石賽美，劉憲林，王曉芳，李海娜

(1.邵陽學院電氣工程學院，湖南邵陽，422000;2.鄭州大學電氣工程學院，河南鄭州，450001)

電子電力變壓器(Electronic－Power－Transformer，EPT)作為一種新型變壓器，在改善電能質(zhì)量方面發(fā)揮了重要作用。為了進一步提高電力系統(tǒng)的供電可靠性和供電容量，EPT的并聯(lián)運行得到了國內(nèi)外研究人員越來越多的關注［1－2］。

當前EPT的并聯(lián)運行控制技術大致分為有互聯(lián)線控制方式和無互聯(lián)線控制方式。無互聯(lián)線控制技術采用調(diào)差特性下垂控制方程，通過監(jiān)測每臺EPT各自輸出的即時功率，通過將有功功率和無功功率解耦來分別控制，利用下垂特性分別調(diào)整各自EPT的輸出電壓的幅值和相位來實現(xiàn)均流，但均流的實現(xiàn)是以犧牲電壓調(diào)節(jié)精度為代價［3］。為抑制輸出電壓幅值的波動，文獻［4－5］通過增加瞬時電壓基準補償環(huán)節(jié)和輸出阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，使逆變器實現(xiàn)了良好的動態(tài)均流能力以及對參數(shù)不一致的調(diào)節(jié)能力。通過借鑒逆變器的無互聯(lián)線控制方式，針對典型的基于調(diào)差特性的控制方式提出了一種新的無互聯(lián)線控制方式。結合兩臺EPT并聯(lián)搭建了仿真模型，并進行動態(tài)仿真。

1 兩臺EPT并聯(lián)系統(tǒng)

1.1 并聯(lián)系統(tǒng)的基本原理

與傳統(tǒng)變壓器的并聯(lián)運行原理一致，在小型及微型電網(wǎng)中，多臺EPT并聯(lián)運行的理想條件是:空載時其各自并聯(lián)的EPT之間沒有環(huán)流存在;帶負載后各臺EPT二次側電流同相位，多臺EPT輸出功率應完全均分。但是由于各種實際因素的影響，很難達到并聯(lián)的理想情況，其中EPT輸出特性的差異，造成了并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流存在。因此，抑制環(huán)流是解決并聯(lián)運行的首要問題。

圖1是兩臺EPT并聯(lián)運行的等效電路，該電路已折算到二次側。其中V1和V2為兩臺EPT輸出電壓幅值，δ1和δ2分別為其相位角，兩個模塊的連線阻抗為R1+jX1和R2+jX2，通常線路阻抗里有電阻遠小于電抗值，所以此處忽略了電路中的電阻，V0∠0°為公共母線上的電壓和為各自EPT輸出電流。

圖1 兩臺EPT并聯(lián)運行等效電路Fig.1 Equivalent circuit of two EPTs in parallel operation

由圖可得:，X=X=X，

定義環(huán)流如果12則

又因為

聯(lián)立式(2)、(3)可得到

從表達式(2)可以看出，一般情況由于實際EPT運行時線路感抗值非常小，所以當兩臺EPT存在輸出電壓相位、幅值上的稍有差異就會在各電流輸出端形成較大的環(huán)流。

由表達式(4)可見，由兩臺EPT組成并聯(lián)系統(tǒng)時，其變壓器的輸出電流是由兩部分構成的，一部分是承擔負載的負載電流，另一部分則是流通在各并聯(lián)EPT之間的環(huán)流。前者是共同分量，由承擔的負載決定;后者特性則是大小相等，方向相反。由相應變壓器輸出電壓的輸出特性差異決定，造成了相互間承擔負荷的不等，影響了變壓器的經(jīng)濟性能。

通過分析可得，為了實現(xiàn)理想的并聯(lián)運行條件，各臺EPT必須保證二次側電壓的頻率、幅值、相位一致。而二次側輸出電壓的差異可以通過對基準電壓的幅值、相位和頻率的控制來校正。因此可以得出結論，要抑制EPT并聯(lián)運行所產(chǎn)生的環(huán)流和由此所引起的功率不平衡問題，可以通過控制基準電壓的幅值、相位和頻率來實現(xiàn)。

1.2 傳統(tǒng)功率下垂控制

以EPT1為分析對象，由圖1可得EPT1輸出的復功率為:EPT1的輸出電流為:

將式(6)代人(5)式得出

由于一般 EPT 輸出電壓 V1和 V0相位差很小，則 sinδ1=δ1，cosδ1=1，可得到

通過以上分析我們可以得到并聯(lián)EPT輸出有功功率的變化主要取決于相位角δ的變化，相位超前者發(fā)出有功功率，反之則吸收有功功率;無功功率的變化主要受輸出電壓幅值的影響，幅值高者發(fā)出無功功率，反之則吸收無功功率。

在實際應用中，輸出電壓相位的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)其角頻率或初相位來實現(xiàn)，為了抑制頻率波動給并聯(lián)帶來的影響，文獻［3］采用基于電壓初相角調(diào)差特性的控制方式，達到了既可以保持恒頻供電，又可根據(jù)實際需要選取合理的調(diào)差系數(shù)，從而實現(xiàn)有功負荷的穩(wěn)定合理分配。典型的功率下垂控制關系為

對并聯(lián)運行的各EPT，當負荷發(fā)生變動時，各EPT將通過自動調(diào)節(jié)其輸出電壓的相位角和幅值，從而達到實現(xiàn)功率穩(wěn)定分配的效果;缺點是傳統(tǒng)的功率下垂控制其控制系數(shù)的大小和系統(tǒng)的輸出阻抗、線路阻抗對系統(tǒng)的性能有著重要的影響。

2 改進的功率下垂控制

針對傳統(tǒng)的下垂控制提出了一種改進的下垂控制方法，在原來的基礎上通過增加瞬時電壓基準補償環(huán)節(jié)和輸出阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。如圖2所示。

圖2 單臺EPT控制原理圖Fig.2 Control principle diagram of single PET

其中瞬時電壓基準調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)如圖3所示，通過實時檢測EPT的輸出電流，當出現(xiàn)大的環(huán)流流動時提供瞬時電壓基準的動態(tài)調(diào)節(jié)，能夠立即減小環(huán)流，抑制環(huán)流尖峰，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應能力和穩(wěn)定性能。

輸出阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)如圖4所示，由文獻［6－7］可推知，EPT的電壓環(huán)的PI調(diào)節(jié)參數(shù)的積分系數(shù)與輸出阻抗關系密切，可以通過改變積分系數(shù)的大小來調(diào)節(jié)輸出阻抗，當系統(tǒng)出現(xiàn)比較大的環(huán)流時，通常環(huán)流主要表現(xiàn)出無功環(huán)流部分的顯著增加，因此通過檢測EPT瞬時輸出的無功功率情況能夠及時得到環(huán)流情況，在傳統(tǒng)的無功調(diào)差特性基礎上增加輸出阻抗參數(shù)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)可以有效提高功率均分精度，對參數(shù)存在差異的并聯(lián)EPT能起到快速調(diào)節(jié)的作用，從而抑制環(huán)流的產(chǎn)生。

圖3 瞬時電壓基準調(diào)節(jié)環(huán)Fig.3 The diagram of the instantaneous voltage reference adjustment

圖4 輸出阻抗調(diào)節(jié)環(huán)Fig.4 The diagram of the output impedance adjustment

3 仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建兩臺EPT并聯(lián)仿真模型，為了驗證改進的控制方案的可行性及仿真效果，對兩臺輸出濾波電感存在參數(shù)差異情況的EPT進行了相關仿真研究。

3.1 EPT2中途投入并聯(lián)運行

EPT1帶恒定負載運行，0.5s時EPT2由空載狀態(tài)投入系統(tǒng)，實現(xiàn)兩臺EPT并聯(lián)運行。有關波形如圖5和圖6所示。由仿真結果圖可見，系統(tǒng)由單臺變壓器運行狀態(tài)切換至兩臺變壓器并聯(lián)運行狀態(tài)后，盡管兩臺EPT存在參數(shù)差異，由于采用了改進的多環(huán)控制方式，兩臺并聯(lián)EPT之間實現(xiàn)了很好的均流控制，有功、無功負荷也在兩臺EPT之間達到了穩(wěn)定分配，且動態(tài)響應性能非常良好，控制精度比較高。

圖5 EPT2在0.5s并入前后的電流波形Fig.5 Simulation waveforms of current before and after the parallel of EPT2 at 0.5s

圖6 EPT2并聯(lián)后輸出功率波形Fig.6 Simulation waveforms of output power after the parallel of EPT2

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)由滿載突變到半載

并聯(lián)系統(tǒng)開始滿載運行，0.5s時負載由滿載突變到半載，由輸出電流波形可以看出，在系統(tǒng)負載突變時，EPT的輸出電流也都能保持良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

圖6 并聯(lián)后滿載切換到半載輸出電流波形Fig.6 Simulation waveforms of output current from full－load to half－load after the parallel

4 結論

基于傳統(tǒng)的調(diào)差特性方程的EPT下垂控制策略基礎上，提出了增加瞬時電壓基準補償環(huán)和輸出阻抗調(diào)節(jié)環(huán)的多環(huán)控制方式，基于該控制方式對兩臺參數(shù)不一致的EPT并聯(lián)系統(tǒng)搭建仿真模型，對其并聯(lián)運行的動態(tài)過程進行仿真分析。仿真效果表明，采用該改進的控制方案，對兩臺EPT并聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)不一致的情況，能夠快速精確的實現(xiàn)有功、無功負荷的穩(wěn)定分配，且系統(tǒng)能保持良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

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