基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器研究與應(yīng)用

張煥強(qiáng)，李育毅

（潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引言

近年來隨著各類新興家用電器用量飛速增長，當(dāng)前配電臺(tái)區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)供電半徑大的現(xiàn)狀，導(dǎo)致用電峰谷期常常出現(xiàn)供電電壓波形畸變、偏差較大超出國標(biāo)限值的問題，嚴(yán)重影響居民用電設(shè)備正常運(yùn)行。電氣設(shè)備只有在額定參數(shù)運(yùn)行才能穩(wěn)定發(fā)揮其作用，同時(shí)效率也比較高。但是當(dāng)其輸入電壓偏差較大時(shí)，設(shè)備運(yùn)行性能和工作效率會(huì)明顯下降，嚴(yán)重時(shí)易引起過電流或過電壓而導(dǎo)致設(shè)備損壞[1]。目前，在配電臺(tái)區(qū)治理電壓問題采取的主要措施是變壓器有載調(diào)壓和無功補(bǔ)償，如變壓器檔位調(diào)整、自耦調(diào)壓器調(diào)壓、電容器補(bǔ)償、SVG補(bǔ)償?shù)鹊?，以上方法存在需要短暫停電、調(diào)壓精度低，響應(yīng)速度慢和調(diào)壓效果差的問題。因此，本文提出的基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)電壓調(diào)整方法，能夠綜合分析采樣點(diǎn)電能質(zhì)量問題，利用精確算法結(jié)合電力電子技術(shù)，改善電能質(zhì)量，保證輸出穩(wěn)定可靠的供電電壓。

1 兩電平半橋無耦合變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若采用將輸入電壓全部經(jīng)過AC-DC-AC轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)輸出目標(biāo)穩(wěn)定電壓的全補(bǔ)償模式，會(huì)產(chǎn)生電力電子期間開關(guān)頻率低，功耗增加等缺點(diǎn)。因此，本文提出了部分補(bǔ)償模式的基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)采用兩電平半橋無耦合變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即在輸入電壓、電流的基礎(chǔ)上、補(bǔ)償與目標(biāo)電壓的差值，從而實(shí)現(xiàn)輸出目標(biāo)電壓的目標(biāo)。

該系統(tǒng)包含并聯(lián)和串聯(lián)兩大部分，并聯(lián)部分為AC-DC整流輸入部分，串聯(lián)部分為DC-AC逆變輸出部分。整體系統(tǒng)由整流單元、直流側(cè)儲(chǔ)能單元、逆變單元、輸出LC濾波單元組成[2]，相較于三橋臂結(jié)構(gòu)，其主電路電力電子器件數(shù)量少，成本低且體積小。該系統(tǒng)半橋結(jié)構(gòu)的串聯(lián)部分和并聯(lián)部分不存在耦合，控制簡單易實(shí)現(xiàn)，解決了三橋臂結(jié)構(gòu)必須通過復(fù)雜控制策略控制公共橋臂電壓解除橋臂之間的耦合問題。

2 控制策略

2.1 同相電壓補(bǔ)償控制方法

基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)電壓調(diào)整方法采用同相電壓補(bǔ)償控制方法。該方法利用鎖相環(huán)原理實(shí)現(xiàn)輸出電壓與電網(wǎng)電壓同步，控制器通過鎖相環(huán)將電網(wǎng)電壓的頻率和相位作為參考信號(hào)，控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位，鎖相環(huán)所鎖住的電網(wǎng)相角作為目標(biāo)電壓的相角，跌落前負(fù)載的電壓為目標(biāo)電壓幅值，確保在補(bǔ)償電壓與跌落時(shí)的電網(wǎng)電壓同相基礎(chǔ)上進(jìn)行幅值疊加[3]。

2.2 串并聯(lián)LCL回路控制實(shí)現(xiàn)方法

基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)采用基于DSP和FPGA的雙CPU結(jié)構(gòu)的控制方式，其中DSP負(fù)責(zé)對(duì)采樣電壓、電流進(jìn)行諧波分析檢測，將檢測的諧波電壓指令及控制命令通過數(shù)據(jù)交互發(fā)送至FPGA，F(xiàn)PGA通過DSP得到指令和控制命令，并提供給ADC，ADC根據(jù)控制命令對(duì)采樣的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4-5]，轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)進(jìn)入控制模塊進(jìn)行控制計(jì)算，得到調(diào)制信號(hào)通過波形發(fā)生模塊與FPGA內(nèi)部的三角波進(jìn)行比較，最后得到電力電子開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。串并聯(lián)LCL回路均采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，并且采用FPGA重復(fù)控制算法實(shí)現(xiàn)輸入電壓、電流信號(hào)精確無靜差，輸出電壓的無差跟蹤，提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性能。

并聯(lián)LCL輸入回路控制策略采用母線電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)跟蹤交流信號(hào)無靜差，因此達(dá)到最優(yōu)的控制效果。為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文考慮在入網(wǎng)側(cè)增加有源阻尼算法來抑制抑制并聯(lián)LCL輸入回路的諧振峰。相較于增加阻尼電阻的方式，有源阻尼控制沒有附加的阻尼電阻，只是通過算法增加系統(tǒng)阻尼，因此不但不會(huì)增加系統(tǒng)的損耗，而且能夠提高系統(tǒng)效率，易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛。此外，在并聯(lián)LCL輸入回路控制中加入電網(wǎng)電壓前饋能夠使并聯(lián)側(cè)電流不受電網(wǎng)電壓畸變的影響，從而保證直流母線電壓穩(wěn)定，確保串聯(lián)LCL輸出回路正常逆變輸出。

串聯(lián)LCL輸出回路控制策略采用輸出電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式。為了能夠快速跟蹤給定電壓，并能有效抑制電壓畸變，因此，串聯(lián)LCL輸出回路的電壓外環(huán)控制方式采用重復(fù)控制方法。本文考慮引入負(fù)載電流前饋來抵消非線性負(fù)載的影響，控制器的交流輸出信號(hào)通過慣性環(huán)節(jié)延時(shí)后，在拓?fù)渖辖?jīng)PWM控制輸出?？刂七壿嬍窍扰c電容電壓作差形成電感電壓，再把電感兩端電壓通過等效電抗分析計(jì)算后形成流過電感的電流，電感電流與負(fù)載電流求和作為電容電流，最后與電容的容抗分析計(jì)算后形成電容兩端的輸出電壓。

2.3 FPGA重復(fù)控制算法

重復(fù)控制是在被控對(duì)象增加設(shè)定偏差信號(hào)的基礎(chǔ)上再疊加一個(gè)前饋的上一個(gè)周期同時(shí)刻的控制偏差信號(hào)，通過偏差重復(fù)利用提高跟蹤精度，其原理為基于內(nèi)膜原理的一種控制算法，不但跟蹤精度高，而且能夠以比較簡單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多次諧波的抑制目標(biāo)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。重復(fù)控制算法通過疊加反饋上一個(gè)周期同時(shí)刻的偏差信號(hào)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)膜功能，利用周期延時(shí)單元達(dá)到超前補(bǔ)償目的，本周期時(shí)刻的信號(hào)偏差會(huì)在下個(gè)周期同一時(shí)刻產(chǎn)生影響，通過延遲一個(gè)周期疊加前一周期同時(shí)刻信號(hào)偏差實(shí)現(xiàn)超前性，本文提出裝置通過針對(duì)控制對(duì)象設(shè)計(jì)補(bǔ)償器，讓其為控制對(duì)象提供幅值和相位補(bǔ)償。裝置重復(fù)控制方法邏輯為首先通過FPGA地RAM將誤差數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，實(shí)現(xiàn)重復(fù)控制內(nèi)膜，再利用DSP分析計(jì)算進(jìn)行相位補(bǔ)償、幅值調(diào)整，最后通過串并聯(lián)LCL二階低通濾波器進(jìn)行輸出。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 臺(tái)區(qū)概況

10kV白蓮線523峙溪村許厝公用臺(tái)區(qū)，配變?nèi)萘?00kVA，最大電流122.31A（A相），三相供電半徑416米，單相（A相）最大供電半徑605米。平均功率因數(shù)0.91。A向低壓配電線路所轄用戶23戶，用電高峰期，末端用戶最低電壓169.7V。

3.2 應(yīng)用效果分析

基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)電壓調(diào)節(jié)裝置安裝于該臺(tái)區(qū)A相低壓配電線路#11桿處，安裝點(diǎn)后有14戶居民，裝置輸入最低電壓171V，輸出電壓穩(wěn)定在220V。2021年7月16日0時(shí)至2021年7月18日0時(shí)，設(shè)備輸入輸出電壓幅值曲線如圖1。

圖1 輸入輸出電壓幅值趨勢圖

裝置輸入電壓總諧波畸變率THD最大值為7.5%，輸出電壓總諧波畸變率THD最大值為2.3%，大部分時(shí)間穩(wěn)定在1%以內(nèi)。2021年7月16日0時(shí)至2021年7月18日0時(shí)，設(shè)備輸入輸出電壓總諧波畸變率趨勢圖如圖2。

圖2 輸入輸出電壓總諧波畸變率趨勢圖

綜上可知，裝置能夠快速跟蹤補(bǔ)償輸入端電壓，且對(duì)電壓諧波起到抑制作用，輸出穩(wěn)定正弦波電壓，改善了安裝點(diǎn)后供電電壓質(zhì)量，提升了后端用戶用電體驗(yàn)，為供電企業(yè)樹立了良好的形象。

4 結(jié)語

裝置工程實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明：①在電壓波動(dòng)及存在諧波的工況下，裝置能夠快速響應(yīng)，輸出穩(wěn)定電壓；②DSP+FPGA 雙CPU的控制方式及電力電子技術(shù)的優(yōu)越性體現(xiàn)在：跟蹤補(bǔ)償精度高、響應(yīng)快，AC-DC-AC轉(zhuǎn)換不僅可以實(shí)現(xiàn)電壓補(bǔ)償，而且可以對(duì)諧波電壓進(jìn)行治理，降低電壓諧波畸變率，確保輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波電壓，提高供電電壓穩(wěn)定性和可靠性；③基于電力電子技術(shù)的無耦合變壓器結(jié)構(gòu)裝置在低壓配電線路進(jìn)行電壓調(diào)整的方法，不僅在改善供電電壓質(zhì)量方面具有可行性和有效性，而且為供電企業(yè)在配電臺(tái)區(qū)改善供電電壓質(zhì)量開辟了新的研究思路和方向。