低壓端采用阻抗變換器的電力電子變壓器的仿真分析

陸飛，王男，楊喜軍，鄭水波

（1.上海交通大學 電氣工程系電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240;2.新華自動化科技發(fā)展（上海）有限公司，上海 200240）

0 引言

智能電網技術正逐漸成為世界各國電力行業(yè)競相研究的主題［1］。智能電網的重要組成部分之一是電力電子變壓器，較傳統(tǒng)鐵芯式變壓器而言，具有許多優(yōu)點，如體積小、重量輕、成本低、供電質量高、四象限工作能力、智能化控制，符合智能電網的發(fā)展要求。因此，電力電子變壓器受到了廣泛和深入的研究［2－3］。電力電子變壓器一般是指高壓輸入－低壓輸出的電力電子變換器。到目前為止，出現(xiàn)了多種功率電路。鑒于電力電子變壓器需要采用高頻降壓變壓器，實現(xiàn)降壓和電氣隔離，可以根據(jù)變壓器前級和后級不同進行分類。變壓器前級電路主要包括交直交型和交交型，變壓器后級電路主要包括不可控整流型和PWM可控整流型［4－8］。變壓器前級交交型電路具體包括單相－單相矩陣變換器和三相－單相矩陣變換器等，與交直交型電路相比，它是單級變換器，省去了中間儲能環(huán)節(jié)，具有結構緊湊、效率高等優(yōu)點。變壓器后級電路具體包括工頻或高頻輸入的單相二極管不控整流器或單相PWM整流器等，其中后者能夠實現(xiàn)單位輸入功率和能量雙向流動［3］?；谝陨峡紤]，本文理論分析、仿真分析了兩種單相交流電源輸入、三相交流低壓輸出、高壓端采用交流推挽變換器、低壓端增加阻抗變換器的電力電子變壓器拓撲:第一類可以實現(xiàn)單向能量傳輸;第二類可以實現(xiàn)雙向能量傳輸。單相輸入交流線電壓為10 kV，三相輸出交流電壓為三相208 V。

1 電路拓撲與工作原理

1.1 單向電力電子變壓器

單向電力電子變壓器的電路拓撲如圖1所示，輸入交流線電壓10 kV，輸出單相交流電壓±120 V，可以獲得單相交流電壓240 V［9］。

圖1中電路結構和工作原理為:

圖1 單向電力電子變壓器的電路拓撲

電感L1、L2與電容C1構成網側濾波器，起到濾波作用。

雙向開關BS1、BS2構成變壓器前調制電路，負責將高壓工頻電壓斬波成高壓高頻交流電壓，開關頻率一般高于幾 kHz，占空比為50%。

T1為高頻降壓變壓器，起到降壓和隔離作用，沒有直流磁化問題。

C2為濾波器電容，負責旁路來自后級的高頻電流成分。

反向快速恢復二極管FRD1～FRD4構成高頻整流器，負責將高頻低壓高頻電壓整流成低壓二倍工頻的正弦半波電壓。該整流器的存在決定整個電路具有單向功率傳輸能力。

電感L3、逆變開關RCS1、反向快速恢復二極管FRD5、電解電容E1構成升壓型阻抗變換器，使其輸入端呈現(xiàn)單位功率因數(shù)，輸出幅值略升高的直流電壓。

逆變開關RCS2～RCS7構成3H橋逆變器，輸出±120 V，實際上應該增加載側濾波器。

圖中的阻抗變換器實質上為功率因數(shù)校正器，在輸出直流電壓的同時，可以獲得單位輸入功率因數(shù)，即輸入阻抗為純阻性，該阻性特征可以傳遞到高壓網側，獲得網側單位輸入功率因數(shù)。波調制電路的BS1與BS2無需考慮安全換流策略。逆變器的負載為瞬時恒定負載時，有利于網側單位輸入功率因數(shù)的實現(xiàn)，否則需要更大容量的電解電容E1。

1.2 雙向電力電子變壓器

1.2.1 第一種雙向電路

第一種雙向電路如圖2所示，輸入交流線電壓10 kV，輸出單相交流電壓+120 V，具有雙向功率傳輸能力。

電感L1、L2與電容C1構成網側濾波器，起到濾波作用。

圖2中電路結構和工作原理為:雙向開關BS1、BS2構成變壓器前調制電路，負責將高壓工頻電壓斬波成高壓高頻交流電壓，開關頻率一般高于幾kHz，占空比為50%。

圖2 第一種雙向電力電子變壓器的電路拓撲

T1為高頻降壓變壓器，起到降壓和隔離作用，沒有直流磁化問題。

雙向開關BS3、BS4構成變壓器后解調電路，能夠還原出低壓工頻交流電壓，開關頻率一般高于幾kHz，占空比為50%，脈沖規(guī)律分別與雙向開關BS1、BS2的脈沖規(guī)律相同。

電感L3、L4與電容C2構成載側濾波器，起到濾波作用，輸出低壓交流正弦電壓。

1.2.2 第二種雙向電路

第二種雙向電路如圖3所示，是在圖2的基礎上，去掉其輸出濾波器，增加單相PWM整流器作為阻抗變換器，最后增加3H橋逆變器。輸入交流線電壓10 kV，輸出單相交流電壓±120 V，具有雙向功率傳輸能力。

圖3 第二種雙向電力電子變壓器的電路拓撲

圖3中的工作原理為:由電感L3、逆導開關RCS1～RCS4構成的單相PWM整流器可以在獲得幅值增加之后的直流電壓之后，獲得單位輸入功率因數(shù)，即輸入阻抗為純阻性，該阻性特征可以傳遞到高壓網側，獲得網側單位輸入功率因數(shù)。

1.2.3 第三種雙向電路

第三種雙向電路如圖4所示，是在圖3的基礎上，去掉其變壓器次級的解調電路，改為單相－單相矩陣變換器結構。輸入交流線電壓10 kV，輸出單相交流電壓±120 V，具有雙向功率傳輸能力。

圖4 第三種雙向電力電子變壓器的電路拓撲

由雙向開關BS1～BS4構成的單相－單相矩陣變換器，起到解調電路作用，獲得低壓交流電壓，為后級單相PWM整流器供電。BS3與BS6為一組，其驅動脈沖同BS1。BS4與BS5為另一組，其驅動脈沖同BS2。占空比均為50%，該電路同樣可以獲得網側單位輸入功率因數(shù)。以上四種電力電子變壓器電路的共同特點是:（1）高壓端變換器為交交變換器，單級結構，電路非常簡單;（2）低壓端變換器包含阻抗變換器，可以獲得網側單位輸入功率因數(shù);（3）輸出±120 V交流電壓;（4）高頻降壓變壓器設計簡單，沒有磁路飽和問題;（5）高頻變壓器前后的交交變換器不存在安全換流問題;（6）整個電路由已有基本電路構成，結構簡單，控制容易，可以很方便地構成大功率三相－三相電力電子變壓器。

2 仿真分析

利用MATLAB/Simulink建立了圖1、圖2、圖3、圖4的仿真電路，包括功率電路和控制電路，進行了較為完整的仿真分析，獲得了期望的結果。為簡化起見，以圖3所示的具有雙向功率傳輸能力的電力電子變壓器為例，給出仿真過程和有關結果，其仿真原理如圖5～7所示，其中拆分的三部分依次級聯(lián)。電解電容E1為2 820 μF。BS1與 BS2、BS3 與 BS4 的斬波頻率為 5 kHz，BS1 與BS3、BS2與BS4采用相同的驅動脈沖，占空比均為50%，無需檢測輸入電壓的相位。

圖5 雙向電力電子變壓器的仿真電路（第一部分）

圖6 雙向電力電子變壓器的仿真電路（第二部分）

降壓變壓器T1的變比為45:1，當輸入交流電壓有效值為10 kV時，T1輸出交流電壓的有效值為220 V。

電感L1、L2均為0.2 mH，電容C1為 47 nF，L3為 1 mH，單相PWM整流器中逆導開關RCS1～RCS4的開關頻率為20 kHz，輸出直流電壓平均值為385 V。采用單周控制，即電壓外環(huán)負責控制輸出電壓，電流內環(huán)采用單周期控制，也無需檢測輸入電壓的相位。

3H橋逆變器中逆導開關RCS5～RCS10的開關頻率為20 kHz，輸出交流電壓±120 V。采用單周控制，即電壓外環(huán)負責控制輸出電壓，電流內環(huán)采用單周期控制。

在供電狀態(tài)下，負載為20 kW時，網側電壓與電流的仿真波形如圖8所示。在發(fā)電狀態(tài)下，饋電為20 kW時，能量由低壓端直流接入環(huán)節(jié)饋入，此時網側電壓與電流的仿真波形如圖9所示。

提出的電力電子變壓器拓撲極為簡單，不足之處在于橋前的雙向開關兩端將承受兩倍的網側電壓，仿真波形如圖10，使功率器件的耐壓要求加倍，所以本方案只適用于低壓電網。

圖7 雙向電力電子變壓器的仿真電路（第三部分）

圖8 供電狀態(tài)下網側電壓與電流的仿真波形

圖9 發(fā)電狀態(tài)下網側電壓與電流的仿真波形

3 結束語

本文提出了兩類單相交流電源輸入、三相交流低壓輸出、低壓端增加阻抗變換器的電力電子變壓器拓撲，分析了它們的工作原理，并利用MATLAB/Simulink進行了負載為20 kW時供電與發(fā)電狀態(tài)的仿真。結果表明設計的兩類單相交流電源輸入、三相交流低壓輸出、低壓端增加阻抗變換器的電力電子變壓器方案是可行的，可用于電壓智能電網的應用。

圖10 橋前雙向開關承受的電壓波形

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