蔣婷，江劍鋒，曹中圣，楊喜軍

（上海交通大學(xué) 電子信息和電氣工程學(xué)院，上海200240）

1 引言

隨著智能電網(wǎng)的提出與發(fā)展，抽水儲(chǔ)能作為一種清潔儲(chǔ)能方式，以其有效、經(jīng)濟(jì)、可靠的特點(diǎn)在電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相等中的地位日漸突出。抽水儲(chǔ)能電機(jī)的軟啟動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)上采用一種基于晶閘管交直交電流源靜止變頻器，但其有諧波污染大、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、維護(hù)量高等缺點(diǎn)，近年來(lái)逐漸被以IGBT為代表的全控型器件變頻器取代［1－7］。

本文提出和分析了4種N級(jí)串聯(lián)逆變器的高壓大功率變換器，圖1、圖2為交直交方案，圖3、圖4為矩陣變換器交交方案。對(duì)于N級(jí)串聯(lián)逆變器的高壓大功率變換器，其特點(diǎn)如下：

1）網(wǎng)側(cè)降壓變壓器次級(jí)三相繞組的數(shù)量為3 N，能夠獲得單位輸入功率因數(shù)；

2）整流器與逆變器數(shù)量均為3 N，一個(gè)整流器配置一個(gè)逆變器；

3）逆變器輸出直接串聯(lián)，輸出電壓呈現(xiàn)多電平。

其優(yōu)點(diǎn)明顯，如輸入單位功率因數(shù)，輸出電壓多電平，能夠負(fù)擔(dān)更大的功率輸出，體系清楚和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但是也存在一些不足之處，即網(wǎng)側(cè)變壓器次級(jí)繞組較多，整流器數(shù)量較多，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。電解電容負(fù)荷不平衡，增加了網(wǎng)側(cè)電流的波形畸變。負(fù)載與逆變器直接電氣相連，安全可靠性下降。鑒于此，提出了新型降壓變壓器次級(jí)繞組功率平衡的多級(jí)串聯(lián)高壓矩陣變頻器，除了具有傳統(tǒng)多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的優(yōu)點(diǎn)外，還可以克服上述不足。本文在分析這種高壓矩陣變頻器的拓?fù)錁?gòu)成和載波移相調(diào)制原理后，采用Matlab／Simulink給予仿真分析，驗(yàn)證了這種多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的可行性。

2 多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的電路拓?fù)?/h2>

2.1 功率單元為單相電壓源逆變器

傳統(tǒng)的基于單相電壓源逆變器的多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器如圖1所示，圖1中串聯(lián)級(jí)數(shù)為N＝5，輸入交流電壓6.0kV，每級(jí)電壓源逆變器最高可輸出690V相電壓，最高可輸出交流電壓6.0 kV。其功率電路主要包括15組三相繞組的工頻降壓變壓器、15組三相－單相交直交變換器?？梢娊祲鹤儔浩鞔渭?jí)繞組較多，功率單元較多，次級(jí)繞組、整流器以及電解電容的負(fù)荷不均衡。

圖1 傳統(tǒng)的電壓源逆變器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器Fig.1 Traditional voltage source inverter multi－stage seriesconnection high voltage frequency converter

整流器功率平衡的N級(jí)串聯(lián)高壓變頻器如圖2所示［8］，圖2中串聯(lián)級(jí)數(shù)為N＝5，輸入交流電壓6.0kV，每級(jí)電壓源逆變器最高可輸出690 V相電壓，最高可輸出交流電壓6.0kV。其功率電路主要包括5組三相繞組的網(wǎng)側(cè)工頻降壓變壓器、15組三相－單相交直交變換器和5組載側(cè)三相高頻變壓器?？梢娊祲鹤儔浩鞔渭?jí)繞組較少，功率單元簡(jiǎn)化，解決了次級(jí)繞組、整流器以及電解電容的負(fù)荷不均衡問(wèn)題，但是增加了2個(gè)5組載側(cè)三相高頻變壓器。

圖2 整流器功率平衡的多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器Fig.2 Multi－stage series－connection high voltage frequency converter with balanced output power of rectifier

2.2 功率單元為三相－單相矩陣變換器

根據(jù)圖1與圖2所示的構(gòu)成方式，將其中的功率單元更換為三相－單相矩陣變換器，如圖3所示，分別構(gòu)成次級(jí)繞組功率不平衡與平衡的三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器功率電路。

圖3 三相－單相矩陣變換器Fig.3 Three－single MC

由圖1和圖3可知，次級(jí)繞組功率不平衡三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器功率電路串聯(lián)級(jí)數(shù)為N＝5，輸入交流電壓6.0kV，每級(jí)矩陣變換器最高可輸出690V相電壓，最高可輸出交流電壓6.0kV。

由圖2和圖3可知，將其中的功率單元更換為三相－單相矩陣變換器，功率平衡的三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器功率電路具有5個(gè)次級(jí)繞組，每個(gè)次級(jí)繞組承擔(dān)三相對(duì)稱平衡的3個(gè)三相－單相矩陣變換器，共計(jì)15個(gè)三相－單相矩陣變換器。本文以此為例進(jìn)行原理和仿真分析。

網(wǎng)側(cè)工頻變壓器為降壓型變壓器。由于負(fù)載平衡，次級(jí)繞組的設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，只需5組次級(jí)繞組，網(wǎng)側(cè)變壓器可以全部采用Y－Y接法，或次級(jí)繞組采用曲折接法，但是每個(gè)次級(jí)繞組的容量增加2倍。

對(duì)于載側(cè)高頻變壓器，起到了電氣隔離或升壓作用，工作在高頻斬波狀態(tài)下。具有5個(gè)高頻變壓器，每個(gè)高頻變壓器的初級(jí)具有3個(gè)單相繞組，分別連接一個(gè)三相－單相矩陣變換器的輸出，次級(jí)具有3個(gè)單相繞組，依次與其他高頻變壓器的次級(jí)繞組串聯(lián)，形成一相高壓輸出。高頻變壓器的次級(jí)依次連接，形成三相變頻高壓輸出A，B和C。

由于載側(cè)變壓器的作用，使得負(fù)載側(cè)與變換器陣列隔離，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠等級(jí)，同時(shí)可以制作成升壓變壓器，使得升壓范圍更寬。由于變換器工作在較高的開關(guān)頻率下，載側(cè)變壓器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳輸相同功率的工頻變壓器。

3 多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的調(diào)制原理

對(duì)于對(duì)稱型多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器，其PWM調(diào)制原理與傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)高壓變頻器的相同，包括多載波PWM調(diào)制和載波相移PWM調(diào)制等。以載波移相PWM調(diào)制和N＝5級(jí)串聯(lián)為例，說(shuō)明這種多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的調(diào)制原理。

載波相移PWM技術(shù)是PWM技術(shù)在多級(jí)串聯(lián)變頻器的擴(kuò)展應(yīng)用，每個(gè)變換器單元的PWM信號(hào)都是由一個(gè)三角載波和一個(gè)調(diào)制波比較產(chǎn)生。對(duì)于同一輸出相的變換器單元組，其所有變換器單元的調(diào)制波信號(hào)都相同，但每個(gè)功率單元的三角載波信號(hào)與它相鄰的三角載波信號(hào)之間有一定角度的相移，這種相移使得各變換器單元所產(chǎn)生的PWM脈沖在相位上錯(cuò)開，從而每個(gè)變換器單元輸出都是基波相同的脈沖錯(cuò)開的PWM波，使各功率單元最終疊加輸出PWM波形的等效開關(guān)頻率得到提高。多級(jí)串聯(lián)變頻器在不提高開關(guān)頻率的條件下，可以提高等效載波頻率，減小輸出電壓諧波，并且使得每個(gè)變換器單元的輸出功率相同。N＝5時(shí)載波相移PWM原理如圖4所示，圖4中包括相移為π／N和2π／N兩種情況，N為奇數(shù)時(shí)，兩種相移方式的控制效果相同［7］，但從波形對(duì)稱和均負(fù)載考慮，本文采用2π／N這種移相方式。

圖4 載波相移PWM調(diào)制原理（N＝5）Fig.4 Carrier phase－shifted PWM modulation principce（N＝5）

本文提出的三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器的載波相移PWM技術(shù)的基本思想是：5級(jí)串聯(lián)的三相－單相矩陣變換器均采用低開關(guān)頻率的PWM調(diào)制，并具有相同的頻率調(diào)制比，幅度調(diào)制度，且同一輸出相的變換器單元共用一個(gè)調(diào)制信號(hào)，而其三角載波的相位角依次差一個(gè)角度，利用PWM技術(shù)中的波形生成方式和多重化技術(shù)中的波形疊加結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相移為2π／N的載波相移PWM波形。

比較成熟的矩陣變換器的調(diào)制算法包括雙空間矢量算法、開關(guān)函數(shù)算法和雙線電壓算法等，本文采用開關(guān)函數(shù)算法［9］。

給定三相對(duì)稱的輸入相電壓方程和期望三相對(duì)稱的輸出相電壓方程分別為

式中：Uim為輸入相電壓幅值；Uom為期望輸出相電壓幅值；ωi為輸入相電壓的角頻率；ωo為期望輸出相電壓的角頻率；φov為期望輸出相電壓的初相。

可得矩陣變換器的通用開關(guān)函數(shù)通式，即每個(gè)雙向可控開關(guān)的占空比函數(shù)為［9］

式中：k為行數(shù)，代表輸入相數(shù)，k∈［1，3］；l為列數(shù)，代表輸出相數(shù)，l∈［1，3］；lk為l行k 列雙向可控開關(guān)；ωm＝ωo－ωi；ωs＝ωo＋ωi；φii為輸入電流初相，qv為 調(diào) 制 度為輸入電流相移因數(shù)，p∈［－1，1］。

對(duì)于三相 －單相矩陣變換器而言，l∈［1，2］。對(duì)于開關(guān)函數(shù)算法的載波相移PWM技術(shù)，可以采取對(duì)載波進(jìn)行移相，也可以對(duì)開關(guān)函數(shù)進(jìn)行移相，效果相同。

4 仿真分析Simulation

利用 Matlab／Simulink建立基于三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器的仿真電路，如圖5所示，圖5中省去了中間三級(jí)級(jí)聯(lián)的仿真電路，其中每個(gè)次級(jí)繞組所負(fù)擔(dān)的變換器功率電路與控制電路如圖6所示，同樣為了圖的清晰只顯示一個(gè)MC電路，另外兩相集成子系統(tǒng)。

圖5 高壓大功率矩陣變換器的仿真電路Fig.5 Simulation circuit of high－power high－voltage MC

圖6 1個(gè)次級(jí)繞組的變換器功率電路與控制電路Fig.6 Power circuit and control circuit of the converters of a secondary windings

采用5級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，三相交流輸入線電壓6.0kV，網(wǎng)側(cè)變壓器次級(jí)電壓為690V。網(wǎng)側(cè)工頻變壓器次級(jí)繞組的基本相位差為60°／5＝12°。考慮到矩陣變換器的最高電壓利用率為，載側(cè)高頻變壓器的電壓變比為1∶1.3。三相－單相矩陣變換器的開關(guān)頻率為2kHz。采用相移角度為2π／N＝2π／5＝72°的載波相移PWM 調(diào)制原理。為了仿真方便，選擇三相阻感串聯(lián)負(fù)載，電阻為32Ω，電感為50mH，整機(jī)輸出有功功率可達(dá)1 MW。降壓變壓器次級(jí)繞組后的LC濾波器參數(shù)為：電感0.75mH，電容15μF。

仿真過(guò)程驗(yàn)證了有關(guān)理論分析。網(wǎng)側(cè)一相交流電壓與電流的仿真波形如圖7所示，變壓器次級(jí)繞組一相電壓與電流波形如圖8所示，矩陣變換器單元輸出電壓波形如圖9所示，載側(cè)一相交流電壓與電流的仿真波形如圖10所示。為觀察方便，電壓幅度降低30倍。從所得波形可見，輸入功率因數(shù)為1，輸出電壓近似正弦波形。表明：基于三相－單相矩陣變換器的多級(jí)串聯(lián)變頻器原理上是可行的，可以作為中高壓變頻器的一種備選方案。

圖7 網(wǎng)側(cè)一相交流電壓與電流的仿真波形Fig.7 Phase voltage and current simulation waveforms at the mains side

圖8 變壓器次級(jí)繞組一相電壓與電流波形Fig.8 Phase voltage and current waveforms at a secondary windings

圖9 矩陣變換器單元輸出電壓波形Fig.9 Output voltage waveform at MC unit output side

圖10 載側(cè)一相交流電壓與電流的仿真波形Fig.10 Phase voltage and current waveforms at load side

注意事項(xiàng)：濾波器包括網(wǎng)側(cè)LC濾波器和次級(jí)繞組LC濾波器。濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)是矩陣變換器的一大難點(diǎn)，因?yàn)椴淮嬖谧匀徽骰芈?，LC濾波器發(fā)生振蕩，幅值與相位發(fā)生改變，影響矩陣變換器的安全換流。

對(duì)于圖1和圖3的基于三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的次級(jí)繞組功率不平衡高壓變頻器，如果只有一相交流電壓輸出，不能獲得單位輸入功率因數(shù)，但是當(dāng)輸出頻率為零時(shí)例外。如果具有三相對(duì)稱交流電壓和三相對(duì)稱負(fù)載，才能獲得單位輸入功率因數(shù)。任何一種情況下，降壓變壓器的每個(gè)次級(jí)繞組功率呈現(xiàn)不平衡。上述說(shuō)法，也得到了仿真驗(yàn)證。

對(duì)于圖2和圖3的基于三相－單相矩陣變換器多級(jí)串聯(lián)的高壓變頻器，一個(gè)次級(jí)繞組負(fù)責(zé)三相輸出，變壓器耦合輸出，如果三相負(fù)載平衡，不存在次級(jí)繞組功率不平衡現(xiàn)象。

5 結(jié)論

提出和分析了一種抽水儲(chǔ)能電機(jī)降壓變壓器次級(jí)繞組功率平衡的多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器，由網(wǎng)側(cè)工頻降壓變壓器、MC陣列、載側(cè)高頻升壓變壓器等構(gòu)成。串聯(lián)級(jí)數(shù)為N的多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器包括N個(gè)降壓變壓器次級(jí)繞組、3 N個(gè)三相－單相矩陣變換器陣列，3 N個(gè)載側(cè)高頻變壓器。其特點(diǎn)：1）網(wǎng)側(cè)變壓器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)輸入單位功率因數(shù)；2）無(wú)整流器，瞬時(shí)負(fù)載平衡；3）載側(cè)變壓器開關(guān)頻率高，體積減少，電壓變比可調(diào)，且實(shí)現(xiàn)與負(fù)載隔離；4）輸出電壓多電平，簡(jiǎn)化輸出濾波器設(shè)計(jì)和降低共模電壓干擾，改善電動(dòng)機(jī)的工況；5）由于采用了矩陣變換器，所以整機(jī)具有4象限工作能力。

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