胡慧慧，王魯楊，張 浩，陳 韜，吳承天

(上海電力學院電氣工程學院，上海 200090)

隨著我國經(jīng)濟和社會的不斷發(fā)展，對電網(wǎng)穩(wěn)定、安全與經(jīng)濟運行的要求越來越高.傳統(tǒng)變壓器的體積較大，空載損耗量較高，功能比較單一，投入電力系統(tǒng)會帶來很大的勵磁涌流.［1］在智能電網(wǎng)中，電力電子變壓器是重要的支撐設備，有較好的發(fā)展前景.它由實現(xiàn)磁耦合的高頻變壓器本體與電力電子變換拓撲構成，實現(xiàn)電力系統(tǒng)中的能量傳遞以及電壓變換，其突出的特點是:可以靈活地控制變壓器一次側電流、二次側電壓及功率因數(shù).［2］目前，國內大多數(shù)電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)的輸入級均采用基于L型濾波器的整流器，但在功率等級較高的整流器中，L型濾波器濾波效果不夠理想.鑒于LCL濾波器對高頻分量呈高阻抗特性，對高頻諧波電流有很大的衰減作用，濾波效果理想，本文提出了輸入級采用LCL濾波的電力電子變壓器.

1 PET各級電路控制方案

1.1 PET的基本結構

PET的基本拓撲結構分為交流—交流—交流變換器和交流—直流—交流—直流—交流變換器.前者的結構雖簡單，但可控性不高，副邊電壓波形基本上是對原邊電壓波形的還原，僅幅值有差異，不能有效地控制流經(jīng)PET的潮流;后者的結構雖復雜，但控制策略完善，能夠保證原副邊具有良好的電壓電流波形，原邊功率因數(shù)可控，實用性較高.

本文采用的結構如圖1所示，［3］輸入級采用三相電壓型整流器，隔離級采用高頻變壓器實現(xiàn)升降壓與隔離作用，輸出級采用三相電壓型全橋逆變器.

圖1 PET拓撲結構

1.2 輸入級設計

1.2.1 基于L濾波器的整流器的局限性

對于高性能的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器，交流側電抗器是一個至關重要的因素.這是由于交流側電感不僅影響整流器電流環(huán)的靜態(tài)和動態(tài)響應，還容易對輸入電網(wǎng)引入的電壓諧波進行干擾.

單電感L的整流器雖然控制簡單，但其開關頻率通常在2～15 kHz，會引入開關頻率及其整數(shù)倍處的諧波，這種諧波會通過網(wǎng)側電感注入電網(wǎng)，從而對敏感性負荷產(chǎn)生電磁干擾并且造成一定的損耗.［4］

在高電壓和大功率的場合通常使用容量較大的整流器，為了減小損耗與電磁干擾，需要使用較低的開關頻率，然而因為整流器在PWM調制的時候會引入開關頻率及其整數(shù)倍處的諧波，如果選用的開關頻率較低，那么產(chǎn)生的諧波頻率也較低，若這時仍采用單電感L濾波則不能達到理想的濾波效果.

1.2.2 基于LCL濾波器的輸入側整流器

為了克服上述不足，本文提出了3階LCL濾波器來取代原來的單電感L濾波器.

與L濾波器相比，LCL濾波器的阻抗值與流過的電流頻率成反比，頻率越高，阻抗則越小，從而濾除電流中的高頻諧波，達到理想的濾波效果，在濾波作用相似的情況下，LCL濾波器的阻抗較小，可減小裝置的體積，所以LCL濾波器在大功率場合有廣闊的應用前景.但由于LCL濾波器的3階傳遞特性存在諧振的可能，這將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而有必要研究控制策略來增強其穩(wěn)定性.為此，本文采用三閉環(huán)控制策略，外環(huán)為直流側電壓控制環(huán);中環(huán)為網(wǎng)側電流控制環(huán);內環(huán)為電容電流控制環(huán).

1.2.3 三閉環(huán)控制策略研究

輸入級的控制目標是網(wǎng)側電流正弦、實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行和整流輸出直流電壓可控.三閉環(huán)控制策略的原理如圖2所示.

圖2 三閉環(huán)控制策略原理示意

1.3 中間隔離級設計

中間隔離級從外部特性看是一級DC/DC變換器.這一級能實現(xiàn)隔離及直流升降壓功能.

文獻［5］提出對PET的隔離級施行占空比控制，這樣不但會增加控制系統(tǒng)的復雜性，也會引入不必要的諧波.本文直接采用開環(huán)控制.這種控制方法方便解決同步問題，且控制系統(tǒng)簡單.

1.4 輸出級設計

輸出級由三相電壓型逆變電路和濾波單元構成，三相逆變電路的作用是將副邊單相整流電路輸出的低壓直流電轉化為三相工頻交流電，采用的控制策略如圖3所示.

圖3 負載側逆變器控制原理示意

2 仿真研究

在Matlab/Simulink中搭建輸入級基于LCL濾波且三閉環(huán)控制的PET系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示.

電網(wǎng)側參數(shù)設置如下:三相對稱電源電壓峰值em=1 414 V，電網(wǎng)頻率f0=50 Hz，LCL濾波器L1=1 mH，L2=0.5 mH，C=15 μF.高壓直流側參數(shù)設置如下:Cdc=4 700 μF，直流側設定電壓4 000 V.高頻變壓器參數(shù)設置如下:原、副邊的電壓變比為4 000 V∶600 V.低壓直流側參數(shù)設置如下:濾波電感10 mH，濾波電容3 500 μF，直流側設定電壓600 V.負載側參數(shù)設置如下:濾波電感1 mH，濾波電容33 μF，負載額定線電壓380 V，負載電阻 3.63 Ω.

圖4 PET的整體仿真模型

圖5為L濾波時的電網(wǎng)側A相電壓、電流波形，圖6為LCL濾波時的仿真波形.

由圖6a和圖6b可以看出，輸入級基于LCL濾波器的整流器對網(wǎng)側電壓進行整流，得到的直流側電壓為4kV.并使得網(wǎng)側電流為正弦波，且與電壓同相位，電網(wǎng)側功率因數(shù)接近1.

由圖6c可以看出，輸出級經(jīng)過三相電壓型逆變器，輸出穩(wěn)定的低壓供給負載.

圖5 L濾波電網(wǎng)側A相電壓和電流波形

圖6 LCL濾波時的仿真波形

對圖6c中的負載A相電壓波形進行FFT分析，總諧波畸變率為3.5%，可見提供給負載的電壓紋波較小，實現(xiàn)了負載側電壓正弦化.

分別對采用L濾波和LCL濾波時的網(wǎng)側A相電流進行FFT分析，前者的總諧波畸變率為7.72%，后者的總諧波畸變率僅為2.29%.由此可以看出，電力電子變壓器輸入級采用LCL濾波器，網(wǎng)側電流紋波小，電流諧波得到了有效衰減，濾波效果理想，表明該方法提升了電力電子變壓器的性能.

3 結語

本文提出了輸入級采用LCL濾波器的電力電子變壓器.由于LCL濾波器是3階系統(tǒng)，自身存在諧振問題，容易導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此本文采用了直流側電容電壓、網(wǎng)側電流和電容電流的三閉環(huán)控制策略.仿真結果表明，采用LCL濾波器有效抑制了網(wǎng)側電流中的諧波成分，獲得了較好輸出性能，減小了裝置對電網(wǎng)的污染.

［1］ 黃貽煜，毛承雄，陸繼明，等.電力電子變壓器在輸電系統(tǒng)中的控制策略研究［J］.繼電器，2004，32(6):35-39.

［2］ KANG M，ENJETI P N，PITEL I J .Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1999，14(6):1 133-1 141.

［3］ MANJREKAR M D，KIEFERNDORF R，VENKATARAMANAN G.Power electronic transformers for utility applications［C］∥Proceedings of the 2000 IEEE Industry Applications Conference.Rome:IEEE，2000(4):2 496-2 502.

［4］ LISERRE M，BLAABJERGF，HANSENS.Designand control of an LCL-filter based three-phase active rectifier［J］ .IEEE Transactions on Industry Applications，2005，41(5):1 281-1 291.

［5］ TAKAO K，HIGASHINO S.Parallel operation of voltage source inverters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1988，24(2):281-287.