許 峰 姜 軍

（1.南京工程學(xué)院，江蘇南京211167；2.國網(wǎng)宿遷供電公司，江蘇宿遷223865）

0 引言

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET），也稱為固態(tài)變壓器（SolidState Transformer，SST）或智能變壓器（Smart Transformer，ST）等。PET除了具備傳統(tǒng)變壓器的功能之外，還可以減小傳統(tǒng)變壓器磁性材料的用量，而且具有改善電能質(zhì)量、補(bǔ)償無功功率和限制故障電流等功能[1-3]。

隨著智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)等未來電網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于能實(shí)現(xiàn)變壓、電氣隔離、功率調(diào)節(jié)與控制、可再生能源接入等多種功能的電力電子變壓器的理論和技術(shù)研究得到了越來越廣泛的關(guān)注[1，3]。

本文結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，首先介紹PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取主流AC-DC-AC型PET作為研究對(duì)象，建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型，然后分析設(shè)計(jì)控制策略，最后建立仿真模型驗(yàn)證PET改善電能質(zhì)量的可行性和有效性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PET主要由一次側(cè)、二次側(cè)電力電子變換電路以及能夠以高頻率運(yùn)行的高頻變壓器組成，如圖1所示。根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)分為兩類：AC-AC型和AC-DC-AC型[4-6]。

AC-AC型PET的優(yōu)點(diǎn)是不需要直流環(huán)節(jié)，中間高頻變壓器具有小而輕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。AC-DC-AC型PET比前者多了中間直流環(huán)節(jié)，有助于一次側(cè)和二次側(cè)的單獨(dú)控制。

本文采用了如圖2所示的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)，它主要由五個(gè)部分組成：三相PWM整流、單相橋式逆變電路、高頻變壓器、單相橋式整流和三相PWM逆變。一般將PWM整流部定義為輸入環(huán)節(jié)，將單相橋式逆變、高頻變壓器和單相橋式整流定義為中間隔離環(huán)節(jié)，將PWM逆變定義為輸出環(huán)節(jié)。

2 數(shù)學(xué)模型

PET中PWM整流和PWM逆變的數(shù)學(xué)模型非常相似，所以本文推導(dǎo)了如圖3所示的PWM變流器統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律可得三相靜止坐標(biāo)系abc下的方程為：

圖1 PET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 AC-DC-AC型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 PWM變換器主電路圖

其中，sk（k=a，b，c）為單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)：

利用Park變換，得PWM變換器在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的方程：

3 控制策略

PET中間隔離環(huán)節(jié)單相橋式逆變采用了±180°工作方式開環(huán)控制策略，控制結(jié)構(gòu)簡單。輸入環(huán)節(jié)控制策略和輸出環(huán)節(jié)控制策略有共同之處，本文重點(diǎn)討論P(yáng)WM變流器的控制策略。

在三相PWM變換器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)主要是控制三相PWM變流器直流側(cè)電壓，而電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制[6-7]。圖4和圖5分別給出了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證PET對(duì)改善電能質(zhì)量的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)上構(gòu)建了PET仿真模型，分別從諧波污染、三相電壓不平衡、電壓波動(dòng)與閃變和電壓跌落四個(gè)方面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。PWM變流器仿真參數(shù)如表1所示。

4.1 諧波

在三相電源中分別加入幅值為基波幅值的30%的5次和20%的7次諧波，三相電源電壓的波形畸變嚴(yán)重，如圖6（a）所示。經(jīng)過快速傅里葉變換，波形總畸變率（THD）達(dá)到36.06%，如圖6（b）所示。

4.2 三相不平衡

仿真中設(shè)置A相電壓為原來幅值的50%（圖7），三相相位保持不變，來模擬三相電源的不平衡。則電壓不平衡度為：

圖4 電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

表1 PWM變換器仿真參數(shù)

4.3 電壓波動(dòng)與閃變

電壓波動(dòng)和閃變采用三相電源加入頻率為10 Hz、幅值為電源電壓10%的間諧波來模擬，其波形如圖8所示。

圖6 諧波注入PET輸入電壓波形和THD

圖7 三相不平衡PET輸入電壓波形

圖8 電壓波動(dòng)PET輸入電壓波形

4.4 電壓跌落

在0.001 s時(shí)，電壓跌落到原來幅值的40%，跌落時(shí)間長達(dá)3個(gè)電源周期，如圖9所示。

圖9 三相不平衡PET輸入電壓波形

在以上四種情況下，PET仍能保證二次側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定，向負(fù)荷可靠地供電。輸出波形如圖10（a）所示，THD也僅為0.33%，如圖10（b）所示。說明PET不僅能實(shí)現(xiàn)變壓，而且有效隔離了一次側(cè)和二次側(cè)，能夠避免一次側(cè)電能質(zhì)量問題傳遞到二次側(cè)，這是傳統(tǒng)變壓無法實(shí)現(xiàn)的。

圖10 PET輸出電壓波形和THD

5 結(jié)語

分布式發(fā)電技術(shù)迅速發(fā)展，直流配電網(wǎng)研究不斷深入，智能電網(wǎng)受到廣泛關(guān)注，而電力電子變壓器的出現(xiàn)有望解決電力系統(tǒng)面臨的諸多新問題。

本文在理論分析的基礎(chǔ)上建立仿真模型，驗(yàn)證了PET改善電能質(zhì)量的可行性和有效性。