電力電子變壓器優化控制策略研究

杜運珍

（江蘇省灌南中等專業學校，灌南 222500）

電力電子變壓器是實現電壓變換與能量控制的智能變壓器，對其優化控制具有一定的必要性。目前，傳統的控制策略操作過程復雜，在電力系統中，變壓器輸出級母線的負載過大，必然會降低變壓器的電壓質量，使其對電能質量十分敏感。而采用主從式控制或下垂式控制策略，受到復雜電力環境影響，控制效果較差。為此，以主從控制為研究對象，提出了一種滿足負荷功率要求的變壓器負序跟蹤方法。電力系統中，負荷不平衡而產生負序分量，使電壓不對稱，針對這一問題，結合電力電子變壓器工作原理，提出優化控制策略。

1 電力電子變壓器工作原理分析

電力電子變壓器是由12個H橋組成的輸入級控制器，能夠實現不同電壓輸出，其內部安裝的隔離層通過雙向全橋電路并聯，實現雙向電隔離。變壓器輸出層處安裝的反相器主要負責向用戶提供并聯所需電壓，在H橋電壓控制下，穩定電容器電壓的輸出。輸入級的交流端使用內環電流控制器，保證由隔離層輸出的電流波形具有規律性[1]。

目前，電力電子變壓器內部安裝逆變器，該逆變器采用主從式控制方式，保證了電壓穩定。該逆變器采用恒功率控制，對給定的有功、無功負責。使用該控制方式能夠有效提升電力電子變壓器的輸出功率，在三相對稱負載時，輸出電壓會發生變化，電流波形也不同。在這種主從式控制策略中，從式逆變器只能提供基本正序功率補償[2]。在負荷不平衡的情況下，由負荷產生的基本負序電流必須進入主逆變器。在當前控制方案中，連續注入負載勢必會導致輸出電壓不對稱，基于此，對電力電子變壓器的優化控制策略進行了詳細分析。

2 負載不平衡對電力電子變壓器電壓的影響

目前，在主從式控制系統中，主逆變電源為實現系統輸出電壓和頻率穩定，主要采用電壓電流雙閉環控制策略。在非對稱負荷下，負荷電流既有正序又有負序成分。正序組電壓可等價為電壓源和輸出阻抗的串聯結構，負序組電壓可等價于獨立阻抗結構[3]。它包含三相負載電流幅值不平衡和相位不平衡兩部分，利用對稱分量法，可以將任何一個三相不平衡相分解成三組平衡相，這三種化合物分別為正序組分，負序組分和零序組分。由此構建了一種三相不平衡線性負荷數學模型：

公式（1）中，Ip、In、I0分別表示正、負、零序列電流值；θp、θn、θ0分別表示正、負、零序列電流初始相位。在常規控制策略下，由于輸出級負載不平衡，在旋轉坐標下使三相輸出電壓產生2倍于工頻波動分量。在該坐標系中，脈沖信號的不平衡輸出，會直接影響電壓分量，尤其在正、負、零序電壓共同影響下，輸出級電壓產生了負序分量[4]。正、負、零序電壓相量間關系如圖1所示。

圖1 正、負、零序電壓相量圖

主逆變控制回路采用了旋轉坐標系結構，因此可利用PI調節器實現對直流量的無靜態控制，從而大大提高了系統的運行效率。但是，在負載不平衡的情況下，由于電源的2倍頻率脈動分量存在，以及傳統逆變器控制循環中2次電源頻率一般都不夠高，當三相電壓不平衡時，使傳統的逆變器控制回路很難達到輸出平衡。

3 優化控制策略研究

基于負載不平衡對電力電子變壓器電壓影響，雖然使用傳統單相移相控制技術已經比較成熟，傳輸功率的大小和方向可通過調節初級電壓和次級電壓的相位差來控制。但傳統的單相移相控制策略，雙向隔離DC-DC變換器不能有效抑制回傳功率，從而降低了功率傳遞效率，增大了電感電流應力和輸出電壓紋波，更高電流應力對電子元件選擇不利。更大的電流紋波使系統必須滿足特殊電壓紋波的要求，增大直流濾波電容容量不利于牽引變壓器實現輕量化[5]。因此，提出了一種雙相移控制策略，通過調整內部相移程度，有效地抑制回傳功率，減小電流應力和輸出電壓紋波。

3.1 雙移相控制原理

當輸出有功功率相同時，單、雙移相控制的最大電流應力與輸出有功功率相同時，直流變流器的回波功率也相同。因為內部移相的增加， DC變流器在輸出相同有功功率的情況下，采用單相位移相控制策略，以獲得比雙相位移相控制更大的返回功率。對輸出電壓紋波的有效抑制是通過功率抑制實現的，在滿足特殊電壓波紋要求前提下，該系統可減輕濾波電容重量，對于實現牽引系統輕量化具有重要意義。

3.2 輸入均壓控制策略

基于單相向量控制策略，引入了電壓均衡控制。利用單相矢量控制器獲取開關調制信號；PI調節器對各整流模塊輸出的直流電壓偏差產生補償信號，通過調制模塊改變有功功率流增量，使輸入直流電壓均勻分布。系統中的有功功率和無功功率控制由于控制元件相互獨立而實現了解耦，將載波移相技術引入PWM調制模塊，提高了變換器等效開關頻率，有效抑制了電網側電流諧波，改善了牽引網電能質量。

3.3 輸出均流控制策略

在ISOP拓撲結構中，當輸入DC電壓相等時，由于模塊輸出為并聯，每個模塊輸出DC電壓自動保持不變。這時模塊參數不同，將導致等效電感不相等。采用移相控制策略，調節直流變換器各模塊之間的移相角，消除各模塊之間由于參數差異造成的有功功率流分配不均的情況，實現輸出電流共享。

基于移相控制原理，圖2給出ISOP輸出電流共享控制框圖。控制鏈可以分為電壓控制外環和電流控制內環，電壓外環是用來穩定輸出直流電壓和產生內環所需要的電流參考值Io_ref。電流內環為電流平衡環，通過PI調整器，調整各模塊電流偏差產生所需的相移角和相移電路產生觸發脈沖，通過調整直流變換器各模塊的有功功率流分布，使其輸出的直流電流達到平衡。這種控制方法以輸出直流電流的實測值作為反饋信號，無需復雜的功率計算，便于實現。

圖2 ISOP輸出均流控制框圖

4 仿真實驗分析

變壓器作為電壓等級轉換的主要部件，是電力系統的重要組成部分之一，為了驗證電力電子變壓器優化雙移相控制策略研究的合理性，以江蘇省灌南中等專業學校合作的灌南縣某供電公司為例，通過RT-LAB實驗平臺，在采用單移相控制策略和雙移相控制策略進行實驗驗證分析，實驗環境如圖3所示。

圖3 實驗環境

分別使用單移相控制策略和雙移相控制策略對輸入電壓和輸出電流控制，對比結果見表1、表2。

表1 兩種策略輸入電壓對比分析（單位：V）

表 2兩種策略輸出電流對比分析（單位：A）

由表1可知，使用單移相控制策略與期望值相差較大，最大誤差為11V，而使用雙移相控制策略與期望值在實驗次數為5次時一致，其余誤差較小，最大誤差為2V。

由表2可知，使用單移相控制策略與期望值相差較小，最大誤差為2A，而使用雙移相控制策略與期望值在實驗次數為3、4、5次時一致，其余誤差較小，最大誤差為1A。

綜上所述，使用雙移相控制策略控制效果較好。

5 結語

在電力系統中，不對稱性負荷會給電力電子變壓器供電質量帶來嚴重影響，容易出現配電網設備運行不穩定問題。針對這一問題，提出了一種相移控制策略。這種控制策略可以有效地抑制電網側的諧波，改善拖網電能品質，提高電網運行穩定可靠性。對ISOP系列電力電子牽引變壓器輸入、輸出電流不平衡的原因進行了分析，提出的電力電子牽引變壓器輸入、輸出并聯串聯系列電壓、電流均衡控制方法能夠解決傳統控制方法存在的問題，為保證電力電子變壓器穩定運行提供技術支持。