功率質量控制的制作方法
【專利摘要】本發明名稱為功率質量控制。一種集成功率質量控制系統（60）包括變壓器（62），變壓器（62）具有繞在磁芯（158）上的初級繞組（64）、次級繞組（66、74）和補償繞組（68、75）。該系統中的功率電子變流器（78）向補償繞組提供參考電壓以用于在變壓器的次級繞組中注入串聯電壓。利用控制器（80）以基于功率質量控制需求為功率電子變流器生成參考電壓。
【專利說明】功率質量控制
【技術領域】
[0001 ] 系統的實施例一般涉及電力網，更確切地來說涉及配電網絡中的功率質量。
【背景技術】
[0002]電功率系統的基本結構包括如發電機、變壓器和實時監視設備的多種硬件元件，以及如功率流分析軟件、故障檢測軟件、和用于發電、輸電和配電的恢復軟件的軟件。
[0003]隨著分布式發電的增長，將分布式發電機集成到現有功率系統帶來了如電壓調整、穩定性和功率質量問題的技術挑戰。功率質量是以消費者為重心的基本度量，并且很大程度地受到配電和傳輸網絡操作的影響。
[0004]一般來說，功率系統運營商通過將負載總線電壓保持在其允許極限內來確保供給到消費者的功率的質量。對系統配置的任何改變或功率需求中的任何改變可能導致系統中更高或更低的電壓。在一些情況中，可以通過再分配系統中產生的無功功率，如通過調整變壓器抽頭和切換伏安無功(VAR)源(如電容器組)來改善電壓電平的可變性。另一個選擇是使用串聯變壓器來調整饋路電壓。但是，變壓器抽頭對每年開關次數有限制，并且對于頻繁電壓變化不是令人滿意的解決方案。再者，電容器組和串聯變壓器往往需要單獨安裝，并且對于較低電抗電阻(X/R)比可能不夠有效。再者，串聯變壓器需要斷開饋線來進行安裝。
[0005]出于這些和其他原因，需要改進的功率質量控制系統。
【發明內容】
[0006]根據本發明的實施例，提供一種集成功率質量控制系統。該系統包括變壓器，該變壓器包括繞在磁芯上的初級繞組、至少一個次級繞組和至少一個補償繞組。該系統還包括功率電子轉換器和控制器，該功率電子變流器向補償繞組提供參考電壓以在次級繞組中注入串聯電壓，該控制器基于功率質量控制需求為功率電子變流器生成參考電壓。
[0007]根據本發明的另一個實施例，提供一種控制至負載的功率的方法。該方法包括提供變壓器，該變壓器包括繞在磁芯上的初級繞組、至少一個次級繞組和至少一個補償繞組，并且基于功率質量控制需求為功率電子變流器生成參考電壓。該方法還包括利用功率電子變流器在補償繞組兩端提供參考電壓以便在次級繞組中注入串聯電壓。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]當參考附圖閱讀下文詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優點，在這些附圖中相似的符號表示相似的部件，其中:
圖1a是配電系統的單線圖；
圖1b圖示基于與配電站的距離的電壓降的影響；
圖2是柱式配電變壓器的示意圖表示；
圖3是根據本系統實施例的集成功率質量控制系統的示意圖表示；
圖4a和圖4b是根據本系統實施例的、圖3的功率電子變流器中采用的兩個示范單相變流器的不意圖表不;
圖5是根據本系統實施例的用于功率電子變流器的控制器的框圖表示；
圖6是根據本系統實施例的集成功率質量控制系統的一個實施例的示意圖表示；
圖7是根據本系統實施例的集成功率質量控制系統的另一個實施例的示意圖；
圖8是根據本系統實施例的集成功率質量控制系統的又一個實施例的示意圖表示；以
及
圖9是根據本系統實施例的三相集成功率質量控制系統的實施例的示意圖表示。【具體實施方式】
[0009]本文描述的實施例涉及一種集成功率質量控制系統，其采用其中具有有源補償繞組以補償電壓波動的配電變壓器。雖然該集成功率質量控制系統的實施例將在配電變壓器的上下文中以及針對電壓波動來描述，但是本領域技術人員將認識到，該集成功率質量控制系統可以與如傳輸變壓器的其他變壓器和針對如諧波補償的其它應用結合來使用。
[0010]功率系統典型地由三個階段組成，即i)發電，ii)輸電和iii)配電。發電功率典型地在I kV至30 kV的范圍中，然后以如230 kV - 765 kV的更高電壓輸送到配電站。在配電站處，根據消費者類型，再次將電壓降低到120伏特至35 kV范圍中的多種電平。采用多個變壓器將來自發電站的電壓電平進行轉換/更改，然后才送達消費者。
[0011]圖1a圖示配電系統10的單線圖，并且圖1b示出表示配電系統10中多種負載點處電壓的對應曲線圖30的仿真結果。配電系統10包括配電站12，配電站12使得配電變壓器14和負載16連接到饋線18。配電站12可以從一個或多個輸電站(未示出)接收功率。配電變壓器14可以是三相變壓器或單相變壓器，具體取決于負載16的類型，即工業用電或居民用電。配電系統10還可以包括連接到饋線18以向負載16供給功率的柱式配電變壓器(未不出)。
[0012]曲線圖30是仿真的結果，并且示出分別對應于高負載期間和低負載期間的兩個曲線36、38。曲線圖30中的水平軸32表示負載16與配電站12的距離以及垂直軸34表示饋線18上的負載點處的電壓。饋線18每單位長度具有某個量阻抗(Z)，該阻抗導致每單位長度電壓降IZ，其中I是饋線中流過的電流。由此，沿著饋線18的長度連接的負載16將具有不同的電壓電平，并且饋線18的遠端處的負載具有最小電壓。正如從曲線圖38可見到的，饋線的配電站端12處的電壓是1.02 pu。但是，對應負載3的饋線遠端處的電壓是約0.97 pu (例如，居民消費者將觀察到約116伏特而非120)。如果負載將增加，則遠端電壓將下降到甚至更低值(即，從1.02 pu至0.96 pu)，正如從曲線36可觀察到的。
[0013]負載電壓波動的另一個原因是分布式發電(如太陽能和風力發電)提供的有功功率和無功功率中的變化。例如，在一個實施例中，太陽能發電可能位于饋線18的遠端。在這種情況中，負載變化可能發生在饋線的中心。由此，系統應該按負載和分布式發電中的變化的任一方向調整沿著饋線18的電壓。
[0014]圖2示出向居民住宅供給功率的柱式配電變壓器40的示意圖。柱式配電是包括柱式配電變壓器、地下配電變壓器以及用于向至少一個負載源(如居民住宅、公司、政府辦公地、學校及其任何組合)供給功率的任何相當配電系統的術語。柱式配電變壓器40包括初級繞組42，初級繞組42典型地以中壓Vm從配電站12 (圖1)接收功率。柱式配電變壓器40的次級繞組44是分相繞組。在本示例中，次級繞組44被次級繞組44的中心抽頭46分成兩個部分。次級繞組端Pl和P2兩端的額定電壓一般是低壓VI，其小于中壓Vm。在一個實施例中，中壓Vm可以是7200伏特，以及低壓可以是240伏特。中心抽頭46在次級端上提供三個導線。次級端上的三個導線是中心抽頭N，次級繞組端Pl相對于中心抽頭N為Vsl伏特，以及另一個次級繞組端P2相對于中心抽頭N為Vs2伏特。一般來說，Vl等于Vsl與Vs2之和。
[0015]可以將負載連接在端Pl與N之間獲得電壓輸出VsI，將負載連接到在端P2與N之間獲得Vs2電壓輸出，以及通過將負載連接在端Pl和P2兩端獲得Vl伏特連接。應該理解由于跨過這些端的任何一些的電壓變化，連接到這些端的負載受到影響。例如，燈可能更亮或更暗地發光，并且甚至可能導致白熾燈燈泡過早地熄滅。劣質的功率供給還可能導致電子設備故障(尤其是計算機)并且可能導致無線電或電視接收的干擾。根據本系統的實施例，在變壓器40中包含補償繞組以調整變壓器的輸出電壓，以使消費者能夠接收到高質量功率供給。
[0016]圖3示出根據本技術實施例的集成功率質量控制系統60。集成功率質量控制系統60包括配電變壓器62，配電變壓器62具有初級繞組64、第一次級繞組66、第二次級繞組74和第一補償繞組68及第二補償繞組75。在所示的實施例中，有兩個補償繞組68、75與次級繞組66、74的兩個輸出端70和72串聯連接，但是在另一個實施例中，還可以采用單個補償繞組。在又一個實施例中，可以將至少一個補償繞組與初級繞組64串聯連接。
[0017]在一個實施例中，補償繞組68、75與配電變壓器62共用磁芯，S卩，補償繞組68、75繞在與初級繞組64和次級繞組66和74相同的芯上。采用共同磁芯的優點是節省空間和節省成本以用于補償繞組68、75的冷卻和封裝。功率電子變流器78基于參考電壓信號82控制補償繞組68、75兩端的電壓，促成磁芯中磁通量的控制，并由此控制次級繞組66、74兩端的電壓。參考電壓信號82由控制器80生成，并且基于來自配電變壓器62的輸出端的反饋信號83。在一個實施例中，反饋信號83可以是電壓傳感器和/或電流傳感器(未示出)獲得的電壓信號或電流信號或其組合的組合。
[0018]在一個實施例中，功率電子變流器78包括單相變流器88和84，單相變流器88和84分別耦合到補償繞組68、74以控制補償繞組68、74兩端的電壓。再者，功率電子變流器78可以包括另一個單相變流器86，以便對所有單向變流器88、84和86的公共直流(DC)鏈路(未示出)充電。單相變流器86通過從變壓器62提取有功功率來對公共DC鏈路充電。在一個實施例中，為了從變壓器62提取有功功率，單相變流器86在輸出端70、72處注入適合的電流。在一個實施例中，單相變流器88、84和86可以是雙向變流器，即，將功率從交流(AC)變換成直流(DC)和/或從DC變換成AC的變流器。
[0019]一般來說，所有變流器88、84和86都是雙向的，具有公共DC鏈路并與配電變壓器62交換有效功率或有功功率。更常見的，單相變流器88和84向配電變壓器62供給有功功率，配電變壓器62促成公共DC鏈路的放電，然后單相變流器86從配電變壓器62接收有功功率以將DC鏈路充電到其最初階段。
[0020]圖4a和圖4b示出如圖3的功率電子變流器78的功率電子變流器中采用的兩個示范單相變流器90、100。單相變流器90是由兩個并聯分支97、98組成的全橋網絡，這兩個并聯分支97、98各具有分別串聯連接的半導體器件91、92和93、94。DC鏈路95與兩個分支97、98并聯連接。在兩個分支97、98的中點處取單相變流器90的輸出連接96。半導體器件可以包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或金屬氧化物場效應晶體管(MOSFET)。
[0021]參考圖4b，單相變流器100是由與功率變流器分支106并聯連接的分割DC鏈路107組成的半橋網絡。功率變流器分支106包括串聯連接的兩個半導體器件101和102，以及分割DC鏈路107包括串聯連接的兩個DC鏈路電容器103、104。在功率變流器分支106與分割DC鏈路107的中點處取單相變流器100的輸出連接105。正如本文論述的，可以將這些單相變流器90、100的任何一個連接到在補償繞組兩端以控制其電壓或跨過變壓器的兩個功率端連接以對DC鏈路充電。而且，本領域技術人員設想到的單相變流器的其他實施例也在本系統的范圍內。
[0022]圖5示出根據本技術實施例的圖4的功率電子變流器的控制器110。在所示的實施例中，控制器110包括用于控制補償繞組兩端的電壓的單相變流器(圖3的82或84)的補償繞組子控制器112和用于控制DC鏈路的單相變流器86 (圖3)的DC鏈路子控制器114。在其中配電變壓器中采用兩個補償繞組的一個實施例中，可以使用兩個補償繞組子控制器112。控制器110接收反饋信號116，如配電變壓器62的每個端處的輸出電壓和輸出電流以及來自功率電子變流器78的DC鏈路電壓量值。
[0023]在本示例中，補償繞組子控制器112包括電壓量值和相位計算模塊118，其確定配電變壓器62的輸出電壓的量值和相位。錯誤檢測模塊122將配電變壓器62的輸出電壓量值和相位與參考電壓量值和相位120比較以確定錯誤信號124。然后將錯誤信號饋送到比例積分(PI)控制器126，比例積分(PI)控制器126基于錯誤信號確定加到輸出電壓以達到參考電壓并將錯誤信號減少到大約O的串聯電壓的量值和相位。等效電壓生成和脈寬調制(PWM)模塊128然后為單相變流器88或84生成PWM脈沖。在一個實施例中，補償繞組與次級繞組之間的匝數比也被納入生成PWM脈沖的考慮中，正如本文論述的。
[0024]為了說明的目的，變壓器的兩個繞組之間的電壓比可以給定為V1/V2=N1/N2，其中Vl和V2是分別具有等于NI和N2的匝數的變壓器繞組兩端的電壓。假定變壓器次級繞組電壓是V2 (無中心抽頭)以及初級繞組與次級繞組之間的匝數比N1/N2是30/1，以及補償繞組和次級繞組之間的匝數比N3/N2是3/1。在一個實施例中，V2設為等于120伏特(SP，Vl=3600伏特)，但是，當測量時，V2實際為110伏特(B卩，Vl=3300伏特)。這暗示在V2中需要加上10伏特的串聯電壓Vser以使之等于為120伏特的參考值。在此情況中，可以通過將Vl增加300伏特或使V3等于30伏特來按10伏特調整電壓V2。由此，等效電壓生成和脈寬調制(PWM)模塊128首先根據PI控制器126確定的Vser來計算V3，然后為單相變流器88或84生成PWM脈沖。
[0025]參考電壓量值和相位120是基于功率質量控制需求來確定的，并且由系統操作人員或另一個小控制器(未示出)確定。功率質量控制需求包括電壓調整、功率系數校正、諧波失真補償和無功功率補償的其中之一。例如，如果功率質量控制需求是電壓調整，則可以由操作人員將參考輸出電壓饋送到系統中，以及可以通過參考輸出電壓和測量的配電變壓器輸出電壓的向量相減(即，Vser=Vref-V2)來確定需要注入的參考電壓。但是，如果功率質量控制需求是無功功率補償，則第二控制器可以確定實際無功功率，并將其與參考無功功率比較以找出參考電壓量值和相位。相似地，在諧波補償需求的情況中，可以采用第二控制器來生成參考電壓量值和相位。[0026]DC鏈路子控制器114包括錯誤檢測模塊130，錯誤檢測模塊130確定實際DC電壓132與參考DC電壓134之間的差并將錯誤信號136提供到PI控制器138。PI控制器138然后為PWM模塊142確定量值或振幅調制比，PWM模塊142然后為單相變流器86生成PWM脈沖。
[0027]應該注意，在圖5中，僅示出示范控制器。但是，控制補償繞組兩端的電壓或控制DC鏈路電壓的其他控制器以及對本文披露的控制器所進行的修改也在本系統的范圍內。例如，在一個實施例中(例如，故障的情況中)，可以按點劃線113所示來耦合補償繞組子控制器112和DC鏈路子控制器114，并且可以有一些組件的交叉耦合。
[0028]圖6示出集成功率質量控制系統150的一個實施例的示意圖。集成功率質量控制系統150包括變壓器152，變壓器152具有繞在磁芯158上的初級繞組154和次級繞組156。還將補償繞組160與初級繞組154相連續地繞在磁芯158上。功率電子變流器162并聯連接在初級繞組154的兩個輸入端164、166兩端，并且被控制成從輸入端164、166接收有功功率以對DC鏈路充電，正如本文論述的。功率電子變流器162的輸出端168、170還連接在補償繞組160兩端。控制器(未示出)控制功率電子變流器162的輸出電壓，并相應地改變補償繞組160兩端的電壓。隨著補償繞組160兩端的電壓改變，它改變了變壓器中的磁通量，并相應地它改變了次級繞組156兩端的電壓。此技術可以稱為磁串聯補償，因為初級繞組導致的磁通量和補償繞組導致的磁通量得以相加，使得變壓器中的最終磁通量改變次級繞組156兩端的輸出電壓。由此，并非電壓相加，而是兩個磁通量得以相加，從而導致輸出電壓中的改變。
[0029]圖7示出集成功率質量控制系統180的另一個實施例的示意圖。在這個實施例180中，與圖6的實施例150相比的主要差異在于，補償繞組160現在與次級繞組156串聯連接，而非與初級繞組154串聯連接。再者，功率電子變流器輸入連接并聯連接到次級繞組156的輸出端165、167，以及功率電子變流器輸出連接168、170連接在補償繞組160兩端。
[0030]圖8示出集成功率質量控制系統200的又一個實施例。在實施例200中，補償繞組160既不與初級繞組154串聯連接，也不與次級繞組156串聯連接，而是單獨地繞在磁芯158上。實施例180和200中的功率電子變流器162的控制與本文論述的控制相似。
[0031]圖9示出根據本系統的實施例的三相集成功率質量控制系統的示意圖表示。一般來說，在此實施例中，三相變壓器中也可以采用本文論述的補償繞組。由此，三相集成功率質量控制系統250包括三相變壓器252，三相變壓器252具有初級繞組254和次級繞組256。端Al、BI和Cl形成變壓器252的輸入端，而端al、bl和cl形成變壓器252的輸出端。補償繞組258與初級繞組254串聯連接，但是在另一個實施例中，補償繞組258還可以與次級繞組256串聯連接。可以包括三相變流器的功率電子變流器260基于來自控制器262的輸入信號控制補償繞組258兩端的電壓。
[0032]本系統的優點和技術優點包括無論是居民用電、商業用電還是政府用電，對負載供給的饋線功率均為穩定，改進了功率質量，無需斷開饋線和優化了系統的尺寸和成本。
[0033]雖然本文僅圖示和描述了本發明的某些特征，但是本領域技術人員將設想到許多修改和更改。因此，要理解，所附權利要求應涵蓋在本發明的真實精神內的所有此類修改和更改。
[0034]元件列表10配電系統12配電站14配電變壓器16負載18饋線
30配電系統中多種負載點處的電壓的曲線圖32水平軸34垂直軸
36高負載期間的曲線圖38低負載期間的曲線圖40柱式配電變壓器42初級繞組44次級繞組46中心抽頭
60集成功率質量控制系統
62配電變壓器
64初級繞組
66第一次級繞組
68第一補償繞組
70、72次級繞組的輸出端
74第二次級繞組
75第二補償繞組
78功率電子變流器
80控制器
82參考電壓信號
83反饋信號
84、88、86單相變流器
90、100單相變流器
91、92、93、94半導體器件95 DC鏈路
96單相變流器的輸出連接97、98功率變流器分支107分割DC鏈路106功率變流器分支101、102半導體器件103、104兩個DC鏈路電容器105單相變流器的輸出連接110控制器
112補償繞組子控制器114 DC鏈路子控制器113交叉耦合116反饋信號
118電壓量值和相位計算模塊122錯誤檢測模塊120參考電壓量值和相位124錯誤信號126 PI控制器
128等效電壓生成和脈寬調制(PWM)模塊
130錯誤檢測模塊
132實際DC電壓
134參考DC電壓
136錯誤信號
138 PI控制器
150集成功率質量控制系統的一個實施例
152變壓器
154初級繞組
156次級繞組
158磁芯
160補償繞組
162功率電子變流器
164、166輸入端
168、170輸出端
180集成功率質量控制系統的另一個實施例
200集成功率質量控制系統的又一個實施例
250三相集成功率質量控制系統
252三相變壓器
254初級繞組
256次級繞組
258補償繞組
260功率電子變流器
262控制器。
【權利要求】
1.一種集成功率質量控制系統(60)，包括: 變壓器(62)，所述變壓器(62)包括繞在磁芯(158)上的初級繞組(64)、至少一個次級繞組(66、74)和至少一個補償繞組(68、75); 功率電子變流器(78)，所述功率電子變流器(78)向所述補償繞組提供參考電壓以用于在所述次級繞組中注入串聯電壓；以及 控制器(80)，所述控制器(80)基于功率質量控制需求為所述功率電子變流器生成所述參考電壓。
2.如權利要求1所述的集成功率質量控制系統，其中所述補償繞組與所述初級繞組或所述次級繞組串聯連接，或單獨地繞在所述磁芯上。
3.如權利要求1所述的集成功率質量控制系統，其中所述補償繞組配置成控制所述磁芯中的磁通量以用于在所述次級繞組中注入所述串聯電壓。
4.如權利要求1所述的集成功率質量控制系統，其中所述功率電子變流器包括采用公共DC鏈路的多個雙向變流器或三相變流器。
5.如權利要求4所述的集成功率質量控制系統，其中所述多個雙向變流器包括DC至AC變流器以控制所述補償繞組兩端的所述參考電壓，以及包括AC至DC變流器以用于通過與所述變壓器交換有功功率來對所述公共DC鏈路充電。
6.如權利要求5所述的集成功率質量控制系統，其中所述控制器包括第一控制器以控制所述DC至AC變流器，以及包括第二控制器以控制所述AC至DC變流器。
7.如權利要求6所述的集成功率質量控制系統，其中所述控制器配置成基于參考DC電壓與實際DC電壓之間的誤差來生成振幅調制比以用于為所述AC至DC變流器生成PWM脈沖。
8.如權利要求6所述的集成功率質量控制系統，其中所述第一控制器配置成基于所述補償繞組與所述次級繞組的匝數比之間的關系以及基于所述功率質量需求確定的參考次級繞組電壓生成所述參考電壓。
9.如權利要求1所述的集成功率質量控制系統，其中所述功率質量控制需求包括電壓調整、功率系數校正、諧波失真補償和無功功率補償的其中之一。
10.一種控制到負載的功率的方法，包括: 提供變壓器(62)，所述變壓器(62)包括繞在磁芯(158)上的初級繞組(64)、至少一個次級繞組(66、74)和至少一個補償繞組(68、75)； 基于功率質量控制需求為功率電子變流器(78)生成參考電壓；以及 采用所述功率電子變流器在所述補償繞組兩端提供所述參考電壓以便在所述次級繞組中注入串聯電壓。
【文檔編號】H02J3/12GK103825278SQ201310568399
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年11月15日 優先權日:2012年11月15日
【發明者】P.T.B.維杰庫恩, A.帕諾斯延, M.R.沙 申請人:通用電氣公司