基于固態(tài)變壓器的大功率逆變技術(shù)研究

宋飛宇，張海燕，祁明龍，郭　建，孫忠鳴

(1.上海電機(jī)學(xué)院，上?！?01306；2.上海電氣富士電機(jī)電氣技術(shù)有限公司，上?！?00070)

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基于固態(tài)變壓器的大功率逆變技術(shù)研究

宋飛宇1，張海燕1，祁明龍2，郭建1，孫忠鳴1

(1.上海電機(jī)學(xué)院，上海201306；2.上海電氣富士電機(jī)電氣技術(shù)有限公司，上海200070)

固態(tài)變壓器結(jié)合了電力電子變換技術(shù)和高頻電能變換技術(shù),實(shí)現(xiàn)將電能從一種電力特征的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電力特征。逆變器作為固態(tài)變壓器中能量轉(zhuǎn)換的裝置，技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是在大功率逆變器運(yùn)行的設(shè)計(jì)上還有許多問題有待解決。逆變器并聯(lián)運(yùn)行控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模塊化、高可靠性冗余逆變電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)。分析了逆變器并聯(lián)運(yùn)行時環(huán)流的產(chǎn)生原因，總結(jié)了目前已有的逆變器并聯(lián)方案。又根據(jù)組合式逆變器運(yùn)行原理，用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三相組合式逆變器用于固態(tài)變壓器的優(yōu)越性和可行性。

固態(tài)變壓器；大功率逆變技術(shù)；并聯(lián)逆變器；組合式逆變器

0　固態(tài)變壓器簡介

固態(tài)變壓器(solid state transformer，SST)，也叫電力電子變壓器，是一種以電力電子變換器為基礎(chǔ)的智能新型變壓器，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)電力變壓器實(shí)現(xiàn)電壓等級變換、能量傳遞和電氣隔離的功能。固態(tài)變壓器體積小、重量輕，還能方便地控制輸入輸出的電流電壓，實(shí)現(xiàn)輸入的功率因數(shù)調(diào)整和輸出的變頻調(diào)壓等功能。國內(nèi)外眾多學(xué)者都對固態(tài)變壓器展開了研究，并取得了不少成果。

固態(tài)變壓器通過高頻開關(guān)將變壓器原邊的工頻信號轉(zhuǎn)換成高頻信號，耦合到隔離變壓器的副邊，再將高頻信號轉(zhuǎn)換成工頻信號；在此過程中，應(yīng)用相應(yīng)的控制策略來完成固態(tài)變壓器的轉(zhuǎn)換工作，將電能從一種頻率和波形轉(zhuǎn)換成另一種頻率和波形。固態(tài)變壓器在高頻信號下工作，其體積和重量將隨頻率增加而減小，有助于實(shí)現(xiàn)小型化、模塊化，并提高整體的利用效率。

固態(tài)變壓器工作拓?fù)淙鐖D 1 所示，該固態(tài)變壓器由 AC/DC 整流部分、DC/DC 高頻降壓變換和DC/AC 逆變部分組成。固態(tài)變壓器中第3級輸出級其實(shí)為逆變環(huán)節(jié)，可當(dāng)做一個逆變器來看待。由于固態(tài)變壓器輸出功率可能會很高，所以對逆變環(huán)節(jié)的要求也比較高。而逆變器的容量問題是制約逆變器發(fā)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

1　三相全橋逆變器并聯(lián)技術(shù)

采用并聯(lián)技術(shù)增大固態(tài)變壓器輸出功率，需將多臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行，使各個電源模塊共同承擔(dān)系統(tǒng)功率，平均到每個功率器件上所承受的電流應(yīng)力減少，從而在整體上提高輸出功率。設(shè)計(jì)時可以使每臺逆變器容量減小，相應(yīng)的體積和重量也會減少。這樣在實(shí)現(xiàn)模塊化的基礎(chǔ)上，又降低了整個變壓器的生產(chǎn)和維護(hù)成本。因此，逆變器模塊化供電是固態(tài)變壓器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高可靠性、高容量和高可擴(kuò)展性的基礎(chǔ)。

圖1　固態(tài)變壓器工作拓?fù)?/p>

1.1逆變器并聯(lián)運(yùn)行存在的問題

圖2　兩臺逆變器并聯(lián)運(yùn)行等效電路

對電路進(jìn)行分析和公式推導(dǎo)，可得出如下關(guān)系：

1.2環(huán)流及常用均流方法

均流(負(fù)載均分)技術(shù)和逆變器間環(huán)流的抑制，制約著并聯(lián)逆變器的發(fā)展。而對于逆變器的并聯(lián)均流問題，已經(jīng)有許多不同的方案被提出。常見并聯(lián)控制方案的分類總結(jié)如表1所示。這些均流方法都在一定程度上增加了控制策略的復(fù)雜程度。固態(tài)變壓器整體系統(tǒng)的控制本身就很復(fù)雜，因此不宜再加上復(fù)雜的均流控制策略。

表1　常用并聯(lián)控制方法匯總表

1)外特性下垂法：一般通過調(diào)節(jié)各逆變器基準(zhǔn)信號的幅值和相位，可實(shí)現(xiàn)各并聯(lián)逆變器輸出無功功率和有功功率的平衡。阻性輸出阻抗時，

對上式全微分可得

2)平均值均流法：每臺逆變器有電流反饋環(huán)、電壓反饋環(huán)及外部均流環(huán)3個控制環(huán)。各逆變器輸出電流的平均量通過均流總線產(chǎn)生一個公共電流參考量，公共參考電流和各逆變器實(shí)際輸出電流之間的誤差經(jīng)均流控制器處理后作為參考電壓的補(bǔ)償信號，閉環(huán)調(diào)節(jié)使誤差趨近于0，從而實(shí)現(xiàn)均流。由于需要平均多個信號，模塊間的信號線較多，易受干擾，并聯(lián)控制電路也很復(fù)雜，也不適于遠(yuǎn)距離通訊。

3)主從控制法是以電壓型PWM逆變器(VCPI)作為主控制模塊，用來控制整個逆變系統(tǒng)的輸出電壓，而N個電流型PWM逆變器(CCPI)通過跟蹤給定電流來控制自身輸出電流，分擔(dān)系統(tǒng)的負(fù)載。主從并聯(lián)易于設(shè)計(jì)和制作，但是功率分配中心或者主模塊一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常工作。

2　組合式逆變器

2.1組合式逆變器結(jié)構(gòu)

組合式三相逆變器由3個單相全橋逆變器構(gòu)成。3個單相逆變器的開關(guān)控制動信號互差 120°，三相輸出電壓 Ua、Ub、Uc大小相等，相位相差120°，構(gòu)成一個平衡對稱的三相交流電源。每相之間相互獨(dú)立，可當(dāng)作單相逆變器來分析；并采用較為靈活的控制方案，可以三相獨(dú)立控制，也可以統(tǒng)一控制。組合式三相逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。由A、B、C3個單相逆變器組合而得，分別通過LC濾波器得到三相正弦電壓。組合式三相逆變器具有良好的帶不平衡負(fù)載能力和優(yōu)良的電氣性能。在相同功率條件下，六橋臂12個開關(guān)控制的三相逆變器，與三橋臂的三相逆變器相比，每個IGBT承擔(dān)的電流低一半。

圖3　組合式三相逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

組合式三相逆變器工作原理和數(shù)學(xué)模型與三相逆變器類似，這里不再贅述。

2.2組合式逆變器應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

在為固態(tài)變壓器選擇三相逆變電路的主電路拓?fù)鋾r，一般需要考慮到整體控制難度、系統(tǒng)體積、模塊化程度及系統(tǒng)輸出特性等因素。采用組合式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3，在固態(tài)變壓器系統(tǒng)中可以獲得如下好處：

1)各模塊相互獨(dú)立，在某一模塊損壞時只需更換相應(yīng)的H橋模塊。

2)由于是由3個單相逆變器組成的三相逆變器，所以在控制時可以參照單相逆變器的控制方案進(jìn)行控制。不僅降低了分析難度，同時也降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜度。

3)可以方便地實(shí)現(xiàn)三相四線制連接，增強(qiáng)了系統(tǒng)的帶不平衡負(fù)載的能力。同時每相模塊相互獨(dú)立，既可以三相運(yùn)行，也可以單相運(yùn)行。

3　組合式三相全橋逆變器的仿真分析

首先利用Matlab中的電力電子模塊建立系統(tǒng)模型。在這里，首先建立全橋結(jié)構(gòu)的單相逆變器的仿真模型，然后組合成三相逆變器。再對逆變器進(jìn)行組合式并聯(lián)仿真。在仿真時通過改變負(fù)載參數(shù)，依次進(jìn)行平衡負(fù)載和不平衡負(fù)載下的仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證系統(tǒng)的帶不平衡負(fù)載的能力。最后通過對比試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證組合式逆變器在固態(tài)變壓器里應(yīng)用的合理性。

3.1全橋逆變器仿真模型

所述結(jié)構(gòu)的逆變器仿真參數(shù)，固態(tài)變壓器直流輸出端用直流電源代替。直流側(cè)電源電壓為 500 V，濾波電感；電容分別為L=1.5 mH、C=10 e-6 F；采用三相四線制，中性點(diǎn)直接接地。仿真模型如圖4所示。

對稱負(fù)載時：R1=R2=R3=20 Ω；不對稱負(fù)載時：R1=15 Ω，R2=R3=20 Ω。

3.2對稱負(fù)載下仿真結(jié)果

R1=R2=R3=20 Ω，L1=L2=L3=1.5 mH，C1=C2=C3=10 e-6 F，Vdc=500 V。

由圖5和圖6可以得出：輸出電流和電壓是完美正弦波，輸出電流幅值在15 V左右；輸出電壓基波頻率50 Hz，基波幅值302.8 V；總諧波畸變率THD=2.33%，與理論分析結(jié)果吻合。

3.3不對稱負(fù)載下仿真結(jié)果

R1=15 Ω，R2=R3=20 Ω，L1=L2=L3=1.5 mH，C1=C2=C3=10 e-6 F，Vdc=500 V。

由圖7、圖8和圖9可以看出：輸出電流和電壓是完美正弦波，但在不對稱負(fù)載下A、B、C三相輸出電壓依然對稱，而輸出電流不對稱；B、C相輸出電流幅值依然在15 A左右，而A相輸出電流則幅值增大到20 A。

圖4　組合式逆變器仿真模型

圖5　三相對稱負(fù)載下仿真輸出電流

圖6　三相對稱負(fù)載A相輸出電壓的傅里葉分析結(jié)果

圖7　三相不對稱負(fù)載下仿真輸出電流波形

圖8　三相不對稱負(fù)載A相輸出電壓的傅里葉分析結(jié)果

圖9　不對稱負(fù)載下B、C相輸出電壓的傅里葉分析結(jié)果

輸出電壓基波頻率50 Hz，基波幅值302.8 V(A相為304 V)，總諧波畸變率THD=2.33%(A相為2.31%)，與對稱負(fù)載下仿真結(jié)果相差不大。

3.4仿真結(jié)果分析

1)從圖5和圖7對比可以看出，在負(fù)載不對稱的情況下，整個逆變系統(tǒng)輸出電流除了A相電流幅值增大外，另外兩相并無明顯變化，即周期和頻率均無明顯變化。

2)從圖6和圖8對比可以看出，在負(fù)載不對稱的情況下，整個逆變系統(tǒng)輸出電壓除了A相電壓基波略微增大1.2 V外，另外兩相基本無明顯變化。

仿真結(jié)果表明，組合式逆變器在增大整體系統(tǒng)輸出功率的同時，在應(yīng)對負(fù)載不對稱時有較好的電氣性能。如應(yīng)用在固態(tài)變壓器上，不僅可以簡化其逆變輸出級的控制策略，也可增強(qiáng)其應(yīng)對不對稱負(fù)載的能力。

4　總結(jié)與展望

以固態(tài)變壓器輸出級作為研究對象，對比了兩種提高逆變器容量的方法。在分析了逆變器并聯(lián)有環(huán)流產(chǎn)生后，發(fā)現(xiàn)并聯(lián)逆變器在固態(tài)變壓器上應(yīng)用的局限性；并在此基礎(chǔ)上提出了組合式逆變器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。又對組合式三相逆變器在三相對稱和不對稱負(fù)載下進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其電氣性能和應(yīng)用在固態(tài)變壓器上的可行性。最終發(fā)現(xiàn)由3個單相逆變器組合而成的三相逆變器在逆變器擴(kuò)容方面有自己獨(dú)特的效果，并且能擴(kuò)展固態(tài)變壓器帶三相不對稱負(fù)載的能力。

前面所做的工作中，只是完成了最基本的仿真實(shí)驗(yàn)工作。就逆變器擴(kuò)容這一分支的研究工作還有許多工作要做。而且所完成的仿真實(shí)驗(yàn)中仍有許多工作要后續(xù)完成：1)所做實(shí)驗(yàn)只是在阻性負(fù)載下進(jìn)行，后續(xù)還需要進(jìn)行阻感負(fù)載的實(shí)驗(yàn)，用以檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)突出的帶不平衡負(fù)載能力；2)只對三相組合逆變器進(jìn)行了仿真，后續(xù)需要對整個固態(tài)變壓器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺。

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Solid state transformer combines power electronic conversion technology and high-frequency power conversion technology to realize the transformation of electric energy from one kind of electric power to another. As a power conversion device in solid state transformer, the technology of inverter has been very mature, but there are many problems still to be solved in the operation design of high-power inverter. The parallel operation control technology of inverter is the basis for the realization of modular and redundant inverter power supply system with high reliability. The causes of the circulating current during the parallel operation of inverter are analyzed, and the existing parallel schemes are summarized. According to the operating principle of the combined inverter, the superiority and feasibility is verified by the simulation experiments that the three-phase combined inverter can be used in solid state transformer.

solid state transformer; high-power inverter; parallel inverter; modular inverter

TM41

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1003-6954(2016)04-0018-06

2016-03-11)

宋飛宇(1992)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動。