重負(fù)荷切換下電力電子變壓器的穩(wěn)定性研究

周 柯 ，涂春鳴 ，高立克 ，劉 鵬 ，李小棟

（1.廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，南寧 530023；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082）

引言

電力電子變壓器 （power electronic transformer,PET）是一種利用電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和能量傳遞的新型變壓器。與傳統(tǒng)變壓器相比，PET采用高頻變壓器，提高了鐵芯的利用率，從而大幅減小了變壓器的體積。PET可以對(duì)其輸入輸出的電壓幅值和相位實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓、電流以及功率的靈活調(diào)節(jié)。同時(shí)，其內(nèi)部直流母線可以連接可再生能源，能便捷地將各種分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)。因此PET比傳統(tǒng)變壓器更能適應(yīng)智能電網(wǎng)環(huán)境，但需克服多變的負(fù)荷及間歇性的分布式發(fā)電系統(tǒng)影響。

目前對(duì)于PET在穩(wěn)態(tài)下的運(yùn)行已經(jīng)有了較深入的研究［1-3］，但是對(duì)于負(fù)荷切換等波動(dòng)情況研究較少。PET是由AC-DC和DC-DC等環(huán)節(jié)構(gòu)成的多級(jí)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)之間的耦合使得PET在負(fù)荷切換時(shí)的直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生很大影響。文獻(xiàn)［4］將整流橋和雙主動(dòng)橋（dual active bridge，DAB）作為兩個(gè)獨(dú)立單元分別進(jìn)行控制，忽略了不同單元之間存在功率耦合，當(dāng)負(fù)荷切換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的直流電壓跌落。文獻(xiàn)［5］提出在直流側(cè)加裝大電容，該方法在負(fù)荷切換時(shí)較好地抑制了直流側(cè)電壓波動(dòng)，但缺點(diǎn)是降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并增大了系統(tǒng)的體積。文獻(xiàn)［6］提出將背靠背系統(tǒng)的整流橋負(fù)載電流前饋，以此來(lái)抑制負(fù)荷切換時(shí)直流側(cè)電壓的波動(dòng)，但對(duì)于重負(fù)荷切換工況，效果不理想。

本文針對(duì)重負(fù)荷切換工況，提出在整流橋和DAB環(huán)節(jié)增加前饋控制，使得PET能夠抑制重負(fù)荷切換所引起的不穩(wěn)定情況，改善切換時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 PET的拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，AC-DC部分由3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)組成，由于對(duì)配電系統(tǒng)而言，一次側(cè)電壓等級(jí)高，二次側(cè)電壓等級(jí)低，輸入必須采用多個(gè)整流橋串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使高壓側(cè)輸入電壓被均分到每一個(gè)整流橋上，從小單個(gè)模塊上所承受的電壓，并能以較低的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)了較高的等效開關(guān)頻率，降低了開關(guān)器件的損耗。DC-DC部分由DAB構(gòu)成，DAB在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，由單相全橋逆變電路、高頻隔離變壓器和單相橋式全控整流電路組成。

PET的工作原理為：整流橋?qū)⒏邏汗ゎl交流電經(jīng)電力電子變換后變成直流電，直流電在DAB中被調(diào)制成高頻方波加載到高頻變壓器上，降壓后被還原成直流電。由于DAB具有功率的雙向流動(dòng)能力，DAB的輸出可連接至直流可再生能源和直流負(fù)載，也可連接DC-AC逆變器，為交流負(fù)載供電。所以DAB后級(jí)既可以有交流負(fù)荷也可以有直流負(fù)荷，為簡(jiǎn)化分析，本文將DAB后級(jí)負(fù)荷用直流電阻等效。

圖1 PET的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 PET建模與控制

2.1 單相整流橋建模與控制

不考慮開關(guān)狀態(tài)，可得H橋整流器的微分方程［7-9］為

式中：u、i為電網(wǎng)電壓、電流；v為整流橋輸入電壓；L為等效線路電感；ihdc為整流橋負(fù)載電流；v1為高壓直流側(cè)電壓。

首先將單相輸入電壓滯后π/2相位得到虛擬的β軸，再通過(guò)坐標(biāo)變換將αβ坐標(biāo)系下的整流橋微分方程轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，可得到

式中：L 為等效線路電感；ud、uq、id、iq分別為電網(wǎng)電壓和電流在dq軸的分量；vd、vq分別為整流橋輸入電壓在dq軸上的分量；ω為電網(wǎng)電壓的角頻率。

整流橋控制原理如圖2所示，vref為高壓直流側(cè)總參考電壓，v1、v2、v3為各級(jí)H橋高壓直流側(cè)電壓。取d軸坐標(biāo)與電網(wǎng)電壓同相位，則按照瞬時(shí)無(wú)功功率理論，穩(wěn)態(tài)時(shí)整流橋輸入電壓的dq分量均為直流變量，d軸表示有功分量，q軸表示無(wú)功分量。由式（2）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PWM整流橋采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并引入PI調(diào)節(jié)器解耦輸入電流。電壓外環(huán)的作用主要是保證輸出直流電壓恒定，并給出d軸的內(nèi)環(huán)電流參考值idref，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軸電流參考量為零即可實(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)。

圖2 整流橋雙閉環(huán)控制框圖

由于電力電子器件的參數(shù)存在偏差，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)在整流橋的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)各個(gè)高壓直流側(cè)電壓之間的不平衡，這將嚴(yán)重影響PET的可靠運(yùn)行。因此在整流橋的控制中加入均壓控制，平衡各個(gè)高壓直流側(cè)電壓。如圖3所示的第一級(jí)H橋?yàn)槔?，整流橋?huì)因不同的直流電壓v1產(chǎn)生不同的Δv，從而在載波移相控制的基礎(chǔ)上，再通過(guò)不同的調(diào)制波平衡各橋輸出電壓。

圖3 均壓控制框圖

2.2 DAB的建模與控制

DAB是一種高功率的DC/DC轉(zhuǎn)換器，其控制策略的目的是實(shí)現(xiàn)DAB的輸出電壓和功率流動(dòng)可控［10-11］。以單級(jí)DAB為例，DAB兩個(gè)整流橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖，兩個(gè)橋的對(duì)應(yīng)開關(guān)管導(dǎo)通存在一個(gè)相移角度。當(dāng)φ為正值時(shí)，功率正向流動(dòng)，當(dāng)φ為負(fù)值時(shí)，功率反向流動(dòng)。式中：v′為低壓直流側(cè)電壓；fs為開關(guān)頻率；Ls為變壓器漏感；n為變壓器變比；φ為原副邊對(duì)應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通存在相移角度。

DAB移相角控制如圖4所示，v′ref為低壓直流側(cè)參考電壓，Pref為單級(jí)DAB參考功率（即平均功率給定），iref為DAB電流參考電壓。通過(guò)PI調(diào)節(jié)器控制移向角φ，DAB的原副邊電壓均為50%的方波，如圖5所示。

由于高壓直流側(cè)電壓之間的不平衡以及各個(gè)DAB的參數(shù)的不完全相同，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)會(huì)導(dǎo)致各DAB之間的功率流動(dòng)不均衡，在極端情況下可能會(huì)導(dǎo)致器件電壓電流應(yīng)力過(guò)大。因此在DAB中加入均功率控制，平衡各DAB功率的流動(dòng)。各個(gè)DAB不同的功率與參考功率的差值會(huì)產(chǎn)生不同的Δφ，從而通過(guò)不同的移相角平衡各個(gè)DAB的功率流動(dòng)。

圖4 DAB移相控制框圖

和圖5計(jì)算，vt為 DAB原邊電壓，it為 DAB原邊電流。

圖4中各DAB的功率可由

圖5 DAB功率計(jì)算

3 PET的重負(fù)荷切換穩(wěn)定性研究

由于PET整流橋和DAB之間存在功率耦合，各級(jí)的功率傳輸不僅與本級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，還與其他級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。

PET的負(fù)荷發(fā)生切換時(shí)，式中整流橋負(fù)載電流ihdc發(fā)生波動(dòng)，電網(wǎng)電流i在瞬間可看作定值，因此高壓直流側(cè)電壓 v1、v2、v3會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。

DAB在PET穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，忽略損耗有

式中，ilowdc為負(fù)載電流。

在負(fù)荷切換的瞬間，假設(shè)高壓直流電壓側(cè)v1、v2、v3不變，DAB相移角度 φ 為定值即PDAB不變，ilowdc產(chǎn)生的波動(dòng)也會(huì)使v′產(chǎn)生波動(dòng)。

在PET的負(fù)荷發(fā)生切換時(shí)，整流橋和DAB不能立即對(duì)負(fù)荷切換做出相應(yīng)的反應(yīng)，相應(yīng)的功率傳輸改變也較為緩慢，因此直流側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，影響了PET運(yùn)行的穩(wěn)定性。故采用前饋控制，將等效負(fù)載電流和負(fù)載電流前饋到整流橋和DAB的閉環(huán)控制中，作為參考電流的一部分，以補(bǔ)償負(fù)荷切換對(duì)直流側(cè)電壓的影響。

對(duì)式（1）進(jìn)行拉氏變換可得

整流橋電流內(nèi)環(huán)控制框圖如圖6所示。圖中G1（s）=KP+為PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，K0為PWM整流橋的放大倍數(shù)，與直流側(cè)輸出電壓有關(guān)。

圖6 整流橋電流內(nèi)環(huán)控制框圖

圖6 所示的整流橋控制框圖需要加入前饋控制，補(bǔ)償負(fù)荷切換時(shí)輸出功率變化對(duì)直流側(cè)電壓的影響。忽略變壓器漏抗和開關(guān)損耗，有

式中，P0為輸出功率。

因此整流橋的等效前饋電流為

加入前饋的整流橋電壓外環(huán)控制框圖如圖7所示。圖中Q（s）為整流橋電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)，G3（s）為 PWM 整流橋輸出傳遞函數(shù)，G3（s）=K2

圖7 加入前饋的整流橋電壓外環(huán)控制框圖

同樣在DAB加入前饋，使DAB與整流橋同時(shí)響應(yīng)PET的負(fù)荷切換。加入前饋的DAB控制框圖如圖8所示，v′ref為低壓直流側(cè)參考電壓，iref為DAB電流參考電壓。

圖8 加入前饋的DAB控制框圖

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證重負(fù)荷切換對(duì)PET穩(wěn)定性的影響，對(duì)圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建了仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 PET參數(shù)

負(fù)載在0.4 s時(shí)從12 kW切換至重負(fù)荷18 kW，在0.6 s時(shí)從18 kW切換至6 kW。直流側(cè)電壓響應(yīng)如圖9和圖10所示。

圖9 重負(fù)荷切換下高壓直流側(cè)電壓瞬態(tài)響應(yīng)

圖10 重負(fù)荷切換下低壓直流側(cè)電壓瞬態(tài)響應(yīng)

由圖9和圖10可以看出，當(dāng)負(fù)載在重負(fù)荷下切換時(shí)，直流側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，而當(dāng)負(fù)載在輕重負(fù)荷間切換時(shí)，直流側(cè)電壓出現(xiàn)的波動(dòng)較小。因此需要采用前饋控制，抑制PET在重負(fù)荷下切換時(shí)的直流側(cè)電壓波動(dòng)。為了驗(yàn)證前饋控制對(duì)PET直流側(cè)電壓波動(dòng)的抑制作用，將PET負(fù)載在0.4 s時(shí)從12 kW 切換至 18 kW， 在 0.6 s時(shí)從 18 kW切換至12 kW，仿真結(jié)果如圖11～圖14所示。

圖11為高壓直流側(cè)電壓波形，可以看出電壓在負(fù)荷切換時(shí)發(fā)生較大的波動(dòng)，采用前饋控制可以較好地抑制電壓波動(dòng)。

圖12為低壓直流側(cè)電壓波形。由于低壓直流側(cè)的電容取值較大，所以與高壓側(cè)相比電壓波動(dòng)較小，在采用前饋控制后，低壓直流側(cè)電壓可以基本消除，保證了負(fù)載的供電質(zhì)量。

圖11 高壓直流側(cè)電壓波形

圖12 低壓直流側(cè)電壓波形

圖13 為采用不同控制策略時(shí)的PET輸入功率。由圖看以看出，PET采用前饋能夠通過(guò)改變輸入功率大小迅速響應(yīng)負(fù)載波動(dòng)。

圖14為DAB傳輸功率。DAB采用本文的方法能更快的改變傳輸功率大小，使得整流橋?qū)ω?fù)載功率做出的變化迅速地傳遞到DAB。

圖13 PET輸入功率

圖14 DAB傳輸功率

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)PET在重負(fù)荷切換時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究，分析了在有無(wú)前饋時(shí)直流側(cè)電壓波動(dòng)的情況，并提出了一種PET的前饋控制方法。仿真分析結(jié)果表明，該方法能夠抑制由重負(fù)荷切換所引起PET直流側(cè)電壓波動(dòng)，增強(qiáng)PET在重負(fù)荷切換時(shí)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

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