虚拟变压器的运行控制方法技术

本发明专利技术提供了一种虚拟变压器的运行控制方法包括如下步骤：中压交流输入级控制步骤：采用dq解耦控制输入级整流器，电流内环分别控制有功电流和无功电流，电压外环联系直流侧电容电压和有功电流；隔离变压级控制步骤：采用单移相控制隔离变压级；逆变器控制步骤：采用电压外环和电流内环双环控制逆变器。本发明专利技术能够实现输入/输出交流电幅值等比例变换、相位同步功能；通过建立网间电压关系，网间可以相互提供电压支撑，同时方便归一化管理；能够提供即插即用的交流端口，无需额外检测端口电压；本发明专利技术的交流侧外特性与变压器相同，方便工程人员使用与理解。

【技术实现步骤摘要】
虚拟变压器的运行控制方法
本专利技术涉及配电领域，具体地，涉及一种虚拟变压器的运行控制方法。
技术介绍
目前，配电网正面向智能化、多能化发展。配电变压器是实现变压和功率传输的主要电气设备之一，其具有造价便宜、可靠性高的优点。然而，传统配电变压器空载损耗大，体积重量大，不具备故障隔离功能，且无法主动治理电能质量问题。同时，配电变压器无法有效管理大量分布式能源接入和直流配电需求。故新一代智能化配电网需要基于电力电子技术的新型智能化、综合化的电气设备。随着能源互联网和能量路由概念的提出，下一代智能化配电设备——固态变压器的架构、理论、技术和应用成为研究的主要方向。图1为固态变压器在能源互联网的应用场景。在以电能为主，冷热能、天然气等多种能量形式的能源互联网中，固态变压器承担着调配功率、提供负载接口、故障隔离等重要功能。在纯直流能量子网中，固态变压器表现为直流固态变压器；在交直流能量子网中，固态变压器表现为交直流混合固态变压器。目前，三级式固态变压器研究和应用较多，如图2为典型的三级式固态变压器结构。中压交流输入级将中压交流电变换为中压直流电，具备功率因数控制功能；隔离变压级将中压直流变换为低压直流，通过高频变压器实现电气隔离与电压等级转换；低压交流输出级将低压直流电变换为低压交流电。固态变压器在配电网中承担着功率传输枢纽的作用，可应用于源、网、荷间的互联。未来大规模分布式能源接入各等压等级母线，各级电网波动性提高，稳定性降低，需要网间相互提供功率支撑，这就对固态变压器的控制方法提出一定的要求。对比传统配电变压器，只要建立网间电压的关系，就能够实现网间电压相互支撑，提升系统的稳定性。现阶段对交流网之间互联的固态变压器，一端多采用恒定电压/频率控制，使其只能够单侧提供电压支撑。现有文献提出了基于能量平衡的固态变压器综合控制技术，固态变压器由多级电力电子变换单元组合而成,利用各级单元之间的能量传递关系实施综合控制可以提高固态变压器内部直流母线电压的瞬态性能,进而提高固态变压器的瞬态性能。本文首先建立固态变压器的能量模型,然后建立两条不同时间尺度的能量支路,根据其中的能量平衡关系分别设计了控制两级母线电压的能量平衡控制器,同时根据拓扑中各个级联模块之间的能量关系设计了用于级联模块的均压控制器。之后,对于实际系统中无源器件的参数差异对控制模型的影响进行分析,最后给出了基于能量平衡关系的固态变压器的并网运行综合控制策略。仿真结果证明了所提能量平衡控制方法的有效性,并分析了两级母线电容值变化分别对各自母线电压瞬态值的影响,说明采用能量平衡控制可以减少母线电容的设计余量。实验结果验证了理论分析和仿真结果的正确性。上述方案可实现整个基于固态变压器系统的功率平衡和直流母线电压定值控制。但是，母线电压均采用恒定值控制，其系统稳定、功率控制前提是主电网足够强大，当电网电压跌落时，各母线电压间无法提供电压支撑。现有文献提出了一种新型固态变压器的结构及其控制策略，能量路由器作为能源互联网的核心装置,关乎可再生能源的有效消纳以及电网的安全可靠运行。针对现有能量路由器拓扑结构的不足,提出一种适用于多电压等级交直流电网互联的新型能量路由器。首先分析新型能量路由器的拓扑结构,针对不同部分提出相应的控制方法。输入级为模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)结构,对其施以虚拟同步电机控制策略,使系统的惯性与阻尼增强。输出级功率灵活调节,使下级电网可通过能量路由器为上级电网提供功率支撑,参与其一次调频。隔离级由双主动全桥(dual-active-bridge,DAB)模块经输入串联输出串联(input-seriesoutput-series,ISOS)与输入串联输出并联(input-seriesoutput-parallel,ISOP)混联构建,实现不同电压等级交直流电网的网域互联和电气隔离。然后,提出一种功率协调控制方法,在满足输出级所连电网功率需求的同时保证能量路由器的稳定运行。最后,基于PSCAD/EMTDC搭建系统仿真模型,验证了提出的新型能量路由器拓扑结构及控制策略的可靠性和有效性。上述方案适用于多电压等级的交直流电网。该拓扑与控制方法可以实现不同电压等级交直流电网的互联与功率平衡。但其低压交流输出控制为恒压、恒频策略，同样低压侧无法为其他母线提供电压支撑，降低了系统的稳定性。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种虚拟变压器的运行控制方法。根据本专利技术提供的一种虚拟变压器的运行控制方法，包括如下步骤：中压交流输入级控制步骤：采用dq解耦控制输入级整流器，电流内环分别控制有功电流和无功电流，电压外环联系直流侧电容电压和有功电流；隔离变压级控制步骤：采用单移相控制隔离变压级；逆变器控制步骤：采用电压外环和电流内环双环控制逆变器。优选地，所述中压交流输入级控制步骤中，经解耦后的电流内环开环传递函数为：其中：kpwm为中压交流输入级等效增益，L1为交流侧输入电感，Ts为电流采样常数。优选地，中压交流输入级通过PI控制器加速，其中PI控制器的PI参数Kpi、Kii计算公式为：优选地，未加PI控制器的电压环开环传递函数为：其中，C1为中压直流侧电容值，Tev＝τv+3Ts，τv表示电压外环采样惯性常数。优选地，隔离变压级控制步骤中，分析左侧整流级一个周期内的工作情况得到输入输出电流平均值模型：式中，n为变压器正副边匝比，Udc1、Udc2分别为隔离变压级输入侧、输出侧电压，d为移相占空比，fs为开关频率，Lk为滤波电感。优选地，输入输出电流平均值模型中加入扰动量：消去直流和二阶高次量得到隔离级的等效小信号模型：式中，RLe为负载电阻，C2为低压直流侧电容，fs为开关频率。优选地，逆变器控制步骤中，电压外环通过PI控制器生成电流内环参考电流id*、iq*,电流内环通过PI控制器生成ud*、uq*,中压交流输入侧交流电压经PLL采样输出相角跟随信号，使输出电压调制信号跟随中压交流侧频率及相角，调制信号经SPWM环节后产生开关信号。优选地，逆变器控制补偿前的电流内环开环传递函数为：其中kpwm为低压交流输出级逆变器等效增益，Lf为输出滤波电感，Ts为电流采样常数。优选地，补偿前的电压环开环传递函数为优选地，补偿后的系统穿越频率为95.8Hz，相角裕度64.5度。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、本专利技术能够实现输入/输出交流电幅值等比例变换、相位同步功能；2、本专利技术通过建立网间电压关系，网间可以相互提供电压支撑，同时方便归一化管理；3、本专利技术能够提供即插即用的交流端口，无需额外检测端口电压；4、本专利技术的交流侧外特性与变压器相同，方便工程人员使用与理解。附图说明通过阅读参照本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n中压交流输入级控制步骤：采用dq解耦控制输入级整流器，电流内环分别控制有功电流和无功电流，电压外环联系直流侧电容电压和有功电流；/n隔离变压级控制步骤：采用单移相控制隔离变压级；/n逆变器控制步骤：采用电压外环和电流内环双环控制逆变器。/n

【技术特征摘要】
1.一种虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
中压交流输入级控制步骤：采用dq解耦控制输入级整流器，电流内环分别控制有功电流和无功电流，电压外环联系直流侧电容电压和有功电流；
隔离变压级控制步骤：采用单移相控制隔离变压级；
逆变器控制步骤：采用电压外环和电流内环双环控制逆变器。


2.根据权利要求1所述的虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，所述中压交流输入级控制步骤中，经解耦后的电流内环开环传递函数为：



其中：kpwm为中压交流输入级等效增益，L1为交流侧输入电感，Ts为电流采样常数。


3.根据权利要求2所述的虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，中压交流输入级通过PI控制器加速，其中PI控制器的PI参数Kpi、Kii计算公式为：








4.根据权利要求3所述的虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，未加PI控制器的电压环开环传递函数为：



其中，C1为中压直流侧电容值，Tev＝τv+3Ts，τv表示电压外环采样惯性常数。


5.根据权利要求1所述的虚拟变压器的运行控制方法，其特征在于，隔离变压级控制步骤中，分析左侧整流级一个周期内的工作情况得到输入输出电流平均值模型：



式中，n为变压器正副边匝比，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，马建军，陶乾，陈阳，段青，沙广林，赵彩虹，马春艳，徐莉婷，潘爱强，蔺海丽，
申请(专利权)人：上海交通大学，中国电力科学研究院有限公司，国网上海市电力公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31