一种具有电压支撑能力的混合型配电变压器

摘要

本发明公开了一种具有电压支撑能力的混合型配电变压器，包括具有特殊磁路结构的单相配电变压器、电力电子变换器PEC、输出滤波器和控制器；所述单相配电变压器的特殊磁路结构为在传统单相配电变压器基础上增设旁柱铁心并附加辅助绕组；所述电力电子变换器PEC经输出滤波器接到辅助绕组上，所述电力电子变换器PEC的直流侧连接有储能装置；所述控制器采集连接单相配电变压器原边绕组和辅助绕组，以接收采集的电压、电流信息；所述控制器控制连接所述电力电子变换器PEC，以实现在供电电压出现暂态或是稳态故障时维持负载电压的稳定。本发明综合了传统变压器和电力电子设备两者的优点，同时规避了两者各自单独应用时存在的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统领域，更具体地，涉及一种具有电压支撑能力的混合型配电变压器。

背景技术

系统侧短路故障频繁，非常容易引起用户供电电压不同程度的跌落和不对称，一般持续时间从约100毫秒到数秒不等。许多用电设备对电压质量和供电可靠性要求很高，因此短路故障造成的电压暂降会造成巨大的经济损失。同时电网暂态故障引起的电压不对称、电压跌落或闪变等问题也易导致分布式新能源发电设备及其它设备脱网，严重影响分布式能源、微电网和柔性负荷的安全接入和运行。

作为现有配电网针对电压跌落支撑和电压质量管理的常用方案，统一电能质量管理器（UPQC）、动态电压调节器（DVR）等串联型补偿设备可实现对终端用户的电压治理，其示意图如图1、2所示。现有的串联型补偿设备需要经串联变压器来输出补偿电压，而串联变压器的投入会进一步增大初始投资和体积，不利于提高设备集成度；

基于全电力电子模块的电力电子变压器可快速隔离短路环路，也能较好地解决配电网节点变压和终端电压控制问题，但其存在结构复杂、成本昂贵、可靠性较低、运行经验不足、维护困难、供电损耗较大等问题；

在电压等级交汇点的配电变压器是供电关键节点，但传统电磁型工频变压器虽具有高效、成熟、可靠、经济的优势，却存在潮流不可控、无电能质量控制校正作用等缺点，更不具有短路故障的隔离能力。

混合型配电变压器（HDT）是对传统配电变压器进行改进设计，并将电力电子变换器接入其中的一类新型配电变压器，借助电力电子变换器灵活的控制功能，其能够对负载电压进行实时控制。但当前已提出的针对电压支撑的混合型配电变压器配置方案中，若无提高输出用的串联变压器，则变换器直流母线的额定电压将完全决定于所在配电网场景下的电压跌落深度，无论是接入到高压还是低压级都会导致变换器的选型受限，造成经济性大大降低。

因此，急需提供一种新的配电变压器解决方案。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明第一方面提供了一种具有电压支撑能力的混合型配电变压器，包括具有特殊磁路结构的单相配电变压器、电力电子变换器PEC、输出滤波器和控制器；

所述单相配电变压器的特殊磁路结构为在传统单相配电变压器基础上增设旁柱铁心并附加辅助绕组；

所述电力电子变换器PEC经输出滤波器接到辅助绕组上，所述电力电子变换器PEC的直流侧连接有储能装置；

所述控制器采集连接单相配电变压器原边绕组和辅助绕组，以接收采集的电压、电流信息；

所述控制器控制连接所述电力电子变换器PEC，以实现在供电电压出现暂态或是稳态故障时维持负载电压的稳定。

基于上述，所述电力电子变换器PEC采用单相桥式全控电路。

基于上述，辅助绕组的额定电压

式中，

本发明第二方面提供了一种所述的具有电压支撑能力的混合型配电变压器的控制方法：

根据采集的单相配电变压器原边绕组和辅助绕组的电压、电流信息，所述控制器生成相应的调制信号；

根据所述调制信号，所述控制器控制所述电力电子变换器PEC的输出，以控制辅助绕组的电压，实现在供电电压出现暂态或是稳态故障时维持负载电压的稳定。

基于上述，所述控制器生成相应的调制信号的方法包括：

根据原边绕组的电压计算得到所需补偿的电压量，再结合辅助绕组和原边、副边绕组之间的匝数关系，将计算得到的需补偿的电压量转换为辅助绕组的电压指令值，根据辅助绕组的电压指令值进行跟踪控制。

本发明的技术方案，相对于传统的用户定制电力技术以及全电力电子模块构成的电力电子变压器，具有以下技术效果：

1、本发明的混合型配电变压器综合了传统变压器和电力电子设备两者的优点，同时规避了两者各自单独应用时存在的问题，基于价廉、成熟、低耗和可靠的电磁型工频配电变压器传输日常功率，通过与之相集成的电力电子装置实现稳态、暂态故障下电压支撑，为配电网电压跌落问题提供了替代解决方案和思路。

2、本发明的混合型配电变压器，可以根据可能的工作环境以及需要补偿的电压值灵活选择辅助绕组的匝数，从而使得电力电子设备在耐压水平和通流能力之间进行折中，在相同成本下最大化利用补偿容量。

3、本发明的混合型配电变压器，通过配电变压器非常规的磁路设计，将常规方案如UPQC、DVR输出电压所需额外的串联变压器集成到一个变压器里，降低了铁心材料、绕组、占地面积和一些辅助设备的制造成本。

4、本发明的混合型配电变压器，通过采集配电变压器原边和辅助绕组的电压电流信息，实现对负载电压的综合控制调节，在供电电压出现暂态或是稳态故障时能维持负载电压的稳定，实现电压质量管理的同时大大提升电网供电效率和可靠性。

5、本发明的混合型配电变压器通过在配电变压器这一配电网功率交互的关键节点进行集中补偿，相对于分散的用户就地补偿方式而言，其能够通过统一协调的管理，主动参与配电网整体的电压质量管理，提升总体补偿容量的效率。

附图说明

图1为现有配电网电压质量管理方案DVR的示意图。

图2为现有配电网电压质量管理方案UPQC的示意图。

图3为本发明的混合型配电变压器的整体结构示意图。

图4为本发明的混合型配电变压器中单相配电变压器的磁路结构图。

图5为本发明的混合型配电变压器的控制模型。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图3所示，本实施例提供一种具有电压支撑能力的混合型配电变压器，包括具有特殊磁路结构的单相配电变压器、电力电子变换器PEC、输出滤波器和控制器；

所述单相配电变压器的特殊磁路结构为在传统单相配电变压器基础上增设旁柱铁心并附加辅助绕组；

所述电力电子变换器PEC经输出滤波器接到辅助绕组上，所述电力电子变换器PEC的直流侧连接有储能装置；

所述控制器采集连接单相配电变压器原边绕组和辅助绕组，以接收采集的电压、电流信息；

所述控制器控制连接所述电力电子变换器PEC，以实现在供电电压出现暂态或是稳态故障时维持负载电压的稳定。

本实施例中的单相配电变压器的特殊磁路结构如图4所示，根据磁路的欧姆定律以及基尔霍夫定律，对磁路结构进行机理分析。当单相配电变压器无漏感且耦合系数为1，即漏磁通为0，此时根据磁路的基尔霍夫磁通定律，进入闭合面的磁通等于流出闭合面的磁通，则有交链原边、辅助、副边绕组的主磁通Φ

本实施例中，设定单相配电变压器的原边绕组额定电压为10kV，副边绕组额定电压为400V，由前述磁路结构的机理分析可知，辅助绕组额定电压与辅助绕组匝数和原副边绕组之间的匝数关系以及所需支撑的最大电压跌落深度有关，辅助绕组流经的最大电流则与辅助绕组和原副边绕组之间的匝数关系以及负载电流有关：

式中，

基于上述公式（1）、（2），可以根据可能的工作环境灵活选择辅助绕组的匝数，使得电力电子设备在耐压水平和通流能力之间进行折中，在相同成本下最大化利用补偿容量。

本实施例中的电力电子变换器PEC采用单相桥式全控电路，通过直流侧连接的储能装置供电。当原边绕组提供的功率因发生故障而减少时，通过利用储能装置维持PEC直流母线电压不变，再用辅助绕组提供功率缺额。

本实施例中的输出滤波器采用LC型滤波器，能够有效滤除电力电子变换器PEC输出电压中的高频谐波。

实施例2

如图5所示，本实施例提供一种实施例1所述的具有电压支撑能力的混合型配电变压器的控制方法：

根据采集的单相配电变压器原边绕组和辅助绕组的电压、电流信息，所述控制器生成相应的调制信号；

根据所述调制信号，所述控制器控制所述电力电子变换器PEC的输出，以实现在供电电压出现暂态或是稳态故障时维持负载电压的稳定。

具体的，当原边绕组的电压一定时，通过控制铁心旁柱上辅助绕组电压实现对负载电压的调节和控制。

所述控制器生成相应的调制信号的方法包括：

根据上述公式，由原边绕组的跌落电压

需要说明的是，由于配电变压器在正常工况和电压跌落的故障工况下，铁芯漏磁阻很大，因此，在计算辅助绕组补偿电压指令值时，不考虑漏磁通对中心柱辅助绕组电压补偿的影响。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。