應(yīng)用于新型微網(wǎng)FREEDM的固態(tài)變壓器研究

劉金輝 張明銳 金 鑫

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

為了充分開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能、生物能等新能源，在用戶附近實(shí)施分布式發(fā)電是保障能源安全、減少環(huán)境污染的重要途徑。FREEDM正是為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的。FREEDM（Future Renewable Electric Energy Delivery and Management）是未來可再生電能傳輸和管理網(wǎng)絡(luò)的簡稱，是由美國北卡州立大學(xué)提出的新型智能微型電網(wǎng)模型，目前正在興建試驗(yàn)性電網(wǎng)。它由美國國家科學(xué)基金會于2008年起開始資助，每年僅官方資助經(jīng)費(fèi)即高達(dá)1800萬美元，此外還聯(lián)合了其它若干著名大學(xué)和跨國企業(yè)[1]。

FREEDM做為一個革命性的綠色電力網(wǎng)絡(luò)，它基于高帶寬數(shù)字通信、分布式控制和電力電子器件。在系統(tǒng)中，很多傳統(tǒng)的機(jī)械電磁式設(shè)備都將由新型電力電子設(shè)備所代替。其中，傳統(tǒng)電力變壓器將由新型的固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，簡稱SST）代替。SST通過電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換和能量傳遞。與傳統(tǒng)變壓器相比，它具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)[2]，不僅有變換電壓、傳遞能量的作用，而且兼具限制故障電流、無功功率補(bǔ)償、改善電能質(zhì)量以及為各種設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化接口等多種功能。由于電能在SST中可以雙向流動，因此FREEDM中電能的流動是多向的，它是一個能源的因特網(wǎng)，每個電力用戶不僅是能源的消費(fèi)者，也是能源的供應(yīng)者。用戶可以根據(jù)自身的需求將分布式電源產(chǎn)生的多余電能賣回給電力公司[3]。SST是實(shí)現(xiàn)FREEDM能源因特網(wǎng)的核心設(shè)備。目前國際上對于FREEDM和SST的研究尚處于初級階段;本文率先將FREEDM的先進(jìn)理念引入國內(nèi)，并對其核心設(shè)備SST進(jìn)行研究。

1 固態(tài)變壓器的基本原理

固態(tài)變壓器是一種將電力電子變換技術(shù)和基于電磁感應(yīng)原理的高頻電能變換技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)將一種電力特征的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征的電能的靜止電氣設(shè)備，又稱電力電子變壓器。所謂電力特征，包括電壓（或電流）的幅值、相位、頻率和波形等[4]。SST的基本原理為在原方將工頻信號通過電力電子電路轉(zhuǎn)化為高頻信號，即升頻，然后通過中間高頻隔離變壓器耦合到副方，再還原成工頻信號，即降頻;并通過采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗詠砜刂齐娏﹄娮友b置的工作，從而將一種頻率、電壓、波形的電能變換為另一種頻率、電壓、波形的電能[5]。在結(jié)構(gòu)上，SST包含兩個基本部分:電力電子變換器和高頻變壓器，如圖1所示。

由于SST內(nèi)中間隔離高頻變壓器的體積取決于鐵芯材質(zhì)的飽和磁通密度以及鐵芯和繞組的最大允許溫升，而飽和磁通密度與工作頻率成反比，這樣提高其工作頻率就可提高鐵芯的利用率，從而大幅減小變壓器的體積并提高其整體效率。例如:傳統(tǒng)的2.7MVA變壓器重量超過6噸，并使用了大量的銅;而同樣容量的SST重量只有原來的三分之一左右，耗銅很少[6]。

圖1 SST原理圖

2 固態(tài)變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)電力電子變換器中是否存在直流單元，SST的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩大類:一種是在電力電子變換器中不存在直流單元，稱為直接交交型SST;另一種是在電力電子變換器中包含直流單元，稱為交直交型SST。本文主要研究交直交型SST。

圖2所示為美國北卡大學(xué)研究人員采用ABB公司提供的6.5kV IGBT開發(fā)的應(yīng)用于FREEDM的第一代單相SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采用典型的交直交結(jié)構(gòu)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含三個單元:第一部分是AC/DC整流單元，用于將7.2kV、60HZ高壓工頻交流電轉(zhuǎn)換為11.4kV高壓直流電;第二部分是高頻（5kHZ～10kHZ）DC－DC直流變換單元，它由高壓H橋、高頻變壓器和低壓H橋組成，將11.4kV高壓直流電轉(zhuǎn)換為400V低壓直流電，并可通過應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)以增加開關(guān)頻率;第三部分是一個DC/AC逆變單元，將400V低壓直流電轉(zhuǎn)換為±120V、60HZ低壓工頻交流電（參數(shù)為美國標(biāo)準(zhǔn)）。除去器件損耗、高頻變壓器損耗和輸出濾波器損耗，第一代SST的預(yù)期效率約為92%[8]。為與傳統(tǒng)變壓器競爭，效率必須提高到至少97%。三相交直交SST的結(jié)構(gòu)與單相類似，不同之處在于其輸入整流部分采用三相整流器，輸出逆變部分采用三相逆變器。

圖2 第一代單相SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 固態(tài)變壓器的控制策略

在FREEDM中，通過采用合適的控制策略，SST需要實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo):（1）維持輸入電流正弦且與輸入電壓保持同步，以期獲得單位輸入功率因數(shù)，實(shí)現(xiàn)無功功率補(bǔ)償;（2）維持輸入整流單元直流側(cè)電壓恒定;（3）維持逆變器輸出電壓幅值恒定，能有效抵抗電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載擾動;（4）維持輸出電壓三相正弦且對稱。SST的電力電子部分主要為三相變流器，因此可以采用PWM控制。按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為輸入整流單元、中間DC－DC變換單元、輸出逆變單元三部分加以討論。單相SST的控制策略與此類似，不同之處在于進(jìn)行單相DQ電流解耦控制時需要引入相應(yīng)的虛擬電量。

3.1 輸入整流單元的控制策略

三相SST的輸入單元是一個電壓型PWM整流器，建立在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的簡化數(shù)學(xué)模型，則對于三相交流對稱系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)時dq模型的d、q分量均為直流變量;按照瞬時無功功率理論，d軸表示有功分量，q軸表示無功分量，有利于實(shí)現(xiàn)FREEDM電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)的控制。PWM整流器通常采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)的作用主要是控制輸出直流電壓，保證直流電壓的恒定;電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，只需要令q軸電流參考量=0，即可實(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的整流器數(shù)學(xué)模型可以表示為:

式中p為微分算子;ud、uq為電網(wǎng)輸入電壓的d、q分量;urd、urq為整流器交流側(cè)輸入電壓的d、q分量;id、iq為整流器交流側(cè)輸入電流的d、q分量。由式（1）可以看出，輸入電流d軸分量和q軸分量之間存在耦合，因此考慮引入無靜差PI調(diào)節(jié)器解耦輸入電流，且把電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償來提高系統(tǒng)動態(tài)性能，于是得到整流單元d、q解耦控制框圖如圖3所示。

圖3 SST輸入PWM整流單元控制圖

3.2 中間DC-DC變換單元的控制策略

中間DC－DC變換單元由單相全橋逆變電路、高頻變壓器和單相橋式全控整流電路組成。由SST整流單元輸出的直流電首先通過逆變器調(diào)制成高頻方波，再通過高頻變壓器耦合到副方，最后通過一個由同步信號控制的整流器還原成低壓直流。其中的逆變器和整流器均采用PWM控制，驅(qū)動信號是占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖。高頻變壓器主要起到電氣隔離和電壓等級變換的作用。DC－DC單元在結(jié)構(gòu)上完全對稱，從而允許電能雙向傳輸。此外，增加軟開關(guān)電路可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，提高工作頻率，減少開關(guān)損耗。

式中P0為DC－DC單元傳輸?shù)挠泄β剩琕dc為高壓側(cè)輸入直流電壓，fH為開關(guān)頻率，L為漏感，Vdc_link為低壓側(cè)輸出直流電壓，ddc為原副方調(diào)制信號的移相角差。由式（2）可以看出，通過控制移相角差ddc，即可控制低壓側(cè)輸出直流電壓Vdc_link，引入PI調(diào)節(jié)器，其控制框圖如圖4所示。

圖4 SST中間DC-DC變換單元控制圖

3.3 輸出逆變單元的控制策略

三相SST的輸出單元由三相半橋逆變器和輸出LC濾波器組成，其控制目標(biāo)為輸出恒定幅值的三相工頻正弦交流電。由于三相之間沒有耦合關(guān)系，因此可以應(yīng)用單相逆變器的控制方法。本文采用電壓瞬時值控制;為了保證輸出波形的有效值精度，在瞬時值內(nèi)環(huán)外面再加一個平均值環(huán)對輸出波形的幅值進(jìn)行調(diào)整[11]。這樣，內(nèi)環(huán)通過瞬時值控制獲得快速的動態(tài)性能，保證輸出畸變率較低，外環(huán)通過輸出電壓的平均值控制，具有較高的輸出精度。其控制框圖如圖5所示。

圖5 SST輸出逆變單元控制圖

圖中輸出電壓V0經(jīng)整流濾波后得到直流量與給定參考信號的有效值進(jìn)行比較，得到的誤差信號經(jīng)外環(huán)PI調(diào)節(jié)器后的輸出作為內(nèi)環(huán)參考正弦波的幅值，這個幅值與單位正弦波相乘后作為內(nèi)環(huán)給定信號。內(nèi)環(huán)給定信號與輸出電壓瞬時值比較，得到的誤差信號經(jīng)內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算，得到PWM控制信號。

4 仿真試驗(yàn)與波形

按照我國電力系統(tǒng)的電壓等級，F(xiàn)REEDM電網(wǎng)的額定線電壓應(yīng)為10kV（美國為7.2kV），本文搭建了一個相應(yīng)的三相交直交SST模型，并在Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真。該SST電網(wǎng)側(cè)的輸入為線電壓UL=10kV、f=50HZ的三相正弦交流電，負(fù)載側(cè)的輸出為線電壓380V的三相工頻正弦交流電。其它主要參數(shù)為:SST輸入整流單元的等值電阻R=0.5Ω，電感L=10mH，電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例增益Kip=42，積分增益Kii=20830，電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例增益Kup=235，積分增益Kui=2000，PWM開關(guān)頻率fs=10kHZ，直流側(cè)電容C=4700μF，直流輸出電壓Vdc=18000V;中間DC－DC變換單元高頻變壓器的原邊電壓為18000V，副邊電壓為700V，工作頻率為5kHZ，移相角PI調(diào)節(jié)器的比例增益Kdp=0.5×10－6，積分增益Kdi=0.2 ×10－3;SST 輸出逆變單元的濾波電感L=9μH，濾波電容C=312μF，電壓平均值外環(huán)的比例增益Kwp=0.1006，積分增益Kwi=63.2，電壓瞬時值內(nèi)環(huán)的比例增益Knp=2.855 ×10－4，積分增益Kni=5.383，整個 SST 的容量為3.6MW。得到有關(guān)仿真波形如下:

由圖6、圖7可以看出，在經(jīng)過短暫的過渡過程之后，SST輸入交流電壓電流波形基本保持同相，F(xiàn)REEDM電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)恒定為1。由圖8可以看出，SST輸入整流單元的輸出直流電壓在經(jīng)過約0.8秒調(diào)整后穩(wěn)定在18000V。由圖9可以看出，SST的輸出交流電壓在經(jīng)過約0.6秒調(diào)整后保持為三相對稱正弦交流波形，相電壓有效值約為220V。將SST所接負(fù)載由3.6MW切換為1.8MW時，仿真所得波形基本保持不變，可見SST對負(fù)載擾動具有良好的抗干擾性。通過仿真結(jié)果的分析可見，本文所設(shè)計的SST基本實(shí)現(xiàn)了FREEDM所要求的控制目標(biāo)。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，本文對應(yīng)用于新型智能微網(wǎng)FREEDM的SST進(jìn)行了研究，探討了其工作原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，并設(shè)計了一個適合我國電力系統(tǒng)電壓等級的SST模型，通過仿真驗(yàn)證了該設(shè)計方案的有效性，為開發(fā)中國化的FREEDM電網(wǎng)打下了基礎(chǔ)。由于我國常用配電電壓等級高達(dá)10 kV，而現(xiàn)在商用IGBT模塊的最高電壓等級一般在6.5 kV左右，因此必須采用串聯(lián)分壓和并聯(lián)分流來彌補(bǔ)功率器件的不足。目前國際國內(nèi)對SST的研發(fā)仍停留在理論研究階段，尚沒有實(shí)用化的產(chǎn)品，主要原因是由于硅材料元器件開關(guān)頻率的限制、耐壓水平不足和通態(tài)損耗過高等，最有潛力的方案是研究利用高能隙帶的SiC、GaN等新材料制造新一代的電力電子器件[12]。相對Si來說，SiC的擊穿電壓高10倍，散熱性更好，

圖6 SST輸入電壓電流a相波形

圖7 SST電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)波形

圖8 SST整流單元輸出電壓波形

圖9 SST交流輸出電壓波形

有望將SST的效率提高到接近100%。FREEDM及其核心設(shè)備SST的研究為我國智能電網(wǎng)建設(shè)和新能源開發(fā)利用提供了一個全新的思路，具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。

[1]Huang Alex Q.， Renewable Energy System Research and Education at the NSF FREEDM Systems Center.2009 IEEE Power and Energy Society General Meeting， PES'09[C]，Calgary， AB，Canada， 2009（7）:1 ～6.

[2]Ronan E.R.，Sudhoff S.D.，Glover S.F.，et al.Application of Power Electronics to the Distribution Transformer.Applied Power Electronics Conference and Exposition，2000.APEC 2000.Fifteenth Annual IEEE[C].New Orleans，LA，2000，2（2）:861 ～867.

[3]Huang A.Q.， Baliga J.， FREEDM System:Role of Power Electronics and Power Semiconductors.Power Semiconductor Devices ＆ IC's，2009.ISPSD 2009.21st International Symposium on[C].Barcelona，2009（6）:9～12.

[4]劉海波.電子電力變壓器控制策略研究[D].華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文，2009（5）.

[5]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

[6]Jun Wang， Huang.A.，Woongje Sung，Yu Liu， Baliga B.J.， Smart Grid Technologies[J].Industrial Electronics Magazine， IEEE，2009，3（2）:16 ～23.[7]習(xí)超.電子電力變壓器等效模型及其應(yīng)用[D].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007（6）.

[8]Bhattacharya Subhashish， Zhao Tiefu， Wang Gangyao， et al.Design and development of Generation－I silicon based Solid State Transformer.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）， 2010 Twenty－Fifth Annual IEEE[C].Palm Springs， CA， USA， 2010，2:1666 ～1673.

[9]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[10]Tiefu Zhao， Jie Zeng， Bhattacharya，S.， et al.An average model of solid state transformer for dynamic system simulation.Power＆ Energy Society General Meeting， 2009.PES'09.IEEE[C].Calgary， AB， 2009（7）:1 ～8.

[11]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[12]Woongje Sung， Jun Wang， Huang A.Q.，Baliga B.J.Design and investigation of frequency capability of 15kV 4H－SiC IGBT[A].Power Semiconductor Devices ＆ IC's， 2009.ISPSD 2009.21st International Symposium on[C].Barcelona，2009（6）:271～274.