一種三相級聯(lián)型電力電子變壓器及其控制策略研究季振東

，　李東野，　孫毅超，　趙劍鋒，　黃允凱

(1.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094；2.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

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一種三相級聯(lián)型電力電子變壓器及其控制策略研究季振東

1，李東野2，孫毅超2，趙劍鋒2，黃允凱2

(1.南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094；2.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

針對直流微網(wǎng)的并網(wǎng)問題，設計一種三相級聯(lián)型電力電子變壓器，高壓交流輸入級采用星形級聯(lián)型H橋拓撲，低壓直流輸出級使用輸出并聯(lián)的隔離式雙向主動全橋結(jié)構(gòu)。在直接接入交流配電網(wǎng)的同時，為分布式能源提供了一個穩(wěn)定的直流接口。文中針對兩級分別設計了閉環(huán)的控制方法，特別是對于高壓級的星形級聯(lián)型拓撲提出了一種簡單的相間和相內(nèi)直流側(cè)平衡控制方法。通過仿真和實驗驗證了上述拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略的可行性和有效性。

直流微網(wǎng)；電力電子變壓器；級聯(lián)型變流器；直流側(cè)平衡控制

0　引　言

近年來，由于能源緊缺和環(huán)境問題，越來越多的分布式發(fā)電接入電網(wǎng)。但分布式發(fā)電單元具有不可調(diào)度，間歇性功率波動以及雙向潮流等特點，這給電網(wǎng)帶來了不穩(wěn)定因素，也對電網(wǎng)調(diào)度提出了新的挑戰(zhàn)，嚴重制約了其在電力系統(tǒng)中的發(fā)展[1]。為了解決上述問題并充分發(fā)揮分布式發(fā)電的作用和價值，研究人員提出了新的分布式能源的構(gòu)架——微網(wǎng)。

微網(wǎng)將各種分布式能源、儲能單元、負荷以及監(jiān)控保護裝置組合起來，具有靈活的可調(diào)度性能，并能夠滿足并網(wǎng)和離網(wǎng)兩種運行模式[2-3]。目前有兩種存在形式，即直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)。由于直流微網(wǎng)不需要對電壓的相位和頻率進行跟蹤控制，與交流微網(wǎng)相比，它的控制較為簡單且可靠性也較強。同時，直流微網(wǎng)提高了電網(wǎng)的傳輸效率，一方面它減少了由無功功率引起的線路損耗，另一方面它僅通過一級變換器便能與分布式發(fā)電電源及負載連接[4-5]。因此，直流微網(wǎng)更適合分布式能源和負載的接入。

本文將針對直流微網(wǎng)的并網(wǎng)設計三相高壓交流輸入低壓直流輸出的兩級式電力電子變壓器，擬在高壓輸入級采用三相CHB(Cascaded H-bridge)，低壓輸出級使用并聯(lián)DAB(Dual Active Bridge)變換器。其中，高壓級的多直流電壓平衡控制為控制的重要環(huán)節(jié)。一些文獻研究了單相級聯(lián)型變流器的平衡控制方法[7-11]，但并不能直接用于三相星形級聯(lián)型變流器拓撲。在文獻[6]、文獻[12] 中，提出的算法是針對三相級聯(lián)型STATCOM，但是三相被分別處理，故而相間的平衡是不能控制的。本文擬提出一種簡單的控制方法用于平衡三相級聯(lián)型拓撲的相間和相內(nèi)平衡。在低壓級，本文擬在DAB移相控制的基礎上[15-16]，提出一種輸出并聯(lián)的多DAB均流控制策略。最終，通過仿真和實驗在不同條件下對控制方法的可行性和有效性進行驗證。

1　電力電子變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)

本文設計的電力電子變壓器正是針對直流微網(wǎng)并網(wǎng)所提出的，它在將直流微網(wǎng)與交流配網(wǎng)相隔離的同時，也為分布式電源提供了一個穩(wěn)定的直流接口。如圖1所示，光伏、燃料電池、儲能等直流微電源和直流負載通過DC/DC變換器直接或間接接入直流母線，同時風電等交流微電源和交流負載通過DC/AC變換器接入。

圖2所示的是電力電子變壓器中的功率模塊的電路。它由兩部分組成，H橋整流器和DAB變換器。圖3為基于上述模塊設計的電力電子變壓器整體結(jié)構(gòu)圖。這種電力電子變壓器具有模塊化、易于實現(xiàn)的特點，而且可以使用不同的級聯(lián)單元數(shù)以擴展至不同的電壓等級。

圖1　用于直流微網(wǎng)的電力電子變壓器Fig.1　PET used in DC micro-grid

圖2　電力電子變壓器中的功率模塊Fig.2　Circuit diagram of a modular block in PET

圖3　三相級聯(lián)型電力電子變壓器的電路結(jié)構(gòu)Fig.3　Circuit configuration of three-phase cascaded PET

對應于功率模塊中的兩級，整個電力電子變壓器也分為兩級。高壓級中的三相級聯(lián)型結(jié)構(gòu)除了用于功率因數(shù)校正和輸入電流正弦化的目的外，還需要調(diào)節(jié)各個直流側(cè)的電壓穩(wěn)定在指令值。這一級中每個功率模塊可以產(chǎn)生三種輸出電壓：+UDC，0，-UDC。比如產(chǎn)生輸出電壓-UDC，開關Si2和Si3是閉合狀態(tài)；產(chǎn)生零電壓輸出，開關Si1,Si3或者Si2,Si4是閉合的。n個H橋可以產(chǎn)生2n+1輸出電平，故而這一級的輸出線電壓為4n+1電平。當n=3，開關狀態(tài)可以組合出電壓0，±UDC，±2UDC，±3UDC，±4UDC，±5UDC，±6UDC。

低壓級由并聯(lián)的DAB變換器構(gòu)成，這些DAB變換器的輸入側(cè)連接于高壓級不同的直流側(cè)，并在輸出側(cè)互相并聯(lián)。這一級的控制目標不僅要讓輸出側(cè)直流電壓保持在期望值，而且要實現(xiàn)各模塊的功率均衡分配以便于高壓級各H橋的功率平衡。在該級中，直流電壓被轉(zhuǎn)換成方波，從而耦合到高頻變壓器的副邊，然后形成輸出的直流電壓。雙H橋使得能量可以雙向流動，所以PET能夠連接于直流微網(wǎng)中的分布式發(fā)電，負載和儲能裝置。

由于PET的這兩級有著各自的控制目標，故而兩級的控制方法可以分開進行研究，且利于優(yōu)化以提高整體的控制性能。

2　電力電子變壓器的控制策略

2.1三相星形CHB變換器的電壓平衡控制

電力電子變壓器的高壓級為n級級聯(lián)的H橋整流器，通過借助開關函數(shù)Si，可以得到該拓撲結(jié)構(gòu)中各單相的數(shù)學模型：

(1)

(2)

式中：us,is為電網(wǎng)側(cè)相電壓和輸入線電流；L為裝置的并網(wǎng)電抗；C,R,Udci分別為各H橋的直流母線的電容、負載以及電壓。

開關函數(shù)Si定義如下：

Si=Si1Si4-Si2Si3。

(3)

其中，Si1～Si4為i級H橋中四個開關管的工作狀態(tài)，取值為0或1。從而可以得到開關函數(shù)Si的三種可能的取值：-1，0，1。

由于單相級聯(lián)H橋的各模塊所流過的電流是一致的，故而從網(wǎng)側(cè)可以將它們當作一個整體，進而可以借鑒普通單相PWM整流器的傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制進行研究。如果各H橋的參數(shù)完全一致，傳統(tǒng)雙閉環(huán)控制方法可以無改動地用于三相級聯(lián)型變換器。但是電力電子器件的不平衡傳導和開關損耗，驅(qū)動脈沖的不同延時，控制電路內(nèi)在的延時和負載的不平衡等因素[13]，會造成了直流側(cè)電壓的不平衡。由于三相星形級聯(lián)結(jié)構(gòu)中的三相電流間存在耦合關系，故而該結(jié)構(gòu)除了存在單相內(nèi)的直流側(cè)電壓不平衡問題，還有三相之間的直流側(cè)電壓不平衡。

圖4　三相級聯(lián)型拓撲的控制框圖Fig.4　Control diagram for three-phase CHB converter

圖5　有功電流獨立控制方法Fig.5　Active currents separate control method

圖6　相間直流側(cè)電壓平衡控制Fig.6　Interphase DC voltages balancing control

圖7　相內(nèi)直流電壓平衡控制Fig.7　Inphase DC voltages balancing control

使用CHB變換器常用的一種調(diào)制方法，載波移相脈寬調(diào)制方法(phase shift pulse-width modulation,PSPWM)[14]。圖8是級聯(lián)單元數(shù)n=3時的變換器各橋臂的調(diào)制方案。us是調(diào)制波，Vix為圖2所示的IGBT橋臂Six的載波。各個相鄰的載波錯開時間為Tc1/2n,其中Tc1為載波周期值。三相結(jié)構(gòu)中的同一層H橋?qū)獦虮凼褂猛粋€載波。載波頻率決定了IGBT的開關頻率，單相CHB的等效開關頻率是開關頻率的2n倍。等效開關頻率的提高不僅提高了輸出電壓及電流波形的正弦度，也減小了并網(wǎng)的所需電抗值。

圖8　載波移相PWM調(diào)制方法Fig.8　PSPWM modulation method

2.2并聯(lián)型隔離DAB的均流控制

DAB變換器由雙H橋和中間隔離的高頻變壓器組成。圖9是控制DAB產(chǎn)生的主要波形，其中的變量定義見圖2。第一個H橋產(chǎn)生占空比50%的方波電壓Vc1至高頻變壓器的原邊，同時連接于副邊繞組的第二個H橋產(chǎn)生一個同樣的波形Vc2。考慮到高頻變壓器可控漏抗Lk存在，能夠通過控制Vc1和Vc2之間的移相角δ來改變變壓器漏抗上產(chǎn)生電壓Vk，從而控制電流ik以實現(xiàn)能量的雙向流動[15-16]。

圖9　隔離式雙向主動全橋的控制Fig.9　Control of isolated DAB converter

根據(jù)文獻[17]，推導出具體的傳遞功率值：

(4)

其中:Udc和Uo分別為DAB模塊的輸入及輸出的直流側(cè)電壓；Lk為高頻變壓器的漏感值；Tc2為方波電壓的周期值。

由于各個并聯(lián)DAB變換器在變壓器參數(shù)(變比，漏抗等)和輸入側(cè)的直流電壓存在不同，這會造成各單元傳送功率的不均衡。而功率不平衡在全功率運行等條件下會導致過流故障的發(fā)生。故而，并聯(lián)DAB的控制一方面要滿足輸出側(cè)電壓的穩(wěn)定，另一方面是要實現(xiàn)各個并聯(lián)DAB變換器的均流。如圖10所示，提出的控制方法使用了一個電壓環(huán)和3n個電流環(huán)。其中，Uo是輸出電壓的實時值，iref為各個電流環(huán)公用的電流指令值，ioi和δi分別為各個變換器輸出的直流電流和使用的移相角。

圖10　并聯(lián)DAB變換器的控制Fig.10　Control of output-parallel DAB converters

3　仿真結(jié)果

為了對設計的三相級聯(lián)型電力電子變壓器和控制方法的可行性和有效性進行驗證，在Matlab/Simulink下進行了仿真。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，PET是基于三相3 kV(50 Hz)電網(wǎng)設計的3串結(jié)構(gòu)。表1為對應于圖2功率模塊的參數(shù)。

表1　仿真中的單元參數(shù)

3.1三相星形CHB變換器的仿真

第一個仿真是在不平衡條件下驗證PET的高壓級。由于CHB變換器中的不平衡因素都可以等價成直流側(cè)并聯(lián)型負載[13]，仿真是在不同直流側(cè)接入不同負載下進行的。

仿真中，各單元的初始負載均為80 Ω。在0.2 s時，A2，A3，B1，B2的負載發(fā)生了突變，各自變化為RA2=40 Ω，RA3=160 Ω，RB1=40 Ω，RB2=48 Ω。圖11～圖14是仿真波形圖。如圖11所示，不平衡控制方法能夠消除直流側(cè)負載突變帶來的影響。圖12顯示了三相中有功和無功功率的分配情況，各相中的有功功率可以根據(jù)負載進行調(diào)節(jié)，無功功率的作用是用于三相有功電流的獨立控制。

圖11　各單元直流側(cè)電壓波形Fig.11　The waveforms of DC voltages

從圖12和圖13可以看出，方法中的三相之間的直流側(cè)平衡控制是以犧牲功率因數(shù)和輸入電流的不平衡度為代價的。圖14是CHB變換器A相交流側(cè)的輸出電壓波形，為七電平波形。

圖12　三相中的有功和無功分配圖Fig.12　Active and reactive power distribution in three phase

圖13　輸入電流波形Fig.13　Input currents of CHB converter

圖14　CHB變換器的A相輸出電壓波形Fig.14　CHB converter output voltage of phase A

3.2電力電子變壓器的整體仿真

圖15～圖17是針對電力電子變壓器整體的仿真波形。t=0 s時，PET在輸出直流側(cè)所帶的負載Ro=20 Ω，此時能量從交流側(cè)流向直流側(cè)。為了模擬分布式發(fā)電，在t=0.2 s時，將1 200 V的直流電壓源通過5 Ω的電阻接入輸出的直流側(cè)。從波形中可以看出，PET能夠?qū)崿F(xiàn)雙向傳輸能量并保持輸出穩(wěn)定，且具有較好的動態(tài)性能。圖18為輸出并聯(lián)的各DAB模塊中的漏感電流，可以看出穩(wěn)定運行的同時低壓級的均流控制策略亦較好地得以實現(xiàn)。

圖15　PET的輸出電壓Fig.15　Output voltage of PET

圖16　A相的輸入電壓和電流Fig.16　Input voltage and current of phase A

圖17　PET的輸入電流Fig.17　Input currents of PET

圖18　各并聯(lián)DAB模塊的漏感電流波形Fig.18　Leakage Currents of output-parallel DAB modules

4　實　驗

為了進一步對提出的控制方法進行驗證，使用三個如圖2所示的單元組成了N=1的三相星型結(jié)構(gòu)的試驗平臺?？刂葡到y(tǒng)使用了主從控制模式，主控制器采用了DSP+FPGA的構(gòu)架，用于實現(xiàn)主控算法和控制信號下發(fā)，而用于生成PWM脈沖的各功率單元的從控制器是基于CPLD實現(xiàn)的，主從控制采用光纖連接的方式。由于試驗條件的限制，使用三相調(diào)壓器連接三相級聯(lián)并網(wǎng)逆變器進行低壓試驗。具體參數(shù)為：并網(wǎng)電抗器為2 mH，輸入級和輸出級的直流電容值均為2 000 μF，變壓器變比1∶1，漏抗2 mH；輸入級開關頻率為3.2 kHz，輸出級為4 kHz，輸入級和輸出級直流側(cè)指令電壓均為52 V。

圖19和圖20所示的是輸入級的直流側(cè)平衡控制的實驗波形。此實驗中輸出級的DAB模塊不工作，各相H橋單元負載不同，RA=40 Ω，RB=23 Ω，RC=50 Ω，可以看到在啟動前直流側(cè)處于不同的電壓值，經(jīng)過直流側(cè)平衡控制，三相各直流側(cè)均到達指令值并保持平衡。但此時電流處于不平衡狀態(tài)，是由于無功電流分量注入所導致的，與仿真結(jié)果一致。

圖19　CHB變換器的各直流側(cè)電壓Fig.19　DC voltages of CHB converter

圖20　CHB變換器的輸入電壓和電流Fig.20　Input voltage and currents of CHB converter

圖21和圖22為PET整機的實驗波形，去除輸入級的不平衡負載，在輸出級的直流側(cè)連接10 Ω的電阻負載。圖21所示的為能量正向流動時的PET的輸入電壓、電流以及輸出的直流側(cè)電壓波形，可以看出A相的電網(wǎng)電壓與電流同相位，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流以及直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。圖22為能饋狀態(tài)下的PET實驗波形，是通過輸出直流側(cè)接入可調(diào)壓的不控整流橋進行的。從圖22可以看出，穩(wěn)定后電流相位與電網(wǎng)電壓反向，實現(xiàn)了能量回饋，直流側(cè)仍能保持平衡且具有較好的動態(tài)性能，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式發(fā)電的接入。

圖21　PET整機實驗波形Fig.21　Experimental waveforms of PET

由于實驗裝置的單元數(shù)有限，為了體現(xiàn)級聯(lián)效果，將三個單元串聯(lián)形成n=3的單相級聯(lián)結(jié)構(gòu)，參數(shù)與前面一致，可得到圖23的七電平實驗波形，圖中CH1和CH2分別對應網(wǎng)側(cè)電壓和電流。CH3為高壓級逆變器的七電平輸出電壓，CH4為PET的輸出直流側(cè)電壓。

圖22　PET能饋時的實驗波形Fig.22　Experimental waveforms of PET with energy-feedback

圖23　單相三級級聯(lián)波形Fig.23　Waveforms of cascaded number N=3

5　結(jié)　論

針對直流微網(wǎng)的并網(wǎng)問題，本文設計了一種三相級聯(lián)型電力電子變壓器，分別針對其兩級提出了各自的閉環(huán)控制方法。對于高壓級，在傳統(tǒng)H橋整流器的雙閉環(huán)PI控制的基礎上，提出了一種簡單的三相直流側(cè)平衡控制方法，很好的實現(xiàn)了直流側(cè)的相間和相內(nèi)平衡；對于低壓級，利用并聯(lián)DAB的均流控制方法以實現(xiàn)各個單元的功率均衡。通過仿真和實驗充分驗證了控制方法的可行性和有效性。本文所設計的電力電子變壓器有利于推動基于直流微網(wǎng)的分布式發(fā)電的廣泛應用。

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(編輯：劉素菊)

Research on a three-phase cascaded power electronic transformer and its control strategy

JI Zhen-dong1,LI Dong-ye2,SUN Yi-chao2,ZHAO Jian-feng2,HUANG Yun-kai2

(1.School of Automation,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China;2.School of Electrical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

A three-phase cascaded power electronic transformer (PET) is designed for grid-connected DC micro-grid.It consists of star-connected cascaded H-bridge (CHB) converters at the input stage and output-parallel isolated dual active bridges (DAB) at the output stage.The proposed PET can be directly connected to high-voltage distribution network and provide a stable DC interface for distribute generation (DG).The closed-loop control methods were respectively designed for the two stages,in which a simple control method was proposed to balance inphase and interphase DC voltages of star-connected CHB converter in particular.The feasibility and validity of the proposed PET and its control strategy are verified by simulation and experiment.

DC micro-grid；power electronic transformer；cascaded H-bridge；DC voltage balancing

2013-05-07

國家自然科學基金(51477030)；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014127-15)

季振東(1986—)，男，博士，講師，研究方向為高壓大功率電力電子技術、新能源并網(wǎng)發(fā)電、電力電子變壓器；

李東野(1987—)，男，博士研究生，研究方向為多電平電力電子變流器技術、電力電子變壓器；

季振東

10.15938/j.emc.2016.08.005

TM 461

A

1007-449X(2016)08-0032-08

孫毅超(1987—)，男，博士研究生，研究方向為多電平電力電子變流器技術、電力電子變壓器；

趙劍鋒(1972—)，男，教授，博士生導師，研究方向為電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用；

黃允凱(1977—)，男，博士，副教授，研究方向為特種電機理論分析、設計與研制等方面。