一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统和方法

1.本发明属于变压器领域，具体涉及一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统和方法。


背景技术：

2.随着科技水平进步和经济快速发展，人类对能源的利用率越来越高，在各种各样的能源之中，电能是人们生产生活中最主要的能量来源，因此有关电能的节约、电能质量的调节，一直广泛的受到各界关注。电能损耗同时也会影响电网的安全性和经济性。
3.光伏发电式目前最常用的一种新能源，作为分布式能源的一种广泛的应用于各级各类微电网系统中。然而由于光照的不确定性会导致光伏发电量频繁的波动，使得连接于光伏逆变器输出侧的升压变压器难以长期工作在额定状态。这会造成较大的空载损耗。
4.针对光伏升压变压器由于发电不确定性造成的空载损耗问题，现在的解决方案主要从变压器铁芯材料方面入手，选取损耗较低的铁芯材料，比如非晶合金材料，同等容量等级下相比于传统的硅钢材料可以降低60％的空载损耗。
5.然而这些现有的技术针对的节能角度过于单一，传统的非晶合金变压器无法实现容量自适应的调节。而现有的调容变压器都仅仅是针对配电网的降压变压器设计的，且难以实现无电弧、快速调容。所以需要设计一种适用于光伏升压变压器的电力电子式非晶合金调容变压器。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统和方法，目的在于解决传统光伏发电系统发电逆变端的升压变压器无法实现容量调节的问题，同时克服传统调容变压器无法实现快速、无电弧切换容量的缺点。
7.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统，包括变压器本体，所述变压器本体的一侧为低压输入侧，另一侧为高压输出侧；
9.所述低压输入侧连接有逆变器，所述逆变器连接有光伏电源；所述高压输出侧连接有中压输电网；
10.所述低压输入侧包括三个并联的低压端输入侧晶闸管阀组，每一个低压端输入侧晶闸管阀组包括并联的第二电感和第三电感，第二电感的第一端和第三电感的第一端同时和逆变器的输出端连接，第二电感的第二端和第三电感的第二端同时连接有第一电感的第一端，三个输入侧晶闸管阀组中第一电感的第二端共同连接至变压器本体；第二电感的第一端和第三电感的第一端之间设置有一个双向晶闸管s
a5
、s
b5
或s
c5
，第二电感的第二端和第三电感的第二端之间设置有一个双向晶闸管s
a4
、s
b4
或s
c4
，第二电感的第一端和第三电感的第二之间设置有一个双向晶闸管s
a3
、s
b3
或s
c3
；
11.所述高压输出侧包括一个高压端输出侧晶闸管阀组(9)，高压端输出侧晶闸管阀
组(9)包括三个依次首尾相接的第四电感，三个第四电感组成三角形，每一个第四电感的第一端设置有一个双向晶闸管s
a1
、s
b1
或s
c1
；每一个双向晶闸管s
a1
、s
b1
或s
c1
和对应连接的第四电感之间设置有分支，所述分支上设置有一个双向晶闸管s
a2
、s
b2
或s
c2
，三个分支上双向晶闸管s
a2
、s
b2
和s
c2
的第二端连接；
12.所述逆变器的输出端、中压输电网的输入端、低压端输入侧晶闸管阀组和高压端输出侧晶闸管阀组共同连接至控制器。
13.本发明的进一步改进在于：
14.优选的，所述变压器本体包括磁芯、及缠绕在磁芯、上的绕组；
15.所述磁芯、为非晶合金。
16.优选的，每一个低压端输入侧晶闸管阀组、设置有一个输入驱动端口、和一个输入检测端口、。
17.优选的，所述低压端输入侧通过输入电压端口、和逆变器连接。
18.优选的，所述高压端输出侧晶闸管阀组、上设置有输出驱动端口、和输出检测端口、。
19.优选的，所述高压端输出侧通过输出电压端口、和中压输电网连接。
20.优选的，所述控制器、包括主控板，主控板同时连接有驱动电路板、电能能量管理控制板、脉冲发生电路板和5g通信模块。
21.优选的，所述驱动电路板用于驱动每一个双向晶闸管的通断；所述电能能量管理控制板用于从逆变器的输出端采集电压电流信号，从中压输电网的输入端采集电流信号；所述脉冲发生电路板用于将主控板的电平信号转换为脉冲信号，将脉冲信号输入至电能能量管理控制板；所述5g通信模块用于主控板和上位机通信。
22.一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统的调容方法，计算调容系统的调容点，当逆变器一侧的输出功率小于调容点时，调整低压端输入侧晶闸管阀组及高压端输出侧晶闸管阀组，降低调容系统的调容点；
23.当逆变器一侧的输出功率大于调容点时，判断中压输电网的输入功率是否大于调容点，如果中压输电网的输入功率大于调容点，升高调容系统的调容点，如果中压输电网的输入功率小于调容点，降低调容系统的调容点。
24.优选的，降低调容系统的调容点的过程为：
25.针对高压输出侧，当流过双向晶闸管s
a1
的电流为零时，触发双向晶闸管s
a2
；当流过双向晶闸管s
b1
的电流为零时，触发双向晶闸管s
b2
；当流过双向晶闸管s
c1
的电流为零时，触发双向晶闸管s
c2
；
26.针对低压输入侧，当流过双向晶闸管s
a5
和s
a4
的电流均为0时触发双向晶闸管s
a3
；当流过双向晶闸管s
b5
和s
b4
的电流均为0时触发双向晶闸管s
b3
；当流过双向晶闸管s
c5
和s
c4
的电流均为0时触发双向晶闸管s
c3
；
27.提高调容系统的调容点的过程为：
28.针对高压输出侧，当流过双向晶闸管s
a2
的电流为零的时候触发双向晶闸管s
a1
；当流过双向晶闸管s
b2
的电流为零时，触发双向晶闸管s
b1
；当流过晶闸管s
c2
的电流为零的时候触发晶闸管s
c1
；
29.针对低压输入侧，当流过双向晶闸管s
a3
的电流为0时，触发双向晶闸管s
a5
和s
a4
；当
流过双向晶闸管s
b3
的电流为0时，触发双向晶闸管s
b5
和s
b4
；当流过双向晶闸管s
c3
的电流为0时，触发双向晶闸管s
c5
和s
c4
。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.本发明公开一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统。该调容变压器包括升压式调容变压器本体，低压一次侧双向晶闸管阀组，高压二次侧双向晶闸管阀组。以及包含有驱动电路，信号调理电路，主控电路，电压电流检测电路，开关电源，5g通信模块的集成化主控制系统。本变压器作为升压式变压器可以广泛的运用在光伏发电逆变器的输出端，该系统的电力电子式的调容变压器可以解决光伏发电波动性造成的变压器容量不匹配的多余损耗，以及可以快速的实现无电弧调容的暂态过程，保证了调容的快速性，也保证了供电的质量。同时使用了非晶合金作为变压器的铁芯材料可以进一步的降低变压器的空载损耗。
32.本发明还公开了一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容方法，该方法针对光伏发电的波动性问题，变压器会检测电源侧发电功率大小、负载侧功率大小，然后控制器根据内部设置的控制算法与策略快速、无电弧、平滑的进行两个容量之间的切换进而降低变压器的损耗。同时非晶合金材料的引入可以最大限度发挥此调容变压器节能降损的目的。
附图说明
33.图1为本发明一种电力电子式非晶合金光伏用调容变压器结构示意图。
34.图2为本发明一种电力电子式非晶合金光伏用调容变压器结构示意图。
35.图3为本发明电力电子式非晶合金光伏用调容变压器电路图。
36.图4为本发明电力电子式非晶合金光伏用调容策略流程图。
37.其中，1-控制器；2-低压端输入侧晶闸管阀组；3-输入驱动端口；4-输入检测端口；5-输入电压端口；6-输出电压端口；7-输出驱动端口；8-输出检测端口；9-高压端输出侧晶闸管阀组；10-磁芯；11-底座。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
39.本发明公开了一种模块化电力电子式非晶合金有载无电弧调容系统，参见图1，该系统包括升压调容变压器本体，电力电子开关阀组、控制器1以及电流传感器模块。
40.控制器1由主控板(可以是dsp控制器、st等一系列市面主流的控制器)，双向晶闸管驱动电路板，电能能量管理控制板、脉冲发生电路板和5g通信模块组成。双向晶闸管驱动电路、电能能量管理控制板、脉冲发生电路板、5g通信模块均和主控板连接。主控板输出15路控制信号，一个双向晶闸管和一个双向晶闸管驱动电路对应连接，每一路控制信号输入到一块双向晶闸管驱动电路板，每一块驱动电路板的输出信号输入到一个双向晶闸管用于控制其开断。电能能量管理控制板用于检测系统高压输出侧的电流信号，(高压输出侧的电压信号为固定值和电网的电压等级有关)，以及低压输入侧的电压和电流信号，进而计算出有功和无功能量的大小传输给主控板进行控制决策。脉冲发生电路板用于将主控板的电平信号转换为脉冲信号输入到双向晶闸管驱动电路板，测试低压输入侧的电压的电压传感集
成在电能能量管理控制板上，对通过电能能量管理控制板采集的电压值进行电压值采样，最后5g通信模块用于控制器和位于用户侧的上位机进行通信，方便集中调度运行。
41.变压器的本体和电力电子开关阀组关系的拓扑结构如图1所示，本发明设计的调容系统主要使用场景是连接光伏逆变器和中压输电网。相较于传统的调容变压器，此调容系统的输出端是35kv的中高压连接在中压输电网，而调容系统的输入端则为光伏逆变器输出的中低压。因此在进行调容策略的切换上需要综合考虑电源侧的功率和负载侧的功率来进行判断并进行相应的容量切换。
42.参见图1，电力电子开关的晶闸管阀组被设计为高压侧和低压侧两类，高压侧和低压侧分别设置在变压器本体的两侧；低压侧为输入侧，定义为低压输入侧，采用的是串并联式的拓扑结构，设计有3个分立的阀组，每一个阀组具有三个双向晶闸管，9个双向晶闸管作为调容开关。高压侧为输出侧，定义为高压输出侧，采用的y形和三角形互换的拓扑结构，采用六个晶闸管作为一个单独的阀组，作为调容开关。此外每一个双向晶闸管都具有一个电流传感器，用于主控板检测电流大小从而进行控制策略的选择。
43.参见图1、图2和图3为本发明一种电力电子式非晶合金光伏用调容变压器可能的结构示意图的一种，但并不限于此种结构示意图。
44.参见图2，本发明的变压器中设置有底座11，底座11上设置有控制器1，该控制器1中设置有1整个调容变压器集成的主控板、双向晶闸管驱动电路板，电能能量管理控制板、脉冲发生电路板和5g通信模块。控制器1上设置有显示屏以及若干个按键，控制器1的背面设置有44个接线端口，其中15个接线端口为输出接线端口，输出接线端口在控制器1内和双向晶闸管驱动电路板连接，每一个输出接线端口和一个双向晶闸管连接，用于输出双向晶闸管的驱动信号；另外15个接线端口为输入接线端口，所述输入接线端口在控制器1内和电能能量管理控制板连接，在控制器1外每一个接线端口和一个双向晶闸管连接，用于将采集的15路双向晶闸管的电流检测信号输入；剩下的12个接线端口用于检测低压侧和高压侧的三相电压和三相电流，另外还有2个接线端口用于从低压侧的逆变器引入单相交流电压，经过内部的开关电源模块为整个控制器进行辅助供电。
45.底座11上设置有磁芯10及在其上缠绕的绕组。变压器本体使用的磁芯10的材料为非晶合金，同等容量下非晶合金调容变压器的空载损耗相较于传统的硅钢材料的变压器的空载损耗可以降低约60％。
46.参见图2，磁芯10的一侧设置有三个低压端输入侧晶闸管阀组2，图2中只显示了阀组的外部散热片结构，每一个低压端输入侧晶闸管阀组2的内部集成有3个高耐压值的双向晶闸管以及3个电流传感器。更为具体的，参见图1，每一个低压端输入侧晶闸管阀组2的上部设置有用于驱动双向晶闸管的输入驱动端口3以及双向晶闸管电流电压检测的输出检测端口4。三个低压端输入侧晶闸管阀组2为并联的方式，每一相的低压端输入侧晶闸管阀组2和一相绕组连接，每一相的低压端输入侧晶闸管阀组2从低压输入侧至磁芯10的方向，设置有两个并联的电感，分别为第二电感和第三电感，两个并联的电感的第二端共同连接至第一电感，第一电感的第二端连接至一相绕组，第二电感的第一端和第三电感的第一端之间设置有一个双向晶闸管，第二电感的第一端和第三电感的第二端之间设置有一个双向晶闸管，第二电感的第二端和第三电感的第二端之间设置有一个双向晶闸管。以a相为例，第一电感为w
21
，第二电感为w
22
，第三电感为w
23
，w
22
和w
23
并联，w
22
的第二端和w
23
的第二端共同和w21
的第一端连接，w
22
的第二端和w
23
的第二端之间设置有开关s
a5
，w
22
的第二端和w
23
的第二端之间设置有开关s
a4
，w
22
的第一端和w
23
的第二端之间设置有开关s
a3
，w
22
的第一端和w
23
的第一端共同和逆变器输出的a相连接。b相和c相的连接方式同a相，此处不再赘述。每一相晶闸管阀组2通过输入电压端口5和逆变器的输出电压的一相连接。
47.参见图3，磁芯10的输出侧设置有高压端输出侧晶闸管阀组9。高压端输出侧晶闸管阀组9的末端设置有二次侧输出电压的输出电压端口6，二次侧输出电压的输出电压端口6和电压输电网连接。高压端输出侧晶闸管阀组9的每一相和各自对应的绕组连接，控制参见图3，只显示了高压端输出侧晶闸管阀组9外部的散热片的结构，其内部集成了6个双向晶闸管以及6个电流传感器。高压端输出侧晶闸管阀组9的上部设置有驱动双向晶闸管的输出驱动端口7以及晶闸管电流检测的输出检测端口9，输出驱动端口7通过输出接线端口和控制器1的双向晶闸管驱动电路板连接，输出检测端口9通过输入接线端口和控制器1中的电能能量管理控制板连接。高压端输出侧晶闸管阀门9由三个第四电感以三角形式连接，三个第四电感首尾相接，每一个第一电感的第一端设置有一个双向晶闸管，分别为s
a1
、s
b1
和s
c1
；s
a1
、s
b1
和s
c1
的第一端其对应的电感连接，第二端连接至中压输电网；s
a1
、s
b1
和s
c1
的第一端设置有分支，该分支上设置有一个双向晶闸管，分别为s
a2
、s
b2
和s
c2
；s
a2
、s
b2
和s
c2
的第一端和s
a1
、s
b1
和s
c1
的第一端连接，s
a2
、s
b2
和s
c2
的第二端连接于一点，组成y型的拓扑结构。
48.图1展示了此变压器在整个光伏电源系统中的连接方式以及控制方式。首先光伏电池板输出的直流电压经过逆变器输出为三相交流电压，此三相交流电压和调容变压器的低压侧abc相连接，变压器的高压侧输出35kv的高压并入电网。在调容的结构上，由于这是一个升压变压器，相比与传统的调容变压器，此调容变压器的三角形y形结构处于变压器的二次侧，串并联结构位于调容变压器的一次侧，这是出于对变压器电感耐流值以及双向晶闸管开关的耐压值的考虑。由于光伏用调容变压器的特殊性，相比普通配电侧的调容变压器需要同时检测光伏逆变器输入侧的电压电流以及输入电网侧的电流。一旦某一侧的功率大于调容点所对应的功率即可以出发调容信号，此时控制器会发出相应的触发驱动信号。
49.本发明针对的调容变压器的控制策略相比与传统的调容变压器需要检测的信号更多，相对应的变压器的控制策略也不一样。光伏电源在发电的过程中由于条件的不确定性会造成电源发电功率大小的不确定性，这就使得发出的功率具有随机性。传统的调容变压器解决的问题是针对负载侧的功率大小进行容量的调节，因为电网可以认为是一个具有无限大的功率源，但是运用在光伏电源的升压调容变压器则不一样，不仅仅需要考虑负载侧的功率大小，同时也需要考虑电源测发出的功率大小。具体的调容逻辑流程图如图4所示：
50.具体的调容逻辑流程图如图4所示，根据调容计算的算法，可以得到当前时刻下该调容变压器的调容点。一旦当发电侧的输出功率小于这个调容点的时候，需要控制调容开关动作将容量调节为小容量状态。如果发电侧的功率大于调容点的时候需要判断负载侧的功率大小，如果此时负载侧的功率同样大于调容点的时候，调容系统应该调节为大容量状态，而一旦负载侧的功率小于调容点的时候，需要将调容系统的容量调节为小容量的状态。
51.由于本发明针对的是电力电子式开关的调容变压器，可以通过一些控制策略实现无电弧有载的调容过程，且动作速度迅速。具体的切换策略为，以大容量调节至小容量的过程二次侧为例，因为在大容量的时候开关s
a1
、s
b1
、s
c1
开通，s
a2
、s
b2
、s
c2
闭合。所以在调节至小
容量的时候，需要闭合开关s
a1
、s
b1
、s
c1
，开通开关s
a2
、s
b2
、s
c2
。如果在关断即取消s
a1
、s
b1
、s
c1
双向晶闸管的触发信号的时候，立马施加触发信号给晶闸管s
a2
、s
b2
、s
c2
，有可能会导致六个晶闸管同时处于闭合状态造成电源短路损坏设备。所以本实施例提出的控制策略为：检测流过晶闸管s
a1
、s
b1
、s
c1
的电流，当流过晶闸管s
a1
的电流为零的时候触发晶闸管s
a2
；当流过晶闸管s
b1
的电流为零的时候触发晶闸管s
b2
；当流过晶闸管s
c1
的电流为零的时候触发晶闸管s
c2
；这样就可以避免电源短路损坏设备，同时也不用断电再进行容量调整进而保证了供电质量。针对一次侧的晶闸管以a相大容量调节至小容量的过程为例：先检测流过s
a5
和s
a4
的晶闸管的电流，等待流过这两个双向晶闸管的电流都为0之后再触发s
a3
晶闸管；针对一次侧的晶闸管以b相大容量调节至小容量的过程为例：先检测流过s
b5
和s
b4
的晶闸管的电流，等待流过这两个双向晶闸管的电流都为0之后再触发s
b3
晶闸管；针对一次侧的晶闸管以c相大容量调节至小容量的过程为例：先检测流过s
c5
和s
c4
的晶闸管的电流，等待流过这两个双向晶闸管的电流都为0之后再触发s
c3
晶闸管；这样就可以保证上一组晶闸管有效关断之后立马触发下一组晶闸管进而实现两种容量之间的无缝切换且不会发生电源短路的事故。
52.以小容量调节至大容量的过程二次侧为例，本实施例提出的控制策略为：检测流过晶闸管s
a2
、s
b2
、s
c2
的电流，当流过晶闸管s
a2
的电流为零的时候触发晶闸管s
a1
；当流过晶闸管s
b2
的电流为零的时候触发晶闸管s
b1
；当流过晶闸管s
c2
的电流为零的时候触发晶闸管s
c1
；这样就可以避免电源短路损坏设备，同时也不用断电再进行容量调整进而保证了供电质量。
53.针对一次侧的晶闸管以a相小容量调节至大容量的过程为例：先检测流过s
a3
的晶闸管的电流，等待流过这个双向晶闸管的电流为0之后再触发s
a5
和s
a4
晶闸管。针对一次侧的晶闸管以b相小容量调节至大容量的过程为例：先检测流过s
b3
的晶闸管的电流，等待流过这个双向晶闸管的电流为0之后再触发s
b5
和s
b4
晶闸管。针对一次侧的晶闸管以c相小容量调节至大容量的过程为例：先检测流过s
c3
的晶闸管的电流，等待流过这个双向晶闸管的电流为0之后再触发s
c5
和s
c4
晶闸管。
54.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。