電力電子變壓器在電網(wǎng)故障中的控制策略

張曉東，張大海

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

電力電子變壓器在電網(wǎng)故障中的控制策略

張曉東，張大海

（山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250061）

電力電子變壓器不但能完成常規(guī)電力變壓器的基本功能，還具有優(yōu)良的控制性能。為改善電力電子變壓器在電網(wǎng)故障時(shí)的控制效果，首先分析了電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)PI控制器加入復(fù)數(shù)積分和微分環(huán)節(jié)，提出了一種適用于不對(duì)稱故障的電力電子變壓器控制策略，減小穩(wěn)態(tài)誤差并提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。最后將該控制策略應(yīng)用于發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電力電子變壓器具有良好的穩(wěn)態(tài)控制效果，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)仍能保證穩(wěn)定輸出三相電壓。

電力電子變壓器；配電網(wǎng)；單相接地故障；控制策略；電能質(zhì)量

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電力變壓器的缺點(diǎn)日益突出，如體積、重量及空載損耗過(guò)大等。另外，變壓器過(guò)載時(shí)容易導(dǎo)致輸出電壓下降，產(chǎn)生諧波，從而影響電能質(zhì)量。當(dāng)電源側(cè)故障導(dǎo)致電壓異常時(shí)，傳統(tǒng)電力變壓器不能對(duì)輸出電壓進(jìn)行控制，只能將故障傳遞到負(fù)荷側(cè)，這使敏感負(fù)荷受到嚴(yán)重影響。而產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代的電力電子變壓器PET（power electronic transformer）能對(duì)輸出電壓進(jìn)行有效控制，有望解決傳統(tǒng)變壓器存在的一些問(wèn)題。

電力電子變壓器又叫電子電力變壓器EPT（electronic power transformer），是一種基于大功率電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓變換及控制和能量傳遞的新型智能電力變壓器[1，2]，通過(guò)大功率電力電子器件及電力電子整流、逆變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電能在電網(wǎng)中的傳輸[3，4]。

針對(duì)PET在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方案和對(duì)輸出電壓波形的控制方法上的研究已經(jīng)取得了一些成果[5，6]。近年來(lái)，PET在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究也越來(lái)越多。文獻(xiàn)[7]研究了PET并聯(lián)運(yùn)行問(wèn)題；文獻(xiàn)[8，9]研究了PET在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[10]研究了配電系統(tǒng)PET的IGBT緩沖電路；文獻(xiàn)[11]研究了PET在配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化中控制問(wèn)題；文獻(xiàn)[12]介紹了PET在輸電網(wǎng)中的控制策略；文獻(xiàn)[13]提出利用PET改善電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)[14]將PET應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)。

本文在分析了PET基本原理和實(shí)現(xiàn)方案的基礎(chǔ)上，為了簡(jiǎn)化控制算法，提出了簡(jiǎn)化的PET穩(wěn)態(tài)分析物理模型。鑒于傳統(tǒng)PI控制的一些缺點(diǎn)[15]，在其中加入復(fù)數(shù)積分和微分環(huán)節(jié)之后，提出了比例-復(fù)數(shù)積分-微分控制策略，并將其應(yīng)用于PET控制中，使PET輸出電壓在波形質(zhì)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度方面有了一定地提高。針對(duì)目前PET在短路故障條件下的應(yīng)用文獻(xiàn)比較少，將設(shè)計(jì)的PET應(yīng)用于配電系統(tǒng)，針對(duì)電力系統(tǒng)中發(fā)生次數(shù)最多的單相接地短路，在Matlab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行了仿真研究。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)PET在發(fā)生單相接地短路故障的情況下，二次側(cè)輸出電壓仍控制在理想的范圍內(nèi)，保證良好的供電質(zhì)量，對(duì)負(fù)載不間斷地供電。

1 PET的基本結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)化模型

1.1PET基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電壓變換過(guò)程中有無(wú)直流環(huán)節(jié)，PET有2種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，第1種為交-交-交變換，第2種為交-直-交-直-交變換。前者變換過(guò)程中無(wú)直流環(huán)節(jié)，使用的功率電子器件比較少，可控性不高，在一些對(duì)二次側(cè)輸出電壓要求較高的場(chǎng)合，一般不適用。而后者在變換過(guò)程中存在直流環(huán)節(jié)，使用的功率器件較多，可控性高，并且控制策略完善，應(yīng)用范圍廣。本文采用第2種方案，交-直-交-直-交型PET典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交-直-交-直-交型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1Topology of ac-dc-ac-dc-ac PET

PET基本工作原理為：三相工頻交流母線高壓經(jīng)過(guò)PWM整流變成直流，再經(jīng)過(guò)高頻逆變電路將直流電壓變成高頻方波，接著經(jīng)過(guò)高頻變壓器變壓，高頻方波電壓再經(jīng)過(guò)高頻整流電路變成直流電壓，最后直流電壓經(jīng)過(guò)三相脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）逆變成三相工頻低壓輸出，經(jīng)三相LC無(wú)源濾波器濾波后給三相負(fù)載供電。由于電力電壓器的體積和重量均與其工作電壓的頻率成反比，所以高頻變壓器的使用能極大地減小傳統(tǒng)電力變壓器的體積和重量。

1.2PET簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)物理模型

圖1中單相高頻逆變電路產(chǎn)生高頻方波，以降低PET的體積，為簡(jiǎn)化控制算法，本文對(duì)這一級(jí)逆變電路和PET副邊的單相高頻整流電路均采用不控方式處理，同時(shí)考慮中間高頻變壓器的作用，將圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)物理模型，如圖2所示。

圖2 PET簡(jiǎn)化穩(wěn)態(tài)物理模型Fig.2Simplified steady-state physical model of PET

圖2中，將單相高頻逆變、中間高頻隔離變壓器及單相高頻整流等效為一直流環(huán)節(jié)Udc。VSC1為PET輸入側(cè)三相工頻整流環(huán)節(jié)，U1為該環(huán)節(jié)的輸入電壓；VSC2為PET輸出側(cè)三相工頻逆變環(huán)節(jié)，U2為該環(huán)節(jié)的輸出電壓。通過(guò)采取合理的控制措施，使VSC1和VSC2兩部分相互配合，再經(jīng)過(guò)LC低通濾波器的作用，得到穩(wěn)定的三相工頻輸出電壓。

2 單相接地故障下的PET控制策略

2.1 輸入整流側(cè)控制策略

一次側(cè)三相高壓整流環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙PWM控制。通過(guò)坐標(biāo)變換將三相坐標(biāo)系下的各電網(wǎng)變量轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)基頻同步旋轉(zhuǎn)的兩相d、q坐標(biāo)系下，以電網(wǎng)側(cè)三相輸入電壓US為例，變換公式為

三相高壓整流環(huán)節(jié)控制數(shù)學(xué)模型為

式中：Usd、Usq為PET三相輸入電壓d、q軸分量；kip、kii為電流內(nèi)環(huán)PI控制參數(shù)；ω為電網(wǎng)電壓基波角頻率；L、R為PET輸入級(jí)無(wú)源濾波器等效電感和電阻，U1d、U1q為PET整流環(huán)節(jié)的輸入電壓d、q軸分量分別為PET輸入側(cè)基準(zhǔn)電流和實(shí)際反饋電流。電流基準(zhǔn)值分別為

2.2 輸出逆變側(cè)控制策略

由于占電網(wǎng)接地故障的百分比最高的單相接地故障屬于不對(duì)稱故障，而傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略在電網(wǎng)不對(duì)稱情況下，輸出直流電壓出現(xiàn)倍頻分量，從而不能得到一個(gè)穩(wěn)定直流輸出電壓，而如果在逆變側(cè)仍然使用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制器，將不能得到理想的三相交流逆變電壓，所以對(duì)PET二次側(cè)的逆變器控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)輸出特性和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

逆變器輸出電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示[16]。輸出電壓表達(dá)式為

圖3 逆變器輸出電壓閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.3Output voltage closed-loop control model of inverters

控制原理為：經(jīng)電壓互感器采集輸出三相交流電壓信號(hào)Uo（s），與三相基準(zhǔn)電壓信號(hào)Ur（s）進(jìn)行比較，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器G（s）的作用后，控制PWM信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生PWM開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制逆變側(cè)的主電路功率器件-絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的通斷，實(shí)現(xiàn)逆變的目的。合理的控制器G（s）的選擇，可以使PET輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的誤差較小，達(dá)到控制輸出電壓的目的。

在圖3中，K為PWM調(diào)制等效增益，L、C、R分別為濾波器等效電感、電容和電阻，Uo（s）為逆變器實(shí)際輸出電壓。若控制器G（s）=kp+ki/s，則該控制器為傳統(tǒng)的PI控制。本文將復(fù)數(shù)積分[15]和微分環(huán)節(jié)加入PI控制器中，以代替其中的常數(shù)積分環(huán)節(jié)，得到比例-復(fù)數(shù)積分-微分PCID（proportion complex-integration differentiation）控制器。該控制器閉環(huán)傳遞函數(shù)為

該方法是對(duì)傳統(tǒng)的PI控制方法的改進(jìn)，分為PCI和PD 2部分。具體作用為：PCI控制消除輸出電壓與給定基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)態(tài)誤差；PD控制主要改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，保證輸出電壓及時(shí)的跟蹤輸入電壓變化情況。

評(píng)價(jià)控制器的優(yōu)劣，主要從該控制器的穩(wěn)態(tài)特性和抗擾動(dòng)特性2方面來(lái)評(píng)價(jià)[16]。基于PCID控制的逆變器輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差特性和抗擾動(dòng)特性分別為

將式（4）、式（5）代入式（6）、式（7），波特（Bode）圖如圖4所示。

圖4PCID控制特性分析Fig.4Characteristic analysis of PCID control

由圖4可以看出，該控制方法輸出電壓能較好地跟蹤給定的三相基準(zhǔn)電壓，穩(wěn)態(tài)誤差非常小，同時(shí)其抗擾動(dòng)特性也非常好。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建配電系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 配電系統(tǒng)仿真模型Fig.5Simulation model of distribution system

圖中，交流發(fā)電機(jī)G與母線1相連，母線1與母線2通過(guò)常規(guī)變壓器T1相連，母線1的線電壓有效值為35 kV，母線2的線電壓有效值為10 kV分別用PET和常規(guī)變壓器T2對(duì)母線2電壓進(jìn)行變壓后給三相負(fù)載1和負(fù)載2供電，2個(gè)負(fù)載均用100 Ω電阻代替。

PET部分的仿真參數(shù)為：整流電路PWM開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz；逆變電路PWM開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz；PET輸入級(jí)和輸出級(jí)濾波電感均設(shè)為3 mH；濾波器等效電阻設(shè)為0.2 Ω；中間高頻方波頻率為10 kHz；高頻隔離變壓器的變比為20 kV/1 kV。給定輸出基準(zhǔn)線電壓有效值為380 V。

假設(shè)母線2在0.35 s發(fā)生A相接地短路故障，并一直持續(xù)到0.45 s時(shí)消失，故障點(diǎn)接地電阻設(shè)為1 Ω。仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

從圖6中可以明顯地看出，母線2在0.35 s時(shí)由于受接地短路故障的影響，電壓跌落較嚴(yán)重，基本為0；在0.45 s時(shí)，短路故障消失，A相恢復(fù)供電；在故障期間，B、C兩相電壓升高為原來(lái)的倍。

圖6 母線2三相電壓Fig.6Three-phase voltage of bus 2

圖7為新型PET三相輸出電壓波形，可以看到，PET輸出三相電壓基本不受輸入側(cè)A相接地故障的影響，輸出相電壓有效值為220 V，能跟蹤給定的基準(zhǔn)電壓值，使三相負(fù)載的供電不受影響，說(shuō)明了PCID在穩(wěn)態(tài)誤差控制方面的優(yōu)越性。

圖7PET輸出電壓Fig.7Output voltages of PET

根據(jù)經(jīng)典控制理論，微分環(huán)節(jié)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，使抑制誤差的作用變化超前。所以在控制系統(tǒng)中加入微分環(huán)節(jié)，用來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。從圖7中可以看到，當(dāng)母線2發(fā)生單相接地故障時(shí)，PET輸出電壓能迅速地動(dòng)態(tài)跟蹤基準(zhǔn)電壓，其原因是，即使母線2發(fā)生單相接地故障，另外兩非故障相整流之后，仍能對(duì)PET輸出側(cè)逆變器直流電容進(jìn)行充電，使直流電容兩端電壓變化不大，保證PET輸出電壓穩(wěn)定。

圖8為常規(guī)變壓器T2輸出的電壓波形?？梢?jiàn)其輸出的A相電壓受接地故障的影響，也發(fā)生明顯的跌落，嚴(yán)重影響了對(duì)三相負(fù)載的供電。

圖8 常規(guī)變壓器T2的輸出電壓Fig.8Output voltages of conventional transformer T2

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)電網(wǎng)中發(fā)生頻率比較高的單相接地短路故障，指出整流側(cè)采用傳統(tǒng)的電壓、電流雙環(huán)控制方案時(shí)，直流輸出電壓將發(fā)生較大的波動(dòng)，因此在逆變側(cè)不宜再采用傳統(tǒng)的PI控制器。本文采用PCID控制器，設(shè)計(jì)了穩(wěn)態(tài)輸出效果良好的PET，并將其應(yīng)用于配電網(wǎng)中，對(duì)敏感負(fù)載進(jìn)行供電。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的PET在配電網(wǎng)母線發(fā)生單相接地故障時(shí)，仍能保持輸出電壓的穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)性能良好。

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Control Strategy of Power Electronic Transformer for Power Grid Fault

ZHANG Xiao-dong，ZHANG Da-hai
（College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Power electronic transformer（PET）can not only accomplish the basic functions of conventional power transformers，but also has good control performances.To improve the control effect of PET for faulty power grid，the paper firstly analyzes topological structure of PET，then adds complex integral and differential blocks to traditional PI controller，and proposes a novel control strategy for asymmetric fault，so as to reduce steady error and improve dynamic response.Finally the proposed control strategy is applied to PET in a distribution network with single-phase-to-ground fault.Simulation results show that the PET has good steady control effect，and can provide ideal three-phase output voltage even power grid is in fault condition.

power electronic transformer；distribution network；single-phase ground fault；control strategy；power quality

TM41；TM46

A

1003-8930（2014）01-0039-05

張曉東（1986—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制及電力電子變換技術(shù)。Email：zhangxiaodong1986@ 126.com

2012-03-15；

2012-04-01

張大海（1973—），男，通信作者，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)監(jiān)控、電力電子和電能質(zhì)量。Email：dhzhang@sdu.edu.cn