段青，樂(lè)健，呂志鵬，萬(wàn)鵬飛，馬春艷

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072）

0 引言

傳統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題治理方法均需通過(guò)在系統(tǒng)中串聯(lián)或并聯(lián)額外的裝置來(lái)進(jìn)行，如DVR、APF、UPQC等?；陔娏﹄娮幼儞Q技術(shù)構(gòu)成的電能路由器，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的多向流動(dòng)和對(duì)功率流的主動(dòng)控制［1-2］，改變了傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用變壓器進(jìn)行電能傳遞與分配的運(yùn)行模式，也為研究新型配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題治理措施提供了新的基礎(chǔ)。

目前關(guān)于電能路由器的研究主要關(guān)注于其能量分配傳遞，電壓隔離變換等基本功能的實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［3］通過(guò)電能路由器和信息路由器的類比得出電能路由器的功能要求，介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有基于電力電子變換的電能路由器結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［4］采用固態(tài)變壓器作為核心器件，提出一種未來(lái)電力配電系統(tǒng)的架構(gòu)，適用于分布式能源與儲(chǔ)能設(shè)備即插即用。文獻(xiàn)［5］提出一種基于虛擬電機(jī)控制的路由器，其特點(diǎn)在于基于虛擬電機(jī)理論提出該能量路由器的控制策略，增強(qiáng)了系統(tǒng)慣性和阻尼，對(duì)于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定作用。文獻(xiàn)［6-7］給出一種基于高頻隔離的雙向直流固態(tài)變壓器方案，可作為柔性直流配網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高低壓直流配電網(wǎng)或微電網(wǎng)的電壓、功率靈活控制。目前對(duì)于利用電能路由器解決進(jìn)行電能質(zhì)量問(wèn)題的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)［8］指出電力電子變壓器對(duì)電能質(zhì)量具有調(diào)節(jié)能力，但未深入分析調(diào)節(jié)能力大小，且未考慮儲(chǔ)能的影響。文獻(xiàn)［9］對(duì)電力電子變壓器提高電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了分析，并提出一種無(wú)直流電容支撐的電力電子變壓器結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)和電壓調(diào)節(jié)，減輕電壓暫降、上升、閃變的影響，但并未就控制策略問(wèn)題進(jìn)行深入研究。

在上述背景下，本文在基于電力電子變換的電能路由器基礎(chǔ)上，對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率傳輸，控制策略進(jìn)行分析，對(duì)電能路由器減輕電網(wǎng)電壓畸變?cè)斐傻挠绊?，抑制?fù)載不平衡及諧波對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了研究。最后，通過(guò)PSCAD/EMTDC仿真，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的基于電力電子變壓器的電能路由器設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

1 電能路由器拓?fù)渑c控制

電能路由器是以電力電子技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的固態(tài)設(shè)備，其核心為電力電子變壓器。一種典型的AC/DC/AC型三階式結(jié)構(gòu)包括高壓級(jí)、隔離級(jí)和低壓級(jí)3個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 電力電子固態(tài)模塊結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solid-state power electronics module

高壓側(cè)需采用多電平結(jié)構(gòu)，本文采用H橋級(jí)聯(lián)型多電平變換器實(shí)現(xiàn)AC/DC高壓級(jí)電能變換，級(jí)聯(lián)的H橋單元數(shù)為1～n，其三相電路采用星形“Y”結(jié)構(gòu)形式。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸入電壓波形好、諧波含量少，電流波形質(zhì)量好和功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 輸入級(jí)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the input side

瞬時(shí)功率理論指出換流器交流側(cè)的有功功率和無(wú)功功率表示為：

式中p、q分別為換流器輸入的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率，ud、uq分別為換流器交流側(cè)三相電壓在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸上的分量，id、iq分別為換流器交流側(cè)三相系統(tǒng)電流在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q軸上的分量。高壓輸入級(jí)是配電網(wǎng)與電能路由器直接接觸的環(huán)節(jié)，其控制目標(biāo)為：實(shí)現(xiàn)直流電壓恒定，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電流正弦和功率因數(shù)靈活可調(diào)，其雙環(huán)解耦控制策略如圖3所示。

圖3 高壓級(jí)控制策略Fig.3 Control strategy of high-voltage side

采用直流電壓控制時(shí)，外環(huán)是一個(gè)直流電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是一個(gè)交流輸入電流環(huán)，在外環(huán)直流電壓控制中將實(shí)際直流電壓與參考電壓比較后的偏差作為反饋信號(hào)，經(jīng)過(guò)PI控制器后形成有功電流（即d軸電流）的參考值。在內(nèi)環(huán)交流電壓控制中，三相交流電流采樣后轉(zhuǎn)化為d、q軸分量，分別與各自的參考電流值比較，得到的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI控制器后與電源前饋信號(hào)以及交叉反饋電流信號(hào)綜合，形成d、q軸參考電壓信號(hào)，輸入到高壓級(jí)控制器，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)輸入單位功率因數(shù)運(yùn)行，q軸電流參考值通常設(shè)置為0。

根據(jù)以上分析，給出高壓輸入級(jí)的控制策略如圖4所示。

圖4 高壓級(jí)控制系統(tǒng)圖Fig.4 Control system diagram of high voltage side

對(duì)于電能交換器的隔離環(huán)節(jié)，高頻變壓器原邊的單相逆變電路，在開(kāi)關(guān)損耗允許和變壓器磁芯允許的范圍內(nèi)，變壓器的體積和重量與開(kāi)關(guān)頻率成反比。對(duì)于變壓器副邊整流電路，只要能實(shí)現(xiàn)高頻整流即可。因此，變壓器原邊逆變電路和副邊整流可以用開(kāi)環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)，將直流調(diào)制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合到高頻變壓器的副方繞組后再同步整流還原成直流。

電能路由器的對(duì)外端口有低壓直流母線和低壓交流母線，直流母線的控制目標(biāo)為無(wú)論系統(tǒng)或負(fù)載是否有擾動(dòng)都能保持直流電壓恒定，直流母線的電壓控制由高壓級(jí)控制決定。交流母線的控制目標(biāo)為無(wú)論在對(duì)稱負(fù)載還是不對(duì)稱負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)相電壓幅值恒定和波形正弦。采用雙環(huán)控制，外環(huán)為輸出電壓瞬時(shí)值控制，保持輸出電壓幅值不變，內(nèi)環(huán)為濾波電容電流瞬時(shí)值負(fù)反饋。采用SPWM調(diào)制，使得電壓跟蹤給定正弦波，維持輸出波形為良好的50 Hz正弦波，控制策略如圖5所示。

其中，PI的傳遞函數(shù)為Kp+Ki/s。在外環(huán)，測(cè)量得到輸出相電壓瞬時(shí)值與正弦波參考電壓比較，形成誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò)PI控制器作為電流內(nèi)環(huán)瞬時(shí)參考值，與三角波比較，形成脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器。引入濾波電容電流反饋用于抑制LC濾波電路的諧振。

圖5 交流輸出控制策略Fig.5 Control strategy of the AC output side

2 電能質(zhì)量干擾的抑制

電能質(zhì)量問(wèn)題包括電網(wǎng)電壓暫升，暫降，閃變等問(wèn)題，也包括負(fù)載諧波、不平衡等問(wèn)題。分析圖1所示的基于電力電子變換的電能路由器，電網(wǎng)側(cè)高壓交流與直流母線、交流母線之間存在DC/DC隔離，通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，可以?shí)現(xiàn)兩側(cè)的電能質(zhì)量干擾的隔離。

2.1 電網(wǎng)電壓畸變的隔離

電網(wǎng)電壓畸變包括電壓諧波、電壓暫升、暫降、閃變。其中電壓暫降是配電網(wǎng)中發(fā)生最頻繁且影響最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題。

設(shè)電網(wǎng)電壓三相電壓有效值為V，直流母線設(shè)定值為udc。隔離變壓器僅起電壓隔離作用，并不影響電網(wǎng)電壓整流。因此，在沒(méi)有儲(chǔ)能與分布式電源的作用下，直流母線平均電壓Vdc需滿足［10］：

當(dāng)直流母線電壓固定，可計(jì)算出網(wǎng)側(cè)電壓暫降的下限。本文研究中，網(wǎng)側(cè)電壓為10 kV，直流母線電壓固定為800 V。則理論上系統(tǒng)電壓可跌落至約600 V（三相有效值）。實(shí)際上考慮隔離變壓器及逆變器的損耗問(wèn)題，且高壓側(cè)采用多電平結(jié)構(gòu)的影響，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的系統(tǒng)電壓暫降值要大于600 V。值得注意的是，當(dāng)電壓暫降時(shí)，若負(fù)載功率不變，則系統(tǒng)流入電能路由器的電流將等比放大。此時(shí)，對(duì)IGBT等開(kāi)關(guān)器件的要求由耐壓要求轉(zhuǎn)變?yōu)槟土饕?。因此，?dāng)電壓暫降時(shí)繼續(xù)運(yùn)行電能路由器時(shí)需要綜合考慮器件的耐壓耐流要求。

對(duì)于電網(wǎng)諧波及電壓暫升問(wèn)題，只需能保持高壓級(jí)整流功能即可。

2.2 負(fù)載突變與諧波的隔離

根據(jù)圖5，可寫(xiě)出交流輸出的傳遞函數(shù)：

由式（4）可知，在電路參數(shù)及控制參數(shù)確定的條件下，交流輸出電壓受參考電壓uref和交流輸出電流io的影響。在控制中，uref為固定的正弦值，結(jié)合疊加定理，獨(dú)立分析交流輸出電流對(duì)電壓的影響。

在開(kāi)關(guān)頻率足夠高的情況下，KPWM等效為常數(shù)，選取KPWM=0.8，Kp=3，Ki=5，k=-1。當(dāng)L固定為1 mH，濾波電容變化時(shí)，可畫(huà)出輸出電壓對(duì)負(fù)載電流傳遞函數(shù)的幅頻特性如圖6所示。

圖6 輸出電壓對(duì)負(fù)載電流的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

從圖4看出，電容的變化主要影響諧振頻率與高頻的幅頻特性。

當(dāng)C固定為200μF，濾波電感變化時(shí)，可畫(huà)出輸出電壓對(duì)負(fù)載電流傳遞函數(shù)的幅頻特性如圖7所示。

圖7 輸出電壓對(duì)負(fù)載電流的幅頻特性Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

從圖7看出，電感的變化主要影響諧振頻率與低頻頻的幅頻特性。從對(duì)負(fù)載電流畸變的抑制角度分析，濾波電感越小越好，濾波電容越大越好。綜合考慮響應(yīng)速度及逆變器輸出響應(yīng)特性，選取L=0.5mH，C=200μF。

3 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)圖，高壓級(jí)采用6級(jí)H橋級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，建立電能路由器仿真模型，將三相交流10 kV的配電網(wǎng)線路降壓至三相交流相電壓220 V，直流母線800 V，實(shí)現(xiàn)電能的變換與傳遞。仿真模型參數(shù)如表1所示。

表1 仿真平臺(tái)模型Tab.1 Parameters of the simulation model

3.1 電網(wǎng)電壓畸變時(shí)的仿真

3.1.1 電壓暫降

圖8 電壓暫降50%時(shí)的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result when voltage drops 50%

當(dāng)電網(wǎng)電壓暫降50%時(shí)的仿真結(jié)果如圖8所示。

從圖8看出，當(dāng)電壓暫降50%時(shí)，電能路由器直流母線和交流母線電壓依然保持額定運(yùn)行狀態(tài)，但系統(tǒng)輸入的電流相應(yīng)的增加了1倍，以保持負(fù)載功率不變。從電流在突變時(shí)刻的畸變看出控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)節(jié)時(shí)間后系統(tǒng)就達(dá)到了穩(wěn)定。

當(dāng)?shù)渖疃冗_(dá)到一定值時(shí)，電能路由器在無(wú)儲(chǔ)能及分布式電源作用下，將無(wú)法維持正常運(yùn)行。圖9顯示當(dāng)電壓暫降90%時(shí)，直流電壓無(wú)法維持800 V，此時(shí)系統(tǒng)失穩(wěn)。

圖9 電壓暫降90%時(shí)的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation result when voltage drops 90%

3.1.2 電壓暫升

在0.5 s設(shè)置電壓暫升50%，持續(xù)0.2 s，仿真結(jié)果如圖10所示。

從圖10看出，直流母線與交流母線電壓幾乎沒(méi)有受到影響。說(shuō)明高壓電網(wǎng)的電壓暫升問(wèn)題經(jīng)過(guò)電能路由器進(jìn)行電能傳輸后不會(huì)影響低壓側(cè)負(fù)載。

3.1.3 電網(wǎng)電壓諧波

在電網(wǎng)電壓中加入諧波源進(jìn)行仿真。電網(wǎng)電壓如圖11（a）所示。

從圖11看出，當(dāng)高壓側(cè)電網(wǎng)電壓含有大量諧波時(shí)，經(jīng)過(guò)電能路由器的電能傳遞與電壓變換，負(fù)載不受影響，這對(duì)于高精密負(fù)荷具有極大的意義。

圖10 電壓暫升50%仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result when voltage swells 50%

圖11 電網(wǎng)電壓畸變下仿真結(jié)果Fig.11 Simulation result when the system voltage contains harmonics distortion

3.2 負(fù)載畸變

3.2.1 諧波治理

在負(fù)載中設(shè)置不控整流電路以在電流中加入諧波電流，加入不負(fù)載后低壓交流母線電流如圖12（a）、（c）所示，對(duì)A相電流的諧波FFT分析結(jié)果如圖12（b）、（d）所示。

圖12 負(fù)載含諧波時(shí)的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation result when the load contains harmonics

從圖12（a）、（c）與圖12（b）、（d）比較可知，經(jīng)過(guò)電能路由器后，流入系統(tǒng)的電流中，諧波含量由5.95%降至2.13%。低壓交流母線上電流中，5次諧波含量較大，其次為7次諧波，11次諧波及13次諧波，而經(jīng)過(guò)電能路由器后5次諧波、7次諧波、11次諧波及13次諧波含量明顯降低。由于控制的原因，3次諧波含量上升，但對(duì)于△接線的中壓配網(wǎng)，三次諧波不會(huì)對(duì)高壓系統(tǒng)造成影響。

3.2.2 負(fù)載三相不平衡

設(shè)置B相負(fù)載為其他兩相的兩倍，低壓側(cè)交流母線上電流如圖13（a）所示。

從圖13（a）可以明顯看到負(fù)載電流的不平衡。B相電流為0.448 kA，而AC兩相電流為0.225 kA。高壓側(cè)電網(wǎng)輸入電能路由器的電流如圖13（b）所示，三相電流基本平衡，幅值為0.0145 kA。可以看出，經(jīng)過(guò)電能路由器的傳遞，能有效抑制負(fù)載不平衡對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖13 三相負(fù)載不平衡仿真結(jié)果Fig.13 Simulation result with unbalanced three-phase load

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了基于電力電子變換的電能路由器用于治理配電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的方法，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略，可在實(shí)現(xiàn)電能路由基本功能的基礎(chǔ)上，使得其同時(shí)具有還具備動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器及有源濾波器的功能，可有效治理隔離電能路由器高壓和低壓側(cè)電能質(zhì)量干擾向?qū)ο虻膫鞑ァＭㄟ^(guò)本文研究可以得出以下結(jié)論：

電能路由器在電網(wǎng)與負(fù)載之間形成一定的緩沖，能容許網(wǎng)側(cè)電壓畸變，包括電壓暫降、上升、諧波等問(wèn)題，有效治理跌落深度小于70%的電壓暫降；有效治理電壓上升與諧波對(duì)負(fù)載的影響。

電能路由器在保證向負(fù)載供電功能的基礎(chǔ)上，能有效抑制不平衡負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，且能有效治理諧波電流。

電能路由器的控制需要良好的檢測(cè)與計(jì)算方法，以抑制電壓電流畸變對(duì)檢測(cè)精度的影響。且本文未考慮儲(chǔ)能的影響，當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備與分布式電源接入電能路由器時(shí)，能解決網(wǎng)側(cè)電壓過(guò)低或斷線對(duì)負(fù)載的影響，但控制策略也變得更復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。