一種新型結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器

王 軒， 付永生， 晉灣灣， 王蓓蓓， 燕 翚

(1. 南瑞集團(tuán)公司， 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院， 江蘇 南京 211106； 2. 中電普瑞科技有限公司， 北京 102200； 3. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

一種新型結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器

王 軒1,2， 付永生1,2， 晉灣灣3， 王蓓蓓1,2， 燕 翚1,2

(1. 南瑞集團(tuán)公司， 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院， 江蘇 南京 211106； 2. 中電普瑞科技有限公司， 北京 102200； 3. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 北京 100044)

電力電子變壓器是一種新型智能電力變壓器，在配電網(wǎng)中應(yīng)用前景廣闊。本文提出了一種新的模塊化電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將雙向隔離DC/DC變換器與模塊化多電平變換器子模塊連接在一起，直接得到低壓直流輸出，并利用四橋臂變換器產(chǎn)生低壓交流輸出，這種結(jié)構(gòu)方式更利于模塊化設(shè)計(jì)，減小裝置體積。文中給出了模塊化多電平變換器，雙向隔離DC/DC變換器以及四橋臂變換器的控制方法，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)涞男阅堋?/p>

電力電子變壓器； 模塊化多電平變換器； 子模塊； 四橋臂變換器

1 引言

電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)是一種由電力電子變換器和高頻變壓器復(fù)合而成的變電裝置。不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鐵心油浸式變壓器變壓和隔離的功能[1]，而且能夠在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制潮流、整合各類交直流分布式電源、減小重量及體積等方面彌足傳統(tǒng)變壓器的不足[2]。

自美國(guó)學(xué)者E. R. Ronan等人提出了一種三級(jí)機(jī)構(gòu)(輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí))組成的電力電子變壓器后[3]，應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合的電力電子變壓器開始快速發(fā)展。目前的電力電子變壓器設(shè)計(jì)多采取這種三級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電力電子變壓器三級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.1 Power electronic transformer with three-level structure

輸入級(jí)為AC/DC變換器，將工頻高壓交流電HVAC轉(zhuǎn)換為高壓直流電HVDC。中間隔離級(jí)為DC/DC變換器，將高壓直流電HVDC通過(guò)變換器和高頻變壓器轉(zhuǎn)換為低壓直流電LVDC。輸出級(jí)為DC/AC變換器，將低壓直流電LVDC轉(zhuǎn)換為低壓交流電LVAC。

由于目前電力電子器件的耐壓水平有限，輸入級(jí)的AC/DC變換器一般采用多電平結(jié)構(gòu)。以三級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，最早由Rick Kieferndorf等學(xué)者提出的H橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)電子電力變壓器[4]，解決了PET應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)合的問(wèn)題。另外，還有其他幾種多電平拓?fù)漕愋?。Jih-Sheng Lai等學(xué)者提出二極管鉗位型電力電子變壓器結(jié)構(gòu)[5],電平數(shù)越多電壓諧波越少，但所需的鉗位二極管數(shù)量龐大，且存在電容電壓不平衡問(wèn)題。A. M. Y. M. Ghias等提出的飛跨電容型PET[6]，同樣需要大量的鉗位電容，并存在飛跨電容電壓不平衡問(wèn)題。級(jí)聯(lián)型多電平結(jié)構(gòu)因?yàn)槠淠K化、拓展性好等優(yōu)點(diǎn)逐漸被廣泛采用。Haibin Zhu等提出基于模塊化多電平變換器(MMC)結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器[7]，其具有公共直流母線、結(jié)構(gòu)清晰、模塊化、比H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)節(jié)省IGBT等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注[8]。但是，基于 MMC結(jié)構(gòu)的拓?fù)漭斎爰?jí)采用MMC結(jié)構(gòu)，隔離級(jí)需多個(gè)DC/DC變換器輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)組成，單個(gè)DC/DC變換器模塊承受電流應(yīng)力大，且模塊數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)分散，不利于整體結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)。

本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器拓?fù)?，將MMC子模塊、雙向隔離DC/DC變換器模塊整合在一起，給出了MMC、DC/DC變換器、四橋臂變換器的控制策略。最后通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該電力電子變壓器的性能。

2 新型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出一種新型結(jié)構(gòu)電力電子變壓器的拓?fù)?如圖2所示。該拓?fù)淙匀徊捎肁C-DC-AC的結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)仍為MMC結(jié)構(gòu)，但是在此基礎(chǔ)上，將隔離級(jí)DC/DC變換器模塊與MMC功率單元SM集成在一起，構(gòu)成新型子模塊，該新型子模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。所有子模塊輸入仍是傳統(tǒng)MMC的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，輸出則并聯(lián)在一起。整個(gè)電力電子變壓器結(jié)構(gòu)分為兩大部分，前級(jí)變換器輸入電網(wǎng)三相高壓交流電，輸出750V低壓直流，經(jīng)過(guò)后級(jí)四橋臂變換器逆變成為工頻低壓交流電。同時(shí)MMC的直流母線仍然可以提供高壓直流輸出。

圖2 新型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Novel topology of power electronic transformer

前級(jí)變換器每一相上下兩個(gè)橋臂分別由n個(gè)子模塊和橋臂電感串聯(lián)組成，各子模塊按正弦規(guī)律依次投入，n的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合和電壓等級(jí)確定，應(yīng)滿足：

(1)

式中，Udc為MMC直流母線電壓；Udch為MMC功率單元SM的直流側(cè)電壓。為了穩(wěn)定直流母線電壓Udc，每一相橋臂上投入的子模塊數(shù)量應(yīng)該是恒定的，并且保證為n，所以上下橋臂子模塊投入數(shù)互補(bǔ)，并且任意時(shí)刻，假設(shè)a相上橋臂投入子模塊數(shù)量為n1a，下橋臂投入子模塊數(shù)量為n2a，應(yīng)滿足：

n1a+n2a=n

(2)

子模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于輸入為高壓小電流，輸出為低壓大電流，子模塊采用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，輸出端電壓為Udcl。

圖3 子模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Submodule structure

每一個(gè)新型子模塊由IGBT半橋并電容的SM功率單元并聯(lián)雙向隔離DC/DC變換器構(gòu)成，雙向隔離DC/DC變換器的作用是將SM功率單元輸出的直流電壓Udch經(jīng)過(guò)H橋調(diào)制成為高頻交流電，再通過(guò)高頻變壓器耦合到副邊后，經(jīng)H橋同步解調(diào)還原成為較低的直流電壓Udcl。

后級(jí)采用四橋臂變換器，作用是將前級(jí)輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)換為供給用戶的400V等級(jí)工頻交流電。與傳統(tǒng)的三相三線制逆變器不同的是，增加了一個(gè)橋臂為零序電流提供通路，輸出電壓的零序分量得到控制，使輸出的A、B、C三相電壓分別獨(dú)立，即使在不平衡負(fù)載或非線性負(fù)載下，也能夠保證高質(zhì)量的三相電壓輸出，解決了三相三線制逆變器帶不對(duì)稱負(fù)載時(shí)的三相電壓輸出不平衡的問(wèn)題。

將新型PET與文獻(xiàn)[9]中提到的級(jí)聯(lián)H橋(CHB)型和MMC型PET對(duì)比。假設(shè)三相交流電網(wǎng)電壓為10kV，IGBT采用1200V器件，調(diào)制比為0.82，子模塊直流電容電壓為667V左右，不考慮冗余器件與低壓側(cè)逆變器，三種拓?fù)涞腜ET器件數(shù)量如表1所示。本文中提出的新型PET，每相每橋臂有30個(gè)子模塊，三相共180個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包含10個(gè)IGBT及一個(gè)高頻變壓器；CHB型PET每相30個(gè)H橋并聯(lián)DC/DC變換器的子模塊，三相共90個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包含12個(gè)IGBT及一個(gè)高頻變壓器；MMC型PET每相需要60個(gè)SM子模塊，三相共180個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包含2個(gè)IGBT，此外還需要30個(gè)耐流能力是MMC子模塊所采用的IGBT 3倍的DC/DC變換器模塊，每個(gè)DC/DC變換器包含8個(gè)IGBT及一個(gè)高頻變壓器。

表1 三種PET拓?fù)淦骷?shù)量對(duì)比Tab.1 Comparison of three PET topologies

新型PET與CHB型PET相比，器件數(shù)量雖然多一些，但具有高壓直流母線，很適合柔性變電站這樣的場(chǎng)合使用；IGBT數(shù)量多，但電流要求低，高頻變壓器數(shù)目多但是容量小，由于大功率高頻變壓器設(shè)計(jì)制造有一定困難，因此降低了工藝難度。

與MMC型PET相比，主要有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。

(1)結(jié)構(gòu)上具有模塊數(shù)少、模塊化程度高、緊湊的特點(diǎn)。

(2)控制上由于MMC子模塊本身就已經(jīng)具有均壓特性，故DC/DC變換模塊無(wú)需均壓控制。

(3)DC/DC變換器中IGBT電流要求低，高頻變壓器容量小。

(4)能量直接在MMC半橋模塊和DC/DC變換器間流動(dòng)，不流經(jīng)高壓直流母線，在高壓直流母線無(wú)負(fù)載的情況下，橋臂電流無(wú)直流分量，損耗較小。

3 系統(tǒng)控制方法

3.1 MMC基本控制方法

圖4 MMC雙環(huán)控制框圖Fig.4 Block diagram of double loop control

(3)

從式(3)可以看出，網(wǎng)側(cè)電流的d、q軸分量分別受到控制量、耦合量和系統(tǒng)電壓的影響，為了消除d、q軸之間的動(dòng)態(tài)相互影響，需采用前饋解耦控制，如圖4中所示。imd、imq實(shí)現(xiàn)解耦并引入耦合補(bǔ)償ωLimd和ωLimq，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其中，

(4)

直流電容參數(shù)[12]和半導(dǎo)體開關(guān)器件特性差異、子模塊充放電、驅(qū)動(dòng)脈沖不同步等問(wèn)題，都會(huì)導(dǎo)致直流電容電壓不均衡，影響輸出電能質(zhì)量。子模塊電容均壓控制策略如圖5所示，包括橋臂電壓平均和同一橋臂子模塊間電容電壓平衡兩極控制。

圖5 電容電壓控制框圖Fig.5 Block diagram of capacitor voltage control

通過(guò)子模塊均壓控制，可以保證每個(gè)DC/DC變換器模塊輸入電壓的恒定，無(wú)需額外的DC/DC變換器均壓控制環(huán)節(jié)。環(huán)流抑制[13]采用的方法為：提取諧波分量與參考值作比較，然后經(jīng)過(guò)PR調(diào)節(jié)器后得到調(diào)制波疊加分量。

3.2 DC/DC變換器控制方法

(5)

圖6 橋間移相控制框圖Fig.6 Control block diagram of phase shift between bridge

D為正值時(shí)，副邊開關(guān)管觸發(fā)脈沖滯后于原邊，能量由原邊向副邊傳輸；D為負(fù)值時(shí)，能量傳輸方向相反。

3.3 四橋臂變換器控制方法

輸出級(jí)四橋臂變換器的運(yùn)行工況有兩種：并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)模式下輸出連接交流電網(wǎng)，故控制策略采用定功率控制；離網(wǎng)模式下，輸出沒(méi)有連接交流電網(wǎng)，直接向負(fù)載供電，故需維持輸出電壓和頻率穩(wěn)定，采用定交流電壓控制。

(1)定功率控制

圖7 定功率控制框圖Fig.7 Control diagram of constant-power mode

(2)定交流電壓控制

離網(wǎng)模式下，不平衡負(fù)載電壓含有的負(fù)序、零序分量，在正序dq坐標(biāo)系下分別呈現(xiàn)2倍基波頻脈動(dòng)和基波頻脈動(dòng)，若仍采用傳統(tǒng)PI環(huán)節(jié)對(duì)負(fù)序和零序分量進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，由于對(duì)交流分量的控制能力有限，所以不能很好地維持輸出電壓平衡。因此本文采用雙dq坐標(biāo)系下的正負(fù)序電壓控制，將反饋電壓分別變換至正序和負(fù)序dq坐標(biāo)系下，并采用PR調(diào)節(jié)器對(duì)基波零序電壓進(jìn)行抑制，控制框圖如圖8所示。

圖8 定交流電壓控制框圖Fig.8 Control diagram of constant-AC voltage mode

在電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式的基礎(chǔ)上，加入了負(fù)載電壓前饋。雙序電壓環(huán)與零軸電壓控制環(huán)的輸出均變換至正序坐標(biāo)系下作為電流環(huán)的指令，與反饋的電感電流比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)器控制，加上負(fù)載電壓前饋?lái)?xiàng)之和得到變換器的橋臂調(diào)制電壓，變換至三相靜止坐標(biāo)系下，通過(guò)空間矢量調(diào)制得到開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)與圖7中電流環(huán)相同。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 Matlab/Simulink仿真

為了驗(yàn)證本文中新型電力電子變壓器的拓?fù)湓砑翱刂撇呗?，采用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真。仿真系統(tǒng)主要電氣參數(shù)如表2所示。

表2 仿真系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of simulation system

圖9為子模塊中SM電容電壓輸出波形。各子模塊中SM輸出側(cè)直流電壓均在667V附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍在3%以內(nèi)。

圖9 子模塊中SM功率單元直流側(cè)電壓Fig.9 DC side voltage of SM in submodule

圖10為雙向隔離DC/DC變換器橋1輸出電壓、原邊電感電壓、原邊電流、橋2輸出電壓及副邊電流波形。橋1輸出電壓為±667V方波，橋2輸出電壓為±750V方波。電感的充放電實(shí)現(xiàn)功率傳輸，從電壓電流相位關(guān)系可知，有功功率正向傳輸。

圖10 橋1輸出電壓、原邊電壓、輸出電流、橋2輸出電壓及副邊電流Fig.10 Bridge 1 output voltage, primary side voltage, output current, bridge 2 output voltage and secondary side current

圖11為雙向隔離DC/DC變換器工作在能量反向傳輸時(shí)，橋1輸出電壓和原邊電流波形，可知此時(shí)能量由副邊向原邊傳遞。

圖11 橋1輸出電壓與原邊電流Fig.11 Bridge 1 output voltage and primary side current

圖12為雙向隔離DC/DC變換器輸出電壓電流的仿真波形。在0.2s時(shí)流過(guò)DC/DC變換器的功率反向，由10A變?yōu)?10A，電壓有瞬時(shí)2%的波動(dòng)，但很快恢復(fù)穩(wěn)定，維持在750V。說(shuō)明雙向隔離DC/DC變換器輸入側(cè)和輸出側(cè)可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并且控制系統(tǒng)具備較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖13為電力電子變壓器在離網(wǎng)模式下輸出電壓電流波形。0.3s之前，三相負(fù)載平衡，均為3kW的阻性負(fù)載，0.3s時(shí)，將C相負(fù)載切除。圖13(a)為負(fù)載電壓波形，可以看出，三相負(fù)載不平衡后，電壓存在短暫的波動(dòng)，但很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)。圖13(b)為三相電感電流及第四橋臂電流，切除C相負(fù)載后，A、B相負(fù)載不受影響，零序電流通過(guò)第四橋臂。

圖12 雙向隔離DC/DC變換器輸出電壓、電流Fig.12 Output voltage and current of isolated bi-directional DC/DC converter

圖13 離網(wǎng)模式下PET輸出電壓與電流Fig.13 Output voltage and current at off-grid mode

仿真結(jié)果顯示，本文提出的新型結(jié)構(gòu)電力電子變壓器可以很好地實(shí)現(xiàn)變壓，并且具有能量雙向流動(dòng)和帶不平衡負(fù)載的能力。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證此PET的性能，以DSP為基礎(chǔ)構(gòu)建了小功率實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)物照片如圖14所示，主要電路參數(shù)如表3所示。

圖14 PET樣機(jī) Fig.14 PET model machine

參數(shù)數(shù)值前級(jí)電網(wǎng)線電壓/V220MMC直流高壓母線電壓Udc/V480MMC子模塊電壓及DC/DC變換器輸入電壓/V120DC/DC變換器低壓直流母線輸出電壓Udcl/V120四橋臂變換器輸出線電壓/V70四橋臂變換器輸出頻率/Hz50橋臂子模塊數(shù)量n4MMC橋臂電感L0/mH5四橋臂變換器輸出側(cè)濾波電感L/mH3四橋臂變換器輸出側(cè)濾波電容C/μF30

實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣機(jī)先空載運(yùn)行，某一時(shí)刻下電力電子變壓器低壓交流輸出側(cè)A相突加負(fù)載，負(fù)載為純阻性，阻值10Ω。

圖15為子模塊中SM功率單元直流側(cè)電容電壓(雙向隔離DC/DC變換器輸入電壓)波形與網(wǎng)側(cè)三相電流波形。可以看出，子模塊電容電壓及DC/DC變換器輸入電壓在120V附近波動(dòng)，突加負(fù)載后，由于環(huán)流的影響波動(dòng)范圍略微變大，約為3%，網(wǎng)側(cè)相電流峰值變?yōu)?.6A。

圖15 子模塊中SM功率單元直流側(cè)電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 Experimental waveforms of DC side voltage of SM in submodule

圖16為DC/DC變換器橋1輸出電壓、橋2輸出電壓、電感電壓和電感電流波形?？梢钥闯觯藭r(shí)有功功率正向傳輸。

圖16 DC/DC變換器實(shí)驗(yàn)波形Fig.16 Experimental waveform of DC/DC converter

圖17為DC/DC變換器輸出電壓、四橋臂變換器輸出A相電壓、A相電流波形。DC/DC變換器輸出低壓直流母線電壓穩(wěn)定在120V。

圖17 DC/DC變換器輸出電壓與A相電壓電流波形Fig.17 Experimental waveform of DC/DC converter output voltage and phase A voltage and current

圖18為A相突加負(fù)載后PET輸出三相電壓與A相電流波形?？梢钥闯觯珹相突加負(fù)載后，輸出三相電壓仍然保持穩(wěn)定，不受影響，相電壓有效值為40.4V。

圖18 三相電壓與A相電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.18 Experimental waveform of three phase voltage and phase A current

5 結(jié)論

本文提出了一種新型模塊化電力電子變壓器拓?fù)?，其?duì)以MMC為輸入級(jí)的傳統(tǒng)三級(jí)結(jié)構(gòu)形式的電力電子變壓器進(jìn)行了改進(jìn)，將MMC功率單元SM和雙向隔離DC/DC變換器集成在一起，構(gòu)成新的子模塊，輸出級(jí)采用四橋臂逆變器。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)成了高度模塊化的效果，并且結(jié)構(gòu)緊湊，控制簡(jiǎn)單，輸出電能質(zhì)量高。通過(guò)Matlab仿真測(cè)試以及實(shí)際的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了其變壓和帶不平衡負(fù)載的能力。新型電力電子變壓器由于采用高度模塊化的結(jié)構(gòu)和通用的控制策略，可在更高電壓等級(jí)上進(jìn)行擴(kuò)展，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

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Novel topology of power electronic transformer

WANG Xuan1,2, FU Yong-sheng1,2, JIN Wan-wan3, WANG Bei-bei1,2, YAN Hui1,2

(1. NARI Group Corporation, State Grid Electric Power Research Institute, Nanjing 211106, China; 2. China EPRI Science and Technology Co. Ltd., Beijing 102200, China; 3. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

The power electronic transformer is a new intelligent type of the power transformer, which has a broad developing prospect in the power distribution network. This paper presents a new modular power electronic transformer that integrates the isolated bi-directional DC/DC converter and the modular multilevel converter sub-modules as a whole to output low-voltage DC directly, then to produce low-voltage AC by the four legs inverter. Control strategies of the modular multilevel converter, the isolated bi-directional DC/DC converter and the four legs inverter are also given in this paper. Finally, the performance of the topology is verified by simulation and experiment.

power electronic transformer; modular multilevel converter; sub-module; four legs inverter

2016-12-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0400500)、國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52466F160002)

王 軒(1978-), 男, 浙江籍,高級(jí)工程師, 碩士, 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)和電力電子技術(shù); 付永生(1974-), 男, 河南籍, 高級(jí)工程師, 碩士,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)和電能質(zhì)量。

TM41

A

1003-3076(2017)05-0067-08