級聯型電力電子變壓器控制策略研究

摘 要：電力電子變壓器是變電站建設中必不可少的一種電力裝置，在變電站日常運行中發揮著至關重要的作用，隨著科技的不斷創新發展，電力電子變壓器的種類也變得越來越豐富。文章以級聯型電力電子變壓器為研究重點，首先對其電力的拓撲結構進行分析，然后對級聯型電力電子變壓器的控制策略進行探討，并對控制策略的可行性進行仿真分析。

關鍵詞：級聯型電力電子變壓器；拓撲結構；控制策略

前言

最近兩年，隨著各國能源問題的日益尖銳和突出，分布式發電開始在電網中被廣泛的接入。這種發電方式雖然能夠在一定程度上緩解電能供需矛盾，但具有的雙向潮流、不可調度和功率波動等缺點卻增加了電網的不穩定因素。為了改善這一狀況，嘗試在直流微網中進行三相級聯電力電子變壓器的并網設計，并實施一定的控制策略，這一舉措對電網調度的改善將具有重要實踐意義。

1 級聯型電力電子變壓器的結構

電力電子變壓器普遍采用拓撲結構形式，在文章的級聯型電力電子變壓器研究當中，主要是針對直流微網的分布式接入設計，針對直流微網與交流微網的并網設計，為了給電網提供一個穩定的分布式電源，保證低壓直流端電壓的穩定輸出，決定采用拓撲結構對級聯型電力電子變壓器的接入進行設計，在高壓輸入級使用三相低壓輸出并聯變換器[1]。級聯型電力電子變壓器的拓撲結構包括燃燒電池、光伏儲能等直流電源和直流負載，這些模塊均直接或間接的通過數數變換器與直流母線相連，而風電等交流電源與交流負載模塊則經過數模變換器與直流母線相連，直流母線通過電力電子變換器與配網中壓交流母線相連，從而實現直流微網與交流微網的并網。

電力電子變壓器的功率部分由低壓輸出級并聯DAB變換器（包含高頻變壓器）和H橋整流器兩部分組成，分為兩級，而整體結構則由許多個小模塊共同組成，同樣分為兩級，以對應功率模塊的兩級。在級聯型電力電子變壓器的整個結構中，高壓級的三相級聯型結構負責輸入電流的正弦化、功率因數的校正和對各直流側電壓穩定值進行調節，以便將其控制在指令允許范圍內。由并聯DAB變換器組成的低壓級主要負責對各模塊的功率進行均衡分配，保證輸出端電壓維持在穩定值，確保各橋功率平衡[2]。當處于工作狀態時，直流電壓先被轉換成方波，經進一步的耦合到高頻變壓器副邊后，再以直流電壓的形式輸出，并在H橋的使用下向雙向流動，這就為級聯型電力電子變壓器在分布式發電向直流微網中的接入提供了有力的支撐和依據。整體而言，這種拓撲結構形式的級聯型電力電子變壓器，具有易于實現、模塊化、可擴展等優點，可以通過接入不同級聯單元數來達到將電網擴展至不同電壓等級目的，為今后電網的擴展奠定了良好基礎。

2 級聯型電力電子變壓器的控制策略

2.1 并聯型DAB的控制策略

并聯型DAB變換器由中間隔離的高頻變壓器和雙H橋共同組成，在第一個H橋中所產生的占空比為50%的方波電壓，并向高頻變壓器的原邊靠近；而第二個H橋則產生相同波形的電壓，但向高頻變壓器副邊繞組靠近。由于高頻變壓器在工作過程中會產生可控漏抗，為了降低或消除可控漏抗對電網的消極影響，可以通過對雙H 橋產生電壓之間移相角的控制來實現對高頻變壓器漏抗電壓的改變和電流的控制，進而實現對電能雙向流動的控制[3]。目前，有關文獻已經給出了傳遞功率值的計算公式，利用這一公式將已知的高頻變壓器漏感值、并聯DAB輸入輸出直流電壓等參數帶入到公式當中，即可求出功率值。但由于多個并聯在一起的DAB變換器在輸入端的直流電壓和變壓器參數不一致，這樣就會造成各模塊分配的功率不均衡，容易引發過電流故障。為了避免這一故障發生，就需要對各模塊功率進行均衡的分配，而這一功能和目標的實現則需要由并聯的多個DAB變換器電流的均衡來負責。基于上述需求分析，提出了一個對應的控制策略，即在并聯DAB變換器模塊增設一個電壓環和若干個電流環（3n），引入移相角和電流指令值等變量。

2.2 三相星形CHB變換器的控制策略

多級級聯的H橋整流器是電力電子變壓器的高壓級，對該級采用開關函數（包含H橋四個開關的工作狀態，用0和1表示，因而該函數的結果取值為-1、0和1三種）可以得到拓撲結構的級聯型電力電子變壓器各單元的數學模型，包括裝置的并網電抗、直流母線的負載、電壓電容等。在實際的設計過程中，盡管各H橋的參數可能達到完全一致，但因為電力電子變壓器開關損耗、脈沖延時差、傳導不平衡等因素和耦合關系的存在，會導致單相直流側電壓和三相之間直流側電壓的不均衡，影響電網調度穩定性[4]。

針對這一問題，應采取的控制策略是在多級H橋整流器雙閉環控制的基礎上增加兩個修正模塊，即相內直流電壓平衡控制模塊和相間直流電壓平衡控制模塊。相內直流電壓平衡控制的實質是在不改變單相總有功功率的前提下，對相內各單元的有功功率進行均衡的分配和維持；而相間直流電壓平衡控制的實質則是在不改變三相總有功功率的前提下，對各相之間的有功功率進行均衡的分配，并以獨立的方式對三相的有功分量加以控制和維持。當相內和相間的各單元功率達到完全平衡后，這兩個平衡控制模塊便會以相對獨立的方式運行下去，而不會對總的控制產生影響，最終實現對級聯型電力電子變壓器高低壓級電壓功率不平衡問題的解決，實現級聯型電力電子變壓器在直流微網并網設計中的良好應用。

為了檢驗出所設計的三相級聯型電力電子變壓器及其控制策略是否真實可行有效，決定采用仿真分析法對三相級聯型電力電子變壓器進行檢驗，仿真分析由MATLAB軟件來完成，仿真分析的參數包括直流電容、電容設定電壓、變壓器漏抗、高低壓機開關頻率、變壓器變化等[5]。通過對該電力電子變壓器及其控制策略的仿真分析，得到級聯型電力電子變壓器高壓級（多級H橋整流器）和低壓級（并聯DAB變換器）的仿真結果和電力電子變壓器的總結果。仿真整體結果表明，在模擬分布式發電的情形下，輸出波形呈現良好的雙向傳輸，且雙向傳輸的能量保持穩定。

3 結束語

綜上所述，電力電子變壓器在分布式電網接入中的級聯應用在當前的電網建設中是非常常見的，充分體現出了其重要性。盡管級聯型電力電子變壓器在實際的設計應用中會出現各模塊、各單元功率不均衡、電壓不平衡等問題，但通過采取有效的控制策略，則可以將這些問題較好的解決，從而實現分布式發電在電網中的接入和有效運用，滿足人們電能需求。

參考文獻

[1]劉巍.級聯型固態變壓器故障檢測與容錯技術研究[D].東南大學，2015.

[2]孫廣星，茍銳鋒，孫偉.基于MMC結構的電力電子變壓器拓撲結構及控制策略研究[J].高壓電器，2016，01：142-147+153.

[3]吳劍.模塊級聯型三相固態變壓器及其控制策略的研究[D].浙江大學，2015.

[4]張曉東，張大海.電力電子變壓器在電網故障中的控制策略[J].電力系統及其自動化學報，2014，01：39-43.

[5]季振東，李東野，孫毅超，等.一種三相級聯型電力電子變壓器及其控制策略研究[J].電機與控制學報，2016，08：32-39+47.

作者簡介：張燕飛（1981-），女，江蘇省南京人，本科，助理工程師，研究方向：電力、電子與通信工程。