柔性变电站用500_kVA电力电子变压器研制_李津.pdf

第 卷第期年月电 力 电子技术，柔性变电站用电力电子变压器研制李津，周京华（北 方工业大学，北 京市变频技术工程技 术研究中心，北京）摘要：柔性 变电站 作 为电力电子技 术与变电站相结 合的新一代交直流配电网，支 持电 网合环 运行和双向潮流控制，灵活接入新能源和交直流负荷，有 效提 高清洁能源消纳水平。电力电子 变压器（）作 为 柔性 变电站的枢纽，实现多端口电压变换和能 量精准 调控。为满足实际工程中柔 性变电站低压交直流负荷供电以及分布式电源消纳功 能，此处研制了柔 性变电站用，分别从系统结构、装置功能、控制电路、控制算法、通信架构等方 面进行设计，最后给出了现场 实验结果。结果表明，设计装置控制性能稳定，运行逻辑完备，满足柔性变电站工程运行技术要求。关键词：电 力 电子变压 器；柔性变电站；负荷 供电中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，？，（）？，？，？，：；：（），随着 分布式新能源 大 规模应用的不断发 展，可实 现多种新 能源与储能设 备 柔性 接入、直流负荷直供、交直流配电网互联等功能的柔性变电站得到了越来越广泛的关注。通过柔性变电站，可减 小分布式能源和直流负荷接入的交直流变换环节，增强新 能源就地消纳能力。目前 我国 己建成多个柔性变电站示范工程。基金项目：北京市 高水平创新团队建设计划（）定稿日期：作者简介：李津（），男，博士研究 生，研究方向 为大功率电 力 电子变换技术。作 为其中的能量调控枢纽，具有多个交直流端口，可连接不同 电压等级的交 流、直流配电引言系统，实现对配电网络的快速、精 准的功率和电压调控。典 型的级 式结构 具有中压交流、中压直流、低压直流和低压交流个端口，包括整流级、隔离级 和逆变级，每一级可根据 功率、电压等级采用不同拓扑以优化效 率和体积，实现交直流配电网互联、电能 质量调节、新能源接入年月日，世界首 个多功能 柔性变电站示范工程一保定徐 水驿站柔性 变电站 顺利投运。该工程集 光 伏、储能、电动重卡、数据中心等“源网荷 储”高度融合、多 能互补、交直流混合配电于一体，是零碳交通能源互联网综合示范工程。这里围绕 该 柔 性变电站工程，结合项目功能需求，分 析说明柔性变电站的系统方案，研制 用于低压直流端母线供电的低压逆变级，阐述了装置的 系统 功 能、控制电路、控制算法、通柔性变电站用电力电子变压器研制陨充 电故 障触发、，预 充电超 时恒功率恒压指令图状态转移逻辑图控制系统上电后，经过系统初始化 进入停机状 态，此时系统默认接收大后台和协调控制器的远程指令。交流 恒 功率模 式下的有 功、无功功 率指令来自协调控制器、大后台监控系统、本地设置，三者取其一；直流恒电压模式下的 电压目标 值以及运行 指令来自大 后台监控系统、本地设置系统测试指令上电初 始 化流电压为，额定交流电流为，额定 功率 为，工作 制式为四象限运行模式，额定直流电压为，额定直流电流为。主电路拓扑 如图所示。，醫：，图主电路拓 扑装置功能及状 态逻辑为实现 直流母线上光伏发电、储能系统 与直流负荷的能量交换，需提供稳定的直流电压支撑。首先，装置需具 备直流 恒压控制功能，在重卡换电负荷较小情况下，由备用供电；其次，需具备 交流恒功率控制 功 能，在提供电压支撑 时，用以控制段母 线 侧的有功 功 率和无功功 率，实现交直流电 网能量互联、潮 流 控制。另外，为保证柔性 变电站启动过程 母线电压可控，需具备直流母线 预充电控制功能，为 段母线提供电压支撑。为满足上述控制功 能，装置的状态转移逻辑如图所示。根据要求，装置运行状态主要包 含：停机 状 态、预充电状态、直流恒压状态、交流恒功率状态、故障 状态以及测试状态。信 架构等万面，实现了柔 性变电站中 低压直流端电压支撑和交流有功、无功功 率调度 功能。装置设计柔性变电站系统 方案保定零 碳交通能源互联网柔性变电站综合示范工程中，通过 柔性变电站，接入多电压等 级、多能量形态的供电 电源，实现分布式 光伏电源的直流并网、储能 系统 协调控制；结合本地电动重卡 换电负荷（峰值功 率）以及分散式数据中心负荷，实现交直流负荷的混合输出；另外，实现了中压众（：（：，（：（：，（：人（：，低压八 变换器、无功补偿 装置等设备一站式集成。为 满足上述功 能需求，保定零碳交通能源互联网柔性 变电站综 合示范工程系统 方 案如图所示。线 路线路柔性变电站结 构段母线段母 线 端口图柔性变电站系统结 构 该 项目包含了套，其中容量为，电压比为（）（）；容量为，电压比为（）（）；容量，电压比（）（）。套接入柔性 变电站，形成灵活的交直流柔性配电结 构。直流母线则单独为 本地数据中心负荷供电。直流母线 分别接入：总功率为的屋顶 光伏和建筑外立面光伏发电系统，电动重卡换电负荷，储 能系统，为本地 负荷供电 的逆变装置。这里聚焦 于容量为的装 置设计，采用两套 三相 两电平变换器并联，配备无源阻尼滤 波器以及交流预充电电阻，满足两支路并联运行或一主一备运行方式，以提 高系统可靠性。装置主要电气参 数 为：额定交数据中心预充电指令第 卷第期 年月电力电子技术 ，图系 统控制策略 控制外环根据恒压、恒功率指令进行切换，控制内环包含电流不平衡补偿控制器、谐波电流补偿控制器和基波电流控制器。电流不平衡补 偿控制器基于控制器的不平衡电流补偿 算法，设置计算频率为，实现在基波正序同步旋转坐标系下对其实现无 差控制；为补偿电网谐波产生的低次并网谐波电流，谐波电流补 偿控制器采用基于静止坐标系 下次、次、次、次、次、次谐波控制器的谐波电流抑制策略，在，静止坐标系下进行次谐 波电流控制，避免了旋转坐标系 下的耦合问题。为提 高电网 驱动反馈，二一 采 样电路图控制 系统任务分配 采样芯片最 大 支持采样速率，内通过轮循方式读取个 芯片数 据，并存入双。相比的开关频率，以中断频率，完成双口的采样数据读取和控制计算，并 更新驱动。相比常见的以开关 频率进行采样和驱动更新的规则采样法，基于该硬件架 构的控制策 略可以减少控制回路延时，提高控制实时性。电压不平衡与畸变时的锁相精度，采用双二阶 广义积分 软件锁相环（）进 行锁 相控制。由于装置采用三相桥模块并联，主电路 参数基本一致，并联模块间环流较小，因此模块采用驱动脉冲同步的次 谐 波注入方法。控制电路设计控制电路设计应 考 虑控制系统的性 能、控制任务的分配及可扩展性。控制电路采用核心控制架构，其中选取 双核位 浮点微 控制器，采用系列，作为 控制系统协处理器。和协同运行，满足控制实时性要求，并实现控制任务 解稱；由控 制片外芯片实现数据的高速转 换；支持多种通信接口（，等）。控制系统任务分配见图。图中，的负责控制算法、程序，的（负责数 据处理、系统逻辑、系统保护以及对外通信，的协处理 器进行有效值、低通滤波器、平均值 等辅 助计算。负 责数据采集、驱动使 能、故障处理、扩展等功能。为提升系统采样精度与实时性，采用片外 采样，由控制片外时 序实现高速采样，并由异 步总 线实现与的数据交 换。两个并联支路的输出使能，根 据远程指令、本地指令、手动开关，的开关状态，综合判 断是否使 能 相应桥臂驱动 输出。当接收到恒压或恒功 率指令后，首 先进入预充电状 态，分别通过不控整流预充电和直流电压斜 率控制，将直流电压稳定在给定值处，并跳入恒压或恒功率状态。在上述任何逻辑中 同时进行故障判断，如发生状态自身故障、外部故障，均跳入故 障状态，封锁脉冲并断 开交流直流开关，并上报故障信息。控制策略除基本的直流恒压和交流恒功 率控制功 能，为抑制交流电压不 平 衡及背景谐 波 造 成的并网 电流不平衡及谐 波 异常，需要加入电流不平衡 抑制和电流谐波抑 制控制功 能。系统 控制策略 见图。电路？开婪肚杆焓饨系统保 护通信数 据处理系统逻 辑地址总线指令值切换平均值有效值低通滤波结论以保定零碳 交通能源互联网柔性 变电站综合示范工程为 背 景，研制了的（）（）电力电子变压器，从装置设计和 调试实验两个角度，对该装置的设计研制进行介绍。实验结 果表明装置性能满足技术要求，并在柔性变电站工程中成功投运，为柔性变电站用电力电子变压器装置设计提供了借鉴。参考文献郑通，王奎，郑泽东，等基于拓 扑的 电力电子变压器研究 综述中 国电机工程学 报，（）：刘向龙，刘 友波，张宸宇，等基于电力电子变压器的交直 流混合配电 网功率电压协调控制电工电能新技 术，（）：李 子欣，高范强，赵聪，等电力电子变压器技 术研宄综述中国电机工程学报，（）：电抗器电流为，开环电压和电流正常 符合测试条件。恒压模 式波形如图 所示，受限于实验条件，在段母线中加入功率电阻负载，以支路带 载恒压运行。未加入谐波电流补偿时，为，为乂为，电流为。加入谐波电流补偿后，实测心为，为，为，电流）为。说明控制策略可有效提高 并网 电流波形质量。恒压带载与空载切换实验波形如图所示，空载运行时投入负载，此时直流电压由 跌 落至 后快速恢复；带载切 空载时，直流电压由 抬升至后快速恢复，上述切换过程中交流电流 无冲击。通信架构装 置与柔性变电站内的大后台监控系统和协调控制器进行远程通信，与柔性变电站内的水冷设备、测控系统、故障录波系统等进行 实时交互。为满足上述通信 要求，建立的装置通信系统架 构如图所示。装置与本地人机界面和 大 后台通信均采用标准接口通信协议，与协调控制器通信采用光 纤接口通信协议。图对外通信架构 为满足本地运维人员和调试人员的操作需求，这里将人机界面设计分 为：主要显示内容、参数 设置、故 障报 警、历史记录。该装置采用开发环境编写程序。界面显示主要包 括：主界面、参数设置界面、故 障报警界面、历史记录界面、版本号个部分。主界 面显示当前设备运行状态，通过系统 拓扑图的形式，明确对应位置开关的状态，显示信息直观明了，便于操作人员观察记录。参数设 置界面分 为个子界面，分 别包含指令 设置、故障参 数设置和调试设置个 界面。其中，指令设置和故障参数设 置界面 面向操作人员开放并设置有密码权限，调试设置界面则只对调试人员开放。故障 报 警界面显示当前故障 报警信 息、故障时间、故障类型、故 障时 刻信息。历史记录界面与故障报警 界 面相同，记录组历 史故 障。实验验证装置带电验证分为二次回路测试和主回路测试，二次回路测试部分主要包含电源测试、传 感器测试、显示测试、远程通信测试、驱动板测试等部 分。在主回路测试部分，包含开关测试、主回路绝缘 耐压测试、开环驱动测试等。开 环测试波形如图所示，在完成二次回路测试基 础上搭 建测试电路，直流 端 接入 可编程直流源，交 流 端接入星形接 法电抗器，以固定调制度开环发 波。图 中线电压？分别为和，直流母线电压为，（格柔性变 电站用电 力电子殳压器研制）、（流 恒压模形实赠图载？带式 模（压恒流彡（）波验动 态波形（寶）？