基于多端口電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行的能量雙向傳輸仿真研究

毛智陽 尹浩斌

摘要：在交直流微網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，面向分布式可再生能源可靠消納及直流負(fù)荷經(jīng)濟(jì)用能的重大需求，傳統(tǒng)變壓器無法實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)及交直流混合供電。為解決這一難題，本文分析了一種新穎的多模塊化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)聯(lián)、多流向的特性，建立了電力電子變壓器能量傳遞的平均模型，利用RTDS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)建立了兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行仿真模型。通過仿真分析可得，PET2的10kV AC端口實(shí)現(xiàn)了從發(fā)出1000 kW有功到吸收1000 kW， PET2的10kV AC端口實(shí)現(xiàn)了從發(fā)出1000 kW有功到吸收1000 kW，PET2的10KV DC端口實(shí)現(xiàn)了從吸收250 kW有功到發(fā)出250 kW有功。在多端口電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，各端口電壓、功率穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)能量雙向傳輸。

關(guān)鍵詞：能量雙向傳輸，電力電子變壓器，交直流微網(wǎng)

隨著我國(guó)分布式可再生能源的迅猛發(fā)展，分布式可再生能源在我國(guó)負(fù)荷密集區(qū)域特別是東南沿海具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ訧T類負(fù)載、變頻空調(diào)及電動(dòng)汽車為代表的廣義直流用能設(shè)備比例快速升高。面向分布式可再生能源可靠消納及直流負(fù)荷經(jīng)濟(jì)用能的重大需求，同時(shí)傳統(tǒng)交流配網(wǎng)中交直流源、荷接入變換環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)綜合能效低、配用電環(huán)節(jié)匹配性低的問題日益凸現(xiàn)。亟需建設(shè)可調(diào)裕度更大、受益地域更廣、效率和可靠性更高的交直流混合系統(tǒng)。

對(duì)于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存儲(chǔ)，就地使用”，然而基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)因其間歇性、波動(dòng)性，并不能充分地保證自發(fā)自用[1-2]。因此提出了包括分布式交直流主動(dòng)式配電網(wǎng)、特高壓交直流輸電等新一代電網(wǎng)，其中將使用到大量的電力電子裝置設(shè)備。電力電子變壓器 PET（Power Electronic Transformer）作為一種新型的電壓變換、能量傳遞電器，正得到了越來越多的關(guān)注，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)就 PET 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略進(jìn)行了研究[3-7]。與傳統(tǒng)的變壓器相比，電力電子變壓器具有體積小，重量輕，空載損耗小，不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)[4]。文獻(xiàn)[8]在對(duì)配電系統(tǒng)PET隔離級(jí)的控制上，其變壓器原邊逆變電路和副邊整流采用開環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)，將直流調(diào)制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合至高頻變壓器副方繞組后再經(jīng)過不控整流，還原成直流，研究了電力電子變壓器在不對(duì)稱負(fù)載情況下的運(yùn)行特性，仿真表明，這種結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器可以很好地維持副邊用戶側(cè)電壓恒定和三相電壓平衡。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)對(duì)電力電子變壓器集群運(yùn)行、電力電子變壓器間能量雙向研究甚少，本文將在電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行控制，基于多功能電力電子變壓器四個(gè)電能端口都具備不同電氣參數(shù)電能之間的靈活變換、傳遞和路由功能的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析完成驗(yàn)證。

圖1是多端口電力電子變壓器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括四個(gè)端口，分別是10kV AC端口，10kV DC端口，±375 V DC端口以及380V AC端口，端口之間可以進(jìn)行雙向的能量交換。多端口電力電子變壓器由眾多子模塊組成，主結(jié)構(gòu)拓?fù)溆啥嗉?jí)變換組成，可提供多種不同電壓等級(jí)的交/直流電壓接口。

其中10kV AC-750DC變換級(jí)和10KV DC-750DC變換級(jí)采用模塊化設(shè)計(jì)方案。針對(duì)10KVAC-750V DC變換，采用三組低壓直流到高壓交流的變換單元組合而成，每組變換單元由若干個(gè)具有高頻隔離功能的功率子模塊采用低壓側(cè)并聯(lián)高壓側(cè)串聯(lián)的方式連接而成。每個(gè)功率子模塊功率模塊由高頻隔離DC-DC變換器和級(jí)聯(lián)H橋共同組成。高頻隔離DC-DC變換器采用雙有源全橋變換器，包括：DC/AC逆變橋，高頻隔離變壓器，AC/DC整流橋及高頻諧振電感，通過調(diào)節(jié)DC/AC逆變橋和AC/DC整流橋的占空比之間的相位關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，調(diào)節(jié)DC/AC逆變橋和AC/DC整流橋之間及各自橋臂之間的相位差即可實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓側(cè)電壓的控制。多個(gè)子模塊中的H橋在高壓側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流控制。針對(duì)10KVDC-750DC，采用一組低壓直流到高壓交流的變換單元，每組變換單元與10KVAC-750V DC變換類似，為了適應(yīng)較寬的高壓直流母線電壓波動(dòng)范圍，功率子模塊內(nèi)部仍采用雙有源橋隔離電路+H橋的方式，以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的輸出電壓調(diào)節(jié)。針對(duì)750DC-380AC變換級(jí)采用傳統(tǒng)的三相全橋電路+LC濾波器組成，由于輸出要求三相四線，需額外配置△/Y型變壓器。

電力電子變壓器的建模方法分為多種，主要有開關(guān)器件的建模以及平均模型建模，考慮到電力電子變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度高，對(duì)仿真精度、規(guī)模和運(yùn)算速度要求很高，因此本文采用平均模型，主要用于系統(tǒng)層面的算法研究等進(jìn)行介紹，同時(shí)介紹相應(yīng)的仿真結(jié)果分析。

考慮系統(tǒng)的能量關(guān)系，將端口之間的接口通過電壓源或者電流源的形式，體現(xiàn)其能量傳遞關(guān)系，建立連接。方法如下：其中10kV AC端口和380AC端口均采用電壓源的形式體現(xiàn)與電網(wǎng)之間的能量交換，控制環(huán)路采用直流電壓與電流的雙閉環(huán)控制，實(shí)際體現(xiàn)的特性仍然為電流源的形式。三相電容采用電容與電流源負(fù)載的形式可以體現(xiàn)前后級(jí)之間的功率傳輸，以及電容的能量平衡，并且可以反應(yīng)電容的穩(wěn)態(tài)電壓波動(dòng)。10kV DC側(cè)和375V DC側(cè)均采用電容以及電流源組合的形式體現(xiàn)能量關(guān)系和直流電壓控制。可以體現(xiàn)能量平衡關(guān)系以及電容的平均電壓。電力電子變壓器核心為功率模塊里面包含了DAB和H橋。

為了驗(yàn)證多端口電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行條件下能量雙向傳輸特征，通過調(diào)節(jié)功率指令，實(shí)現(xiàn)PET1至PET2間端口功率相互流動(dòng)，基于RTDS硬件在環(huán)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真分析。

電力電子變壓器具備多個(gè)電能端口，各端口都具備不同電氣參數(shù)電能之間的靈活變換和傳遞功能。在各端口之間，根據(jù)外部控制指令或依據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行電能的傳輸分配和路徑選擇，極大增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行靈活性。

可通過兩臺(tái)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，來控制單臺(tái)電力電力變壓器功率大小及方向展示多端口雙向傳輸特性。

3.1 PET2 10kV AC從0到發(fā)出1000kW有功功率

兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行PET2 10kV AC從0到發(fā)出1000kW有功功率，以檢查10KV AC端口功率升高時(shí)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。如圖所示，（1）10KV AC端口功率升高時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定。（2）PET2的10kV AC功率指令由0變?yōu)?000kW后，PET1 10kV AC有功功率由-10kW，經(jīng)過10.3769s，下降到-1018kW，下降速率為97.13kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由9kW，經(jīng)過10.3987s，上升到1000kW，上升速率為95.30kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由2kW，經(jīng)過10.1446s，上升到928kW，上升速率為91.28kW/s。PET2 ±375V DC直流母線電壓由0.748kV，經(jīng)過10.0115s，下降到0.693kV，下降速率為5.49V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-12kW，經(jīng)過10.2329s，下降到-929kW，下降速率為89.61kW/s。

3.2 PET2-10kV AC從發(fā)出1000 kW有功到吸收1000 kW

兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行PET2 10kV AC從發(fā)出1000 kW有功到吸收1000 kW，以檢查10KV AC端口功率反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。如圖所示，（1）10KV AC端口功率反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。（2）PET1 10kV AC有功功率由-1017kW，經(jīng)過20.1664s，上升到980kW，上升速率為99.03kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由999kW，經(jīng)過20.5318s，下降到-996kW，下降速率為97.16kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由937kW，經(jīng)過20.2995s，下降到-1062kW，下降速率為98.48kW/s。PET2 ±375V DC直流母線電壓由0.693kV，經(jīng)過20.1004s，上升到0.804kV，上升速率為5.52V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-930kW，經(jīng)過20.5651s，上升到1061kW，上升速率為96.81kW/s。

3.3 PET2 10KV DC從吸收250 kW有功到發(fā)出250 kW有功

兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行PET2 10KV DC從吸收250 kW有功到發(fā)出250 kW有功，以檢查10KV DC端口功率反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。如圖所示，（1）10kV DC端口功率反轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。（2） PET2側(cè)10kV DC功率指令由-250kW變?yōu)?50kW。功率指令更改，PET1側(cè)10kV AC端口功率從約-114kW變?yōu)榧s-25kW，上升階段經(jīng)過一個(gè)半周期，上升速率約0.175MW/s，峰值功率約-21kW，共波動(dòng)13個(gè)周期，波動(dòng)周期約234ms，穩(wěn)定時(shí)間約3.51s。PET1側(cè)±375 DC端口功率從-895kW變?yōu)?485kW，峰值功率約-458kW，上升速率約0.793MW/s，共波動(dòng)5個(gè)周期，波動(dòng)周期約238ms，穩(wěn)定時(shí)間約2.16s;PET1側(cè)±375 DC端口電壓穩(wěn)定。功率指令更改，2.16s之后，PET2側(cè)10kV AC端口功率、電壓穩(wěn)定。PET2側(cè)±375 DC端口功率從947kW變?yōu)?00kW，峰值功率約-477kW，下降速率約0.828MW/s，共波動(dòng)5個(gè)周期，波動(dòng)周期約238ms，穩(wěn)定時(shí)間約2.16s;PET1側(cè)380V AC端口電壓、功率穩(wěn)定。

從仿真驗(yàn)證可以看出，兩臺(tái)電力電子變壓器聯(lián)動(dòng)運(yùn)行中在對(duì)PET2的10KV AC端口功率升高、功率反轉(zhuǎn)，以及10kV DC端口功率反轉(zhuǎn)時(shí)，各端口的電壓、功率穩(wěn)定，說明在能量傳輸過程中均能達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。

本文研究面對(duì)新一代電力電子設(shè)備——具有多端口多級(jí)聯(lián)多模塊化結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器兩臺(tái)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行方式，通過對(duì)變壓器的10kV AC端口和10KV DC端口進(jìn)行功率指令的仿真試驗(yàn)和仿真分析，可以得出以下結(jié)論，利用兩個(gè)多端口電力電子變壓器的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)和系統(tǒng)穩(wěn)定控制，在兩端口之間可以進(jìn)行能量傳輸，實(shí)現(xiàn)電能功率互濟(jì)。

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