一種級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

胡世勇， 鄒海榮

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 201306)

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電力變壓器在結(jié)構(gòu)和功能上的缺陷日益突顯，已漸漸無法滿足當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，于是電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)便應(yīng)運(yùn)而生。PET是結(jié)合電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)換為另一種電力特征的電能的電力設(shè)備[1]。它在實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎(chǔ)上，還能實(shí)現(xiàn)潮流控制、電能質(zhì)量控制等許多額外的功能[2]。

比較完善的PET結(jié)構(gòu)由美國德州A&M大學(xué)的Kang等[3]提出，該方案基于直接AC/AC變換技術(shù)，大幅度地減小了變壓器的體積和質(zhì)量。2002年，美國學(xué)者Ronan等[4]提出了3級(jí)結(jié)構(gòu)(輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí))的PET(見圖1)。此后，由于功能上的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)上的成熟，3級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為應(yīng)用與研究中的主流。

圖1 電力電子變壓器的3級(jí)結(jié)構(gòu)

近年來，國內(nèi)外大量文獻(xiàn)對(duì)PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5]中提到了一種基于二極管鉗位多電平的拓?fù)?，它可以很好地減少諧波，但其拓?fù)涞挠布Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且功率器件均為二極管，只能單相傳遞能量。文獻(xiàn)[6]中提出輸入級(jí)采用模塊化多電平換流器(Modular MultilevelConverter，MMC)的方案，該拓?fù)漭敵鲭妷嘿|(zhì)量高、功率靈活可控，但功率模塊多，限制了PET的功率密度，并且成本高，不經(jīng)濟(jì)。文獻(xiàn)[7]中的隔離級(jí)采用了雙主動(dòng)橋(Dual Active Bridge，DAB)，該方案應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，但如果考慮變換效率和開關(guān)損耗，其并不是最佳選擇。文獻(xiàn)[8]中雖然采用了比DAB更好的LLC諧振變換器，但其忽略了勵(lì)磁電感的影響，對(duì)于一個(gè)非理想的高頻變壓器而言，勵(lì)磁電感可以創(chuàng)造一個(gè)能量傳輸?shù)臈l件。

本文在AC/DC/AC型PET的基礎(chǔ)上，研究了一種由級(jí)聯(lián)H橋、LLC諧振變換器和逆變電路構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高、功率密度高、能量靈活傳遞，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。本文分析了PET電路拓?fù)涞墓ぷ髟?，研究了控制策略設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 電力電子變壓器拓?fù)?/h2>

1.1 AC/DC/AC型PET

圖2是一種典型的AC/DC/AC型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它可以實(shí)現(xiàn)輸入端功率因數(shù)校正，同時(shí)可以抑制諧波的雙向流動(dòng)。其工作過程為：工頻交流輸入經(jīng)三相全控整流器變換為直流，通過一個(gè)單相全橋逆變電路被調(diào)制成為高頻方波后加載至高頻變壓器；耦合到變壓器二次側(cè)后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵鯷9]。

圖2 AC/DC/AC型PET典型結(jié)構(gòu)

1.2 級(jí)聯(lián)型PET

本文研究了一種級(jí)聯(lián)型的PET拓?fù)?，如圖3所示。該拓?fù)淙匀徊捎肁C/DC/AC型的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

輸入側(cè)由3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)而成，每一級(jí)由兩個(gè)H橋和直流電容構(gòu)成，前級(jí)H橋穩(wěn)定模塊內(nèi)部直流電容電壓，后級(jí)H橋穩(wěn)定直流母線電壓。由于一次側(cè)的電壓等級(jí)高，輸入采用多個(gè)整流橋串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使得輸入電壓被均分到每個(gè)整流橋上，減小了單個(gè)整流橋的承受電壓，同時(shí)降低了開關(guān)器件的損耗、減小了電壓電流諧波[10]。

圖3 級(jí)聯(lián)型PET拓?fù)?/p>

隔離級(jí)的DC/DC變換器具有電壓變換、電氣隔離和能量雙向流動(dòng)的作用。本文采用LLC諧振型雙向DC/DC變換模塊，它有著高變換效率、高功率密度和能量靈活雙向傳遞的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)零電壓開斷和零電流開斷[11]。隔離級(jí)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中：Q1～ Q4與Q5～ Q8分別構(gòu)成了兩個(gè)H橋變換器；Lm為高頻變壓器的勵(lì)磁電感；L1，L2為諧振電感；C1，C2為諧振電容；L1和C1構(gòu)成一次側(cè)LC諧振網(wǎng)絡(luò)；L2和C2構(gòu)成副邊LC諧振網(wǎng)絡(luò)。

圖4 LLC諧振型DC/DC變換模塊

輸出級(jí)由逆變電路和LC濾波器構(gòu)成，作用是將直流電逆變成恒壓、恒頻的交流電，該結(jié)構(gòu)可以很好地應(yīng)對(duì)電壓和負(fù)載的不平衡，消除非線性負(fù)載對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓的影響，減小電壓諧波，有利于輸出波形正弦化。

2 PET各級(jí)控制策略

2.1 輸入級(jí)控制

輸入級(jí)為3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個(gè)H橋都是單相整流全橋，如圖5所示。

圖5 H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3中：Us為電網(wǎng)電壓；Ls為升壓電感；Is為流過電感的電流；Us為交流側(cè)輸入電壓；Udc為電容兩端電壓；I1為輸出電流；IR1為負(fù)載電流；IC為電容電流；C為直流側(cè)電容。

H橋在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為

(1)

式中：usd和usq，vsd和vsq，Isd和Isq分別是電網(wǎng)電壓，交流側(cè)輸入電壓和交流電流在dq軸的分量。

為了實(shí)現(xiàn)直流側(cè)輸出電壓恒定，交流側(cè)輸入電流為正弦且功率因數(shù)可控的目標(biāo)，輸入級(jí)采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的作用是控制輸出電壓，保證直流輸出電壓的恒定；電流內(nèi)環(huán)的作用是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)[12-14]。

為減小dq軸電流在動(dòng)態(tài)過程中的相互影響，電流環(huán)引入前饋解耦控制環(huán)節(jié)。令系統(tǒng)控制輸入為

(2)

將式(2)代入式(1)可得到解耦后的控制方程為

(3)

式(3)中的有功電流Isd和無功電流Isq已完全解耦，從而得到輸入級(jí)的控制框圖(見圖6)。

圖6 輸入級(jí)控制框圖

2.2 隔離級(jí)控制

隔離級(jí)的控制目標(biāo)為：在高頻變壓器一次側(cè)將直流電壓調(diào)制成高頻交流電壓，經(jīng)變壓器耦合到二次側(cè)后，再還原成直流電壓。因此，隔離級(jí)采用PWM控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖。而且由于隔離級(jí)在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，能實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，電容電壓自動(dòng)平衡，從而不需要額外的控制手段[15]。

2.3 輸出級(jí)控制

輸出級(jí)的控制目標(biāo)為：輸出的相電壓恒定且波形是正弦。因此，采用相電壓瞬時(shí)值和有效值相結(jié)合的雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為相電壓瞬時(shí)值控制環(huán)，外環(huán)為相電壓有效值控制環(huán)，此控制策略能夠保證輸出波形良好的正弦型，輸出電壓精度高[16]。控制框如圖7所示。

圖7 輸出級(jí)控制框圖

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證級(jí)聯(lián)型PET拓?fù)湓陔妷鹤儞Q和平衡電流電壓等方面的性能，在Matlab/Simulink平臺(tái)建立了仿真模型。仿真參數(shù)見表1。同時(shí)，將仿真結(jié)果與傳統(tǒng)AC/DC/AC型PET進(jìn)行比較驗(yàn)證。

表1 仿真模型主要參數(shù)

3.1 PET空載時(shí)

圖8是級(jí)聯(lián)型PET和傳統(tǒng)PET空載時(shí)的仿真曲線，由圖8(a)可知，輸入級(jí)直流電壓可以穩(wěn)定控制在6 kV左右，這與設(shè)定的母線電壓幾乎相同，并且電壓變化平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較短。結(jié)合圖8(b)，3個(gè)H橋直流電壓約為2 kV，說明級(jí)聯(lián)H橋在雙閉環(huán)的控制策略可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)H橋的均壓。圖8(c)可以看出傳統(tǒng)PET電壓變化迅速，峰值較高，約0.18 s后最終穩(wěn)定在5.8 kV左右，不能達(dá)到設(shè)定的母線電壓值；而級(jí)聯(lián)型PET變化平穩(wěn)，峰值較低，0.14 s左右即實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。

(a) 級(jí)聯(lián)型PET高壓側(cè)總電壓

(b) 級(jí)聯(lián)型PET H橋電壓

(c) 傳統(tǒng)與級(jí)聯(lián)PET高壓側(cè)總電壓

3.2 PET帶負(fù)載時(shí)

圖9所示為級(jí)聯(lián)型PET和傳統(tǒng)PET投入負(fù)載時(shí)電流的仿真曲線，開始時(shí)PET空載，在0.2 s時(shí)投入負(fù)載。圖9(a)顯示投入負(fù)載后，低壓側(cè)輸出電流出現(xiàn)波動(dòng)，但這個(gè)過程很短，隨后迅速恢復(fù)正常狀態(tài)，驗(yàn)證了控制策略具有很好的動(dòng)態(tài)性能。從圖9(b)可以看出，投入負(fù)載后，級(jí)聯(lián)型PET負(fù)載側(cè)電流出現(xiàn)跌落，但很快便恢復(fù)了正常；而傳統(tǒng)PET電流迅速增大了約50%，而且恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間也較長。

(a) 級(jí)聯(lián)型PET低壓側(cè)輸出電流

圖10(a)、10(b)所示為PET低壓側(cè)和負(fù)載輸出電壓的波形。圖10(a)、10(b)說明級(jí)聯(lián)型PET可以很好地實(shí)現(xiàn)電壓10 kV到360 V的變壓。由圖10(b)可知，投入負(fù)載后，級(jí)聯(lián)型PET出現(xiàn)了較小的電壓畸變，此外均為正常的正弦波；而傳統(tǒng)PET的電壓驟升至500 V左右，0.4 s后才漸漸穩(wěn)定，且也出現(xiàn)了兩處較大的畸變，但整體上還是正弦波。

(a) 級(jí)聯(lián)型PET輸入電壓

(b) 傳統(tǒng)與級(jí)聯(lián)型PET負(fù)載電壓

仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，級(jí)聯(lián)型PET可以很好地完成電壓等級(jí)變換，平衡負(fù)載和均壓均流等功能，并且減小開關(guān)器件的損耗和電壓電流諧波。在負(fù)載突變的情況下，能夠迅速響應(yīng)，在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平衡，體現(xiàn)了很好的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力。

4 結(jié) 語

本文基于傳統(tǒng)的AC/DC/AC型PET研究了一種級(jí)聯(lián)型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸入級(jí)的級(jí)聯(lián)H橋電路模塊數(shù)少，結(jié)構(gòu)緊湊，而且電壓被均分到每一個(gè)子模塊上，從而提高了輸入電壓等級(jí)；隔離級(jí)的LLC型諧振變換器使得功率可以靈活雙向傳輸，減少了開關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)效率；輸出級(jí)采用的逆變電路具有輸出穩(wěn)定，電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。通過Matlab/Simulink的仿真，驗(yàn)證了其均壓均流，抑制諧波，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)秀和平衡負(fù)載等能力。級(jí)聯(lián)型PET由于采用高度模塊化的結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可廣泛應(yīng)用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

[1] 毛承雄，范澍，王丹,等. 電力電子變壓器的理論及其應(yīng)用(Ⅰ) [J]. 高電壓技術(shù)，2003, 29 (10): 4-6.

[2] 毛承雄，范澍，黃貽煜,等. 電力電子變壓器的理論及其應(yīng)用(Ⅱ) [J]. 高電壓技術(shù), 2003, 29 (12): 1-3.

[3] KANG M, ENJETI P N, PITEL I J. Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1999, 14 (6): 1133-1141.

[4] RONAN E R, SUDHOFF S D, GLOVER S F,et al. A power electronic-based distribution transformer [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2002, 17 (2): 537-543.

[5] 陳啟超，紀(jì)延超，潘延林,等. 配電系統(tǒng)電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述 [J]. 電工電能新技術(shù), 2015, 34 (3): 41-48.

[6] 李子欣，王平，楚遵方,等. 面向中高壓智能配電網(wǎng)的電力電子變壓器研究 [J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37 (9): 2592-2601.

[7] 王杉杉，王玉斌，林意斐,等. 級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器電壓與功率均衡控制方法 [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31 (22): 92-99.

[8] 武琳，張燕枝，李子欣,等. 一種隔離式雙向全橋DC /DC變換器的控制策略 [J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2012,16(12):21-27,35.

[9] 毛承雄，范澍，王丹,等. 電子電力變壓器 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[10] 季振東，李東野，孫毅超,等. 一種三相級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器及其控制策略研究 [J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2016, 20 (8): 32-39，47.

[11] 馬催. 電力電子變壓器帶隔離環(huán)節(jié)的DC/DC變換器研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué), 2016:39-41.

[12] 宋平崗，朱維昌，戈旺. 單相電力電子變壓器整流級(jí)直接功率預(yù)測(cè)控制 [J].大功率變流技術(shù), 2016(4): 7-12.

[13] 王軒，付永生，晉灣灣，等. 一種新型結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器 [J]. 電工電能新技術(shù), 2017, 36 (5): 67-74.

[14] 廖國虎，邱國躍，袁旭峰. 配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真研究 [J]. 電測(cè)與儀表, 2014, 51 (17): 35-41.

[15] 葛云霞，李勇，韓繼業(yè),等. PET接入10kV有源配電網(wǎng)的諧振穩(wěn)定評(píng)估及輸入阻抗優(yōu)化 [J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2017, 29 (2): 1-6，55.

[16] 張國榮，王嘯飛. 配電網(wǎng)中自平衡電力電子變壓器控制策略研究 [J]. 電氣傳動(dòng), 2017, 47 (4): 60-66.