发展，各类基于功率半导体器件的串联型电力电子装置的不断涌现。其中基于全控型功率器件的电压源型变流器(voltage source converter，vsc)由于拓扑结构简单、控制技术成熟、多电平容易实现等优点，在电力电子装备中备受欢迎。动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，dvr)凭借其运行效率高、可靠性高和快速性好等优势，成为保护敏感负荷免受电网电压暂降、骤升等电能质量问题影响的重要技术手段。但电压补偿期间，dvr输出电压范围受逆变器容量限制，补偿范围有限。双dvr协同补偿装置，可以提高了补偿电压可靠性和灵活性，但该装置成本高且控制策略复杂。在传统dvr的基础上，在lc滤波器中串联一个电容，可以有效降低逆变器容量和直流侧电压等级，但串联电容和感性设备参数匹配不当则容易发生震荡，不利于系统安全稳定运行。
4.面对配电网中故障电压跌落问题，虽然串联型动态电压恢复器，双dvr补偿装置和串联电容耦合型动态电压恢复器在一定程度上能有效补偿负载电压，但仍然存在成本高和补偿精度不够等问题，因此亟需一种兼具补偿性能与成本的电压补偿装置。


技术实现要素：

5.为了解决现有的电压补偿装置补偿范围不大和成本高的问题，本发明提供一种基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统及其控制方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：
7.一种基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统，包括三相补偿单元，每一相补偿单元均包括有源逆变电路、变压器t1、多抽头变压器t2、晶闸管投切电路、开关s1和开关s2；所述有源逆变电路包括电压型h桥逆变器、滤波电容cf和滤波电感lf；所述晶闸管投切电路包括多组反并联晶闸管；
8.所述多抽头变压器t2的一次绕组与三相交流电网并联，所述多抽头变压器t2的二次绕组分接抽头通过反并联晶闸管与变压器t1的一次绕组一端电连接，所述变压器t1的一
次绕组另一端与多抽头变压器t2的二次绕组另一端分别电连接于滤波电容cf的两端，所述电压型h桥逆变器的交流侧串联滤波电感lf后与滤波电容cf并联，所述变压器t1的二次绕组串联接入三相交流电网中，所述三相交流电网包括三相交流电源和负载，所述开关s1与变压器t1的二次绕组并联，所述开关s2与多抽头变压器t2的二次绕组并联。
9.进一步地，所述晶闸管投切电路包括依次并联的反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3，所述反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3的一端分别电连接于多抽头变压器t2的二次绕组的各分接抽头，所述反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3的另一端均电连接于滤波电容cf的一端。
10.再进一步地，所述电压型h桥逆变器包括交流侧的全控型器件v1、v2、v3、v4、以及直流侧的电容c
dc
，所述电容c
dc
分别与全控型器件v1、v2组成的串联线路以及全控型器件v3、v4组成的串联线路并联。
11.优选地，所述全控型器件v1、v2、v3、v4均为npn型的绝缘栅双极晶体管，该绝缘栅双极晶体管的发射极和集电极之间串联有二极管。
12.为了解决上述技术问题，本发明还采用了如下技术方法：
13.一种基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的控制方法，包括：
14.步骤1，设定三相交流电源的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
，实时检测三相交流电源实际输出的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
，当各相电压u
sa
、u
sb
、u
sc
低于对应相的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
时，确定为发生电压跌落，将开关s1、s2断开，计算各相负载所需补偿的电压；
15.步骤2，根据检测到的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
以及设定的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
确定电压跌落比k
sag
，控制需投切的反并联晶闸管导通，通过多抽头变压器t2的一次绕组从三相交流电源处取能，再由多抽头变压器t2的二次绕组输出补偿电压，并通过变压器t1将补偿电压注入三相交流电网中，对各相负载的电压进行一次补偿；
16.步骤3，检测各相负载电压补偿状态，根据当前负载电压与三相交流电源的电压标准值之差，控制电压型h桥逆变器通过变压器t1对负载电压进行二次补偿，实现负载电压全补偿；
17.步骤4，当检测到三相交流电源的电压恢复为标准值时，关断反并联晶闸管投切，将开关s1和开关s2闭合。
18.优选地，在步骤1中，将开关s1、s2断开后，将检测的三相交流电源的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
依次经过park变换、滤波、park逆变换得到电压基波分量u
laq
、u
lbq
、u
lcq
，再将电压基波分量u
laq
、u
lbq
、u
lcq
与设定的三相交流电源的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
相减，得到电源电压跌落时各相负载所需补偿的电压u
ra
、u
rb
、u
rc
；
19.在步骤2中，根据检测到的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
以及设定的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
确定电压跌落比k
sag
，控制需投切的反并联晶闸管导通，通过多抽头变压器t2的一次绕组从三相交流电源处取能，再由多抽头变压器t2的二次绕组输出电源电压k
sag
/k2比例的补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
，接着通过变压器t1将补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
注入三相交流电网中，对各相负载的电压进行一次补偿；
20.在步骤3中，将步骤1得到的各相负载所需补偿的电压u
ra
、u
rb
、u
rc
分别对应减去步骤2得到的补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
，得到有源逆变电路输出电压指令信号u
ai_a
、u
ai_b
、u
ai_c
，将该输出电压指令信号u
ai_a
、u
ai_b
、u
ai_c
与各对应相的有源逆变电路实际输出的电压作差，再通
过pi调节器，得到电压调制信号，接着对电压调制信号进行spwm调制，从而获得电压型h桥逆变器的驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4，将驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4给到电压型h桥逆变器的信号接口处，电压型h桥逆变器通过变压器t1对负载电压进行二次补偿，实现负载电压全补偿。
21.进一步地，步骤1中，所述park变换的公式为：
[0022][0023][0024][0025]
其中，c
32
表示由三相到两相静止坐标系下的变换矩阵；c
2s-2r
表示两相静止到两相旋转坐标系的变换矩阵；c
abc/dq
表示三相abc坐标系下到两相坐标系dq轴之间的变换矩阵。
[0026]
更进一步地，步骤2中，所述多抽头变压器t2二次绕组输出的补偿电压为：
[0027][0028]
其中，uk为多抽头变压器t2二次绕组输出的补偿电压，uk根据相分为u
ka
、u
kb
、u
kc
；k
sag
为三相交流电源当前电压us与电压标准值u
s_ref
的比值，电压标准值u
s_ref
为在正常工作状态下的电源电压；k2为多抽头变压器t2的变比，k2与导通的分接抽头有关。
[0029]
再进一步地，步骤3中，将所述驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4给到电压型h桥逆变器的信号接口处后，电压型h桥逆变器经过滤波电感lf、滤波电容cf的滤波后输出的电压为：
[0030][0031]
其中，u
ai
为有源逆变电路输出的电压。
[0032]
优选地，步骤3中，电压全补偿后负载两端的电压为：
[0033]ul
＝us (uk u
ai
)/k1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0034]
其中，u
l
为负载两端的电压，k1为变压器t1的变比。
[0035]
本发明所涉基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的控制方法，在电压跌落时，通过快速检测电源电压的电压幅值，在电源电压发生跌落时，及时断开隔离开关，投入电压补偿系统。并根据电源电压跌落幅值控制多抽头变压器一次绕组从电网取能，二次绕组对应分接抽头的反并联晶闸管导通，通过多抽头变压器对负载注入大部分补偿电压。另外还检测负载电压的补偿状态，由有源逆变电路输出少部分补偿电压，实现对负载的精准补偿。而当电源电压恢复标准值时，控制隔离开关闭合。该控制方法不仅可以极大的减小有源逆变电路直流侧的电压等级以及降低逆变器的容量，降低投入成本，还增大了对电压幅值跌落的补偿精度和补偿范围。同时，该补偿系统和其控制方法中的隔离开关能有效
确保装置在短路故障下的可靠性，增加了装置的使用寿命。
附图说明
[0036]
图1是本发明所涉基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的电路原理图；
[0037]
图2是本发明所涉基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统进行电压补偿的结构框图；
[0038]
图3是本发明所涉基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的控制方法的流程图；
[0039]
图4是本发明实施方式中补偿系统对负载电压补偿时，补偿系统、多抽头逆变器t2和有源逆变电路分别输出的有功功率波形图；
[0040]
图5是本发明实施方式中电源电压分别发生10％、20％、30％、40％电压跌落时各部分的基波电压、补偿电压波形图(其中图5a是三相交流电源基波电压波形图，图5b是负载所需补偿电压波形图，图5c是负载电压波形图，图5d是多抽头变压器t2输出补偿电压波形图，图5e是有源逆变电路输出补偿电压波形图)。
具体实施方式
[0041]
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0042]
如图1所示，基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统，包括三相补偿单元，每一相补偿单元均包括有源逆变电路、变压器t1、多抽头变压器t2、晶闸管投切电路、开关s1和开关s2。
[0043]
有源逆变电路包括电压型h桥逆变器、滤波电容cf和滤波电感lf，其中，电压型h桥逆变器又包括交流侧的全控型器件v1、v2、v3、v4、以及直流侧的电容c
dc
，全控型器件v1、v2、v3、v4均为npn型的绝缘栅双极晶体管，该绝缘栅双极晶体管的发射极和集电极之间串联有二极管，电容c
dc
分别与全控型器件v1、v2组成的串联线路以及全控型器件v3、v4组成的串联线路并联，电压型h桥逆变器的交流侧串联滤波电感lf后与滤波电容cf并联。
[0044]
多抽头变压器t2的一次绕组与三相交流电网并联，多抽头变压器t2的二次绕组分接抽头通过反并联晶闸管与变压器t1的一次绕组一端电连接，变压器t1的一次绕组另一端与多抽头变压器t2的二次绕组另一端分别电连接于滤波电容cf的两端，变压器t1的二次绕组串联接入三相交流电网中，三相交流电网包括三相交流电源和负载，开关s1与变压器t1的二次绕组并联，开关s2与多抽头变压器t2的二次绕组并联。
[0045]
晶闸管投切电路包括依次并联的反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3，反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3的一端分别电连接于多抽头变压器t2的二次绕组的各分接抽头，反并联晶闸管ts1、反并联晶闸管ts2和反并联晶闸管ts3的另一端均电连接于滤波电容cf的一端。
[0046]
当三相交流电源的电压us(包括u
sa
、u
sb
、u
sc
)没有发生跌落时，开关s1、s2导通，此时系统处于旁路模式；而当三相交流电源的电压us发生跌落时，开关s1、s2关断，此时系统处于补偿模式，通过多抽头变压器t2补偿负载大部分跌落电压，再由有源逆变电路补偿负载剩
余跌落电压。值得一提的是，本发明中的开关s1、s2具有选择系统模式的作用，亦可称作为隔离开关。在本发明所涉的补偿系统中，通过多抽头变压器t2承受主要的跌落电压，可以极大的减小有源逆变电路直流侧的电压等级以及降低逆变器的容量。
[0047]
作为本发明的另一面，如图2和3所示，前述基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的控制方法，包括：
[0048]
步骤1，设定三相交流电源的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
，实时检测三相交流电源实际输出的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
，当各相电压u
sa
、u
sb
、u
sc
低于对应相的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
时，确定为发生电压跌落，此时将开关s1、s2断开，将检测到的三相交流电压的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
经过park变换得到含有谐波的电源电压u
sd
、u
sq
，再通过低通滤波器滤波后得到直流分量u
sd
′
、u
sq
′
，然后将该直流分量u
sd
′
、u
sq
′
进行park逆变换得到三相交流电源的电压基波分量u
laq
、u
lbq
、u
lcq
，再将电压基波分量u
laq
、u
lbq
、u
lcq
与设定的三相交流电源的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
相减，得到电源电压跌落时各相负载所需补偿的电压u
ra
、u
rb
、u
rc
。
[0049]
前述park变换的公式为：
[0050][0051][0052][0053]
其中，c
32
表示由三相到两相静止坐标系下的变换矩阵；c
2s-2r
表示两相静止到两相旋转坐标系的变换矩阵；c
abc/dq
表示三相abc坐标系下到两相坐标系dq轴之间的变换矩阵。
[0054]
步骤2，根据检测到的电压u
sa
、u
sb
、u
sc
以及设定的电压标准值u
a_ref
、u
b_ref
、u
c_ref
确定电压跌落比k
sag
，控制需投切的反并联晶闸管导通通过多抽头变压器t2的一次绕组从三相交流电源处取能，再由多抽头变压器t2的二次绕组输出电源电压k
sag
/k2比例的补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
，接着通过变压器t1将补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
注入三相交流电网中，对各项负载的电压进行一次补偿。
[0055]
需要提出说明的是，如图2所示，当电压跌落比k
sag
小于0.72时，控制反并联晶闸管ts1、ts2关断，反并联晶闸管ts3导通；当电压跌落比k
sag
处于[0.72，0.82]范围内时，控制反并联晶闸管ts1、ts3关断，反并联晶闸管ts2导通；当电压跌落比k
sag
处于[0.82，0.92]范围内时，控制反并联晶闸管ts2、ts3关断，反并联晶闸管ts1导通。
[0056]
前述多抽头变压器t2二次绕组输出的补偿电压为：
[0057][0058]
其中，uk为多抽头变压器t2二次绕组输出的补偿电压，uk根据相分为u
ka
、u
kb
、u
kc
；k
sag
为三相交流电源当前电压us与电压标准值u
s_ref
的比值，电压标准值u
s_ref
为在正常工作
状态下的电源电压；k2为多抽头变压器t2的变比，k2与导通的分接抽头有关。
[0059]
步骤3，检测各相负载电压补偿状态，根据负载当前电压与三相交流电源的电压标准值之差，具体而言，将步骤1得到的各相负载所需补偿的电压u
ra
、u
rb
、u
rc
分别对应减去步骤2得到的补偿电压u
ka
、u
kb
、u
kc
，得到各相补偿单元中有源逆变电路输出电压指令信号u
ai_a
、u
ai_b
、u
ai_c
，再将该输出电压指令信号u
ai_a
、u
ai_b
、u
ai_c
与各对应相的有源逆变电路实际输出的电压作差，接着通过pi调节器进行电压调节，得到电压调制信号，最后对电压调制信号进行spwm调制，获得电压型h桥逆变器的驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4，将驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4给到电压型h桥逆变器的信号接口处，电压型h桥逆变器通过变压器t1对各相负载的电压进行二次补偿，从而实现负载电压全补偿。
[0060]
在将驱动信号脉冲d1、d2、d3、d4给到电压型h桥逆变器的信号接口处后，电压型h桥逆变器经过滤波电感lf、滤波电容cf的滤波后输出的电压为：
[0061][0062]
其中，u
ai
为有源逆变电路输出的电压。
[0063]
对于负载而言，电压全补偿后其两端的电压为：
[0064]ul
＝us (uk u
ai
)/k1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0065]
其中，u
l
为负载两端的电压，k1为变压器t1的变比。
[0066]
值得一提的是，如图1所示，前述驱动信号脉冲d1为全控型器件v1的驱动信号，驱动信号脉冲d2为全控型器件v2的驱动信号，驱动信号脉冲d3为全控型器件v3的驱动信号，驱动信号脉冲d4为全控型器件v4的驱动信号。
[0067]
为验证本发明所提出的基于晶闸管投切的双变压器耦合型电压补偿系统的有效性与可行性，本实施方式在matlab/simulink中搭建了如图1所示的仿真模型，系统仿真参数见下表1，其中电压型h桥逆变器直流侧电压由理想直流电压源提供，变压器t1的变比参数取1，本发明实施方式以a相为例进行说明。
[0068]
表1系统仿真参数
[0069][0070]
仿真系统设定电源电压在0.15s时发生电压跌落，在0.45s时恢复为标准值。
[0071]
图4和图5中可以看出，在0.15～0.25s时，电源电压发生了10％的电压跌落，电压跌落比k
sag
为0.9，处于[0.82，0.92]范围内，相电压幅值从311v跌落至280v。本发明所涉补偿系统控制反并联晶闸管ts1导通，多抽头变压器t2补偿电压幅值为36.5v，其值大于电网电压跌落值，处于过补偿状态。而有源逆变电路输出的电压幅值为5.5v，相位与多抽头变压器t2输出的电压相位相反。此时，系统补偿电压与电网跌落电压相等，使负载侧电压幅值达到
标准值。
[0072]
在0.25～0.35s时，电源电压发生20％的电压跌落，电压跌落比k
sag
为0.8，处于[0.72，0.82]范围内，即相电压幅值从311v跌落至248.9v。本发明所涉补偿系统控制反并联晶闸管ts1关断，反并联晶闸管ts2导通，多抽头变压器t2补偿电压幅值为65.5v，大于电网电压跌落值，处于过补偿状态。有源逆变电路输出电压幅值为3.4v，相位与多抽头变压器t2输出电压相反。此时，系统补偿电压与电网跌落电压近似相等，负载侧电压幅值达到标准值。
[0073]
在0.35～0.45s时，电源电压发生30％的电压跌落，电压跌落比k
sag
为0.7，即小于0.7，相电压幅值从311v跌落至217.8v。本发明所涉补偿系统控制反并联晶闸管ts2关断，反并联晶闸管ts3导通，多抽头变压器t2补偿电压幅值为86.3v，小于电网电压跌落值，处于欠补偿状态。有源逆变电路输出电压幅值为6.9v，相位与多抽头变压器t2输出电压同相。此时，系统补偿电压与电网跌落电压近似相等，负载侧电压幅值达到标准值。
[0074]
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
[0075]
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。