許志偉，許智萌，肖家鴻，高 航

（1.湖南工程學院 風力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104；2.湖南吉利汽車職業(yè)技術學院 汽車學院，湘潭 411100；3.湖南工程學院 應用技術學院，湘潭 411101）

0 引言

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer簡稱PET）也被稱為電子電力變壓器［1］，還有別名為固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）和柔性變壓器（Flexible Transformer，F(xiàn)T）.它是一種通過引入電力電子技術與高頻變壓器實現(xiàn)電能變換和能量傳遞的新型變壓器［2］.這種新型變壓器不僅具備傳統(tǒng)電力變壓器的功能，還具有體積小、重量輕、安全環(huán)保等優(yōu)點，除此之外，它還具備改善電能質(zhì)量，無功功率補償?shù)忍厥夤δ埽?-4］.

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，電力電子變壓器得到了廣泛的關注［5］.文獻［6］提出了一種適用于大功率電力電子變壓器拓撲結(jié)構，對比分析了其控制策略，為本文研究提供良好的參考依據(jù).文獻［7］提出了一種基于矩陣式電力電子變壓器的永磁風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略，實現(xiàn)了風力發(fā)電系統(tǒng)良好的電能變換.文獻［8］設計了一種新型電力電子變壓器的并網(wǎng)裝置，并提出相應并網(wǎng)控制策略，實現(xiàn)了電壓的快速精準變換.

本文首先介紹PET的拓撲結(jié)構，選取具有直流環(huán)節(jié)的AC-DC-AC型PET作為研究對象，對其建立典型的數(shù)學模型，并進行控制仿真分析，通過仿真建模驗證了PET輸出電流控制策略的可行性.

1 電力電子變壓器的拓撲結(jié)構及工作原理

電力電子變壓器由電力電子變換器和高頻變壓器組成.根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)可將電力電子變壓器分為兩大類：AC-AC型與AC-DC-AC型［9-10］.圖1為AC-DC-AC型電力電子變壓器的電路圖，本文以AC-DC-AC型電力電子變壓器為例展開研究.

圖1 AC-DC-AC型電力電子變壓器拓撲結(jié)構

電力電子變壓器的工作原理如圖2所示，一次側(cè)接電源，電力電子變換器將輸入電流整流成直流，隨后變換成高頻交流，經(jīng)高頻變壓器一次側(cè)繞組耦合到二次側(cè)繞組，此時，高頻變壓器二次側(cè)繞組會產(chǎn)生感應電動勢，這種感應電動勢施加到與高頻變壓器二次側(cè)相連的副方電力電子變換器上，逆變?yōu)楣ゎl交流電能輸出［11-12］.

圖2 電力電子變壓器工作原理

2 電力電子變壓器數(shù)學模型

對于不同拓撲結(jié)構形式的PET，所對應的數(shù)學模型也不同.所研究的PET是一個典型的三相PET實現(xiàn)形式.對于AC-DC-AC型電力電子變壓器可以等效成圖3所示的形式，id1、id2是流經(jīng)主副電力電子變換器的電流，Udc1、U′dc2是主副電力電子變換器兩端電壓.

圖3 等效物理模型圖

根據(jù)電路基本理論以及簡化物理模型，可以得出PET數(shù)字模型如下：

考慮到高頻變壓器暫態(tài)過程，Ld為等效電感，Udc2、Cdc2折算量為

式中，k為高頻變壓器變比，θ為控制信號相角.

3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建電力電子變壓器AC-DC-AC仿真模型，通過采用不同的控制方式來進行研究.仿真參數(shù)設置如下：三相電源相間電壓（有效值）V=380 V，A相相位角α=30°，頻率ω=50 Hz；六脈沖發(fā)生器選雙脈沖，脈沖寬度t=25°，高頻變壓器頻率f=500 Hz.

3.1 PWM控制

圖4為電力電子變壓器PWM控制簡化模型，左邊是整流電路，右邊是逆變電路，整流后直流電經(jīng)高頻變壓器再進行逆變，逆變后經(jīng)過電感電容濾波，調(diào)制信號幅值At=1，頻率ft=100 Hz，相位依次相差120°的正弦信號；頻率觸發(fā)由PWM控制，采用二電平PWM的轉(zhuǎn)換器、三相六脈沖電橋，載波頻率fZ=90×50 Hz；濾波電感為L=1×10-3H，濾波電容為C=10.13214×10-3F，仿真時長T1=0.2 s.

圖4 電力電子變壓器PWM控制簡化模型

調(diào)制信號與輸出電流波形如圖5所示，上波形為調(diào)制信號，下波形為PET輸出電流波形，在0.1 s左右，輸出電流波形達到穩(wěn)定.在此基礎上，提高載波頻率，增加采樣點，如圖6所示，由圖可知，增大載波頻率后，輸出電流波形更加平滑了.

圖5 調(diào)制信號與輸出電流波形

圖6 增加采樣點輸出電流波形

3.2 PET并聯(lián)運行

PET并聯(lián)運行，關鍵是實現(xiàn)PET間負荷的合理分配，實現(xiàn)均流.在上述PET的基礎上并入一臺參數(shù)設置相同的PET模型，兩臺PET共用一個三相電源，控制方式仍采用上述的PWM控制方式，其他參數(shù)設置不變，以此進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 PET并聯(lián)運行輸出電流波形

圖7中上下兩個波形圖分別為兩臺PET的輸出電流波形圖，兩臺PET輸出電流波形相同，它們之間都不存在環(huán)流，并很好地實現(xiàn)均流控制，大大地提高了供電可靠性和靈活性.在一臺PET發(fā)生故障的情況下，還可實現(xiàn)不停電正常運行.

3.3 SVPWM控制

SVPWM控制模塊如圖8所示，SVPWM受幅值和相位控制，可以設置SVPWM的控制方式和開關切換模式，參數(shù)設置初始相位A1=0°，初始頻率f1=50 Hz，PWM頻率fpwm=33×50 Hz，仿真時長T2=0.05 s.SVPWM控制輸出電流波形如圖9所示，得到的仿真結(jié)果一致.PLL在不受波形控制下會默認輸出，再觀測相位波形，如圖10所示.

圖8 SVPWM控制模塊圖

圖9 SVPWM控制輸出電流波形

圖10 輸出電流與相位波形

相位波形最小值為0，最大值為2π，頻率為50 Hz的鋸齒波，不妨用鋸齒波來進行控制，根據(jù)圖11所示的電路模塊進行仿真運行，其控制輸出結(jié)果與圖10一致.從仿真結(jié)果來看，輸出電流波形穩(wěn)定，且控制良好，電流畸變率小.

圖11 鋸齒波控制模塊

3.4 閉環(huán)電流跟蹤滯環(huán)比較方式

電流跟蹤滯環(huán)比較方式在PWM變流電路中應用最多，基于電流跟蹤滯環(huán)比較方式的電力電子變壓器，給定的三相電流指令信號與逆變器側(cè)的輸出電流信號之差，傳遞給滯環(huán)控制器，得到PWM信號，對逆變器進行控制［13-15］.圖12給出了采用滯環(huán)比較方式的PWM電流跟蹤控制仿真模型［16］.三相電流指令信號依次相差120°，取濾波電感L1=5.5 mH，L2=0.1 mH，濾波電容C=20 μF及串聯(lián)電阻R=3Ω，滯環(huán)控制器的開關狀態(tài)為0.01，-0.01，仿真時長T3=0.2 s，得到圖13所示的輸出電流波形.從仿真結(jié)果看，輸出電流穩(wěn)定，三相對稱，電流滯環(huán)跟蹤對輸出電流的控制效果良好.

圖12 電流跟蹤滯環(huán)模塊

4 結(jié)論

本文針對電力電子變壓器，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，研究AC-DC-AC型電力電子變壓器輸出電流的控制策略，其中，PWM控制在通過增大載波頻率使輸出電流波形變得平滑；雙PET并聯(lián)運行可以有效實現(xiàn)均流，SVPWM控制可以使電流輸出穩(wěn)定，畸變率低，控制效果良好；電流跟蹤滯環(huán)比較方式屬于閉環(huán)控制，使輸出電流穩(wěn)定，三相對稱且波動少.以上四種控制策略均在一定程度上優(yōu)化了輸出電流波形，從而驗證了控制策略的可行性.