基于多端口電力電子變壓器聯動運行的能量雙向傳輸仿真研究

毛智陽 尹浩斌

摘要：在交直流微網快速發展的背景下，面向分布式可再生能源可靠消納及直流負荷經濟用能的重大需求，傳統變壓器無法實現能量雙向流動及交直流混合供電。為解決這一難題，本文分析了一種新穎的多模塊化系統結構及拓撲結構，可實現多級聯、多流向的特性，建立了電力電子變壓器能量傳遞的平均模型，利用RTDS實時仿真平臺建立了兩臺電力電子變壓器聯動運行仿真模型。通過仿真分析可得，PET2的10kV AC端口實現了從發出1000 kW有功到吸收1000 kW， PET2的10kV AC端口實現了從發出1000 kW有功到吸收1000 kW，PET2的10KV DC端口實現了從吸收250 kW有功到發出250 kW有功。在多端口電力電子變壓器聯動運行狀態下，各端口電壓、功率穩定，實現能量雙向傳輸。

關鍵詞：能量雙向傳輸，電力電子變壓器，交直流微網

隨著我國分布式可再生能源的迅猛發展，分布式可再生能源在我國負荷密集區域特別是東南沿海具有巨大發展潛力，以IT類負載、變頻空調及電動汽車為代表的廣義直流用能設備比例快速升高。面向分布式可再生能源可靠消納及直流負荷經濟用能的重大需求，同時傳統交流配網中交直流源、荷接入變換環節多、系統綜合能效低、配用電環節匹配性低的問題日益凸現。亟需建設可調裕度更大、受益地域更廣、效率和可靠性更高的交直流混合系統。

對于可再生能源的有效利用方式是分布式的“就地收集，就地存儲，就地使用”，然而基于可再生能源的分布式發電系統因其間歇性、波動性，并不能充分地保證自發自用[1-2]。因此提出了包括分布式交直流主動式配電網、特高壓交直流輸電等新一代電網，其中將使用到大量的電力電子裝置設備。電力電子變壓器 PET（Power Electronic Transformer）作為一種新型的電壓變換、能量傳遞電器，正得到了越來越多的關注，已經有很多文獻就 PET 拓撲結構、控制策略進行了研究[3-7]。與傳統的變壓器相比，電力電子變壓器具有體積小，重量輕，空載損耗小，不需要絕緣油等優點[4]。文獻[8]在對配電系統PET隔離級的控制上，其變壓器原邊逆變電路和副邊整流采用開環控制方式實現，將直流調制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合至高頻變壓器副方繞組后再經過不控整流，還原成直流，研究了電力電子變壓器在不對稱負載情況下的運行特性，仿真表明，這種結構的電力電子變壓器可以很好地維持副邊用戶側電壓恒定和三相電壓平衡。

現有的文獻對電力電子變壓器集群運行、電力電子變壓器間能量雙向研究甚少，本文將在電力電子變壓器拓撲結構分析的基礎上，運用兩臺電力電子變壓器聯動運行控制，基于多功能電力電子變壓器四個電能端口都具備不同電氣參數電能之間的靈活變換、傳遞和路由功能的特點，對系統進行仿真分析完成驗證。

圖1是多端口電力電子變壓器的系統結構圖，包括四個端口，分別是10kV AC端口，10kV DC端口，±375 V DC端口以及380V AC端口，端口之間可以進行雙向的能量交換。多端口電力電子變壓器由眾多子模塊組成，主結構拓撲由多級變換組成，可提供多種不同電壓等級的交/直流電壓接口。

其中10kV AC-750DC變換級和10KV DC-750DC變換級采用模塊化設計方案。針對10KVAC-750V DC變換，采用三組低壓直流到高壓交流的變換單元組合而成，每組變換單元由若干個具有高頻隔離功能的功率子模塊采用低壓側并聯高壓側串聯的方式連接而成。每個功率子模塊功率模塊由高頻隔離DC-DC變換器和級聯H橋共同組成。高頻隔離DC-DC變換器采用雙有源全橋變換器，包括：DC/AC逆變橋，高頻隔離變壓器，AC/DC整流橋及高頻諧振電感，通過調節DC/AC逆變橋和AC/DC整流橋的占空比之間的相位關系即可實現功率的雙向流動，調節DC/AC逆變橋和AC/DC整流橋之間及各自橋臂之間的相位差即可實現對高壓側電壓的控制。多個子模塊中的H橋在高壓側進行串聯，實現網側電流控制。針對10KVDC-750DC，采用一組低壓直流到高壓交流的變換單元，每組變換單元與10KVAC-750V DC變換類似，為了適應較寬的高壓直流母線電壓波動范圍，功率子模塊內部仍采用雙有源橋隔離電路+H橋的方式，以實現更寬范圍的輸出電壓調節。針對750DC-380AC變換級采用傳統的三相全橋電路+LC濾波器組成，由于輸出要求三相四線，需額外配置△/Y型變壓器。

電力電子變壓器的建模方法分為多種，主要有開關器件的建模以及平均模型建模，考慮到電力電子變壓器結構復雜、控制精度高，對仿真精度、規模和運算速度要求很高，因此本文采用平均模型，主要用于系統層面的算法研究等進行介紹，同時介紹相應的仿真結果分析。

考慮系統的能量關系，將端口之間的接口通過電壓源或者電流源的形式，體現其能量傳遞關系，建立連接。方法如下：其中10kV AC端口和380AC端口均采用電壓源的形式體現與電網之間的能量交換，控制環路采用直流電壓與電流的雙閉環控制，實際體現的特性仍然為電流源的形式。三相電容采用電容與電流源負載的形式可以體現前后級之間的功率傳輸，以及電容的能量平衡，并且可以反應電容的穩態電壓波動。10kV DC側和375V DC側均采用電容以及電流源組合的形式體現能量關系和直流電壓控制。可以體現能量平衡關系以及電容的平均電壓。電力電子變壓器核心為功率模塊里面包含了DAB和H橋。

為了驗證多端口電力電子變壓器聯動運行條件下能量雙向傳輸特征，通過調節功率指令，實現PET1至PET2間端口功率相互流動，基于RTDS硬件在環仿真平臺進行仿真分析。

電力電子變壓器具備多個電能端口，各端口都具備不同電氣參數電能之間的靈活變換和傳遞功能。在各端口之間，根據外部控制指令或依據實際工況進行電能的傳輸分配和路徑選擇，極大增強系統運行靈活性。

可通過兩臺聯動運行，來控制單臺電力電力變壓器功率大小及方向展示多端口雙向傳輸特性。

3.1 PET2 10kV AC從0到發出1000kW有功功率

兩臺電力電子變壓器聯動運行PET2 10kV AC從0到發出1000kW有功功率，以檢查10KV AC端口功率升高時系統能否穩定運行。如圖所示，（1）10KV AC端口功率升高時系統穩定。（2）PET2的10kV AC功率指令由0變為1000kW后，PET1 10kV AC有功功率由-10kW，經過10.3769s，下降到-1018kW，下降速率為97.13kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由9kW，經過10.3987s，上升到1000kW，上升速率為95.30kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由2kW，經過10.1446s，上升到928kW，上升速率為91.28kW/s。PET2 ±375V DC直流母線電壓由0.748kV，經過10.0115s，下降到0.693kV，下降速率為5.49V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-12kW，經過10.2329s，下降到-929kW，下降速率為89.61kW/s。

3.2 PET2-10kV AC從發出1000 kW有功到吸收1000 kW

兩臺電力電子變壓器聯動運行PET2 10kV AC從發出1000 kW有功到吸收1000 kW，以檢查10KV AC端口功率反轉時系統能否穩定運行。如圖所示，（1）10KV AC端口功率反轉時系統能穩定運行。（2）PET1 10kV AC有功功率由-1017kW，經過20.1664s，上升到980kW，上升速率為99.03kW/s。PET1 ±375V DC直流功率由999kW，經過20.5318s，下降到-996kW，下降速率為97.16kW/s。（3）PET2 10kV AC有功功率由937kW，經過20.2995s，下降到-1062kW，下降速率為98.48kW/s。PET2 ±375V DC直流母線電壓由0.693kV，經過20.1004s，上升到0.804kV，上升速率為5.52V/s。PET2 ±375V DC直流功率由-930kW，經過20.5651s，上升到1061kW，上升速率為96.81kW/s。

3.3 PET2 10KV DC從吸收250 kW有功到發出250 kW有功

兩臺電力電子變壓器聯動運行PET2 10KV DC從吸收250 kW有功到發出250 kW有功，以檢查10KV DC端口功率反轉時系統能否穩定運行。如圖所示，（1）10kV DC端口功率反轉時系統能穩定運行。（2） PET2側10kV DC功率指令由-250kW變為250kW。功率指令更改，PET1側10kV AC端口功率從約-114kW變為約-25kW，上升階段經過一個半周期，上升速率約0.175MW/s，峰值功率約-21kW，共波動13個周期，波動周期約234ms，穩定時間約3.51s。PET1側±375 DC端口功率從-895kW變為-485kW，峰值功率約-458kW，上升速率約0.793MW/s，共波動5個周期，波動周期約238ms，穩定時間約2.16s;PET1側±375 DC端口電壓穩定。功率指令更改，2.16s之后，PET2側10kV AC端口功率、電壓穩定。PET2側±375 DC端口功率從947kW變為500kW，峰值功率約-477kW，下降速率約0.828MW/s，共波動5個周期，波動周期約238ms，穩定時間約2.16s;PET1側380V AC端口電壓、功率穩定。

從仿真驗證可以看出，兩臺電力電子變壓器聯動運行中在對PET2的10KV AC端口功率升高、功率反轉，以及10kV DC端口功率反轉時，各端口的電壓、功率穩定，說明在能量傳輸過程中均能達到系統穩定。

本文研究面對新一代電力電子設備——具有多端口多級聯多模塊化結構的電力電子變壓器兩臺聯動運行方式，通過對變壓器的10kV AC端口和10KV DC端口進行功率指令的仿真試驗和仿真分析，可以得出以下結論，利用兩個多端口電力電子變壓器的聯動運行，可以實現功率雙向流動和系統穩定控制，在兩端口之間可以進行能量傳輸，實現電能功率互濟。

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