電力電子變壓器輸出特性仿真分析

許志偉，許智萌，肖家鴻，高 航

（1.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；2.湖南吉利汽車職業(yè)技術學院 汽車學院，湘潭 411100；3.湖南工程學院 應用技術學院，湘潭 411101）

0 引言

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer簡稱PET）也被稱為電子電力變壓器［1］，還有別名為固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）和柔性變壓器（Flexible Transformer，F(xiàn)T）.它是一種通過引入電力電子技術與高頻變壓器實現(xiàn)電能變換和能量傳遞的新型變壓器［2］.這種新型變壓器不僅具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能，還具有體積小、重量輕、安全環(huán)保等優(yōu)點，除此之外，它還具備改善電能質量，無功功率補償?shù)忍厥夤δ埽?-4］.

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，電力電子變壓器得到了廣泛的關注［5］.文獻［6］提出了一種適用于大功率電力電子變壓器拓撲結構，對比分析了其控制策略，為本文研究提供良好的參考依據(jù).文獻［7］提出了一種基于矩陣式電力電子變壓器的永磁風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)良好的電能變換.文獻［8］設計了一種新型電力電子變壓器的并網(wǎng)裝置，并提出相應并網(wǎng)控制策略，實現(xiàn)了電壓的快速精準變換.

本文首先介紹PET的拓撲結構，選取具有直流環(huán)節(jié)的AC-DC-AC型PET作為研究對象，對其建立典型的數(shù)學模型，并進行控制仿真分析，通過仿真建模驗證了PET輸出電流控制策略的可行性.

1 電力電子變壓器的拓撲結構及工作原理

電力電子變壓器由電力電子變換器和高頻變壓器組成.根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)可將電力電子變壓器分為兩大類：AC-AC型與AC-DC-AC型［9-10］.圖1為AC-DC-AC型電力電子變壓器的電路圖，本文以AC-DC-AC型電力電子變壓器為例展開研究.

圖1 AC-DC-AC型電力電子變壓器拓撲結構

電力電子變壓器的工作原理如圖2所示，一次側接電源，電力電子變換器將輸入電流整流成直流，隨后變換成高頻交流，經(jīng)高頻變壓器一次側繞組耦合到二次側繞組，此時，高頻變壓器二次側繞組會產(chǎn)生感應電動勢，這種感應電動勢施加到與高頻變壓器二次側相連的副方電力電子變換器上，逆變?yōu)楣ゎl交流電能輸出［11-12］.

圖2 電力電子變壓器工作原理

2 電力電子變壓器數(shù)學模型

對于不同拓撲結構形式的PET，所對應的數(shù)學模型也不同.所研究的PET是一個典型的三相PET實現(xiàn)形式.對于AC-DC-AC型電力電子變壓器可以等效成圖3所示的形式，id1、id2是流經(jīng)主副電力電子變換器的電流，Udc1、U′dc2是主副電力電子變換器兩端電壓.

圖3 等效物理模型圖

根據(jù)電路基本理論以及簡化物理模型，可以得出PET數(shù)字模型如下：

考慮到高頻變壓器暫態(tài)過程，Ld為等效電感，Udc2、Cdc2折算量為

式中，k為高頻變壓器變比，θ為控制信號相角.

3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建電力電子變壓器AC-DC-AC仿真模型，通過采用不同的控制方式來進行研究.仿真參數(shù)設置如下：三相電源相間電壓（有效值）V=380 V，A相相位角α=30°，頻率ω=50 Hz；六脈沖發(fā)生器選雙脈沖，脈沖寬度t=25°，高頻變壓器頻率f=500 Hz.

3.1 PWM控制

圖4為電力電子變壓器PWM控制簡化模型，左邊是整流電路，右邊是逆變電路，整流后直流電經(jīng)高頻變壓器再進行逆變，逆變后經(jīng)過電感電容濾波，調制信號幅值At=1，頻率ft=100 Hz，相位依次相差120°的正弦信號；頻率觸發(fā)由PWM控制，采用二電平PWM的轉換器、三相六脈沖電橋，載波頻率fZ=90×50 Hz；濾波電感為L=1×10-3H，濾波電容為C=10.13214×10-3F，仿真時長T1=0.2 s.

圖4 電力電子變壓器PWM控制簡化模型

調制信號與輸出電流波形如圖5所示，上波形為調制信號，下波形為PET輸出電流波形，在0.1 s左右，輸出電流波形達到穩(wěn)定.在此基礎上，提高載波頻率，增加采樣點，如圖6所示，由圖可知，增大載波頻率后，輸出電流波形更加平滑了.

圖5 調制信號與輸出電流波形

圖6 增加采樣點輸出電流波形

3.2 PET并聯(lián)運行

PET并聯(lián)運行，關鍵是實現(xiàn)PET間負荷的合理分配，實現(xiàn)均流.在上述PET的基礎上并入一臺參數(shù)設置相同的PET模型，兩臺PET共用一個三相電源，控制方式仍采用上述的PWM控制方式，其他參數(shù)設置不變，以此進行仿真，仿真結果如圖7所示.

圖7 PET并聯(lián)運行輸出電流波形

圖7中上下兩個波形圖分別為兩臺PET的輸出電流波形圖，兩臺PET輸出電流波形相同，它們之間都不存在環(huán)流，并很好地實現(xiàn)均流控制，大大地提高了供電可靠性和靈活性.在一臺PET發(fā)生故障的情況下，還可實現(xiàn)不停電正常運行.

3.3 SVPWM控制

SVPWM控制模塊如圖8所示，SVPWM受幅值和相位控制，可以設置SVPWM的控制方式和開關切換模式，參數(shù)設置初始相位A1=0°，初始頻率f1=50 Hz，PWM頻率fpwm=33×50 Hz，仿真時長T2=0.05 s.SVPWM控制輸出電流波形如圖9所示，得到的仿真結果一致.PLL在不受波形控制下會默認輸出，再觀測相位波形，如圖10所示.

圖8 SVPWM控制模塊圖

圖9 SVPWM控制輸出電流波形

圖10 輸出電流與相位波形

相位波形最小值為0，最大值為2π，頻率為50 Hz的鋸齒波，不妨用鋸齒波來進行控制，根據(jù)圖11所示的電路模塊進行仿真運行，其控制輸出結果與圖10一致.從仿真結果來看，輸出電流波形穩(wěn)定，且控制良好，電流畸變率小.

圖11 鋸齒波控制模塊

3.4 閉環(huán)電流跟蹤滯環(huán)比較方式

電流跟蹤滯環(huán)比較方式在PWM變流電路中應用最多，基于電流跟蹤滯環(huán)比較方式的電力電子變壓器，給定的三相電流指令信號與逆變器側的輸出電流信號之差，傳遞給滯環(huán)控制器，得到PWM信號，對逆變器進行控制［13-15］.圖12給出了采用滯環(huán)比較方式的PWM電流跟蹤控制仿真模型［16］.三相電流指令信號依次相差120°，取濾波電感L1=5.5 mH，L2=0.1 mH，濾波電容C=20 μF及串聯(lián)電阻R=3Ω，滯環(huán)控制器的開關狀態(tài)為0.01，-0.01，仿真時長T3=0.2 s，得到圖13所示的輸出電流波形.從仿真結果看，輸出電流穩(wěn)定，三相對稱，電流滯環(huán)跟蹤對輸出電流的控制效果良好.

圖12 電流跟蹤滯環(huán)模塊

4 結論

本文針對電力電子變壓器，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，研究AC-DC-AC型電力電子變壓器輸出電流的控制策略，其中，PWM控制在通過增大載波頻率使輸出電流波形變得平滑；雙PET并聯(lián)運行可以有效實現(xiàn)均流，SVPWM控制可以使電流輸出穩(wěn)定，畸變率低，控制效果良好；電流跟蹤滯環(huán)比較方式屬于閉環(huán)控制，使輸出電流穩(wěn)定，三相對稱且波動少.以上四種控制策略均在一定程度上優(yōu)化了輸出電流波形，從而驗證了控制策略的可行性.