电网供电系统储能电源大功率变换器的谐波控制研究.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023文章编号：1 0 0 7-7 57 X（2 0 2 3)0 8-0 0 48-0 4电网供电系统储能电源大功率变换器的谐波控制研究何宁辉1，李文，李秀广1，陈已阳，张佩，马文长（1 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏，银川7 50 0 1 1；2.国网宁夏电力有限公司，宁夏，银川7 50 0 0 1）摘要：为了改善供电系统配电敏感性较差问题，提出电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法。以大功率开关电源拓扑电路作为初级谐波控制单元，按照交流电子数量及传输标准，分别连接储能型电源变压器与电网兼容继电器，完成电网供电系统电源储能环境搭建。通过连接谐波变换子电路，计算大功率基波参数，确定阻抗控制条件，实现电网供电系统储能电源大功率变换器的谐波控制。实验结果表明，与逆F类输出谐波阻抗手段对比，应用新型谐波控制方法后，电网射频滤波调节时间缩短至1.9 s，射频波平均输出功率达到39.4dBm，从根本上解决了供电系统配电变换敏感性较差的问题。关键词：电网供电；储能电源；大功率变换器；谐波控制；兼容继电器中图分类号：TM461基金项目文献标志码：A微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期Research on Harmonic Control of High Power Converterof Energy Storage Power Supply in Power GridHE Ninghui,LI Wen,LI Xiuguang,CHEN Siyang?,ZHANG Pei,MA Wenchang(1.Electric Power Research Institute of State Grid Ningxia Electric Power Co.,Ltd.,Yinchuan 7500ll,China;2.State Grid Ningxia Electric Power Company Limited,Ningxia 75oo0l,China)Abstract:In order to improve the poor distribution sensitivity of power supply system,a harmonic control method of powerconverter in power supply system is proposed.The topological circuit of high-power switching power supply is used as the pri-mary harmonic control unit.According to the number and transmission standards of AC electronics,the energy storage powertransformer is connected to the grid compatible relay,respectively,to complete the establishment of the power storage environ-ment of the grid power supply system.It connects the harmonic converter subcircuit,calculates the high power fundamentalwave parameters,determines the impedance control conditions,and realizes the research on harmonic control of the high powerconverter of the energy storage power supply in the power grid.The experimental results show that,compared with the inverseF class output harmonic impedance method,the adjustment time of RF filter is shortened to 1.9 s and the average output powerof RF wave reaches 39.4 dBm after applying the new harmonic control method,which fundamentally solves the problem of poorsensitivity of power distribution transformation of power supply system.Key words:grid power supply;energy storage power supply;high power converter;harmonic control;compatible relay络内经济性与安全性 1-2 1。为了保证高压端供应电能传输质0引言量，在提高供电系统参与设备利用率同时，调整与储能电源供电系统包括电源系统、输配电系统两个部分，能将核相关负荷曲线，使得动力资源得到合理化应用，实现控制电心电网产生供应电能直接分配其他下级用电设备。常规电力网络输出消耗总量的目的。力供电系统基本上分为TT、I T、T N等3种连接形式，其中基于电网长时间运行，整个供电系统配电变换敏感性逐TN系统可分为TN-S、T N-C、T N-C-S等3种特征表现形式。渐降低，导致相关参与设备射频滤波输出功率出现明显差异电网作为供电系统后台支持结构，由变电所、电源、负荷中化变更状态。为避免上述情况发生，提出逆F类输出谐波阻心、输配电线路组成。通常情况下，各电源点之间始终保持抗方法通过判断软开关DC/DC变换器电路中电磁兼容量方着绝对稳定的调节连接关系，一方面可促使高低压电网结构式，确定储能电平具体数值水平。但此方法所需电网射频滤间的交换电压量快速趋于平衡，另一方面能提高整个供电网波调节时间过长，无法使射频波平均输出功率在单位时间内基金项目：国网宁夏电力有限公司科技项目（NX2021000220）作者简介：何宁辉（1 9 8 6 一），男，博士，高级工程师，研究方向为电网设备状态监测技术；李文（1 9 8 4一），男，本科，高级工程师，研究方向为电网设备运维与检修技术；李秀广（1 9 8 2 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为设备试验与检测技术；陈已阳（1 9 8 6 一），男，本科，高级工程师，研究方向为电气设备运维与检修；张佩（1 9 8 9），女，硕士，工程师，研究方向为电力设备试验与检测技术；马文长（1 9 8 8 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为输变电设备运维管理。48Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023达到理想化标准。为解决此问题，本文设计电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法，在电源拓扑电路、兼容继电器等多个元件设备作用下，计算具体大功率基波参数，根据实际阻抗控制条件，调节谐波变换子电路的应用执行状态，实现解决供电系统配电变换敏感性较差问题。1电网供电系统电源储能环境电网供电系统电源储能系统由大功率开关电源电路、储能型电源变压器、电网兼容继电器等3类元件共同组成，具体搭建方法如下。1.1大功率开关电源电路电网供电系统大功率开关电源电路由电压变换回路、调节回路、拓扑回路组成。供电输入端与电压变换回路直接相连，谐波电子进入LT3748变换器主机后，电网接地端会由闭合状态快速变更为连接状态，可在接收供电控制电压同时，将未完全消耗电子传输至其他下级应用元件中。大功率调节回路位于开关电源拓扑电路中部，连接供电系统两端电压变换回路与拓扑回路，在供电开关保持兼性连接状态时，电网高压输出单元可快速排出元件内暂存直流电子，电网低压输出单元按照拓扑电路内实际电阻负载量，从中获取一部分传输电流 3-41。拓扑回路在大功率开关电源电路中所占体积相对较小，负责将散乱分布的直流电子整合成束状传输形式，以供储能型电源变压器、电网兼容继电器等谐波控制元件调取利用。具体电路如图1 所示。电网高压输出单元供惠供电输入端拓扑回路LT3748大功率调节回路电压变换二回路基金项目1.3电网兼容继电器电网兼容继电器为供电系统电源大功率变换器谐波控制指令核心处置元件，由显示灯、变压接口、电阻继变装置等部分组成。电源变压接口作为电网兼容继电器与储能型电源变压器连接通路，负责协调谐波电子传输波长，根据电源拓扑电路应用需求，更改子电路中电流与电压差降值。电阻继变装置是电网兼容继电器中的核心谐波感应元件，根据单元组织两端分布电压具体实值，更改设备体所负载接入电阻值，实现供电系统储能电源大功率变换器射频波输出功率始终保持稳定 7。功率显示灯与谐波输出端直接相连，电网兼容继电器所负载电压高于理想数值水平时，两个红灯同时亮起，输出端谐波电子数值逐步增加；当电网兼容继电器所负载电压低于理想数值水平时，两个红灯同时熄灭，绿灯亮起，输出端谐波电子数值逐步减少。电网兼容继电器结构如图3所示。电网低压输出单元供电输出端微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期储能型电网变压器P-=20 VA频率:50/6 0 Hz输入电压输出电压红线:2 2 0 V蓝黑蓝：1 2 Vx2图2 储能型电源变压器结构图电源变压接口3882889888功率显示灯电阻A3o电网接地端图1 大功率开关电源拓扑电路图1.2储能型电源变压器储能型电源变压器是大功率开关电源电路直属下级执行结构，由外部金属壳体、输入导线、输出导线、谐波控制接口槽等4部分组成。通常情况下，电源变压器额定功率不超过2 0 W、安全作用电压不超过38 0 V，供电储能周期内变换频率始终保持在50 6 0 Hz5】。输人导线与大功率开关电源电路供电输出端相连，可直接承受来自电网低压输出单元220V谐波电压，经过内部转化电阻自发转换操作，成为可供供电系统直接存储的直流传输电压。由于输出导线与电网兼容继电器顶层接口相连，为实现电网谐波电压稳定输出，该元件物理数值量最少为“3”，两根蓝色导线负责传输交流电压，一根黑色导线负责传输直流电压。谐波控制接口槽同时附着于金属壳体的前后两个方向，分别容纳输出导线与输入导线，在既定谐波控制周期内，两者对传输电子变换效果始终保持一致 6。储能型电源变压器结构如图2 所示。谐波输出端图3电网兼容继电器结构图2储能电源大功率变换器谐波控制方法在电网供电系统电源储能环境支持下，根据谐波变换子电路搭建、大功率基波参数计算、阻抗控制条件确定处理流程，完成储能电源大功率变换器谐波控制方法设计。2.1谐波变换子电路谐波变换子电路为大功率开关电源电路下级执行控制元件，以电网储能子回路为核心搭建元件。A4004谐波调节器位于电网储能子回路顶部，左右两端分别与两个阻值不同的SN7谐波电阻相连。其中：左端SN7谐波电阻负责运载来自电网兼容继电器传输电子量，在既定控制周期内，可直接调节供电系统内储能功率数值；右端SN7谐波电阻与储能型电源变压器相连，根据接人电阻实值水平，调节变换器设备负载大功率射频波数值。PC3004变换器位于谐波变换子电路最左端，在横、纵方向分别与电网储能子回路和SN749.Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023谐波电阻相连7。在大功率开关电源电路中谐波输出水平发生改变时，该原件可实现在闭合与连接状态下快速转化，达到缩短与谐波电子相匹配的控制应用周期目的。谐波变换子电路如图4所示。SN7谐波电阻PC3004A4004谐波调节器变换器，W电网储能子回路图4谐波变换子电路图2.2大功率基波参数计算大功率基波参数对电网供电系统储能电源对于谐波电子的控制作用权限进行限定，在既定输出周期内，受传输拓扑电阻值与射频波极值作用影响。传输拓扑电阻值可表示为R，是SN7谐波电阻、电网高压电阻、电网低压电阻三项物理量平均数值水平。通常情况下，随供电系统输出时间延长，该项指标实际计算应用量会逐渐增大，始终不会超过谐波变换子电路中与储能子回路相匹配的平均负载实值。射频波极值具备上级限定指标W1、下级限定指标wW两个数值控制参量，与其他谐波变换系数相比，该项物理指标应用稳定性较强，但最大值、最小值对大功率基波参数作用效果具有互为相反性。联立上述物理量，可将大功率基波参数的实际计算结果表示为=JoR式中，q代表与供电系统电源变换器相匹配的谐波传输电子量，u。代表变换器谐波电子的射频传输步长值。2.3阻抗控制条件确定阻抗控制是一种相对稳定变换器谐波转换状态，描述了由供电储能周期到另一个供电储能周期平行转化过程，可作为大功率基波参数补充说明条件，在整个谐波控制周期内，始终约束电网供电系统最大电子储备数量，根据大功率变换器负载变动情况，确定射频波的实际传输周期数值 8-9 1。假设在一个电网供电周期内，储能大功率变换器谐波输出电子量最大值为S1，且随着单位控制时间t的不断延长，该项物理量的数值表达结果也始终保持稳定，若以f作为电网兼容继电器的最大电阻容纳条件，联立式（1），可将大功率变换器谐波的阻抗控制条件表示为L=L-AD.(ki+k2)2式中，入代表供电系统所承载的高压电子输出系数，D代表单位时间内的高压电子输出总量，k1、k 分别代表2 个不同的变换器谐波执行电压差实值。完成相关执行系数的计算与各级设备元件的搭建，在电量输出值持续保持稳定情况下，实现电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法的顺利应用。基金项目3实验与分析为验证电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法实际应用价值，设计如下对比实验。选取一输出状态相对稳定的电网执行设备作为实验对象，以搭载新型谐波控制SN7谐波方法的实验主机作为实验组数据记录元件，以搭载逆F类输电阻出谐波阻抗手段的实验主机作为对照组数据记录元件，在相同实验环境下，分别研究实验组、对比组实验指标具体变化情况。3.1实验环境搭建通过人工调节手段更改与电网执行设备相连的实验主机型号，控制其他干预因素始终保持不变，根据记录主机中示数具体变换行为，分析电网射频滤波调节时间与射频波输出功率变化趋势。电网执行设备如图5所示。口口图5电网执行设备3.2电网射频滤波调节时间测试表1 给出了既定实验环境下，实验组、对照组电网射频滤波调节时间具体变化情况。表1 不同方法的电网射频滤波调节时间2q(3uo)d微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期口实验次数/次对照组/s(1)123456分析表1 可知：对照组电网射频滤波调节时间表现数值极为不稳定，最大值可达4.5s，而最小值却只有0.8 s；实验组电网射频滤波调节时间的表现数值相对较为稳定，最大值为1.9 s，与最小值1.5s间差值为0.4s，远低于实验组数值结果。综上可知，应用电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法，可最大程度缩短电网射频滤波调节所需等待时间。3.3射频波输出功率测试(2)以50 min作为实验时长，分别记录在该段时间内实验组、对照组射频波输出功率的具体变化情况，实验详情如表2、表3所示。对比表2、表3可知：随实验时间延长，实验组射频波输出功率始终保持不断上升的变化趋势，但后期上升幅度明显低于前期，全局最大值达到39.4s；对照组射频波输出功率先保持稳定、再持续下降，全局最大值仅达到2 3.6 s，远低于50.实验组/s1.01.51.31.94.51.71.01.50.81.94.51.7理想数值/s2.32.32.32.32.32.3Microcomputer Applications Vol.39,No.8,2023实验时间min510152025303540实验时间/min5101520253035404550实验组数值。综上可知，应用电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法，可实现增大射频波输出功率数值的目的。3.4不同方法的谐波控制结果输出为了突出所提电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法的效果，将本文所提方法的谐波控制效果与对照组相比，具体结果见图6。根据图6 可知，相比于谐波初始波动，对照组能在一定程度上降低谐波幅值，但是在50 min实验期间，其谐波幅值仍然可达一5A到5A之间，本文所提方法与对照组相比，能够更好地控制谐波，有效降低谐波的输出幅值，增强变换器输出电流的稳定性。此实验结果说明，本文所提方法电网供电系统运行更加稳定。4总结与逆F类输出谐波阻抗手段相比，结合电网供电系统储能电源大功率变换器谐波控制方法能在达到缩短电网射频滤波调节等待时间的同时增大射频波输出功率。根据搭建过程分析，此新型谐波控制方法联合大功率开关电源电路、电网兼容继电器等硬件执行设备，确保大功率基波参数的计算结果准确性，建立更加严格的阻抗控制约束条件，达到提升供电系统配电变换敏感性目的。基金项目表2 实验组射频波输出功率射频波输出功率/平均值/dBmdBm38.239.038.538.838.939.139.139.339.3表3对照组射频波输出功率射频波输出功率/平均值/dBmdBm23.623.323.623.623.523.423.323.223.122.922.7微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第8 期10r5理想数值/0dBm-527.8-1027.6-155510152025303540时间/min27.9（a）谐波初始波动27.81027.95V/028.1-527.7-1027.8-155101520253035404550时间/min（b）对照组方法控制下谐波波动理想数值/10rdBm5V/027.8-527.6-1027.9-155510152025303540 4550时间/min27.8（c）本文所提方法控制下谐波波动27.9图6不同方法下谐波控制效果28.1参考文献27.71 张国柱，徐殿国，朱良红，等.高功率因数无电解电容27.8电机驱动系统电流控制策略 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