級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器控制策略研究

摘 要：電力電子變壓器是變電站建設(shè)中必不可少的一種電力裝置，在變電站日常運(yùn)行中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，隨著科技的不斷創(chuàng)新發(fā)展，電力電子變壓器的種類也變得越來越豐富。文章以級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器為研究重點(diǎn)，首先對(duì)其電力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后對(duì)級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的控制策略進(jìn)行探討，并對(duì)控制策略的可行性進(jìn)行仿真分析。

關(guān)鍵詞：級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；控制策略

前言

最近兩年，隨著各國(guó)能源問題的日益尖銳和突出，分布式發(fā)電開始在電網(wǎng)中被廣泛的接入。這種發(fā)電方式雖然能夠在一定程度上緩解電能供需矛盾，但具有的雙向潮流、不可調(diào)度和功率波動(dòng)等缺點(diǎn)卻增加了電網(wǎng)的不穩(wěn)定因素。為了改善這一狀況，嘗試在直流微網(wǎng)中進(jìn)行三相級(jí)聯(lián)電力電子變壓器的并網(wǎng)設(shè)計(jì)，并實(shí)施一定的控制策略，這一舉措對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的改善將具有重要實(shí)踐意義。

1 級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)

電力電子變壓器普遍采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，在文章的級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器研究當(dāng)中，主要是針對(duì)直流微網(wǎng)的分布式接入設(shè)計(jì)，針對(duì)直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)的并網(wǎng)設(shè)計(jì)，為了給電網(wǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定的分布式電源，保證低壓直流端電壓的穩(wěn)定輸出，決定采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的接入進(jìn)行設(shè)計(jì)，在高壓輸入級(jí)使用三相低壓輸出并聯(lián)變換器[1]。級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括燃燒電池、光伏儲(chǔ)能等直流電源和直流負(fù)載，這些模塊均直接或間接的通過數(shù)數(shù)變換器與直流母線相連，而風(fēng)電等交流電源與交流負(fù)載模塊則經(jīng)過數(shù)模變換器與直流母線相連，直流母線通過電力電子變換器與配網(wǎng)中壓交流母線相連，從而實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)與交流微網(wǎng)的并網(wǎng)。

電力電子變壓器的功率部分由低壓輸出級(jí)并聯(lián)DAB變換器（包含高頻變壓器）和H橋整流器兩部分組成，分為兩級(jí)，而整體結(jié)構(gòu)則由許多個(gè)小模塊共同組成，同樣分為兩級(jí)，以對(duì)應(yīng)功率模塊的兩級(jí)。在級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的整個(gè)結(jié)構(gòu)中，高壓級(jí)的三相級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)輸入電流的正弦化、功率因數(shù)的校正和對(duì)各直流側(cè)電壓穩(wěn)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便將其控制在指令允許范圍內(nèi)。由并聯(lián)DAB變換器組成的低壓級(jí)主要負(fù)責(zé)對(duì)各模塊的功率進(jìn)行均衡分配，保證輸出端電壓維持在穩(wěn)定值，確保各橋功率平衡[2]。當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，直流電壓先被轉(zhuǎn)換成方波，經(jīng)進(jìn)一步的耦合到高頻變壓器副邊后，再以直流電壓的形式輸出，并在H橋的使用下向雙向流動(dòng)，這就為級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器在分布式發(fā)電向直流微網(wǎng)中的接入提供了有力的支撐和依據(jù)。整體而言，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器，具有易于實(shí)現(xiàn)、模塊化、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可以通過接入不同級(jí)聯(lián)單元數(shù)來達(dá)到將電網(wǎng)擴(kuò)展至不同電壓等級(jí)目的，為今后電網(wǎng)的擴(kuò)展奠定了良好基礎(chǔ)。

2 級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器的控制策略

2.1 并聯(lián)型DAB的控制策略

并聯(lián)型DAB變換器由中間隔離的高頻變壓器和雙H橋共同組成，在第一個(gè)H橋中所產(chǎn)生的占空比為50%的方波電壓，并向高頻變壓器的原邊靠近；而第二個(gè)H橋則產(chǎn)生相同波形的電壓，但向高頻變壓器副邊繞組靠近。由于高頻變壓器在工作過程中會(huì)產(chǎn)生可控漏抗，為了降低或消除可控漏抗對(duì)電網(wǎng)的消極影響，可以通過對(duì)雙H 橋產(chǎn)生電壓之間移相角的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻變壓器漏抗電壓的改變和電流的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能雙向流動(dòng)的控制[3]。目前，有關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)給出了傳遞功率值的計(jì)算公式，利用這一公式將已知的高頻變壓器漏感值、并聯(lián)DAB輸入輸出直流電壓等參數(shù)帶入到公式當(dāng)中，即可求出功率值。但由于多個(gè)并聯(lián)在一起的DAB變換器在輸入端的直流電壓和變壓器參數(shù)不一致，這樣就會(huì)造成各模塊分配的功率不均衡，容易引發(fā)過電流故障。為了避免這一故障發(fā)生，就需要對(duì)各模塊功率進(jìn)行均衡的分配，而這一功能和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)則需要由并聯(lián)的多個(gè)DAB變換器電流的均衡來負(fù)責(zé)。基于上述需求分析，提出了一個(gè)對(duì)應(yīng)的控制策略，即在并聯(lián)DAB變換器模塊增設(shè)一個(gè)電壓環(huán)和若干個(gè)電流環(huán)（3n），引入移相角和電流指令值等變量。

2.2 三相星形CHB變換器的控制策略

多級(jí)級(jí)聯(lián)的H橋整流器是電力電子變壓器的高壓級(jí)，對(duì)該級(jí)采用開關(guān)函數(shù)（包含H橋四個(gè)開關(guān)的工作狀態(tài)，用0和1表示，因而該函數(shù)的結(jié)果取值為-1、0和1三種）可以得到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器各單元的數(shù)學(xué)模型，包括裝置的并網(wǎng)電抗、直流母線的負(fù)載、電壓電容等。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，盡管各H橋的參數(shù)可能達(dá)到完全一致，但因?yàn)殡娏﹄娮幼儔浩鏖_關(guān)損耗、脈沖延時(shí)差、傳導(dǎo)不平衡等因素和耦合關(guān)系的存在，會(huì)導(dǎo)致單相直流側(cè)電壓和三相之間直流側(cè)電壓的不均衡，影響電網(wǎng)調(diào)度穩(wěn)定性[4]。

針對(duì)這一問題，應(yīng)采取的控制策略是在多級(jí)H橋整流器雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加兩個(gè)修正模塊，即相內(nèi)直流電壓平衡控制模塊和相間直流電壓平衡控制模塊。相內(nèi)直流電壓平衡控制的實(shí)質(zhì)是在不改變單相總有功功率的前提下，對(duì)相內(nèi)各單元的有功功率進(jìn)行均衡的分配和維持；而相間直流電壓平衡控制的實(shí)質(zhì)則是在不改變?nèi)嗫傆泄β实那疤嵯?，?duì)各相之間的有功功率進(jìn)行均衡的分配，并以獨(dú)立的方式對(duì)三相的有功分量加以控制和維持。當(dāng)相內(nèi)和相間的各單元功率達(dá)到完全平衡后，這兩個(gè)平衡控制模塊便會(huì)以相對(duì)獨(dú)立的方式運(yùn)行下去，而不會(huì)對(duì)總的控制產(chǎn)生影響，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器高低壓級(jí)電壓功率不平衡問題的解決，實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器在直流微網(wǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)中的良好應(yīng)用。

為了檢驗(yàn)出所設(shè)計(jì)的三相級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器及其控制策略是否真實(shí)可行有效，決定采用仿真分析法對(duì)三相級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器進(jìn)行檢驗(yàn)，仿真分析由MATLAB軟件來完成，仿真分析的參數(shù)包括直流電容、電容設(shè)定電壓、變壓器漏抗、高低壓機(jī)開關(guān)頻率、變壓器變化等[5]。通過對(duì)該電力電子變壓器及其控制策略的仿真分析，得到級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器高壓級(jí)（多級(jí)H橋整流器）和低壓級(jí)（并聯(lián)DAB變換器）的仿真結(jié)果和電力電子變壓器的總結(jié)果。仿真整體結(jié)果表明，在模擬分布式發(fā)電的情形下，輸出波形呈現(xiàn)良好的雙向傳輸，且雙向傳輸?shù)哪芰勘３址€(wěn)定。

3 結(jié)束語

綜上所述，電力電子變壓器在分布式電網(wǎng)接入中的級(jí)聯(lián)應(yīng)用在當(dāng)前的電網(wǎng)建設(shè)中是非常常見的，充分體現(xiàn)出了其重要性。盡管級(jí)聯(lián)型電力電子變壓器在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)各模塊、各單元功率不均衡、電壓不平衡等問題，但通過采取有效的控制策略，則可以將這些問題較好的解決，從而實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電在電網(wǎng)中的接入和有效運(yùn)用，滿足人們電能需求。

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作者簡(jiǎn)介：張燕飛（1981-），女，江蘇省南京人，本科，助理工程師，研究方向：電力、電子與通信工程。