一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器及控制方法

1.本发明属于变压器控制技术领域，具体涉及一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器及控制方法。


背景技术：

2.随着人类科技与经济的快速发展，现代社会对于能源的需求量也在与日俱增，随之而来的环境问题与能源危机也日益严重。为了控制温室气体排放和推动经济社会全面绿色低碳转型，构建多种可再生分布式能源接入，实现多种形式能源的跨区域综合调控的能源互联网已经成为必然的发展趋势。
3.分布式可再生能源的就地利用能够减少能量在传输过程中的损耗，提供能源的利用率。然而大量的分布式能源接入配电网中，由于其发电特征的间断性和不确定性，以及更多的电力电子设备例如光伏逆变器接入配电网中，都会给配电网中的用户侧带来电压的突升突降以及谐波污染等电能质量问题。其中负载侧电压的波动会影响敏感负载的工作，导致频繁跳闸，误操作，从而增加维护成本，而谐波和非线性电流会增加配电网的网络损耗以及节点电压的畸变。
4.针对电能质量问题，现有的技术已经有很多成熟的解决方案，例如针对电流电能质量问题的有源滤波器，针对电压电能质量问题的动态电压调节器，同时针对电压和电流电能质量问题的统一电能质量调节器，混合式配电变压器和电力电子变压器。
5.然而这些现有技术都没有考虑太阳能等可再生能源的接入问题，这导致在实际应用于主动配电网中时，还需要额外的电力电子装置完成光伏发电系统的接入，增加了额外的设备成本，


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器及控制方法，以解决现有技术中，可再生能源接入至配电网时，需要额外的电力电子装置完成光伏发电系统的接入，以及接入后电能质量存在问题的情况。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器，包括主变压器和副变压器，所述主变压器包括一次侧绕组、二次侧绕组和三次侧绕组；所述副变压器包括四次侧绕组和五次侧绕组；
9.所述一次侧绕组和五次侧绕组的一端连接，所述五次侧绕组的另一端连接至中压配电网；所述二次侧绕组连接至低压配电网；所述三次侧绕组连接有第二电源型逆变器，所述四次侧绕组连接有第一电源型逆变器；
10.所述第一电源逆变器和第二电源型逆变器均和光伏发电系统并联；
11.所述第一电源逆变器和第二电源型逆变器各自由三个电力电子器件开关桥臂并联组成；三次侧绕组和第二电源型逆变器的三个电力电子器件开关桥臂的中点连接，四次
侧绕组和第一电源型逆变器的三个电力电子器件开关桥臂的中点连接。
12.本发明的进一步改进在于：
13.优选的，所述二次侧绕组通过星形带中性线的方式和低压配电网连接；所述五次侧绕组通过三角形接法和中压配电网连接。
14.优选的，所述电力电子器件开关桥臂由两个igbt串联组成。
15.优选的，所述四次侧绕组通过滤波电感l1和第一电源型逆变器连接，所述三次侧绕组通过滤波电感l2和第二电源型逆变器连接。
16.优选的，所述第一电源逆变器和第二电源型逆变器通过电容cd共用直流母线；所述光伏发电系统通过单向二极管和一个电源型逆变器的直流母线连接。
17.一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器的控制方法，通过最大功率点跟踪算法获得期望的直流母线电压ud*，将期望的直流母线电压ud*和直流电压信号ud作差后，将差值输入至第三比例积分控制器中获得期望的电网电流d轴分量i
pd
*，将期望的电网电流d轴分量i
pd
*和电网电流信号d轴分量i
pd
做差，输入至第四比例积分控制器中，获得第二电压源型逆变器期望输出电压的d轴分量v
2d
*；将电网电压的d轴分量u
sd
与电网电流的q轴分量i
pq
相乘后，将相乘结果等比放大-1.5倍，得到实际配电节点的无功功率qs，将实际配电节点的无功功率qs和期望配电节点的无功功率qs*作差，将差值输入至第五比例积分控制器中，得到第二电压源型逆变器期望输出电压的q轴分量v
2q
*；将第一电压源型逆变器期望输出电压的0轴分量v
20
*设定为0；将v
2d
*、v
2q
*和v
20
*进行反坐标变换后，获得静止abc坐标系下的期望输出电压v
2a
*、v
2b
*和v
2c
*，将v
2a
*、v
2b
*和v
2c
*经过spwm调制得到第二电压源型逆变器的门控信号。
18.优选的，通过电压电流传感器得到光伏发电系统的直流输出电压u
pv
和直流输出电流i
pv
，集合最大功率点跟踪算法和扰动分析法得到直流母线电压ud*。
19.优选的，所述期望的直流母线电压ud*和直流电压信号ud作差前，所述直流电压信号ud通过低通滤波器滤除高频谐波分量。
20.优选的，将第一电压源型逆变器期望输出电压的d轴分量v
1d
*、q轴分量v
1q
*和0轴分量v
10
*进行反坐标变换后，得到静止abc坐标系下的期望输出电压v
1a
*、v
1b
*和v
1c
*，经过spwm调制得到第一电压源型逆变器的门控信号，
21.优选的，所述第一电压源型逆变器期望输出电压的d轴分量v
1d
*的获取过程为，在dq0旋转坐标系下，将二次侧电压u2的d轴分量u
2d
与低压配电网电压额定值u
2n
的倍做差，将差值输入至第一比例积分控制器中，得到第一电压源型逆变器期望输出电压的d轴分量v
1d
*；
22.所述q轴分量v
1q
*的获取过程为，将二次侧电压u2的q轴分量u
2q
与给定的参考值0做差，将差值输入至第二比例积分控制器中，得到第一电压源型逆变器期望输出电压的q轴分量v
1q
*；
23.所述0轴分量v
10
*设定为0。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明公开了一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器，该集成光伏发电系统的混合式配电变压器包括三绕组主变压器，两绕组副变压器，光伏发电系统，dsp控制系统，两个电压源型逆变器系统，电压电流传感器模块。通过对于集成光伏发电系统的混合式配
电变压器的两个电压源型逆变器的闭环控制，既能解决负载畸变，电压突升突降等电能质量问题，又能动态调节配电节点的有功功率的平衡，实现光伏的可靠接入和就地利用，还能动态地调节配电节点的无功功率，降低主动配电网的网络损耗，提高分布式可再生能源的利用率，节省化石能源的使用，减少污染物和碳排放，降低主动配电网的投资成本。
26.本发明还公开了一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器的控制方法，该控制方法通过对集成光伏发电系统的混合式配电变压器的两个电压源型逆变器的闭环控制，既能解决负载畸变，电压突升突降等电能质量问题，又能动态调节配电节点的有功功率的平衡，实现光伏的可靠接入和就地利用，还能动态地调节配电节点的无功功率，降低主动配电网的网络损耗，提高分布式可再生能源的利用率，节省化石能源的使用，减少大气污染物和碳排放，降低主动配电网的投资和运营成本。
附图说明
27.图1为本发明一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器整体结构示意图。
28.图2为本发明所涉及的集成光伏发电系统的混合式配电变压器中第一电压源型逆变器1的控制方法说明图。
29.图3为本发明所涉及的集成光伏发电系统的混合式配电变压器中第二电压源型逆变器2的控制方法说明图。
30.其中，1-第一电压源型逆变器；2-第二电压源型逆变器；3-中压配电网；4-副变压器；5-主变压器；6-低压配电网。
具体实施方式
31.下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.如图1所示，本发明设计的一种集成光伏发电系统的混合式配电变压器，包括：一个三绕组主变压器5，一个两绕组副变压器4，光伏发电系统，dsp控制系统，两个电压源型逆变器系统，和电压电流传感器模块。
34.具体主变压器5包含一次侧绕组w1，二次侧绕组w2和三次侧绕组w3。副变压器4包含四次侧绕组w4和五次侧绕组w5。每个电压源型逆变器系统都包括6个igbt开关模块。主变压器5的一次侧绕组w1和副变压器4的五次侧绕组w5串联后构成高压侧绕组，后采用三角形接法接入中压配电网3。主变压器5的二次侧绕组w2采用星形带中性线的接法单独接入低压配电网6中，保证电能从中压配电网3传递到低压配电网6，供用户们使用。主变压器5的三次侧绕组w3通过滤波电感l2与第二电压源型逆变器2相连，通过控制第二电压源型逆变器2的
输出电压来控制三次侧绕组w3的电流，进而利用磁势平衡原理补偿掉用户侧电流中的畸变分量和无功分量，进而保持一次侧绕组w1的电流正弦且跟踪指定的无功功率。副变压器4的四次侧绕组w4通过滤波电感l1与第一电压源型逆变器1相连，通过控制第一电压源型逆变器1的输出电压来控制w5的电压，进而保持w2的变压正弦且一直维持在额定值。两个电压源型逆变器通过一个大容量电容cd共用直流母线，并联连接。光伏发电系统通过一个单向二极管接入电压源型逆变器的直流母线，来保证有功能量的单向流动。
35.每一个电压源型逆变器系统由三个电力电子器件开关桥臂组成，每个开关桥臂由两个igbt开关管串联而成，即电压源型逆变器系统由六个igbt开关组成，通过dsp控制系统发出的pwm门控信号来分别控制不同桥臂的导通与关断，进而得到电压源型逆变器期望的等效电压。
36.光伏发电板通过串联一个二极管保证能量单向从光伏板传递到变压器，光伏发电板再通过并联一个电容和两个电压源型逆变器，构成直流母线，母线电容的主要作用是储存能量和维持母线电压的稳定。二极管设置在光伏发电板和第一电压源型逆变器1的连接电路上。
37.集成光伏发电系统的混合式配电变压器的控制方法主要针对第一电压源型逆变器1和第二电压源型逆变器2。首先由于比例积分控制器无法完成对于给定正弦信号的无净差跟随控制，所以需要先对集成光伏发电系统的混合式配电变压器的二次侧电压(u
2a
,u
2b
,u
2c
)，一次侧电流(i
pa
,i
pb
,i
pc
)和中压电网电压(u
sa
,u
sb
,u
sc
)进行旋转坐标变换，得到旋转坐标系dq0下的等效信号量。
38.图2所示为本发明所设计的图1中第一电压源型逆变器1的控制方法。第一电压源型逆变器1的主要作用为补偿电网电压的波动分量，克服由于光伏发电的波动性和随机性带来的电压突升突降凹陷等电能质量问题，保证低压配电网6的电压始终维持在额定值。
39.如图2所示，第一电压源型逆变器1的控制方法为：首先在dq0旋转坐标系下，二次侧电压u2的d轴分量u
2d
与低压配电网6电压额定值u
2n
的倍做差，输入到第一比例积分控制器中，得到第一电压源型逆变器1期望输出电压的d轴分量v
1d
*。类似的，二次侧电压u2的q轴分量u
2q
与给定的参考值0做差，输入到第二比例积分控制器中，得到第一电压源型逆变器1期望输出电压的q轴分量v
1q
*，q轴期望是0。第一电压源型逆变器1期望输出电压的0轴分量v
10
*设定为0。再对第一电压源型逆变器1的dq0坐标系下的信号量v
1d
*、v
1q
*和v
10
*进行反坐标变换，得到静止abc坐标系下的期望输出的电压量v
1a
*、v
1b
*和v
1c
*，经过spwm调制得到第一电压源型逆变器1的门控信号，通过dsp控制系统分别控制第一电压源型逆变器1的六个igbt的开通与关断。进一步的，通过六个igbt的开通与关断能够获得第一电压源型逆变器1的不同输出电压值，通过输出的不同电压值，能够控制五次侧绕组w5的电压，进而使得w2的输出电压正弦且一直维持在额定值，使得低压配电网6的电压始终维持在额定值。
40.图3所示为本发明所设计的图1中第二电压源型逆变器2的控制方法。第二电压源型逆变器2的主要有以下三个方面的作用：第一个方面，利用直流母线，实现光伏发电系统的接入，通过外环最大功率点跟踪算法以及直流母线电压ud的控制系统，使光伏发电系统始终工作在最大功率点，实现分布式光伏能源最大程度的利用。第二个方面，通过内环的电流控制系统(第四比例积分控制过程)实现对于二次侧负载电流中谐波分量的抑制。第三个方面，通过坐标变换实现有功控制系统和无功控制系统的解耦，再通过一次侧电流q轴分量
的控制系统(第五比例积分控制过程)，实现配电节点无功功率的连续动态调节与无静差控制。
41.如图3所示，第二电压源型逆变器2的控制方法为，利用电压电流传感器得到光伏发电系统的直流输出电压u
pv
和电流i
pv
，通过最大功率点跟踪算法利用扰动分析法得到目前光照和温度条件下期望的直流母线电压ud*。通过电压传感器采集到的直流电压信号ud通过一个低通滤波器后滤除掉高频谐波分量，再与期望的直流母线电压ud*做差，输入到第三比例积分控制器中，得到期望的电网电流d轴分量i
pd
*，再与采得的电网电流信号d轴分量i
pd
做差，输入到第四比例积分控制器中，得到第二电压源型逆变器2期望输出的电压的d轴分量v
2d
*。将电网电压的d轴分量u
sd
与电网电流的q轴分量i
pq
相乘后再等比放大-1.5倍，得到实际配电节点的无功功率qs。给定的期望配电节点的无功功率qs*与实际的无功功率qs做差，输入第五比例积分控制器中，得到第二电压源型逆变器2期望输出的电压的q轴分量v
2q
*。第一电压源型逆变器1期望输出电压的0轴分量v
20
*设定为0。再对第二电压源型逆变器2的dq0坐标系下的信号量v
2d
*、v
2q
*、v
20
*进行反坐标变换，得到静止abc坐标系下的期望输出的电压量v
2a
*、v
2b
*和v
2c
*，再经过spwm调制得到第二电压源型逆变器2的门控信号，通过dsp控制系统分别控制第二电压源型逆变器2的六个igbt的开通与关断，进而控制三次侧电流，从而控制一次侧电流。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。