一种单相直流变压器及其直流电流谐波抑制方法和装置与流程

1.本发明涉及一种单相直流变压器及其直流电流谐波抑制方法和装置，属于电力系统柔性直流输电技术领域。


背景技术：

2.单相全桥型直流变压器直流高低压侧电流谐波既会增大直流电流纹波，也会叠加在桥臂电流上，使桥臂电流有效值和额定容量增大，从而增加系统损耗和硬件成本。
3.有文献指出直流电流谐波峰值与桥臂电抗值有关，增大桥臂电抗值能够减小直流电流谐波峰值，可通过增大桥臂电感实现对直流的抑制，但是由于系统传输的总功率和等效总电抗成反比，增加桥臂电感后会引起功率峰值的减小，从而降低了直流变压器能够传输的最大功率，此外，增大桥臂电感也会带来成本和占地的提高，不利于紧凑化设计。
4.也有文献提出了基于正交虚拟矢量的单相全桥型直流变压器直流谐波抑制策略，通过构造一个与实际谐波相正交的虚拟矢量，再对实际谐波、虚拟矢量经过坐标旋转后的分量进行控制，实现二倍频谐波抑制。该抑制策略仅针对二倍频谐波，不能抑制四倍频谐波分量及其他频次的谐波分量，且在构建虚拟矢量进行坐标旋转变换过程中会引入其它频次的谐波，也会增大系统损耗和硬件成本。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种直流电流谐波抑制方法及其直流变压器，用以解决现有技术中直流变压器的直流侧存在谐波电流导致系统损耗和硬件成本增大的问题。
6.为实现上述目的，本发明的方案包括：
7.本发明的一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法，采集单相直流变压器的高压侧或者低压侧的直流电流，将直流电流经过滤波器提取得到电流谐波分量，将所述电流谐波分量和所述电流谐波分量经过一定时间延迟后得到的虚拟电流谐波分量，进行坐标变换，进而把坐标变换后的电流分量变为大小相等方向相反的反向电流分量，将每个所述反向电流分量分别经过若干条支路上的控制器调节控制，每条支路上的控制器根据谐波抑制需求选择pi控制器或pr控制器，并将每条支路输出的结果进行叠加后再经过坐标逆变换得到与需抑制的直流电流谐波等效的电压补偿量，以利用所述电压补偿量对单相直流变压器进行控制。
8.本发明的有益效果为：将提取到的各倍频谐波分量跟对应的延迟后的虚拟矢量经过坐标变换后再变换为大小相等方向相反的电流谐波分量，将此电流谐波分量分别经过若干条支路上的控制器调节控制，每条支路通过pi控制器或者pr控制器来进行无静差控制，在进行不同频次的谐波抑制时，可以通过控制pi控制器和pr控制器支路的数量来实现各个谐波分量的抑制，从而降低直流变压器的系统损耗和硬件成本，控制方法简。
9.进一步地，所述一定时间是四分之一个二倍频谐波周期。
10.进一步地，当需要抑制二倍频谐波分量时，所述控制器选择pi控制器进行控制。
11.本发明的有益效果为：将二倍频谐波分量延时四分之一个二倍频谐波周期后经坐标变换后产生的分量为常数，只使用pi控制器即可实现对常量的控制，抑制方法简单。
12.进一步地，当需要抑制四倍频谐波分量时，所述控制器选择pr控制器进行控制。
13.本发明的有益效果为：将四倍频谐波分量延时一个四倍频谐波周期后经坐标变换后产生的分量为交流量，在对交流量进行抑制时，使用pr控制器可实现对交流量的无静差控制。
14.一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如上述所述的单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法。
15.一种直流变压器，包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路；单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边；还包括上述所述的单相直流变压器直流电流谐波抑制装置。
16.进一步地，所述单相逆变电路和所述单相整流电路均为全桥结构。
17.进一步地，所述单相逆变电路和所述单相整流的每条桥臂上串联的若干子模块为半桥子模块。
18.进一步地，单相逆变电路和单相整流电路的每条桥臂上串联的子模块均包括与其旁路开关并联的转折晶闸管。
19.本发明的有益效果为：通过设置一个旁路开关来控制每个半桥子模块的投入情况，从而控制每个桥臂上半桥子模块的投入个数，达到控制桥臂电压的目的。
附图说明
20.图1是本发明的直流变压器拓扑电路结构示意图；
21.图2是本发明的直流变压器半桥模块单元结构示意图；
22.图3是本发明的单相直流变压器的电流谐波抑制控制框图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
24.一种直流变压器的实施例：
25.如图1所示的一种直流变压器的拓扑电路，该拓扑电路包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路；单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边，单相逆变电路和单相整流电路均为全桥结构，每个桥臂包含一定个数的半桥子模块和一个桥臂电抗器，同时两条直流母线各配置一个直流电抗器。
26.如图2所示半桥子模块包括上开关管(包括igbt和与igbt反并联的二极管)、下开关管(包括igbt和与igbt反并联的二极管)、电容c、一个旁路开关和一个转折晶闸管，在串联的上开关管和下开关管的两端并联电容c，旁路开关和转折晶匣管分别跟下开关管并联。
27.针对上述直流变压器直流侧的直流电流的控制策略如下：
28.1)直流侧电流谐波提取。
29.如图3所示，直流变压器直流侧直流母线上的电流i
dc
主要包括直流分量和谐波分
量，其中该谐波分量即为本发明直流电流谐波抑制方法的控制对象，因此仅需设计高通滤波器g
hp
(ω1)将直流电流i
dc
中的直流分量滤除即可，高通滤波器g
hp
(ω1)的截止频率可按照小于系统工作频率选取。将直流母线上的电流i
dc
通过高通滤波器g
hp
(ω1)提取后得到的谐波分量，该谐波分量包含特征次谐波分量诸如二倍频谐波分量、四倍频谐波分量等，其中二倍频谐波为主要谐波分量。
30.2)构建虚拟矢量。
31.如图3所示以二倍频谐波为基准，将实际谐波分量延时四分之一个二倍频谐波周期，构造一个虚拟矢量；以四倍频谐波为基准，将实际谐波分量也延时四分之一个二倍频谐波周期，构造一个虚拟矢量；构造后形成的矢量组包括二倍频矢量组，以及四倍频矢量组：
32.①
倍频矢量组：
[0033][0034]
②
倍频矢量组：
[0035][0036]
3)坐标变换。
[0037]
如图3所示把实际谐波与虚拟谐波矢量经过αβ到dq坐标旋转变换后得到谐波在两相旋转坐标系下的分量，其中αβ到dq坐标旋转变换的旋转角度是2θ，对于二倍频谐波分量，由于αβ到dq坐标旋转变换时输入量为一对相互正交的无直流偏置的谐波分量，因此经过αβ到dq坐标旋转变换后产生的分量为常数，具体如下：
[0038][0039]
因此在进行谐波抑制时，如果只是需要抑制二倍频谐波分量其他的谐波分量不需要抑制，此时只需设计pi控制器实现无静差控制最终达到对二倍频谐波的抑制。
[0040]
对于四倍频分量，坐标旋转变换时输入量为一对非正交的无直流偏置的谐波分量，因此经过αβ到dq坐标旋转变换后产生的分量仍然为交流量，具体如下：
[0041][0042]
根据坐标变换的结果可以得出，四倍频谐波分量跟构建的四倍频虚拟矢量经过αβ到dq坐标变换后产生的仍然是交流量，对于交流量需要设计对应的pr控制器来实现抑制。同理八倍频谐波分量及其坐标旋转过程中产生的谐波分量，也可通过增加对应的pi控制器和pr控制器来实现抑制，此处暂不详细说明。
[0043]
4)反向变换。
[0044]
如图3所示，将实际电流谐波分量和对应的延时后虚拟矢量，经过αβ到dq坐标旋转变换后得到d轴和q轴的电流分量，再将d轴和q轴的电流分量分别经过反向变换，反向变换将经过的电流分量变为大小相等方向相反的电流分量。
[0045]
5)控制器。
[0046]
将反向变换后的d轴和q轴的电流分量分别经过若干个支路上的控制器控调节控制，每条支路上的控制器根据抑制需求选择pi控制器或pr控制器，例如如果只需要抑制二倍频谐波电流，那么只需将d轴和q轴的电流分量分别经过pi控制器进行调节控制；如果需要抑制二倍频谐波电流和四倍频谐波电流，那么需要将d轴和q轴的电流分量分别经过包含pi控制器的支路和包含pr控制器的支路进行调节控制；最后将每个控制器控制后的输出结果进行叠加。
[0047]
6)坐标逆变换。
[0048]
将上述经过控制器控制叠加后的电压补偿量再经过dq到αβ坐标旋转逆变换得到与需抑制的直流电流谐波等效的电压补偿量v
cirh
，其中，dq到αβ坐标旋转变换的旋转角度是2θ。
[0049]
7)桥臂投入个数修正量生成。
[0050]
将上述最终经过坐标逆变换后的每个桥臂的电压补偿量v
cirh
叠加至各桥臂调制波，将调制波转换成投入半桥子模块个数，进而实现对投入半桥子模块个数进行实时调整，最终实现直流变压器直流侧的直流电流谐波的抑制。
[0051]
一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法的实施例：
[0052]
本发明的一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法可应用于如图1所示的单相直流变压器中，该方法的整体思路在于，首先将提取到电流谐波分量构建一个虚拟矢量，虚拟矢量的构建是通过将所有电流谐波分量延时四分之一个二倍频谐波周期，然后对实际的电流谐波分量和构建的虚拟矢量进行坐标变换，经过坐标变换的二倍频电流谐波分量会变为常量，经过坐标变换的四倍频电流谐波分量仍为交流量，后面可以根据要抑制的电流
谐波分量来设计控制器，对于常量只需要设计pi控制器来对常量进行控制；对于交流量需要设计对应的pr控制器来进行控制，所以根据对电流谐波抑制的需求来设计不同的控制器就可以实现电流谐波的抑制。关于该方法的具体实施过程已在直流变压器的实施例中做了详细介绍，本实施例不再赘述。
[0053]
为本发明的一种直流变压器所适用的直流电流谐波抑制方法，本发明的一种直流变压器已经在变压器的实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。
[0054]
一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制装置的实施例：
[0055]
本发明的一种单相直流变压器的直流电流谐波的抑制装置的实施例，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的方法实施例中介绍的一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法。
[0056]
其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等。

技术特征：
1.一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法，其特征在于，采集单相直流变压器的高压侧或者低压侧的直流电流，将直流电流经过滤波器提取得到电流谐波分量，将所述电流谐波分量和所述电流谐波分量经过一定时间延迟后得到的虚拟电流谐波分量，进行坐标变换，进而把坐标变换后的电流分量变为大小相等方向相反的反向电流分量，将每个所述反向电流分量分别经过若干条支路上的控制器调节控制，每条支路上的控制器根据谐波抑制需求选择pi控制器或pr控制器，并将每条支路输出的结果进行叠加后再经过坐标逆变换得到与需抑制的直流电流谐波等效的电压补偿量，以利用所述电压补偿量对单相直流变压器进行控制。2.根据权利要求1所述的单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法，其特征在于，所述一定时间是四分之一个二倍频谐波周期。3.根据权利要求1所述的单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法，其特征在于，当需要抑制二倍频谐波分量时，所述控制器选择pi控制器进行控制。4.根据权利要求1所述的单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法，其特征在于，当需要抑制四倍频谐波分量时，所述控制器选择pr控制器进行控制。5.一种单相直流变压器的直流电流谐波抑制装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如权利要求1～4任一项所述的单相直流变压器的直流电流谐波抑制方法。6.一种直流变压器，其特征在于，包括单相逆变电路、隔离变压器和单相整流电路；单相逆变电路的交流端接隔离变压器的原边，单相整流电路的交流端接隔离变压器的副边；还包括如权利要求5所述的单相直流变压器直流电流谐波抑制装置。7.根据权利要求6所述的直流变压器，其特征在于，所述单相逆变电路和所述单相整流电路均为全桥结构。8.根据权利要求6所述的直流变压器，其特征在于，所述单相逆变电路和所述单相整流的每条桥臂上串联的若干子模块为半桥子模块。9.根据权利要求6～8任一项所述的直流变压器，其特征在于，单相逆变电路和单相整流电路的每条桥臂上串联的子模块均包括与其旁路开关并联的转折晶闸管。

技术总结
本发明涉及一种单相直流变压器及其直流电流谐波抑制方法和装置，属于电力系统柔性直流输电技术领域。本发明方案包括采集单相直流变压器的直流电流，将此电流经过滤波器提取得到电流谐波分量，将电流谐波分量和经过一定时间延迟后的电流谐波分量，进行坐标变换，进而把坐标变换后的电流分量变为大小相等方向相反的电流分量，将每个反向电流分量分别经过若干条支路上的控制器调节控制，每条支路上的控制器根据抑制需求选择PI控制器或PR控制器，并将每条支路输出的结果进行叠加后再经过坐标逆变换得到与需抑制的直流电流谐波等效的电压补偿量。本发明方案解决了现有技术中直流变压器的直流侧存在谐波电流导致系统损耗和硬件成本增大的问题。件成本增大的问题。件成本增大的问题。


技术研发人员：行登江 刘启建 王先为 杨美娟 刘欣和 李道洋
受保护的技术使用者：许继电气股份有限公司 许继集团有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/8