雙電源輸入環(huán)境下的電力電子變壓器運(yùn)行研究

苗宇，袁旭峰，鄒曉松，邵振，談竹奎，徐玉韜

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)是一種結(jié)合了電力電子元器件和高頻變并采用相應(yīng)控制策略的新型電力變換設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓等級(jí)、波形幅值和相角等電力特征變換的電力設(shè)備[1-3]。電力電子變壓器由于使用了大量的電力電子器件且同時(shí)兼有交、直流環(huán)節(jié)，所以除了能方便接入直流電源和負(fù)荷以外還能夠調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，這是電力電子變壓器最為實(shí)用也是最顯著的一個(gè)特點(diǎn)。故電力電子變壓器已成為未來(lái)電網(wǎng)的重要組成部分[4]。

綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)，目前電力電子變壓器的主要研究?jī)?nèi)容集中在適用于豐富系統(tǒng)功能以及提高系統(tǒng)性能等方面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的控制策略研究。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)地總結(jié)、分類(lèi)并歸納了電力電子變壓器的常規(guī)控制策略，但沒(méi)有進(jìn)行較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)仿真分析。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)PET存在的故障情況進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出相應(yīng)的保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)了故障時(shí)PET具有一定的自阻斷能力。文獻(xiàn)[8-9]驗(yàn)證了PET可以和多臺(tái)PET亦可與常規(guī)變壓器并聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的供電可靠性與供電容量，且在此運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)有功負(fù)荷與無(wú)功負(fù)荷的合理分配。文獻(xiàn)[10]提出的變MMC子模塊結(jié)構(gòu)能夠在配電網(wǎng)電壓跌落故障的工作模式下，能夠延長(zhǎng)輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)間，其輸出級(jí)三相四橋臂逆變器適用于不平衡負(fù)載，但其控制策略較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]在PET隔離級(jí)雙有源橋(DAB)等效模型中加入變壓器磁化電感和銅耗電阻以使傳輸二次脈動(dòng)功率的性能增強(qiáng)，并采用PIR控制抑制直流側(cè)二次紋波電壓幅值。電力傳輸中斷和電壓波動(dòng)會(huì)對(duì)生成重大的停電事故以及巨大的損失，而雙電源供電模式將降低這些意外工況的產(chǎn)生，大大提升了供電可靠性。當(dāng)一路電源因故障失電后，另一路電源亦可不間斷供電，從而根本上降低了因外在因素對(duì)供電穩(wěn)定性、可靠性及后續(xù)生產(chǎn)的危險(xiǎn)影響。PET作為未來(lái)配電網(wǎng)的重要一環(huán)，深入研究在雙電源輸入情況下電力電子變壓器的運(yùn)行特性是十分有必要的。

綜上所述，設(shè)計(jì)了一種適用于雙電源輸入電力電子變壓器(DPI-PET)，其并聯(lián)模塊化多電平換流器(MMC)組成其輸入級(jí)，實(shí)現(xiàn)其中一路電源因故障停電時(shí)能快速配合另一路電源工作，從而確保供電穩(wěn)定性并且使各側(cè)電壓保持平穩(wěn)狀態(tài)。針對(duì)在DPI-PET運(yùn)行過(guò)程中可能發(fā)生的各種異常工況，將輸出級(jí)設(shè)計(jì)為三個(gè)YN聯(lián)結(jié)的單相逆變器，在控制更為靈活、簡(jiǎn)單的情況下亦保證了良好的輸出電能質(zhì)量。最后在Matlab/Simulink中建立10 kV/380 V的配電網(wǎng)DPI-PET仿真模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性與實(shí)用性。

1 DPI-PET工作原理

1.1 DPI-PET拓?fù)?/h3>

DPI-PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入級(jí)由兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的MMC并聯(lián)組成，將電網(wǎng)雙路三相電源Uaj、Ubj、Ucj(j=1，2)整流成兩個(gè)直流中壓UH1、UH2，后經(jīng)各個(gè)中壓電容CH，通過(guò)串聯(lián)分壓給隔離級(jí)的N個(gè)DC-DC變換器[12-14]，再由DC-DC變換器轉(zhuǎn)換成直流低壓ULkn(k=a,b,c;n=1，2…j)最后再由YN聯(lián)結(jié)的單相逆變器轉(zhuǎn)換成三相低壓交流電為負(fù)載端供電。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中：(1)由于應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)，不考慮功率的雙向流動(dòng)，所以隔離級(jí)DC-DC換流器二次測(cè)的整流部分由二極管組成，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、降低損耗且節(jié)約成本；(2)隔離級(jí)與輸出級(jí)合為一個(gè)子單元，采用ISOP的聯(lián)結(jié)方式；(3)子單元隔離級(jí)中的高頻變壓器為1輸出3輸出的結(jié)構(gòu)，以便為輸出級(jí)YN連接的單相逆變器提供端口。

圖1 DPI-PET拓?fù)?/p>

1.2 輸入級(jí)工作原理

兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的MMC并聯(lián)構(gòu)成為輸入級(jí)不僅形成雙電源輸入的工作環(huán)境，并提高額定容量、加強(qiáng)功率處理能力。MMC并聯(lián)運(yùn)行存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是并聯(lián)MMC之間的環(huán)流問(wèn)題，二是所有子模塊的均壓及穩(wěn)壓?jiǎn)栴}[15]。針對(duì)前者，在兩個(gè)MMC換流器前端各投運(yùn)YND型換流變壓器，如圖1所示。得益變壓器的隔離作用，并聯(lián)MMC之間不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流現(xiàn)象，因此兩個(gè)MMC可以相對(duì)獨(dú)立控制。

圖2是并聯(lián)MMC等效電路，其中Ukj、ikj(k=a,b,c；j=1，2)分別為交流側(cè)兩路輸入電壓、電流；UHj、iHj(j=1,2)分別為并聯(lián)MMC中壓直流輸出電壓、電流；Ukpj、ikpj(k=a,b,c;j=1,2)分別為MMC上橋臂電壓、電流；Uknj、iknj(k=a,b,c;j=1,2)分別為MMC下橋臂電壓、電流。MMC每個(gè)橋臂上的半橋子模塊均等效為一個(gè)電壓源。

圖2 并聯(lián)MMC等效電路

在忽略并聯(lián)MMC環(huán)流影響后，根據(jù)基爾霍夫定律寫(xiě)出MMC上下橋臂電壓方程：

(1)

(2)

式(2)上下兩式相減可得：

ikj=iknj-ikpj

(3)

由式(3)可知輸入電流可直接分為上下橋臂電流，其中三相輸入電流峰值在一般情況下大于橋臂電流峰值，故即使是小額定電流的功率器件也可實(shí)現(xiàn)大電流輸入，達(dá)到有效分流的效果[16]

1.3 子單元工作原理

文中所提的DPI-PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逆變環(huán)節(jié)實(shí)質(zhì)上是按DC-DC變換器的數(shù)量N將隔離級(jí)和輸出級(jí)合為N個(gè)子單元，且采用ISOP的聯(lián)結(jié)方式。

為保證負(fù)載不平衡、網(wǎng)側(cè)電壓不平衡等異常工況下的電能質(zhì)量，針對(duì)負(fù)載端需引入中性點(diǎn)以形成三相四橋臂輸出的供電結(jié)構(gòu)，主要措施有三相四橋臂逆變器和三個(gè)YN聯(lián)結(jié)的單相逆變器。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率器件利用率高，增加的第四橋臂控制中性點(diǎn)電壓，即可得到3個(gè)獨(dú)立電壓，采用三次諧波注入式正弦脈寬調(diào)制[17-18]，可以得到理想的三相輸出電壓，且達(dá)到減少輸出電壓的諧波含量以及提高電壓利用率，但控制十分復(fù)雜；后者每相獨(dú)立靈活控制且簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，可適用于大功率場(chǎng)合以保證功率器件的流通能力。N個(gè)子單元中的三個(gè)獨(dú)立單相逆變器組合形成a、b、c三相低壓交流電輸出，再按相對(duì)應(yīng)并聯(lián)在一起，最后每個(gè)單相逆變器后接一個(gè)LC濾波器，便構(gòu)成了三相四橋臂輸出的供電結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)下的前級(jí)-隔離級(jí)中的高頻變壓器為1輸出3輸出的結(jié)構(gòu)，一是為了提供直流端口給單相逆變器，二是變換電壓等級(jí)以及電氣隔離。

綜上所述，選擇三個(gè)YN聯(lián)結(jié)的單相逆變器，其優(yōu)點(diǎn)為：(1)控制簡(jiǎn)單且靈活；(2)在異常工況下保證良好的電能質(zhì)量；(3)響應(yīng)速度快等。

2 DPI-PET控制策略

2.1 輸入級(jí)控制

輸入級(jí)兩個(gè)并聯(lián)MMC分別獨(dú)立控制，其中MMC在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可表示為：

(4)

式中ud、uq、id、iq分別為網(wǎng)側(cè)電壓和電流的d-q分量；ued、ueq為MMC端口交流電壓的d-q分量；R、L為系統(tǒng)等效電阻、電感。電流d-q分量含有耦合項(xiàng)ωLiq、ωLid，須消除這種復(fù)雜的非線(xiàn)性耦合關(guān)系，且保持系統(tǒng)輸入電壓、電流正弦化，故采用電壓電流雙閉環(huán)控制。除此之外，又要維持穩(wěn)定的中壓直流電壓，因此外環(huán)加入定直流電壓控制。

調(diào)制方式采用載波移相調(diào)制可使MMC開(kāi)關(guān)器件損耗降低，總諧波含量相對(duì)較少，對(duì)系統(tǒng)危害大大減少，且調(diào)制簡(jiǎn)單。具體控制如圖3所示。

圖3 MMC控制圖

如1.2節(jié)中所述并聯(lián)MMC要解決所有子模塊的均壓及穩(wěn)壓?jiǎn)栴}，需加入子模塊電容均壓/穩(wěn)壓控制，即平均電壓控制和獨(dú)立電壓控制，如圖4所示。

圖4 子模塊均壓控制

2.2 隔離級(jí)控制

隔離級(jí)DC-DC是實(shí)現(xiàn)將直流轉(zhuǎn)換成高頻交流并耦合到二次側(cè)后再還原成直流，考慮到此環(huán)節(jié)用以穩(wěn)定后逆變器的直流電壓，所采用電壓閉環(huán)控制，控制方案如圖5所示[19]

圖5 隔離級(jí)控制

2.3 輸出級(jí)控制

利用三個(gè)含LC濾波器的單相逆變器形成負(fù)載端三相輸出交流電，單項(xiàng)逆變器即對(duì)應(yīng)a、b、c相電壓。對(duì)其進(jìn)行三相獨(dú)立控制，達(dá)到在不平衡負(fù)載時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定以及波形正弦化的目的。

輸出級(jí)采用雙環(huán)控制，外環(huán)為相電壓有效值控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為相電壓瞬時(shí)值控制環(huán)。外環(huán)由輸出相電壓的有效值與參考值作差，其誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后與標(biāo)準(zhǔn)正弦波形相乘得到內(nèi)環(huán)相電壓瞬時(shí)值的參考值；內(nèi)環(huán)中，測(cè)得的相電壓瞬時(shí)值與上述得到的參考值形成誤差信號(hào)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)最后由PWM發(fā)生器形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到開(kāi)關(guān)器件從而獲得穩(wěn)定的輸出相電壓。外環(huán)保證輸出相電壓有效值不變，內(nèi)環(huán)則實(shí)現(xiàn)維持相電壓良好的正弦波形。如圖6所示。

圖6 輸出級(jí)控制

3 仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了圖1的DPI-PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要參數(shù)如表1所示。

表1 DPI-PET仿真模型參數(shù)

3.1 常規(guī)工況時(shí)的仿真

在0 s時(shí)，DPI-PET進(jìn)行滿(mǎn)負(fù)荷穩(wěn)態(tài)(0.6 MW，功率因數(shù)0.8滯后)運(yùn)行，在0.3 s處，MMC1由于故障退出運(yùn)行，模擬DPI-PET一路電源因故障停止工作快速配合另一路電源工作的工況。圖7分別給出了系統(tǒng)側(cè)與負(fù)載側(cè)的電壓電流波形、中低壓直流電壓波形以及輸出有功功率和無(wú)功功率波形。

圖7(a)、圖7(b)可以看出系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的電壓、電流波形在短暫振蕩后，在0.1 s處趨于穩(wěn)定，圖7(c)則可以看出直流側(cè)在0.15 s處電壓保持穩(wěn)定且平衡，中壓穩(wěn)定為20 kV、低壓為800 V。即使MMC1在0.3 s退出運(yùn)行時(shí)，無(wú)論是交流電還是直流電都保持良好的穩(wěn)定性，且圖7(d)也輸出了穩(wěn)定的有功功率波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了DPI-PET滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)良好的工作性能，有效提高了供電可靠性。

3.2 異常工況時(shí)的仿真

為深度分析DPI-PET的工作性能，對(duì)其在0～0.5 s的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)針對(duì)系統(tǒng)側(cè)電壓跌落、負(fù)載側(cè)一相斷路和三相負(fù)載不平衡三種異常工況分別進(jìn)行運(yùn)行仿真。

DPI-PET滿(mǎn)載運(yùn)行，系統(tǒng)側(cè)三相電壓在0.2 s時(shí)跌落20%，隨后在0.3 s處恢復(fù)額定電壓。圖8(a)、圖8(b)給出負(fù)載側(cè)電壓、電流波形以及直流側(cè)電壓波形。可以看出負(fù)載側(cè)電壓、電流并沒(méi)有受系統(tǒng)側(cè)電壓跌落的影響，始終保持穩(wěn)定的正弦曲線(xiàn)，證明了逆變器的良好的工作性能。三條直流電壓波形則在0.2 s時(shí)均發(fā)生了5%左右的跌落，但在0.3 s后，各電壓等級(jí)的直流電壓可以很快恢復(fù)正常，最終在0.38 s趨于穩(wěn)定。但當(dāng)系統(tǒng)側(cè)三相電壓跌落60%時(shí)，圖8(c)顯示0.26 s～0.36 s內(nèi)電壓波形發(fā)生明顯振蕩，則會(huì)影響到負(fù)載側(cè)的正常工作。

圖8 系統(tǒng)側(cè)電壓跌落時(shí)的仿真波形

DPI-PET滿(mǎn)載運(yùn)行，負(fù)載側(cè)在0.2 s時(shí)一相斷路形成不平衡負(fù)載，后于0.3 s處恢復(fù)正常。圖9給出此工況下的系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)電壓、電流波形以及直流側(cè)電壓波形。從圖9(b)中可以看出0.2 s～0.3 s之間斷線(xiàn)相電流為0 A，而其電壓在0.22 s處出現(xiàn)短暫波動(dòng)現(xiàn)象后迅速平穩(wěn)，之后三相始終保持良好的正弦波形，且圖9(a)中系統(tǒng)側(cè)電壓、電流也仍保持三相平衡。直流側(cè)電壓波形與滿(mǎn)載運(yùn)行時(shí)相同，在短時(shí)間波動(dòng)后均穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值，證明了子單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性且響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 負(fù)載側(cè)一相斷路時(shí)的仿真波形

DPI-PET滿(mǎn)載運(yùn)行，負(fù)載側(cè)在0.2 s時(shí)發(fā)生三相負(fù)載不平衡工況：A相單相滿(mǎn)負(fù)荷，B相無(wú)功功率0.5 Mvar，C相功率為0.5 MW+0.1 Mvar，后在0.3 s恢復(fù)正常。系統(tǒng)側(cè)以及負(fù)載側(cè)的電壓、電流波形如圖10所示?？煽闯鱿到y(tǒng)側(cè)電壓電流波形依舊能保持良好正弦度，負(fù)載側(cè)輸出電壓波形除在接入和退出三相不平衡負(fù)載的瞬間發(fā)生輕微不穩(wěn)定但又立即恢復(fù)正常，因此負(fù)載側(cè)三相負(fù)載不平衡時(shí)系統(tǒng)側(cè)仍然輸出穩(wěn)定電能。

圖10 三相負(fù)載不平衡時(shí)的仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)的DPI-PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在雙電源工作環(huán)境下不僅保持了輸入和輸出電壓、電流良好的電能質(zhì)量，且憑借此結(jié)構(gòu)滲透性強(qiáng)、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，大大提高了城市配電網(wǎng)供電可靠性。通過(guò)對(duì)其滿(mǎn)載運(yùn)行以及一路電源停止工作、系統(tǒng)側(cè)電壓跌落和負(fù)載側(cè)一相斷路等異常工況的仿真實(shí)驗(yàn)，皆表明此DPI-PET結(jié)構(gòu)不僅能為各側(cè)提供高質(zhì)量的電能，還可以避免一路電源因故障停止供電對(duì)負(fù)載側(cè)的影響，比常規(guī)電力電子變壓器具有更優(yōu)越的工作性能。