涂春鳴，李小棟，蘭　征，肖　凡，帥智康

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410082)

負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行影響及應(yīng)對(duì)策略研究

涂春鳴，李小棟，蘭征，肖凡，帥智康

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410082)

負(fù)荷波動(dòng)會(huì)影響電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)和輸出電壓畸變。針對(duì)此問(wèn)題，基于PET輸入輸出功率守恒提出了一種應(yīng)對(duì)策略。首先通過(guò)建立負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的小信號(hào)模型，然后利用該模型分析了負(fù)荷波動(dòng)影響PET運(yùn)行的原因，最后通過(guò)對(duì)PET的輸出功率引入前饋控制，使系統(tǒng)對(duì)于輸出功率變化獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小直流側(cè)電壓波動(dòng)和輸出電壓畸變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出的控制方法的可行性和有效性。

電力電子變壓器；穩(wěn)定運(yùn)行；直流側(cè)電壓波動(dòng)；輸出電壓畸變；功率前饋

近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛，出現(xiàn)了一種通過(guò)電力電子裝置實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中電壓變換和能量傳遞的新型變壓器—電力電子變壓器(Power electronic transformer，PET)。PET由于具有輸入輸出功率因數(shù)可調(diào)和可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來(lái)智能變壓器的發(fā)展趨勢(shì)。

目前對(duì)于PET的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略上[1-2]，對(duì)于負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行的影響，尤其是對(duì)直流側(cè)電壓和輸出電壓質(zhì)量的影響研究較少。文獻(xiàn)[3]提出利用大電容的穩(wěn)壓作用，一定程度上可抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，但可能會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并增大系統(tǒng)的體積。文獻(xiàn)[4]提出了一種變結(jié)構(gòu)控制的PWM整流器，通過(guò)瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)間的控制策略切換減小直流側(cè)電壓的波動(dòng)，但可能會(huì)降低系統(tǒng)的瞬態(tài)功率因數(shù)。文獻(xiàn)[5]提出通過(guò)直接或間接地保持電容電流為零，達(dá)到抑制直流側(cè)電壓波動(dòng)的目的。文獻(xiàn)[6]提出了一種用低壓直流側(cè)電流作為前饋信號(hào)的控制方法，但該方法只考慮了直流負(fù)荷，未考慮交流負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行的影響。

本文采用小信號(hào)分析方法，分析了PET負(fù)荷波動(dòng)對(duì)直流側(cè)電壓和輸出電壓的影響，基于PET輸入功率與輸出功率守恒提出了一種應(yīng)對(duì)策略。通過(guò)將交直流負(fù)荷的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)并前饋，保持PET輸入功率與輸出功率始終相等，從而使PET在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小直流側(cè)電壓的波動(dòng)并提高輸出電壓的質(zhì)量。

1　PET的基本工作原理

圖1為PET的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，由輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)三個(gè)部分組成。輸入級(jí)由多個(gè)單相整流橋級(jí)聯(lián)組成，且每個(gè)整流橋并聯(lián)一個(gè)電容，從而可降低每個(gè)開(kāi)關(guān)管上所承受的電壓，使PET能夠適應(yīng)較高的輸入電壓；隔離級(jí)的核心是雙主動(dòng)全橋(Dual active bridge，DAB)，由單相全橋逆變器、高頻變壓器和單相全橋整流器組成。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性，DAB可以實(shí)現(xiàn)功率的正反方向流動(dòng)，同時(shí)其低壓直流側(cè)也可為分布式電源提供直流接口；輸出級(jí)由三相全橋逆變器和LC濾波器組成。

圖1　PET的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

PET的工作原理為：高壓交流輸入經(jīng)級(jí)聯(lián)整流橋變換為多級(jí)的高壓直流，再分別通過(guò)全橋變換電路調(diào)制成高頻方波，經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)后，高頻方波再通過(guò)全橋變換電路被還原成直流，最后逆變器將低壓直流母線電壓變換為三相交流輸出。

2　負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行影響分析

負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，輸入級(jí)和隔離級(jí)對(duì)輸出功率的改變響應(yīng)較為緩慢，會(huì)出現(xiàn)直流側(cè)電壓波動(dòng)和輸出電壓畸變，本文采用小信號(hào)模型對(duì)此進(jìn)行分析。

2.1高壓直流側(cè)電壓波動(dòng)分析

輸入級(jí)作為PET與網(wǎng)側(cè)的接口，其對(duì)PET負(fù)荷波動(dòng)的響應(yīng)能力直接決定著PET運(yùn)行的穩(wěn)定性。根據(jù)基爾霍夫電流定律和功率守恒原理，假定低壓直流側(cè)電壓在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)不發(fā)生波動(dòng)并忽略損耗，圖1中的輸入級(jí)部分可得：

式中：v1為高壓側(cè)直流電壓；i0為整流橋輸出電流；i1為整流橋負(fù)載電流；u、i為電網(wǎng)電壓、電流有效值；po為PET輸出功率；C為高壓直流側(cè)電容。

穩(wěn)態(tài)時(shí)電網(wǎng)電流有效值和參考電流之間有 (輸入級(jí)采用D-Q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的空間矢量控制)[7]：

利用式(2)和小信號(hào)的線性化技術(shù)分析式(1)，可得輸入級(jí)的小信號(hào)模型：

由式(3)可得小信號(hào)控制框圖2。圖中GU為PI控制器的傳遞函數(shù)，其它傳遞函數(shù)如式(4)所示：

圖2　小信號(hào)控制框圖

由圖2可以推導(dǎo)出電壓波動(dòng)與輸出功率波動(dòng)之間關(guān)系為：

由式(5)可知，由于G項(xiàng)不為零，因此高壓側(cè)直流電壓v1會(huì)產(chǎn)生與輸出功率相反方向的波動(dòng)。

2.2低壓直流側(cè)電壓波動(dòng)分析

DAB的功率取決于輸入級(jí)的功率大小，假定負(fù)荷波動(dòng)瞬間輸入級(jí)功率不變，并忽略損耗：

式中：pDAB為DAB的平均功率；pc為低壓直流側(cè)電容的功率(穩(wěn)態(tài)時(shí)為零)；po為PET輸出功率。

由式(6)可知，負(fù)荷波動(dòng)時(shí)輸入功率不變即pDAB不變，po的波動(dòng)會(huì)改變pc，即會(huì)使低壓側(cè)直流電壓v2產(chǎn)生與po相反方向的波動(dòng)。

2.3輸出電壓畸變分析

帶有LC濾波器的三相逆變器在D-Q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，由于LC濾波器的抑制作用，式(7)中逆變器輸出電流向量i不會(huì)產(chǎn)生突變，v2的波動(dòng)會(huì)使負(fù)載電壓向量uo產(chǎn)生相同方向的波動(dòng)。

3　PET應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)控制策略

為解決由負(fù)荷導(dǎo)致的直流側(cè)電壓波動(dòng)和輸出電壓畸變，本文基于PET輸入功率與輸出功率守恒提出了一種PET的前饋控制，控制框圖如圖3所示。通過(guò)將PET交直流功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)分別前饋到PET的輸入級(jí)和隔離級(jí)，減小負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行的影響。

在PET的控制策略中，輸入級(jí)采用D-Q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的空間矢量控制[9]，隔離級(jí)采用移相角控制[10]，其中移相角計(jì)算如式(9)：

圖3　PET前饋控制框圖

式中：fs為DAB開(kāi)關(guān)頻率；Ls為變壓器漏感；n為變壓器變比。

為使輸入級(jí)的輸入功率能夠跟隨輸出功率的變化，將輸出功率等效為整流橋的負(fù)載電流，再前饋到輸入級(jí)的電流內(nèi)環(huán)控制中。同時(shí)用輸出功率等效為隔離級(jí)的負(fù)載電流，再用其計(jì)算相移角度φ，使隔離級(jí)功率傳輸也能較好地跟隨輸出功率的變化。

根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論[8]，交流瞬時(shí)有功功率P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q為：

PET直流輸出功率為：

式中：i2dc為隔離級(jí)的直流負(fù)載電流。

結(jié)合式(10)(11)可得PET總負(fù)載功率：

當(dāng)PET忽略開(kāi)關(guān)損耗和變壓器的損耗時(shí)：

結(jié)合式(12)(13)可分別得到整流橋和隔離級(jí)的等效負(fù)載電流i1'和i2'為：

前饋過(guò)程如圖3虛線部分所示。由于采用了PET已有的輸出狀態(tài)量，所以輸出功率計(jì)算并不需要額外的傳感器。

4　仿真分析

為了驗(yàn)證上述前饋控制策略的有效性，對(duì)圖1所示的拓?fù)鋱D搭建了仿真，參數(shù)如表1所示。

表1　PET參數(shù)

為驗(yàn)證負(fù)荷波動(dòng)對(duì)PET運(yùn)行的影響，選取PET五種不同的交直流負(fù)載情況，參數(shù)如表2所示。PET的負(fù)荷按照運(yùn)行點(diǎn)ACADEBCEA的順序進(jìn)行切換，直流側(cè)電壓和輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)分別如圖4、5所示。當(dāng)PET在重載下或輕載下切換，如圖4和圖5(a)所示，直流側(cè)電壓波動(dòng)較小，輸出電壓的畸變也不明顯；當(dāng)PET在空載、輕載和重載之間切換，如圖4和圖5(b)所示，直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，輸出電壓也存在較大畸變，會(huì)對(duì)PET的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大影響。

選取運(yùn)行點(diǎn)B、C、E，按照CEB的順序進(jìn)行切換，0.4 s時(shí)由C切換至E，0.6 s由E切換至B，如圖6～8所示。

表2　PET負(fù)荷情況

圖4　直流側(cè)電壓瞬態(tài)響應(yīng)

圖5　輸出電壓瞬態(tài)響應(yīng)

圖6　不同控制策略的直流側(cè)電壓瞬態(tài)響應(yīng)

圖6為采用不同控制方法得到的直流側(cè)電壓瞬態(tài)響應(yīng)。與高壓直流側(cè)電壓相比，由于仿真選取的低壓直流側(cè)電容較大，對(duì)電壓波動(dòng)具有一定抑制作用，因此出現(xiàn)的波動(dòng)小于高壓直流側(cè)，由圖可以看出使用本文的方法時(shí)，對(duì)波動(dòng)具有較好的抑制作用。

圖7為采用不同控制方法時(shí)的功率瞬態(tài)響應(yīng)。如圖所示，PET采用本文的方法能夠通過(guò)改變輸入功率大小迅速響應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)，同時(shí)隔離級(jí)也能做出同樣響應(yīng)使輸入功率迅速地傳遞到輸出級(jí)。

圖7　不同控制策略的功率瞬態(tài)響應(yīng)

圖8為采用不同控制方法的PET輸出電壓(A相)。由圖可知，無(wú)前饋控制的輸出電壓在0.4和0.6 s時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大畸變，而采用本文的方法在0.4和0.6 s時(shí)都有較好的控制效果。對(duì)0.4～0.5 s和0.6～0.7 s共10個(gè)周期的A相電壓進(jìn)行諧波分析，如表3所示。無(wú)前饋控制在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)輸出電壓的基頻分量與參考值相比會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，且諧波畸變率較大。而采用本文的方法對(duì)輸出電壓的畸變有較好的抑制效果。而負(fù)載功率在穩(wěn)態(tài)時(shí)，無(wú)前饋和本文的方法在控制效果上沒(méi)有太大差別。

圖8　不同控制策略的輸出電壓(A相)

表3　諧波分析結(jié)果

5　結(jié)論

本文通過(guò)建立負(fù)荷波動(dòng)時(shí)的小信號(hào)模型，分析了直流側(cè)電壓波動(dòng)和輸出電壓畸變的原因，提出了一種前饋控制策略。仿真研究表明，該方法對(duì)直流側(cè)電壓波動(dòng)具有較好的抑制作用，對(duì)輸出電壓的質(zhì)量也有明顯的提高，同時(shí)可以在較小的直流側(cè)電壓波動(dòng)情況下，用較小的電容取代大容量電容，減小系統(tǒng)的體積并降低成本。

[1]張明銳，劉金輝，金鑫.應(yīng)用于智能微網(wǎng)的SVPWM固態(tài)變壓器研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(1)：90-97.

[2]SHI J，GOU W，YUAN H，et al.Research on voltage and power balance control for cascaded modular solid-state transformer[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(4)：1154-1166.

[3]MALESANI L，ROSSETTO L，TENTI P，et al.AC/DC/AC PWM converter with reduced energy storage in the DC link[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31(2)：287-292.

[4]趙仁德，賀益康，劉其輝.提高PWM整流器抗負(fù)載擾動(dòng)性能研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19(8)：67-72.

[5]GU B，NAM K.A DC link capacitor minimization method through direct capacitor current control[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42(2)：573-581.

[6]WANG F，HUANG A，WANG G，et al.Feed-forward control of solid state transformer[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC)，2012 Twenty-Seventh Annual IEEE.Orlando，F(xiàn)L：IEEE,2012：1153-1158.

[7]李時(shí)杰，李耀華，陳睿.背靠背變流系統(tǒng)中優(yōu)化前饋控制策略的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(22)：74-79.

[8]趙方平，楊勇，阮毅，等.三相并網(wǎng)逆變器直接功率控制和直接功率預(yù)測(cè)控制的對(duì)比[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(7)：212-220.

[9]孫毅超，趙劍鋒，季振東，等.基于d-q坐標(biāo)系的單相鏈?zhǔn)絊TATCOM 直流電壓平衡控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(9)：2500-2506.

[10]ZHAO T，WANG G，BHATTACHARYA S，et al.Voltage and power balance control for a cascaded H-bridge converter-based solid-state transformer[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(4)：1523-1532.

Effects of load fluctuations on PET operation and its control strategies

TU Chun-ming,LI Xiao-dong,LAN Zheng,XIAO Fan,SHUAI Zhi-kang
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

The stable operation of power electronic transformer will be impacted by load fluctuations,especially to DC link voltage and output voltage.To solve this,control strategies based on the input and output power conservation of PET were proposed.Firstly,small-signal model of load fluctuations was built in this paper.Then,the reasons of the impacts on PET caused by load fluctuations were analyzed with the model.Finally,less impact on DC link voltage and output voltage could be achieved through adding a feed-forward control to PET,which greatly speeded up the system response to the power changes.The results of simulation verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy.

power electronic transformer；stable operation；DC link voltage fluctuation；output voltage distortion；power feed-forward

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2051-04

2016-03-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(51377051)

涂春鳴(1976—)，男，江西省人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用等。