負荷波動對PET運行影響及應對策略研究

涂春鳴，李小棟，蘭　征，肖　凡，帥智康

(湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙410082)

負荷波動對PET運行影響及應對策略研究

涂春鳴，李小棟，蘭征，肖凡，帥智康

(湖南大學電氣與信息工程學院,湖南長沙410082)

負荷波動會影響電力電子變壓器(power electronic transformer，PET)的穩定運行，尤其是會導致直流側電壓波動和輸出電壓畸變。針對此問題，基于PET輸入輸出功率守恒提出了一種應對策略。首先通過建立負荷波動時的小信號模型，然后利用該模型分析了負荷波動影響PET運行的原因，最后通過對PET的輸出功率引入前饋控制，使系統對于輸出功率變化獲得較快的動態響應速度，減小直流側電壓波動和輸出電壓畸變。仿真結果驗證了所提出的控制方法的可行性和有效性。

電力電子變壓器；穩定運行；直流側電壓波動；輸出電壓畸變；功率前饋

近年來隨著電力電子技術在電力系統中的應用日趨廣泛，出現了一種通過電力電子裝置實現電力系統中電壓變換和能量傳遞的新型變壓器—電力電子變壓器(Power electronic transformer，PET)。PET由于具有輸入輸出功率因數可調和可實現功率雙向流動等優點，有望成為未來智能變壓器的發展趨勢。

目前對于PET的研究主要集中在拓撲結構和控制策略上[1-2]，對于負荷波動對PET運行的影響，尤其是對直流側電壓和輸出電壓質量的影響研究較少。文獻[3]提出利用大電容的穩壓作用，一定程度上可抑制直流側電壓的波動，但可能會降低系統的動態響應并增大系統的體積。文獻[4]提出了一種變結構控制的PWM整流器，通過瞬態、穩態間的控制策略切換減小直流側電壓的波動，但可能會降低系統的瞬態功率因數。文獻[5]提出通過直接或間接地保持電容電流為零，達到抑制直流側電壓波動的目的。文獻[6]提出了一種用低壓直流側電流作為前饋信號的控制方法，但該方法只考慮了直流負荷，未考慮交流負荷波動對PET運行的影響。

本文采用小信號分析方法，分析了PET負荷波動對直流側電壓和輸出電壓的影響，基于PET輸入功率與輸出功率守恒提出了一種應對策略。通過將交直流負荷的功率信號轉換成電流信號并前饋，保持PET輸入功率與輸出功率始終相等，從而使PET在負荷波動時獲得較快的動態響應速度，減小直流側電壓的波動并提高輸出電壓的質量。

1　PET的基本工作原理

圖1為PET的基本拓撲結構圖，由輸入級、隔離級和輸出級三個部分組成。輸入級由多個單相整流橋級聯組成，且每個整流橋并聯一個電容，從而可降低每個開關管上所承受的電壓，使PET能夠適應較高的輸入電壓；隔離級的核心是雙主動全橋(Dual active bridge，DAB)，由單相全橋逆變器、高頻變壓器和單相全橋整流器組成。由于結構上的對稱性，DAB可以實現功率的正反方向流動，同時其低壓直流側也可為分布式電源提供直流接口；輸出級由三相全橋逆變器和LC濾波器組成。

圖1　PET的基本拓撲結構圖

PET的工作原理為：高壓交流輸入經級聯整流橋變換為多級的高壓直流，再分別通過全橋變換電路調制成高頻方波，經高頻變壓器耦合到二次側后，高頻方波再通過全橋變換電路被還原成直流，最后逆變器將低壓直流母線電壓變換為三相交流輸出。

2　負荷波動對PET運行影響分析

負荷波動時，輸入級和隔離級對輸出功率的改變響應較為緩慢，會出現直流側電壓波動和輸出電壓畸變，本文采用小信號模型對此進行分析。

2.1高壓直流側電壓波動分析

輸入級作為PET與網側的接口，其對PET負荷波動的響應能力直接決定著PET運行的穩定性。根據基爾霍夫電流定律和功率守恒原理，假定低壓直流側電壓在負荷波動時不發生波動并忽略損耗，圖1中的輸入級部分可得：

式中：v1為高壓側直流電壓；i0為整流橋輸出電流；i1為整流橋負載電流；u、i為電網電壓、電流有效值；po為PET輸出功率；C為高壓直流側電容。

穩態時電網電流有效值和參考電流之間有 (輸入級采用D-Q同步旋轉坐標系的空間矢量控制)[7]：

利用式(2)和小信號的線性化技術分析式(1)，可得輸入級的小信號模型：

由式(3)可得小信號控制框圖2。圖中GU為PI控制器的傳遞函數，其它傳遞函數如式(4)所示：

圖2　小信號控制框圖

由圖2可以推導出電壓波動與輸出功率波動之間關系為：

由式(5)可知，由于G項不為零，因此高壓側直流電壓v1會產生與輸出功率相反方向的波動。

2.2低壓直流側電壓波動分析

DAB的功率取決于輸入級的功率大小，假定負荷波動瞬間輸入級功率不變，并忽略損耗：

式中：pDAB為DAB的平均功率；pc為低壓直流側電容的功率(穩態時為零)；po為PET輸出功率。

由式(6)可知，負荷波動時輸入功率不變即pDAB不變，po的波動會改變pc，即會使低壓側直流電壓v2產生與po相反方向的波動。

2.3輸出電壓畸變分析

帶有LC濾波器的三相逆變器在D-Q坐標系下的數學模型為：

負荷波動時，由于LC濾波器的抑制作用，式(7)中逆變器輸出電流向量i不會產生突變，v2的波動會使負載電壓向量uo產生相同方向的波動。

3　PET應對負荷波動控制策略

為解決由負荷導致的直流側電壓波動和輸出電壓畸變，本文基于PET輸入功率與輸出功率守恒提出了一種PET的前饋控制，控制框圖如圖3所示。通過將PET交直流功率信號轉換成電流信號分別前饋到PET的輸入級和隔離級，減小負荷波動對PET運行的影響。

在PET的控制策略中，輸入級采用D-Q同步旋轉坐標系的空間矢量控制[9]，隔離級采用移相角控制[10]，其中移相角計算如式(9)：

圖3　PET前饋控制框圖

式中：fs為DAB開關頻率；Ls為變壓器漏感；n為變壓器變比。

為使輸入級的輸入功率能夠跟隨輸出功率的變化，將輸出功率等效為整流橋的負載電流，再前饋到輸入級的電流內環控制中。同時用輸出功率等效為隔離級的負載電流，再用其計算相移角度φ，使隔離級功率傳輸也能較好地跟隨輸出功率的變化。

根據瞬時無功功率理論[8]，交流瞬時有功功率P和瞬時無功功率Q為：

PET直流輸出功率為：

式中：i2dc為隔離級的直流負載電流。

結合式(10)(11)可得PET總負載功率：

當PET忽略開關損耗和變壓器的損耗時：

結合式(12)(13)可分別得到整流橋和隔離級的等效負載電流i1'和i2'為：

前饋過程如圖3虛線部分所示。由于采用了PET已有的輸出狀態量，所以輸出功率計算并不需要額外的傳感器。

4　仿真分析

為了驗證上述前饋控制策略的有效性，對圖1所示的拓撲圖搭建了仿真，參數如表1所示。

表1　PET參數

為驗證負荷波動對PET運行的影響，選取PET五種不同的交直流負載情況，參數如表2所示。PET的負荷按照運行點ACADEBCEA的順序進行切換，直流側電壓和輸出電壓瞬態響應分別如圖4、5所示。當PET在重載下或輕載下切換，如圖4和圖5(a)所示，直流側電壓波動較小，輸出電壓的畸變也不明顯；當PET在空載、輕載和重載之間切換，如圖4和圖5(b)所示，直流側電壓波動較大，輸出電壓也存在較大畸變，會對PET的穩定運行產生較大影響。

選取運行點B、C、E，按照CEB的順序進行切換，0.4 s時由C切換至E，0.6 s由E切換至B，如圖6～8所示。

表2　PET負荷情況

圖4　直流側電壓瞬態響應

圖5　輸出電壓瞬態響應

圖6　不同控制策略的直流側電壓瞬態響應

圖6為采用不同控制方法得到的直流側電壓瞬態響應。與高壓直流側電壓相比，由于仿真選取的低壓直流側電容較大，對電壓波動具有一定抑制作用，因此出現的波動小于高壓直流側，由圖可以看出使用本文的方法時，對波動具有較好的抑制作用。

圖7為采用不同控制方法時的功率瞬態響應。如圖所示，PET采用本文的方法能夠通過改變輸入功率大小迅速響應負荷波動，同時隔離級也能做出同樣響應使輸入功率迅速地傳遞到輸出級。

圖7　不同控制策略的功率瞬態響應

圖8為采用不同控制方法的PET輸出電壓(A相)。由圖可知，無前饋控制的輸出電壓在0.4和0.6 s時會出現較大畸變，而采用本文的方法在0.4和0.6 s時都有較好的控制效果。對0.4～0.5 s和0.6～0.7 s共10個周期的A相電壓進行諧波分析，如表3所示。無前饋控制在負荷波動時輸出電壓的基頻分量與參考值相比會出現較大的波動，且諧波畸變率較大。而采用本文的方法對輸出電壓的畸變有較好的抑制效果。而負載功率在穩態時，無前饋和本文的方法在控制效果上沒有太大差別。

圖8　不同控制策略的輸出電壓(A相)

表3　諧波分析結果

5　結論

本文通過建立負荷波動時的小信號模型，分析了直流側電壓波動和輸出電壓畸變的原因，提出了一種前饋控制策略。仿真研究表明，該方法對直流側電壓波動具有較好的抑制作用，對輸出電壓的質量也有明顯的提高，同時可以在較小的直流側電壓波動情況下，用較小的電容取代大容量電容，減小系統的體積并降低成本。

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Effects of load fluctuations on PET operation and its control strategies

TU Chun-ming,LI Xiao-dong,LAN Zheng,XIAO Fan,SHUAI Zhi-kang
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

The stable operation of power electronic transformer will be impacted by load fluctuations,especially to DC link voltage and output voltage.To solve this,control strategies based on the input and output power conservation of PET were proposed.Firstly,small-signal model of load fluctuations was built in this paper.Then,the reasons of the impacts on PET caused by load fluctuations were analyzed with the model.Finally,less impact on DC link voltage and output voltage could be achieved through adding a feed-forward control to PET,which greatly speeded up the system response to the power changes.The results of simulation verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy.

power electronic transformer；stable operation；DC link voltage fluctuation；output voltage distortion；power feed-forward

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2051-04

2016-03-16

國家自然科學基金(51377051)

涂春鳴(1976—)，男，江西省人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子在電力系統中的應用等。