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功率质量控制

阅读：528发布：2020-06-10

专利汇可以提供功率质量控制专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明名称为功率质量控制。一种集成功率质量控制系统（60）包括变压器（62），变压器（62）具有绕在磁芯（158）上的初级绕组（64）、次级绕组（66、74）和补偿绕组（68、75）。该系统中的功率电子变流器（78）向补偿绕组提供参考电压以用于在变压器的次级绕组中注入串联电压。利用控制器（80）以基于功率质量控制需求为功率电子变流器生成参考电压。，下面是功率质量控制专利的具体信息内容。

权利要求

1. 一种集成功率质量控制系统（60），包括：
变压器（62），所述变压器（62）包括绕在磁芯（158）上的初级绕组（64）、至少一个次级绕组（66、74）和至少一个补偿绕组（68、75）；
功率电子变流器（78），所述功率电子变流器（78）向所述补偿绕组提供参考电压以用于在所述次级绕组中注入串联电压；以及
控制器（80），所述控制器（80）基于功率质量控制需求为所述功率电子变流器生成所述参考电压。
2. 如权利要求1所述的集成功率质量控制系统，其中所述补偿绕组与所述初级绕组或所述次级绕组串联连接，或单独地绕在所述磁芯上。
3. 如权利要求1所述的集成功率质量控制系统，其中所述补偿绕组配置成控制所述磁芯中的磁通量以用于在所述次级绕组中注入所述串联电压。
4. 如权利要求1所述的集成功率质量控制系统，其中所述功率电子变流器包括采用公共DC链路的多个双向变流器或三相变流器。
5. 如权利要求4所述的集成功率质量控制系统，其中所述多个双向变流器包括DC至AC变流器以控制所述补偿绕组两端的所述参考电压，以及包括AC至DC变流器以用于通过与所述变压器交换有功功率来对所述公共DC链路充电。
6. 如权利要求5所述的集成功率质量控制系统，其中所述控制器包括第一控制器以控制所述DC至AC变流器，以及包括第二控制器以控制所述AC至DC变流器。
7. 如权利要求6所述的集成功率质量控制系统，其中所述控制器配置成基于参考DC电压与实际DC电压之间的误差来生成振幅调制比以用于为所述AC至DC变流器生成PWM脉冲。
8. 如权利要求6所述的集成功率质量控制系统，其中所述第一控制器配置成基于所述补偿绕组与所述次级绕组的匝数比之间的关系以及基于所述功率质量需求确定的参考次级绕组电压生成所述参考电压。
9. 如权利要求1所述的集成功率质量控制系统，其中所述功率质量控制需求包括电压调整、功率系数校正、谐波失真补偿和无功功率补偿的其中之一。
10. 一种控制到负载的功率的方法，包括：
提供变压器（62），所述变压器（62）包括绕在磁芯（158）上的初级绕组（64）、至少一个次级绕组（66、74）和至少一个补偿绕组（68、75）；
基于功率质量控制需求为功率电子变流器（78）生成参考电压；以及
采用所述功率电子变流器在所述补偿绕组两端提供所述参考电压以便在所述次级绕组中注入串联电压。

说明书全文

功率质量控制

技术领域

[0001] 系统的实施例一般涉及电力网，更确切地来说涉及配电网络中的功率质量。

背景技术

[0002] 电功率系统的基本结构包括如发电机、变压器和实时监视设备的多种硬件元件，以及如功率流分析软件、故障检测软件、和用于发电、输电和配电的恢复软件的软件。

[0003] 随着分布式发电的增长，将分布式发电机集成到现有功率系统带来了如电压调整、稳定性和功率质量问题的技术挑战。功率质量是以消费者为重心的基本度量，并且很大程度地受到配电和传输网络操作的影响。

[0004] 一般来说，功率系统运营商通过将负载总线电压保持在其允许极限内来确保供给到消费者的功率的质量。对系统配置的任何改变或功率需求中的任何改变可能导致系统中更高或更低的电压。在一些情况中，可以通过再分配系统中产生的无功功率，如通过调整变压器抽头和切换伏安无功（VAR）源（如电容器组）来改善电压电平的可变性。另一个选择是使用串联变压器来调整馈路电压。但是，变压器抽头对每年开关次数有限制，并且对于频繁电压变化不是令人满意的解决方案。再者，电容器组和串联变压器往往需要单独安装，并且对于较低电抗电阻（X/R）比可能不够有效。再者，串联变压器需要断开馈线来进行安装。

[0005] 出于这些和其他原因，需要改进的功率质量控制系统。发明内容

[0006] 根据本发明的实施例，提供一种集成功率质量控制系统。该系统包括变压器，该变压器包括绕在磁芯上的初级绕组、至少一个次级绕组和至少一个补偿绕组。该系统还包括功率电子转换器和控制器，该功率电子变流器向补偿绕组提供参考电压以在次级绕组中注入串联电压，该控制器基于功率质量控制需求为功率电子变流器生成参考电压。

[0007] 根据本发明的另一个实施例，提供一种控制至负载的功率的方法。该方法包括提供变压器，该变压器包括绕在磁芯上的初级绕组、至少一个次级绕组和至少一个补偿绕组，并且基于功率质量控制需求为功率电子变流器生成参考电压。该方法还包括利用功率电子变流器在补偿绕组两端提供参考电压以便在次级绕组中注入串联电压。附图说明

[0008] 当参考附图阅读下文详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在这些附图中相似的符号表示相似的部件，其中：图1a是配电系统的单线图；
图1b图示基于与配电站的距离的电压降的影响；
图2是柱式配电变压器的示意图表示；
图3是根据本系统实施例的集成功率质量控制系统的示意图表示；
图4a和图4b是根据本系统实施例的、图3的功率电子变流器中采用的两个示范单相变流器的示意图表示；
图5是根据本系统实施例的用于功率电子变流器的控制器的框图表示；
图6是根据本系统实施例的集成功率质量控制系统的一个实施例的示意图表示；
图7是根据本系统实施例的集成功率质量控制系统的另一个实施例的示意图；
图8是根据本系统实施例的集成功率质量控制系统的又一个实施例的示意图表示；以及
图9是根据本系统实施例的三相集成功率质量控制系统的实施例的示意图表示。

具体实施方式

[0009] 本文描述的实施例涉及一种集成功率质量控制系统，其采用其中具有有源补偿绕组以补偿电压波动的配电变压器。虽然该集成功率质量控制系统的实施例将在配电变压器的上下文中以及针对电压波动来描述，但是本领域技术人员将认识到，该集成功率质量控制系统可以与如传输变压器的其他变压器和针对如谐波补偿的其它应用结合来使用。

[0010] 功率系统典型地由三个阶段组成，即i）发电，ii）输电和iii）配电。发电功率典型地在1 kV至30 kV的范围中，然后以如230 kV – 765 kV的更高电压输送到配电站。在配电站处，根据消费者类型，再次将电压降低到120伏特至35 kV范围中的多种电平。采用多个变压器将来自发电站的电压电平进行转换/更改，然后才送达消费者。

[0011] 图1a图示配电系统10的单线图，并且图1b示出表示配电系统10中多种负载点处电压的对应曲线图30的仿真结果。配电系统10包括配电站12，配电站12使得配电变压器14和负载16连接到馈线18。配电站12可以从一个或多个输电站（未示出）接收功率。配电变压器14可以是三相变压器或单相变压器，具体取决于负载16的类型，即工业用电或居民用电。配电系统10还可以包括连接到馈线18以向负载16供给功率的柱式配电变压器（未示出）。

[0012] 曲线图30是仿真的结果，并且示出分别对应于高负载期间和低负载期间的两个曲线36、38。曲线图30中的水平轴32表示负载16与配电站12的距离以及垂直轴34表示馈线18上的负载点处的电压。馈线18每单位长度具有某个量阻抗（Z），该阻抗导致每单位长度电压降IZ，其中I是馈线中流过的电流。由此，沿着馈线18的长度连接的负载16将具有不同的电压电平，并且馈线18的远端处的负载具有最小电压。正如从曲线图38可见到的，馈线的配电站端12处的电压是1.02 pu。但是，对应负载3的馈线远端处的电压是约0.97 pu（例如，居民消费者将观察到约116伏特而非120）。如果负载将增加，则远端电压将下降到甚至更低值（即，从1.02 pu至0.96 pu），正如从曲线36可观察到的。

[0013] 负载电压波动的另一个原因是分布式发电（如太阳能和风力发电）提供的有功功率和无功功率中的变化。例如，在一个实施例中，太阳能发电可能位于馈线18的远端。在这种情况中，负载变化可能发生在馈线的中心。由此，系统应该按负载和分布式发电中的变化的任一方向调整沿着馈线18的电压。

[0014] 图2示出向居民住宅供给功率的柱式配电变压器40的示意图。柱式配电是包括柱式配电变压器、地下配电变压器以及用于向至少一个负载源（如居民住宅、公司、政府办公地、学校及其任何组合）供给功率的任何相当配电系统的术语。柱式配电变压器40包括初级绕组42，初级绕组42典型地以中压Vm从配电站12（图1）接收功率。柱式配电变压器40的次级绕组44是分相绕组。在本示例中，次级绕组44被次级绕组44的中心抽头46分成两个部分。次级绕组端P1和P2两端的额定电压一般是低压V1，其小于中压Vm。在一个实施例中，中压Vm可以是7200伏特，以及低压可以是240伏特。中心抽头46在次级端上提供三个导线。次级端上的三个导线是中心抽头N，次级绕组端P1相对于中心抽头N为Vs1伏特，以及另一个次级绕组端P2相对于中心抽头N为Vs2伏特。一般来说，V1等于Vs1与Vs2之和。

[0015] 可以将负载连接在端P1与N之间获得电压输出Vs1，将负载连接到在端P2与N之间获得Vs2电压输出，以及通过将负载连接在端P1和P2两端获得V1伏特连接。应该理解由于跨过这些端的任何一些的电压变化，连接到这些端的负载受到影响。例如，灯可能更亮或更暗地发光，并且甚至可能导致白炽灯灯泡过早地熄灭。劣质的功率供给还可能导致电子设备故障（尤其是计算机）并且可能导致无线电或电视接收的干扰。根据本系统的实施例，在变压器40中包含补偿绕组以调整变压器的输出电压，以使消费者能够接收到高质量功率供给。

[0016] 图3示出根据本技术实施例的集成功率质量控制系统60。集成功率质量控制系统60包括配电变压器62，配电变压器62具有初级绕组64、第一次级绕组66、第二次级绕组74和第一补偿绕组68及第二补偿绕组75。在所示的实施例中，有两个补偿绕组68、75与次级绕组66、74的两个输出端70和72串联连接，但是在另一个实施例中，还可以采用单个补偿绕组。在又一个实施例中，可以将至少一个补偿绕组与初级绕组64串联连接。

[0017] 在一个实施例中，补偿绕组68、75与配电变压器62共用磁芯，即，补偿绕组68、75绕在与初级绕组64和次级绕组66和74相同的芯上。采用共同磁芯的优点是节省空间和节省成本以用于补偿绕组68、75的冷却和封装。功率电子变流器78基于参考电压信号82控制补偿绕组68、75两端的电压，促成磁芯中磁通量的控制，并由此控制次级绕组66、74两端的电压。参考电压信号82由控制器80生成，并且基于来自配电变压器62的输出端的反馈信号83。在一个实施例中，反馈信号83可以是电压传感器和/或电流传感器（未示出）获得的电压信号或电流信号或其组合的组合。

[0018] 在一个实施例中，功率电子变流器78包括单相变流器88和84，单相变流器88和84分别耦合到补偿绕组68、74以控制补偿绕组68、74两端的电压。再者，功率电子变流器
78可以包括另一个单相变流器86，以便对所有单向变流器88、84和86的公共直流（DC）链路（未示出）充电。单相变流器86通过从变压器62提取有功功率来对公共DC链路充电。
在一个实施例中，为了从变压器62提取有功功率，单相变流器86在输出端70、72处注入适合的电流。在一个实施例中，单相变流器88、84和86可以是双向变流器，即，将功率从交流（AC）变换成直流（DC）和/或从DC变换成AC的变流器。

[0019] 一般来说，所有变流器88、84和86都是双向的，具有公共DC链路并与配电变压器62交换有效功率或有功功率。更常见的，单相变流器88和84向配电变压器62供给有功功率，配电变压器62促成公共DC链路的放电，然后单相变流器86从配电变压器62接收有功功率以将DC链路充电到其最初阶段。

[0020] 图4a和图4b示出如图3的功率电子变流器78的功率电子变流器中采用的两个示范单相变流器90、100。单相变流器90是由两个并联分支97、98组成的全桥网络，这两个并联分支97、98各具有分别串联连接的半导体器件91、92和93、94。DC链路95与两个分支97、98并联连接。在两个分支97、98的中点处取单相变流器90的输出连接96。半导体器件可以包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）或金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）。

[0021] 参考图4b，单相变流器100是由与功率变流器分支106并联连接的分割DC链路107组成的半桥网络。功率变流器分支106包括串联连接的两个半导体器件101和102，以及分割DC链路107包括串联连接的两个DC链路电容器103、104。在功率变流器分支106与分割DC链路107的中点处取单相变流器100的输出连接105。正如本文论述的，可以将这些单相变流器90、100的任何一个连接到在补偿绕组两端以控制其电压或跨过变压器的两个功率端连接以对DC链路充电。而且，本领域技术人员设想到的单相变流器的其他实施例也在本系统的范围内。

[0022] 图5示出根据本技术实施例的图4的功率电子变流器的控制器110。在所示的实施例中，控制器110包括用于控制补偿绕组两端的电压的单相变流器（图3的82或84）的补偿绕组子控制器112和用于控制DC链路的单相变流器86（图3）的DC链路子控制器114。在其中配电变压器中采用两个补偿绕组的一个实施例中，可以使用两个补偿绕组子控制器
112。控制器110接收反馈信号116，如配电变压器62的每个端处的输出电压和输出电流以及来自功率电子变流器78的DC链路电压量值。

[0023] 在本示例中，补偿绕组子控制器112包括电压量值和相位计算模块118，其确定配电变压器62的输出电压的量值和相位。错误检测模块122将配电变压器62的输出电压量值和相位与参考电压量值和相位120比较以确定错误信号124。然后将错误信号馈送到比例积分（PI）控制器126，比例积分（PI）控制器126基于错误信号确定加到输出电压以达到参考电压并将错误信号减少到大约0的串联电压的量值和相位。等效电压生成和脉宽调制（PWM）模块128然后为单相变流器88或84生成PWM脉冲。在一个实施例中，补偿绕组与次级绕组之间的匝数比也被纳入生成PWM脉冲的考虑中，正如本文论述的。

[0024] 为了说明的目的，变压器的两个绕组之间的电压比可以给定为V1/V2=N1/N2，其中V1和V2是分别具有等于N1和N2的匝数的变压器绕组两端的电压。假定变压器次级绕组电压是V2（无中心抽头）以及初级绕组与次级绕组之间的匝数比N1/N2是30/1，以及补偿绕组和次级绕组之间的匝数比N3/N2是3/1。在一个实施例中，V2设为等于120伏特（即，V1=3600伏特），但是，当测量时，V2实际为110伏特（即，V1=3300伏特）。这暗示在V2中需要加上10 伏特的串联电压Vser以使之等于为120伏特的参考值。在此情况中，可以通过将V1增加300伏特或使V3等于30伏特来按10伏特调整电压V2。由此，等效电压生成和脉宽调制（PWM）模块128首先根据PI控制器126确定的Vser来计算V3，然后为单相变流器88或84生成PWM脉冲。

[0025] 参考电压量值和相位120是基于功率质量控制需求来确定的，并且由系统操作人员或另一个小控制器（未示出）确定。功率质量控制需求包括电压调整、功率系数校正、谐波失真补偿和无功功率补偿的其中之一。例如，如果功率质量控制需求是电压调整，则可以由操作人员将参考输出电压馈送到系统中，以及可以通过参考输出电压和测量的配电变压器输出电压的向量相减（即，Vser=Vref-V2）来确定需要注入的参考电压。但是，如果功率质量控制需求是无功功率补偿，则第二控制器可以确定实际无功功率，并将其与参考无功功率比较以找出参考电压量值和相位。相似地，在谐波补偿需求的情况中，可以采用第二控制器来生成参考电压量值和相位。

[0026] DC链路子控制器114包括错误检测模块130，错误检测模块130确定实际DC电压132与参考DC电压134之间的差并将错误信号136提供到PI控制器138。PI控制器138然后为PWM模块142确定量值或振幅调制比，PWM模块142然后为单相变流器86生成PWM脉冲。

[0027] 应该注意，在图5中，仅示出示范控制器。但是，控制补偿绕组两端的电压或控制DC链路电压的其他控制器以及对本文披露的控制器所进行的修改也在本系统的范围内。例如，在一个实施例中（例如，故障的情况中），可以按点划线113所示来耦合补偿绕组子控制器112和DC链路子控制器114，并且可以有一些组件的交叉耦合。

[0028] 图6示出集成功率质量控制系统150的一个实施例的示意图。集成功率质量控制系统150包括变压器152，变压器152具有绕在磁芯158上的初级绕组154和次级绕组156。还将补偿绕组160与初级绕组154相连续地绕在磁芯158上。功率电子变流器162并联连接在初级绕组154的两个输入端164、166两端，并且被控制成从输入端164、166接收有功功率以对DC链路充电，正如本文论述的。功率电子变流器162的输出端168、170还连接在补偿绕组160两端。控制器（未示出）控制功率电子变流器162的输出电压，并相应地改变补偿绕组160两端的电压。随着补偿绕组160两端的电压改变，它改变了变压器中的磁通量，并相应地它改变了次级绕组156两端的电压。此技术可以称为磁串联补偿，因为初级绕组导致的磁通量和补偿绕组导致的磁通量得以相加，使得变压器中的最终磁通量改变次级绕组156两端的输出电压。由此，并非电压相加，而是两个磁通量得以相加，从而导致输出电压中的改变。

[0029] 图7示出集成功率质量控制系统180的另一个实施例的示意图。在这个实施例180中，与图6的实施例150相比的主要差异在于，补偿绕组160现在与次级绕组156串联连接，而非与初级绕组154串联连接。再者，功率电子变流器输入连接并联连接到次级绕组
156的输出端165、167，以及功率电子变流器输出连接168、170连接在补偿绕组160两端。

[0030] 图8示出集成功率质量控制系统200的又一个实施例。在实施例200中，补偿绕组160既不与初级绕组154串联连接，也不与次级绕组156串联连接，而是单独地绕在磁芯158上。实施例180和200中的功率电子变流器162的控制与本文论述的控制相似。

[0031] 图9示出根据本系统的实施例的三相集成功率质量控制系统的示意图表示。一般来说，在此实施例中，三相变压器中也可以采用本文论述的补偿绕组。由此，三相集成功率质量控制系统250包括三相变压器252，三相变压器252具有初级绕组254和次级绕组256。端A1、B1和C1形成变压器252的输入端，而端a1、b1和c1形成变压器252的输出端。补偿绕组258与初级绕组254串联连接，但是在另一个实施例中，补偿绕组258还可以与次级绕组256串联连接。可以包括三相变流器的功率电子变流器260基于来自控制器262的输入信号控制补偿绕组258两端的电压。

[0032] 本系统的优点和技术优点包括无论是居民用电、商业用电还是政府用电，对负载供给的馈线功率均为稳定，改进了功率质量，无需断开馈线和优化了系统的尺寸和成本。

[0033] 虽然本文仅图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将设想到许多修改和更改。因此，要理解，所附权利要求应涵盖在本发明的真实精神内的所有此类修改和更改。

[0034] 元件列表10 配电系统
12 配电站
14 配电变压器
16 负载
18 馈线
30 配电系统中多种负载点处的电压的曲线图
32 水平轴
34 垂直轴
36 高负载期间的曲线图
38 低负载期间的曲线图
40 柱式配电变压器
42 初级绕组
44 次级绕组
46 中心抽头
60 集成功率质量控制系统
62 配电变压器
64 初级绕组
66 第一次级绕组
68 第一补偿绕组
70、72 次级绕组的输出端
74 第二次级绕组
75 第二补偿绕组
78 功率电子变流器
80 控制器
82 参考电压信号
83 反馈信号
84、88、86 单相变流器
90、100 单相变流器
91、92、93、94 半导体器件
95 DC链路
96 单相变流器的输出连接
97、98 功率变流器分支
107 分割DC链路
106 功率变流器分支
101、102 半导体器件
103、104 两个DC链路电容器
105 单相变流器的输出连接
110 控制器
112 补偿绕组子控制器
114 DC链路子控制器
113 交叉耦合
116 反馈信号
118 电压量值和相位计算模块
122 错误检测模块
120 参考电压量值和相位
124 错误信号
126 PI控制器
128 等效电压生成和脉宽调制（PWM）模块
130 错误检测模块
132 实际DC电压
134 参考DC电压
136 错误信号
138 PI控制器
150 集成功率质量控制系统的一个实施例
152 变压器
154 初级绕组
156 次级绕组
158 磁芯
160 补偿绕组
162 功率电子变流器
164、166 输入端
168、170 输出端
180 集成功率质量控制系统的另一个实施例
200 集成功率质量控制系统的又一个实施例
250 三相集成功率质量控制系统
252 三相变压器
254 初级绕组
256 次级绕组
258 补偿绕组
260 功率电子变流器
262 控制器。

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