電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中的控制策略

文/胡冠球 王航 朱萌

電力電子變壓器在電網(wǎng)的使用中除了具備傳統(tǒng)變壓器的功能外，還具備以下特點：

（1）既能對交流電網(wǎng)進行保護，也能與直流電源連接。

（2）其采用高頻變壓器，所需的導(dǎo)線、鐵絲較少，減少金屬用量。

（3）兼有智能自保護功能。所以其在電網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用，從上述可以看出其是集可再生并網(wǎng)、電氣隔離等多功能與一體的電力電子設(shè)備。所以對其的工作原理及在輸電系統(tǒng)中的控制策略進行研究具有重要意義，以期能夠在電網(wǎng)建設(shè)中更好發(fā)揮作用。

1 電力電子變壓器的優(yōu)勢及特點

通過將電力電子變壓器（圖1）與三相電力電子變壓器的已有拓撲（圖2）進行對比，可發(fā)現(xiàn)其具有以下的優(yōu)勢及特點。

1.1 三相結(jié)構(gòu)，提高電壓質(zhì)量

在高壓交流側(cè)采用的MMC設(shè)備為三相交流器，就也就使得三相之間存在共同的交流母線，若是電力電子變壓器采用三相的結(jié)構(gòu)，那么其直流母線就不會存在低頻波動，所以無需投放二倍頻濾波器就能夠有效提升電壓的質(zhì)量。

1.2 減少高頻變壓器數(shù)量

通過對上圖進行觀察，可以從圖2中看出電力電子變壓器每相皆需要6個高頻變壓器，這樣三相共需要18個高壓變頻器，但是通過對圖1的電力電子變壓器進行觀察發(fā)現(xiàn)其只需要10個高頻變壓器。所以在配電網(wǎng)中使用電力電子變壓器能夠減少高壓變頻器的數(shù)量，從而使得電力電子變壓器的功率密度得到提高，這樣可以減少造價。

1.3 減少開關(guān)數(shù)量

若是將電力電子變壓器應(yīng)用到配電網(wǎng)的使用中，其可以使得電子開關(guān)數(shù)量及變壓器的數(shù)量有效減少，而直流電壓的質(zhì)量能由于其投入明顯提高。

2 電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中的控制策略

圖1：配電網(wǎng)中使用的電力電子變壓器

圖2：三相電力電子變壓器現(xiàn)有拓撲

圖3：高壓交流側(cè)MMC

圖4：低壓側(cè)三相四橋臂逆變器的控制策略

2.1 內(nèi)部參數(shù)

若想對電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)的控制策略進行研究，則應(yīng)分別對電力電子變壓器中的高壓交流側(cè)MMC、中間ISOP隔離型DC-DC及低壓側(cè)的三相四橋臂逆變器在輸電系統(tǒng)中的控制策略進行研究與分析。

2.2 高壓交流側(cè)MMC

在輸電系統(tǒng)中可將高壓交流側(cè)MMC作為并網(wǎng)交流器，主要是因為在輸電系統(tǒng)中的控制策略中高壓交流側(cè)MMC與傳統(tǒng)的PWM并網(wǎng)逆變器/整流器相似。所以在輸電系統(tǒng)中在對MMC進行控制的時候，其內(nèi)環(huán)及外環(huán)的調(diào)節(jié)器均采用比例積分調(diào)節(jié)器，其控制策略如圖3所示。

若是直流電壓的定值為16kV，而電網(wǎng)側(cè)功率的因數(shù)為1，則其高壓交流電網(wǎng)的無用電流igq為0 。而本文所選定的電壓環(huán)調(diào)節(jié)參數(shù)為HPIudcH(s)=0.055+0.5/s；電壓環(huán)調(diào)節(jié)期參數(shù)為HPIig(s)=50+6 000/s。根據(jù)上式，若是想提高直流電壓的利用率，則應(yīng)該將高壓交流側(cè)MMC采用三次諧波的方式注入脈寬調(diào)制，這樣能夠使得電容器的電壓得到很好的平衡。而MMC經(jīng)過脈寬調(diào)制，其載波頻率為5kHz。根據(jù)對MMC的相關(guān)研究觀察可知MMC的上下臂之間各有10個模塊，所以這也就相當于IGBT的開關(guān)頻率為500Hz，從而使得其與高壓大功率設(shè)備的應(yīng)用場合相吻合。

2.3 ISOP隔離型DC-DC

在電力電子變壓器的設(shè)計中，其中間含有多個隔離性型的DC-DC變換交流器，而通過這些變換交流器相串聯(lián)，從而形成雙H橋，這樣可以使得功率雙向流動。DC-DC變換交流器在使用時通常會使用輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的連接方式，這就可以使得高壓側(cè)的變換器與并聯(lián)在一起的低壓側(cè)變換器進行能量的交換。

在輸電系統(tǒng)中對DC-DC變換交流器所采用的的控制方式為開環(huán)控制的方式，其主要是指變壓器的低壓側(cè)電壓及高壓側(cè)電壓分別占方波電壓的50%，這樣就會使得兩側(cè)的相位相同。而也會使低壓側(cè)和高壓側(cè)的H橋中的IGBT可以進行雙極調(diào)制。

對于電力電子變電器中DC-DC變換交流器而言，其阻抗主要包括諧振電容、諧振電感的等效內(nèi)阻，而這樣就極有可能導(dǎo)致DC-DC變換交流器的阻抗為0。通過上述可以看出，若是在輸電系統(tǒng)中對DC-DC變換交流器采用開環(huán)控制的方法，則會使得其給定值與輸出電壓之間誤差減小，通常誤差為1%。

2.4 低壓側(cè)的三相四橋臂逆變器

低壓側(cè)的三相四橋臂逆變器其主要是由四個橋臂而構(gòu)成的，分別為n，a，b，c，其中橋臂n的電壓與負載電壓無關(guān)，a，b，c的三相輸出電壓可作為3個單項逆變器對其進行獨立控制。在對單相逆變器的輸出電壓進行控制的時候，其控制策略的選擇較為多樣，而本文則主要選擇傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略，主要是指內(nèi)環(huán)電感電流控制環(huán)+外環(huán)電壓環(huán)控制環(huán)，如圖4所示。而其中的內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，外環(huán)調(diào)節(jié)器為比例諧振調(diào)節(jié)期。

3 總結(jié)

綜上所述，本文主要對電力電子變壓器的優(yōu)勢及特點進行了分析探討，并對電子電力變壓器的不同環(huán)節(jié)在輸電系統(tǒng)中的控制策略進行了分析，并提出相應(yīng)的控制策略，以期電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中能夠起到最優(yōu)的工作效果。