智能電網固態變壓器輸入級功率因數校正研究

孫珊珊

（綏化學院信息工程學院 黑龍江綏化 152000）

一、引言

農村電網存在配電變壓器年利用小時率低、線損較大、網側電流含有大量奇次諧波等問題，農村電網智能化改造是建設堅強智能電網的重要環節，而新興的固態變壓器具有電氣隔離變換、無功補償和抵御閃變等智能化功能，可改善電能質量并降低網損。其利用電磁感應原理和高頻電力電子變流技術，通過由直流環節過渡的AC/DC/AC間接變換實現智能變電的作用，在抑制輸入側電流的諧波產生及具備良好的輸出可控特性的基礎上，實現原方電流、副方電壓和功率的靈活控制的功能，故固態變壓器在減少電網能損、提高電力品質方面具有顯著效果[1-5]。

目前，農村電網依然存在三相負載不平衡現象，增加農電線路損耗，導致農網運行功率因數偏低。本文提出并采用一種新的固態變壓器控制方案--電壓電流雙閉環控制策略，并利用Matlab/simulink仿真軟件進行了功率因數校正實驗研究。

二、三相級聯式固態變壓器輸入級結構及基本工作原理

（一）固態變壓器工作原理。含有直流環節的AC/DC/AC型級聯式固態變壓器目前在國際上認可度高投產率大，其三級結構包括：輸入級、隔離級和輸出級。輸入級通過PWM調制技術可實現原、副邊電壓，電流，功率的靈活控制，是當今重要的科研方向之一。

圖1 固態變壓器基本原理示意圖

聯型固態變壓器結構如圖2所示。輸入級是將網側交流電變換為高壓直流電的PWM整流電路;隔離級為DC-DC變換單元，將高壓直流通過逆變器調制成高頻方波，且達到變換過程中漏感很小的要求；輸出級為三相逆變電路，逆變過程后的穩定三相交流電可供給閥側負載使用。

圖2 三相級聯型固態變壓器結構

（二）輸入級PWM整流電路。基于上述工作原理，本文選用三相電壓型六橋臂PWM整流電路作為三相固態變壓器的輸入級部分，可有效地防止出現過流及輸出短路的故障現象，控制起來相對容易，通過選擇適當的控制策略可以達到減少諧波的目的，且有利于保持原方電流波形的穩定性，便于實現電壓電流雙閉環控制。其主電路拓撲結構如圖3所示。

對網側電壓進行幅值及相位控制時，三相電壓型六橋臂PWM整流電路具有以下優點：（1）電流波形正弦輸入（2）實現單位功率因數控制（3）降低電網無功分量（4）減少網測諧波干擾（5）雙向傳遞功率，提高電網再生能力。

圖3 三相電壓型PWM整流器

三、三相固態變壓器輸入級控制策略

設電網電壓三相對稱，網側電感L為線性，電壓型高頻PWM整流裝置的拓撲結構如圖3所示，其中udc為直流電壓，R為負載電阻。

對電壓型PWM整流器進行建模并分析其數學模型，為達到輸入級實現單位功率因數運行的目的提出電壓電流雙閉環控制策略，同時提升靜態特性，加快動態響應。因輸入級采用三相電壓型整流器作為固態變壓器的前級整流部分，其在靜止坐標系下的表達式為：

式中SA、SB和SC為開關函數，且上下橋臂開關狀態互補。由于表達式為瞬時變量，控制難度大，故采用坐標變換映射的方法，將a，b，c三相交流量變化到旋轉坐標系（dq0）下，以實現獨立控制有功和無功。圖4為輸入級控制策略框圖，θ=ωt，θ為網側電壓相位，ω為同步旋轉角速度。T(θ)為旋轉坐標系（dq0）的變換矩陣。其定義表達式為：

電壓外環實現直流輸出的恒定，電流內環控制輸入電流相位對輸入電壓的跟蹤。對控制原理進行優化：（1）利用SVPWM發生器產的脈沖信號對三相PWM整流器進行控制，限制開關損耗并降低反激電壓。（2）利用PLL鎖相環對時脈信號進行統一整合，使高頻器件正常工作。

表1 PI控制器設置參數

四、仿真結果與分析

圖5 固態變壓器輸入級仿真模型

圖5為輸入級模型，在此仿真實驗中對特定負載進行切換來分別分析系統的靜態特性和動態特性，仿真時間設置為0.5s，滿載過程持續第一個0.15s，立即切換為120%負載，持續第二個0.15s，然后再立即切換成30%負載，持續第三個0.15s至仿真過程結束。輸入工頻電壓為10kV，設直流電壓參考值為18kV，采樣時間Ts==5e-6s。在此過程中選擇使用SIMPOWERSYSTEM中的理想開關元件從而達到忽略開關損耗的理想狀態，并對其內部電阻阻值進行設定，大小為0.01Ω，初始為0或1狀態。

圖6 輸入級電流電壓仿真波形圖

圖6中，輸入級原邊電壓波形如（a）所示，波形為正弦三相對稱狀態且幅值Em=8131V。輸入級A相電壓電流波形如圖（b）所示，在滿載運行時，電流實現電壓跟隨的時間短且為0.05s，證明電壓跟隨特性良好且處于單位功率因數運行狀態，網測諧波少，正弦度高，電流品質好。由圖（c）可看出：穩態電壓值在0.05秒內迅速過渡到18kV且在極短時間內進入到5%誤差帶，證明仿真實驗中PI參數的選擇合適且輸出，系統響應速度迅速且反應靈敏，系統的無差度的提高使直流電壓實現穩定且連續的輸出。由圖（d）可看出：在進行負載切換（1.2倍負載切換至0.5倍負載）時，過渡過程時間短暫，輸入側電壓和電流波形良好保持同相位運行，實現單位功率因數運行目標，實現降低電能損耗。

圖7 切換負載時交流側功率變化

由圖7可看出，在進入穩態后的有功功率隨負載變化且維持穩定狀態，無功功率基本為0Var。

五、結論

提出了固態變壓器輸入級采用電壓電流雙閉環的控制策略從而實現功率因數校正目標，搭建仿真實驗模型，結果印證了該控制策略可實現固態變壓器輸入級的功率因數校正且對功率、電流、電壓的控制性能良好，可有效改善農村電網特性并進行無功補償。