電力電子變壓器在電網(wǎng)故障中的控制策略

張曉東，張大海

（山東大學電氣工程學院，濟南250061）

電力電子變壓器在電網(wǎng)故障中的控制策略

張曉東，張大海

（山東大學電氣工程學院，濟南250061）

電力電子變壓器不但能完成常規(guī)電力變壓器的基本功能，還具有優(yōu)良的控制性能。為改善電力電子變壓器在電網(wǎng)故障時的控制效果，首先分析了電力電子變壓器拓撲結構，然后通過對傳統(tǒng)PI控制器加入復數(shù)積分和微分環(huán)節(jié)，提出了一種適用于不對稱故障的電力電子變壓器控制策略，減小穩(wěn)態(tài)誤差并提高動態(tài)響應速度。最后將該控制策略應用于發(fā)生單相接地故障的配電網(wǎng)中進行仿真分析。結果表明，所設計的電力電子變壓器具有良好的穩(wěn)態(tài)控制效果，在電網(wǎng)發(fā)生故障時仍能保證穩(wěn)定輸出三相電壓。

電力電子變壓器；配電網(wǎng)；單相接地故障；控制策略；電能質(zhì)量

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電力變壓器的缺點日益突出，如體積、重量及空載損耗過大等。另外，變壓器過載時容易導致輸出電壓下降，產(chǎn)生諧波，從而影響電能質(zhì)量。當電源側(cè)故障導致電壓異常時，傳統(tǒng)電力變壓器不能對輸出電壓進行控制，只能將故障傳遞到負荷側(cè)，這使敏感負荷受到嚴重影響。而產(chǎn)生于20世紀70年代的電力電子變壓器PET（power electronic transformer）能對輸出電壓進行有效控制，有望解決傳統(tǒng)變壓器存在的一些問題。

電力電子變壓器又叫電子電力變壓器EPT（electronic power transformer），是一種基于大功率電力電子變換技術實現(xiàn)電壓變換及控制和能量傳遞的新型智能電力變壓器[1，2]，通過大功率電力電子器件及電力電子整流、逆變技術，實現(xiàn)電能在電網(wǎng)中的傳輸[3，4]。

針對PET在其拓撲結構實現(xiàn)方案和對輸出電壓波形的控制方法上的研究已經(jīng)取得了一些成果[5，6]。近年來，PET在電力系統(tǒng)中的應用研究也越來越多。文獻[7]研究了PET并聯(lián)運行問題；文獻[8，9]研究了PET在配電系統(tǒng)中的應用；文獻[10]研究了配電系統(tǒng)PET的IGBT緩沖電路；文獻[11]研究了PET在配電網(wǎng)無功優(yōu)化中控制問題；文獻[12]介紹了PET在輸電網(wǎng)中的控制策略；文獻[13]提出利用PET改善電力系統(tǒng)動態(tài)特性；文獻[14]將PET應用于新能源發(fā)電系統(tǒng)。

本文在分析了PET基本原理和實現(xiàn)方案的基礎上，為了簡化控制算法，提出了簡化的PET穩(wěn)態(tài)分析物理模型。鑒于傳統(tǒng)PI控制的一些缺點[15]，在其中加入復數(shù)積分和微分環(huán)節(jié)之后，提出了比例-復數(shù)積分-微分控制策略，并將其應用于PET控制中，使PET輸出電壓在波形質(zhì)量和動態(tài)響應速度方面有了一定地提高。針對目前PET在短路故障條件下的應用文獻比較少，將設計的PET應用于配電系統(tǒng)，針對電力系統(tǒng)中發(fā)生次數(shù)最多的單相接地短路，在Matlab/Simulink環(huán)境中進行了仿真研究。結果表明，所設計PET在發(fā)生單相接地短路故障的情況下，二次側(cè)輸出電壓仍控制在理想的范圍內(nèi)，保證良好的供電質(zhì)量，對負載不間斷地供電。

1 PET的基本結構和簡化模型

1.1PET基本結構

根據(jù)電壓變換過程中有無直流環(huán)節(jié)，PET有2種基本拓撲結構，第1種為交-交-交變換，第2種為交-直-交-直-交變換。前者變換過程中無直流環(huán)節(jié)，使用的功率電子器件比較少，可控性不高，在一些對二次側(cè)輸出電壓要求較高的場合，一般不適用。而后者在變換過程中存在直流環(huán)節(jié)，使用的功率器件較多，可控性高，并且控制策略完善，應用范圍廣。本文采用第2種方案，交-直-交-直-交型PET典型拓撲結構如圖1所示。

圖1 交-直-交-直-交型PET拓撲結構Fig.1Topology of ac-dc-ac-dc-ac PET

PET基本工作原理為：三相工頻交流母線高壓經(jīng)過PWM整流變成直流，再經(jīng)過高頻逆變電路將直流電壓變成高頻方波，接著經(jīng)過高頻變壓器變壓，高頻方波電壓再經(jīng)過高頻整流電路變成直流電壓，最后直流電壓經(jīng)過三相脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）逆變成三相工頻低壓輸出，經(jīng)三相LC無源濾波器濾波后給三相負載供電。由于電力電壓器的體積和重量均與其工作電壓的頻率成反比，所以高頻變壓器的使用能極大地減小傳統(tǒng)電力變壓器的體積和重量。

1.2PET簡化穩(wěn)態(tài)物理模型

圖1中單相高頻逆變電路產(chǎn)生高頻方波，以降低PET的體積，為簡化控制算法，本文對這一級逆變電路和PET副邊的單相高頻整流電路均采用不控方式處理，同時考慮中間高頻變壓器的作用，將圖1所示的拓撲結構簡化為穩(wěn)態(tài)物理模型，如圖2所示。

圖2 PET簡化穩(wěn)態(tài)物理模型Fig.2Simplified steady-state physical model of PET

圖2中，將單相高頻逆變、中間高頻隔離變壓器及單相高頻整流等效為一直流環(huán)節(jié)Udc。VSC1為PET輸入側(cè)三相工頻整流環(huán)節(jié)，U1為該環(huán)節(jié)的輸入電壓；VSC2為PET輸出側(cè)三相工頻逆變環(huán)節(jié)，U2為該環(huán)節(jié)的輸出電壓。通過采取合理的控制措施，使VSC1和VSC2兩部分相互配合，再經(jīng)過LC低通濾波器的作用，得到穩(wěn)定的三相工頻輸出電壓。

2 單相接地故障下的PET控制策略

2.1 輸入整流側(cè)控制策略

一次側(cè)三相高壓整流環(huán)節(jié)采用傳統(tǒng)的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙PWM控制。通過坐標變換將三相坐標系下的各電網(wǎng)變量轉(zhuǎn)換到電網(wǎng)基頻同步旋轉(zhuǎn)的兩相d、q坐標系下，以電網(wǎng)側(cè)三相輸入電壓US為例，變換公式為

三相高壓整流環(huán)節(jié)控制數(shù)學模型為

式中：Usd、Usq為PET三相輸入電壓d、q軸分量；kip、kii為電流內(nèi)環(huán)PI控制參數(shù)；ω為電網(wǎng)電壓基波角頻率；L、R為PET輸入級無源濾波器等效電感和電阻，U1d、U1q為PET整流環(huán)節(jié)的輸入電壓d、q軸分量分別為PET輸入側(cè)基準電流和實際反饋電流。電流基準值分別為

2.2 輸出逆變側(cè)控制策略

由于占電網(wǎng)接地故障的百分比最高的單相接地故障屬于不對稱故障，而傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制策略在電網(wǎng)不對稱情況下，輸出直流電壓出現(xiàn)倍頻分量，從而不能得到一個穩(wěn)定直流輸出電壓，而如果在逆變側(cè)仍然使用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制器，將不能得到理想的三相交流逆變電壓，所以對PET二次側(cè)的逆變器控制算法進行改進，使逆變器具有較好的穩(wěn)態(tài)輸出特性和較快的動態(tài)響應。

逆變器輸出電壓閉環(huán)控制結構如圖3所示[16]。輸出電壓表達式為

圖3 逆變器輸出電壓閉環(huán)控制結構Fig.3Output voltage closed-loop control model of inverters

控制原理為：經(jīng)電壓互感器采集輸出三相交流電壓信號Uo（s），與三相基準電壓信號Ur（s）進行比較，誤差信號經(jīng)過控制器G（s）的作用后，控制PWM信號發(fā)生器，產(chǎn)生PWM開關控制信號，該控制信號控制逆變側(cè)的主電路功率器件-絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的通斷，實現(xiàn)逆變的目的。合理的控制器G（s）的選擇，可以使PET輸出電壓與基準電壓的誤差較小，達到控制輸出電壓的目的。

在圖3中，K為PWM調(diào)制等效增益，L、C、R分別為濾波器等效電感、電容和電阻，Uo（s）為逆變器實際輸出電壓。若控制器G（s）=kp+ki/s，則該控制器為傳統(tǒng)的PI控制。本文將復數(shù)積分[15]和微分環(huán)節(jié)加入PI控制器中，以代替其中的常數(shù)積分環(huán)節(jié)，得到比例-復數(shù)積分-微分PCID（proportion complex-integration differentiation）控制器。該控制器閉環(huán)傳遞函數(shù)為

該方法是對傳統(tǒng)的PI控制方法的改進，分為PCI和PD 2部分。具體作用為：PCI控制消除輸出電壓與給定基準電壓的穩(wěn)態(tài)誤差；PD控制主要改善系統(tǒng)動態(tài)特性，保證輸出電壓及時的跟蹤輸入電壓變化情況。

評價控制器的優(yōu)劣，主要從該控制器的穩(wěn)態(tài)特性和抗擾動特性2方面來評價[16]。基于PCID控制的逆變器輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差特性和抗擾動特性分別為

將式（4）、式（5）代入式（6）、式（7），波特（Bode）圖如圖4所示。

圖4PCID控制特性分析Fig.4Characteristic analysis of PCID control

由圖4可以看出，該控制方法輸出電壓能較好地跟蹤給定的三相基準電壓，穩(wěn)態(tài)誤差非常小，同時其抗擾動特性也非常好。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建配電系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

圖5 配電系統(tǒng)仿真模型Fig.5Simulation model of distribution system

圖中，交流發(fā)電機G與母線1相連，母線1與母線2通過常規(guī)變壓器T1相連，母線1的線電壓有效值為35 kV，母線2的線電壓有效值為10 kV分別用PET和常規(guī)變壓器T2對母線2電壓進行變壓后給三相負載1和負載2供電，2個負載均用100 Ω電阻代替。

PET部分的仿真參數(shù)為：整流電路PWM開關頻率為5 kHz；逆變電路PWM開關頻率為20 kHz；PET輸入級和輸出級濾波電感均設為3 mH；濾波器等效電阻設為0.2 Ω；中間高頻方波頻率為10 kHz；高頻隔離變壓器的變比為20 kV/1 kV。給定輸出基準線電壓有效值為380 V。

假設母線2在0.35 s發(fā)生A相接地短路故障，并一直持續(xù)到0.45 s時消失，故障點接地電阻設為1 Ω。仿真結果如圖6～圖8所示。

從圖6中可以明顯地看出，母線2在0.35 s時由于受接地短路故障的影響，電壓跌落較嚴重，基本為0；在0.45 s時，短路故障消失，A相恢復供電；在故障期間，B、C兩相電壓升高為原來的倍。

圖6 母線2三相電壓Fig.6Three-phase voltage of bus 2

圖7為新型PET三相輸出電壓波形，可以看到，PET輸出三相電壓基本不受輸入側(cè)A相接地故障的影響，輸出相電壓有效值為220 V，能跟蹤給定的基準電壓值，使三相負載的供電不受影響，說明了PCID在穩(wěn)態(tài)誤差控制方面的優(yōu)越性。

圖7PET輸出電壓Fig.7Output voltages of PET

根據(jù)經(jīng)典控制理論，微分環(huán)節(jié)能預測誤差變化的趨勢，使抑制誤差的作用變化超前。所以在控制系統(tǒng)中加入微分環(huán)節(jié)，用來提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。從圖7中可以看到，當母線2發(fā)生單相接地故障時，PET輸出電壓能迅速地動態(tài)跟蹤基準電壓，其原因是，即使母線2發(fā)生單相接地故障，另外兩非故障相整流之后，仍能對PET輸出側(cè)逆變器直流電容進行充電，使直流電容兩端電壓變化不大，保證PET輸出電壓穩(wěn)定。

圖8為常規(guī)變壓器T2輸出的電壓波形。可見其輸出的A相電壓受接地故障的影響，也發(fā)生明顯的跌落，嚴重影響了對三相負載的供電。

圖8 常規(guī)變壓器T2的輸出電壓Fig.8Output voltages of conventional transformer T2

4 結語

本文通過分析PET的拓撲結構，針對電網(wǎng)中發(fā)生頻率比較高的單相接地短路故障，指出整流側(cè)采用傳統(tǒng)的電壓、電流雙環(huán)控制方案時，直流輸出電壓將發(fā)生較大的波動，因此在逆變側(cè)不宜再采用傳統(tǒng)的PI控制器。本文采用PCID控制器，設計了穩(wěn)態(tài)輸出效果良好的PET，并將其應用于配電網(wǎng)中，對敏感負載進行供電。仿真結果表明，所設計的PET在配電網(wǎng)母線發(fā)生單相接地故障時，仍能保持輸出電壓的穩(wěn)定，動態(tài)性能良好。

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Control Strategy of Power Electronic Transformer for Power Grid Fault

ZHANG Xiao-dong，ZHANG Da-hai
（College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Power electronic transformer（PET）can not only accomplish the basic functions of conventional power transformers，but also has good control performances.To improve the control effect of PET for faulty power grid，the paper firstly analyzes topological structure of PET，then adds complex integral and differential blocks to traditional PI controller，and proposes a novel control strategy for asymmetric fault，so as to reduce steady error and improve dynamic response.Finally the proposed control strategy is applied to PET in a distribution network with single-phase-to-ground fault.Simulation results show that the PET has good steady control effect，and can provide ideal three-phase output voltage even power grid is in fault condition.

power electronic transformer；distribution network；single-phase ground fault；control strategy；power quality

TM41；TM46

A

1003-8930（2014）01-0039-05

張曉東（1986—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制及電力電子變換技術。Email：zhangxiaodong1986@ 126.com

2012-03-15；

2012-04-01

張大海（1973—），男，通信作者，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)監(jiān)控、電力電子和電能質(zhì)量。Email：dhzhang@sdu.edu.cn