CN110391674B - 一种台区专用变流器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种台区专用变流器及其控制方法，台区专用变流器包括功率模块，启动模块，隔离变压器，检测模块，滤波模块，直流电容，控制模块，显控模块，直流接口，通信模块，辅助部分；基于变流器结构功能的基础上提供了控制方法为：实时监测配电变压器输出三相电压、电流，通过检测模块和控制模块决定变流器工作状态还是待机状态，工作状态包括一阶段仅由变流器提供无功补偿，或二阶段由变流器和储能电池提供无功和有功补偿，或仅作为整流装置给储能电池充电。本发明解决配变台区重载的同时，有效降低了三相不平衡度，减小了配电台区储能电池容量配置要求，节省了变流器和整个***的占地面积。

Description

一种台区专用变流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及配电台区治理技术领域，具体涉及一种台区专用变流器及其控制方法。
背景技术
随着城乡电气化水平的不断提高，城乡企业经济量不断扩大，配网负荷不断攀升，日负荷峰谷差逐步拉大，台区配变直接为终端用电负荷供电，受用电负荷影响，导致低压台区配变重过载、电压越限导致的跳闸现象频发。经实践及调研发现，配电台区重载或过载现象大部分伴随着三相不平衡，其中其中一相出现严重过载情况，导致中性点电压偏移，中性线流过大电流，三相电压不对称引起配变跳闸。
目前通过配变容量升级，改造线路的方式可以有效解决台区配变重载过载的情况，但改造周期长，且无法解决线路负载三相不平衡问题，设备利用率低甚至增大线损；通过加装电容器组的方式只能补偿无功，静止无功发生器SVG无功补偿装置可以一定程度治理三相不平衡，抵消不平衡时出现的负序电流和零序电流，但无法提供有功功率，解决配变过载难题；通过人工改线调相对负荷网络进行功率调整，这种处理方式难以满足暂态稳定性的要求，且效果差。
专利201620102238.X公开的一种三相不平衡智能装置，通过采用多组电感-电容三角形和星形补偿网络，由补偿控制器确定指标平衡组合补偿网络，利用剩余电感-电容给出网损最小化方案，这种方法可以元件利用最高化，但电容电感存储能量特性导致装置实时响应能力有限，且无法提供有功支撑；
专利201710036893.9公开了一种多变流器型三相不平衡负荷综合调节***结构及控制策略，多个变流器并联在三相四线制电网***中，多模块高/低性能互补协调变流器并网，采取分配补偿替代传统综合补偿控制策略，靠近变压器低压侧第一个变流器为高性能变流器，起到滤除电网三相不平衡谐波电流，其余低性能变流器平均分配控制三相不平衡有功电流和无功电流。本发明达到了平衡三相有功、无功补偿和谐波治理功能的分配控制目的，改善了电能质量，提高配电变压器功率因素，进而提高了变压器寿命及效率。
综合治理配电台区配变重载过载，三相不平衡，无功补偿等问题给电力公司提出了更高要求，需要综合考虑配置设备的治理能力，容量，占地面积，成本，建设周期等多方面限制。现有无功补偿装置治理能力有限；通过并联储能变流器可以达到治理三相不平衡和提供有功功率的目的，但是***占地面积大，成本高于台区配套范围。
发明内容
本发明的目的，针对现有技术的不足，进行改进，提出一种台区专用变流器及其控制方法，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种台区专用变流器，包括直流电容，功率模块，启动模块，滤波模块，隔离变压器，检测模块，控制模块，显控模块，直流接口，通信模块和辅助部分；其中，直流接口、直流电容、功率模块、启动模块、滤波模块、隔离变压器依序连接，辅助部分和控制模块连接功率模块，检测模块连接控制模块和负载的低压配电柜，检测模块还连接至隔离变压器，直流接口连接至储能电池，显控模块用于进行结果显示；通过检测模块检测负载的低压配电柜输出侧电流、电压信息并进行计算，根据计算结果控制功率模块实时发出或吸收无功电流，以消除台区配变三相不平衡导致的重载过载，同时借助直流接口连接的储能电池发出或吸收有功功率。
根据上述方案，控制模块包含核心控制处理器，用于对采样信号进行计算，通过逻辑判断，闭环控制，保护控制，脉宽调制控制发出调制波形驱动功率器件发出和吸收有功、无功；通信模块用于变流器内部与外部之间的通信，通信接口包含以太网、串口485、CAN总线，通信规约包含modbus和104协议。
根据上述方案，显控模块具有对外人机控制触摸屏，分为本地模式和远方控制模式；其中，本地模式为通过触摸屏控制输出有功功率和无功功率；远方控制模式包括无人值守模式和接收上级调度控制模式；此外，触摸屏显示变流器输出电流，电压，电网电流，电压，下级储能电池等***的运行参数、报警信息和事件记录，同时进行充放电启停控制。
根据上述方案，检测模块通过检测配电变压器低压侧输出电压、电流或者直接读取配变低压侧CT、PT电流电压信息，同时采集变流器输出电流电压信息，作为控制模块输入量。
根据上述方案，功率模块为基于全控器件IGBT的桥式双向变流电路，通过控制IGBT的导通与关断，调节交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，吸收或发出无功功率；或向电网发出或吸收有功功率，实现电网能量与下级储能电池能量的双向流通；滤波模块由LC滤波或LCL滤波器件构成，用于消除输出电流中包含的高次谐波成分。
根据上述方案，直流电容作为桥式变流器储能元件，一方面输出直流电压通过逆变桥将直流电压逆变为交流电压；另一方面稳定直流母线电压，存储能量，提供双向变流器所需要的纹波变流；启动模块包含启动电阻和旁路开关，旁路开关与启动电阻串并联，启动时启动电阻投入为防止启动瞬间烧毁直流电容和功率器件，并对电容进行预充电；启动后通过旁路开关旁路掉启动电阻，减小有功损耗。
根据上述方案，隔离变压器为低压隔离变压器，一端与电网相连，另一端接启动模块，具有电气绝缘，抑制高频谐波串入控制回路，降低二次侧电压输入要求的作用；直流接口为接入储能电池直流电气接口；辅助部分包含交直流断路器、接触器，220V电源接口，辅助UPS电源接口。
一种台区专用变流器控制方法，用于对前述技术方案所述的台区专用变流器进行控制，包括：
通过变流器检测模块实时监测配电变压器输出三相电压、电流，控制模块根据检测数据分别判断配变三相负载率是否达到阈值D1；
若其中一相达到，变流器进入一阶段调节状态，并通过控制模块计算出三相需要补偿的无功电流；
控制模块记及变流器一阶段调节状态补偿的无功电流，模拟计算出配变三相负载率并判断是否达到阈值D1；若否，变流器处于一阶段补偿状态，只提供三相无功补偿，直到三相负载率低于阈值D2；若是，变流器进入二阶段补偿状态，同时补偿有功功率和无功功率，并通过控制模块确定补偿值，驱动功率开关器件导通和关断，输出相应有功和无功，直至三相负载率低于阈值D2；
在配变三相负载率未达到阈值D1时，判断储能电池电量是否需要补偿，若是则变流器主动控制对电池充电，直至储能电池电量恢复至设定值。
根据以上方案，变流器一阶段补偿为无功补偿，通过调节桥式变流器交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，在连接隔离变压器的作用下，吸收或者发出无功，达到动态无功补偿解决配变单相重载过载目的；变流器二阶段补偿同时补偿有功功率和无功功率，优先通过补偿无功的方式，以额定无功输出抵消三相不平衡产生的负序和零序电流，其次通过逆变的方式由储能电池提供剩余有功功率。
根据以上方案，负载率阈值为负载与配电变压器容量的比值，其中D1＞D2；储能电池电量用单体电池电压或储能电池荷电状态(SOC)来表征。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种台区专用变流器及其控制方法，采取分阶段补偿方式，优先补偿无功功率的方式，解决因单相负荷容量较大，三相不平衡严重导致的配变重载过载问题，在无功补偿无法解决配变重载过载问题时，控制变流器同时输出有功和无功功率，这种变流器设计和控制方法，能实时动态平滑补偿无功功率和有功功率，并实现容性和感性无功功率，有功功率的双向补偿，在解决配变台区重载的同时，有效降低了三相不平衡度；同时有效降低了配电台区储能电池容量配置要求，节省了变流器和整个***的占地面积，提高了经济性，具有更高的推广价值。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明台区专用变流器装置结构图；
图2是控制模块电流直接控制方法；
图3是控制模块电流间接控制方法；
图4是功率模块二电平拓扑结构；
图5是功率模块三电平拓扑结构。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明台区专用变流器装置结构图，包括直流电容，功率模块，启动模块，滤波模块，隔离变压器，检测模块，控制模块，显控模块，直流接口，通信模块和辅助部分；其中，直流接口、直流电容、功率模块、启动模块、滤波模块、隔离变压器依序连接，辅助部分和控制模块连接功率模块，检测模块连接控制模块和负载的低压配电柜，检测模块还连接至隔离变压器，直流接口连接至储能电池，显控模块用于进行结果显示；通过检测模块检测负载的低压配电柜输出侧电流、电压信息并进行计算，根据计算结果控制功率模块实时发出或吸收无功电流，以消除台区配变三相不平衡导致的重载过载，同时借助直流接口连接的储能电池发出或吸收有功功率。
根据上述方案，控制模块包含核心控制处理器，用于对采样信号进行计算，通过逻辑判断，闭环控制，保护控制，脉宽调制控制发出调制波形驱动功率器件发出和吸收有功、无功；通信模块用于变流器内部与外部之间的通信，通信接口包含以太网、串口485、CAN总线，通信规约包含modbus和104协议。
根据上述方案，显控模块具有对外人机控制触摸屏，分为本地模式和远方控制模式；其中，本地模式为通过触摸屏控制输出有功功率和无功功率；远方控制模式包括无人值守模式和接收上级调度控制模式；此外，触摸屏显示变流器输出电流，电压，电网电流，电压，下级储能电池等***的运行参数、报警信息和事件记录，同时进行充放电启停控制。
根据上述方案，检测模块通过检测配电变压器低压侧输出电压、电流或者直接读取配变低压侧CT、PT电流电压信息，同时采集变流器输出电流电压信息，以及功率模块温度，外接储能电池信息，作为控制模块输入量。
根据上述方案，功率模块为基于全控器件IGBT的桥式双向变流电路，通过控制IGBT的导通与关断，调节交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，吸收或发出无功功率；或向电网发出或吸收有功功率，实现电网能量与下级储能电池能量的双向流通；滤波模块由LC滤波或LCL滤波器件构成，用于消除输出电流中包含的高次谐波成分。
根据上述方案，直流电容作为桥式变流器储能元件，一方面输出直流电压通过逆变桥将直流电压逆变为交流电压；另一方面稳定直流母线电压，存储能量，提供双向变流器所需要的纹波变流；启动模块包含启动电阻和旁路开关，旁路开关与启动电阻串并联，启动时启动电阻投入为防止启动瞬间烧毁直流电容和功率器件，并对电容进行预充电；启动后通过旁路开关旁路掉启动电阻，减小有功损耗。
根据上述方案，隔离变压器为低压隔离变压器，一端与电网相连，另一端与变流器滤波模块相连，具有电气绝缘，抑制高频谐波串入控制回路，降低二次侧电压输入要求的作用；直流接口为接入储能电池直流电气接口；辅助部分包含交直流断路器、接触器，220V电源接口，辅助UPS电源接口。
所述控制模块包含高速工业级DSP核心处理器并配有功能强大的FPGA芯片，计算与逻辑处理采用全数字化技术实现闭环控制，保护逻辑控制，完成无功和有功功率的输出和吸收控制；所述闭环控制可以是电流直接控制，如图2所示；也可以是电流间接控制，如图3所示。
所述通信模块通过串口通信方式与显控模块相连，通过串口或以太网方式与上级监控和下级储能电池进行信息互通，通信协议采用modbus或104规约。
所述功率模块为全控器件IGBT的双向变流电路，所述双向变流电路可以是二电平结构如图4所示，也可以是三电平结构，如图5所示甚至是串联(多电平)或并联(多重化)链式拓扑结构，所述二电平结构适用于小用量低电压等级，所述多电平或链式拓扑结构可以达到更高的电压等级和容量要求。
本发明提供了一种台区专用变流器控制方法，用于对前述技术方案所述的台区专用变流器进行控制，包括步骤：
1)通过变流器检测模块实时监测配电变压器输出电压、电流，控制模块根据检测数据分别判断配变三相负载率是否达到变流器启动阈值D1。
2)若其中一相负载率达到变流器启动阈值，变流器进入一阶段调节状态，并通过控制模块计算出三相需要补偿的无功电流。
3)控制模块记及变流器一阶段调节状态补偿的无功电流，模拟计算配变三相负载率并判断三相负载率是否高于阈值D1；若否，变流器进行一阶段补偿，只提供无功补偿，直到三相负载率低于阈值D2；若是，变流器进入二阶段补偿状态，同时补偿有功功率和无功功率，并通过控制模块确定补偿值并驱动功率开关器件导通和关断，输出相应有功和无功，直至三相负载率低于阈值D2；若在如果配变重载，判断配变是三相均达到计算需求有功值，控制储能***放电；
5)在配变三相负载率未达到阈值D1时，判断储能电池是否需要补偿电量，若是则变流器主动控制对电池充电，直至储能电池SOC恢复至设置值。
所述变流器一阶段补偿为无功补偿，即通过调节桥式变流器交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，在连接隔离变压器的作用下，吸收或者发出无功，实现动态无功补偿的目的；
所述变流器二阶段补偿同时补偿有功功率和无功功率，优先通过补偿无功的方式，以额定无功输出抵消三相不平衡产生的负序和零序电流，其次通过逆变的方式由储能电池提供剩余有功功率。
所述负载率阈值为负载与配电变压器容量的比值，其中D1＞D2；储能电池电量用单体电池电压或储能电池荷电状态(SOC)来表征。
本发明提供的一种台区专用变流器及其控制方法，采取分阶段补偿方式，优先补偿无功功率的方式，解决因单相负荷容量较大，三相不平衡严重导致的配变重载过载问题，在无功补偿无法解决配变重载过载问题时，控制变流器同时输出有功和无功功率，这种变流器设计和控制方法，能实时动态平滑补偿无功功率和有功功率，并实现容性和感性无功功率，有功功率的双向补偿，在解决配变台区重载的同时，有效降低了三相不平衡度；同时有效降低了配电台区储能电池容量配置要求，节省了变流器和整个***的占地面积，提高了经济性，具有更高的推广价值。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种台区专用变流器的控制方法，用于对台区专用变流器进行控制，所述台区专用变流器包括：
直流电容，功率模块，启动模块，滤波模块，隔离变压器，检测模块，控制模块，显控模块，直流接口，通信模块和辅助部分；其中，直流接口、直流电容、功率模块、启动模块、滤波模块、隔离变压器依序连接，辅助部分和控制模块连接功率模块，检测模块连接控制模块和负载的低压配电柜，检测模块还连接至隔离变压器，直流接口连接至储能电池；通信模块通过串口通信方式与显控模块相连，显控模块用于进行结果显示；通过检测模块检测负载的低压配电柜输出侧电流、电压信息并进行计算，根据计算结果控制功率模块实时发出或吸收无功电流，以消除台区配变三相不平衡导致的重载过载，同时借助直流接口连接的储能电池发出或吸收有功功率；
其特征在于，包括步骤：
通过变流器检测模块实时监测配电变压器输出三相电压、电流，控制模块根据检测数据分别判断配变三相负载率是否达到变流器启动阈值D1；
若其中一相达到D1，变流器进入一阶段调节状态，并通过控制模块计算出三相需要补偿的无功电流；
控制模块记及变流器一阶段调节状态补偿的无功电流，模拟计算出配变三相负载率并判断是否达到阈值D1；若否，变流器处于一阶段补偿状态，只提供三相无功补偿，直到三相负载率低于变流器预设阈值D2；若是，变流器进入二阶段补偿状态，同时补偿有功功率和无功功率，并通过控制模块确定补偿值，驱动功率开关器件导通和关断，输出相应有功和无功，直至三相负载率低于阈值D2；
在配变三相负载率未达到阈值D1时，判断储能电池电量是否需要补偿，若是则变流器主动控制对电池充电，直至储能电池电量恢复至设定值。
2.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，变流器一阶段补偿为无功补偿，通过调节桥式变流器交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，在连接隔离变压器的作用下，吸收或者发出无功，达到动态无功补偿解决配变单相重载过载目的；变流器二阶段补偿同时补偿有功功率和无功功率，优先通过补偿无功的方式，以额定无功输出抵消三相不平衡产生的负序和零序电流，其次通过逆变的方式由储能电池提供剩余有功功率。
3.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，负载率阈值为负载与配电变压器容量的比值，其中D1＞D2；储能电池电量用单体电池电压或储能电池荷电状态(SOC)来表征。
4.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，控制模块包含核心控制处理器，用于对采样信号进行计算，通过逻辑判断，闭环控制，保护控制，脉宽调制控制发出调制波形驱动功率器件发出和吸收有功、无功；通信模块用于变流器内部与外部之间的通信，通信接口包含以太网、串口485、CAN总线，通信规约包含modbus和104协议。
5.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，显控模块与控制模块通信连接，具有对外人机控制触摸屏，分为本地模式和远方控制模式；其中，本地模式为通过触摸屏控制输出有功功率和无功功率；远方控制模式包括无人值守模式和接收上级调度控制模式；此外，触摸屏显示变流器输出电流，电压，电网电流，电压，下级储能电池等***的运行参数、报警信息和事件记录，同时进行充放电启停控制。
6.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，检测模块通过检测配电变压器低压侧输出电压、电流或者直接读取配变低压侧CT、PT电流电压信息，同时采集变流器输出电流电压信息，作为控制模块输入量。
7.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，功率模块为基于全控器件IGBT的桥式双向变流电路，通过控制IGBT的导通与关断，调节交流侧输出电压的幅值与电网侧的幅值进行比较，吸收或发出无功功率；或向电网发出或吸收有功功率，实现电网能量与下级储能电池能量的双向流通；滤波模块由LC滤波或LCL滤波器件构成，用于消除输出电流中包含的高次谐波成分。
8.据权利要求7所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，直流电容作为桥式变流器储能元件，一方面输出直流电压通过逆变桥将直流电压逆变为交流电压；另一方面稳定直流母线电压，存储能量，提供双向变流器所需要的纹波变流；启动模块包含启动电阻和旁路开关，旁路开关与启动电阻串并联，启动时启动电阻投入为防止启动瞬间烧毁直流电容和功率器件，并对电容进行预充电；启动后通过旁路开关旁路掉启动电阻，减小有功损耗。
9.据权利要求1所述的台区专用变流器的控制方法，其特征在于，隔离变压器为低压隔离变压器，一端与电网相连，另一端接启动模块，具有电气绝缘，抑制高频谐波串入控制回路，降低二次侧电压输入要求的作用；直流接口为接入储能电池直流电气接口；辅助部分包含交直流断路器、接触器，220V电源接口，辅助UPS电源接口。
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