基于電力電子技術的無耦合變壓器研究與應用

張煥強，李育毅

（潮州供電局，廣東 潮州 521000）

0 引言

近年來隨著各類新興家用電器用量飛速增長，當前配電臺區網架結構呈現供電半徑大的現狀，導致用電峰谷期常常出現供電電壓波形畸變、偏差較大超出國標限值的問題，嚴重影響居民用電設備正常運行。電氣設備只有在額定參數運行才能穩定發揮其作用，同時效率也比較高。但是當其輸入電壓偏差較大時，設備運行性能和工作效率會明顯下降，嚴重時易引起過電流或過電壓而導致設備損壞[1]。目前，在配電臺區治理電壓問題采取的主要措施是變壓器有載調壓和無功補償，如變壓器檔位調整、自耦調壓器調壓、電容器補償、SVG補償等等，以上方法存在需要短暫停電、調壓精度低，響應速度慢和調壓效果差的問題。因此，本文提出的基于電力電子技術的無耦合變壓器結構電壓調整方法，能夠綜合分析采樣點電能質量問題，利用精確算法結合電力電子技術，改善電能質量，保證輸出穩定可靠的供電電壓。

1 兩電平半橋無耦合變壓器拓撲結構

若采用將輸入電壓全部經過AC-DC-AC轉換實現輸出目標穩定電壓的全補償模式，會產生電力電子期間開關頻率低，功耗增加等缺點。因此，本文提出了部分補償模式的基于電力電子技術的無耦合變壓器結構采用兩電平半橋無耦合變壓器拓撲結構，即在輸入電壓、電流的基礎上、補償與目標電壓的差值，從而實現輸出目標電壓的目標。

該系統包含并聯和串聯兩大部分，并聯部分為AC-DC整流輸入部分，串聯部分為DC-AC逆變輸出部分。整體系統由整流單元、直流側儲能單元、逆變單元、輸出LC濾波單元組成[2]，相較于三橋臂結構，其主電路電力電子器件數量少，成本低且體積小。該系統半橋結構的串聯部分和并聯部分不存在耦合，控制簡單易實現，解決了三橋臂結構必須通過復雜控制策略控制公共橋臂電壓解除橋臂之間的耦合問題。

2 控制策略

2.1 同相電壓補償控制方法

基于電力電子技術的無耦合變壓器結構電壓調整方法采用同相電壓補償控制方法。該方法利用鎖相環原理實現輸出電壓與電網電壓同步，控制器通過鎖相環將電網電壓的頻率和相位作為參考信號，控制環路內部振蕩信號的頻率和相位，鎖相環所鎖住的電網相角作為目標電壓的相角，跌落前負載的電壓為目標電壓幅值，確保在補償電壓與跌落時的電網電壓同相基礎上進行幅值疊加[3]。

2.2 串并聯LCL回路控制實現方法

基于電力電子技術的無耦合變壓器結構采用基于DSP和FPGA的雙CPU結構的控制方式，其中DSP負責對采樣電壓、電流進行諧波分析檢測，將檢測的諧波電壓指令及控制命令通過數據交互發送至FPGA，FPGA通過DSP得到指令和控制命令，并提供給ADC，ADC根據控制命令對采樣的電壓、電流信號進行轉換[4-5]，轉換之后的信號進入控制模塊進行控制計算，得到調制信號通過波形發生模塊與FPGA內部的三角波進行比較，最后得到電力電子開關器件的驅動信號。串并聯LCL回路均采用電壓、電流雙閉環控制，并且采用FPGA重復控制算法實現輸入電壓、電流信號精確無靜差，輸出電壓的無差跟蹤，提高系統的抗擾動性能。

并聯LCL輸入回路控制策略采用母線電壓外環、電感電流內環的雙閉環控制方式，這樣能夠實現跟蹤交流信號無靜差，因此達到最優的控制效果。為了增加系統穩定性，本文考慮在入網側增加有源阻尼算法來抑制抑制并聯LCL輸入回路的諧振峰。相較于增加阻尼電阻的方式，有源阻尼控制沒有附加的阻尼電阻，只是通過算法增加系統阻尼，因此不但不會增加系統的損耗，而且能夠提高系統效率，易實現，應用廣泛。此外，在并聯LCL輸入回路控制中加入電網電壓前饋能夠使并聯側電流不受電網電壓畸變的影響，從而保證直流母線電壓穩定，確保串聯LCL輸出回路正常逆變輸出。

串聯LCL輸出回路控制策略采用輸出電壓外環、電感電流內環的雙閉環控制方式。為了能夠快速跟蹤給定電壓，并能有效抑制電壓畸變，因此，串聯LCL輸出回路的電壓外環控制方式采用重復控制方法。本文考慮引入負載電流前饋來抵消非線性負載的影響，控制器的交流輸出信號通過慣性環節延時后，在拓撲上經PWM控制輸出?？刂七壿嬍窍扰c電容電壓作差形成電感電壓，再把電感兩端電壓通過等效電抗分析計算后形成流過電感的電流，電感電流與負載電流求和作為電容電流，最后與電容的容抗分析計算后形成電容兩端的輸出電壓。

2.3 FPGA重復控制算法

重復控制是在被控對象增加設定偏差信號的基礎上再疊加一個前饋的上一個周期同時刻的控制偏差信號，通過偏差重復利用提高跟蹤精度，其原理為基于內膜原理的一種控制算法，不但跟蹤精度高，而且能夠以比較簡單的結構實現多次諧波的抑制目標，易于實現數字控制。重復控制算法通過疊加反饋上一個周期同時刻的偏差信號來實現內膜功能，利用周期延時單元達到超前補償目的，本周期時刻的信號偏差會在下個周期同一時刻產生影響，通過延遲一個周期疊加前一周期同時刻信號偏差實現超前性，本文提出裝置通過針對控制對象設計補償器，讓其為控制對象提供幅值和相位補償。裝置重復控制方法邏輯為首先通過FPGA地RAM將誤差數據存儲起來，實現重復控制內膜，再利用DSP分析計算進行相位補償、幅值調整，最后通過串并聯LCL二階低通濾波器進行輸出。

3 實例應用

3.1 臺區概況

10kV白蓮線523峙溪村許厝公用臺區，配變容量100kVA，最大電流122.31A（A相），三相供電半徑416米，單相（A相）最大供電半徑605米。平均功率因數0.91。A向低壓配電線路所轄用戶23戶，用電高峰期，末端用戶最低電壓169.7V。

3.2 應用效果分析

基于電力電子技術的無耦合變壓器結構電壓調節裝置安裝于該臺區A相低壓配電線路#11桿處，安裝點后有14戶居民，裝置輸入最低電壓171V，輸出電壓穩定在220V。2021年7月16日0時至2021年7月18日0時，設備輸入輸出電壓幅值曲線如圖1。

圖1 輸入輸出電壓幅值趨勢圖

裝置輸入電壓總諧波畸變率THD最大值為7.5%，輸出電壓總諧波畸變率THD最大值為2.3%，大部分時間穩定在1%以內。2021年7月16日0時至2021年7月18日0時，設備輸入輸出電壓總諧波畸變率趨勢圖如圖2。

圖2 輸入輸出電壓總諧波畸變率趨勢圖

綜上可知，裝置能夠快速跟蹤補償輸入端電壓，且對電壓諧波起到抑制作用，輸出穩定正弦波電壓，改善了安裝點后供電電壓質量，提升了后端用戶用電體驗，為供電企業樹立了良好的形象。

4 結語

裝置工程實例驗證結果表明：①在電壓波動及存在諧波的工況下，裝置能夠快速響應，輸出穩定電壓；②DSP+FPGA 雙CPU的控制方式及電力電子技術的優越性體現在：跟蹤補償精度高、響應快，AC-DC-AC轉換不僅可以實現電壓補償，而且可以對諧波電壓進行治理，降低電壓諧波畸變率，確保輸出標準正弦波電壓，提高供電電壓穩定性和可靠性；③基于電力電子技術的無耦合變壓器結構裝置在低壓配電線路進行電壓調整的方法，不僅在改善供電電壓質量方面具有可行性和有效性，而且為供電企業在配電臺區改善供電電壓質量開辟了新的研究思路和方向。