雙電源輸入環境下的電力電子變壓器運行研究

苗宇，袁旭峰，鄒曉松，邵振，談竹奎，徐玉韜

(1.貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025； 2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550002)

0 引 言

電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)是一種結合了電力電子元器件和高頻變并采用相應控制策略的新型電力變換設備，能夠實現電壓等級、波形幅值和相角等電力特征變換的電力設備[1-3]。電力電子變壓器由于使用了大量的電力電子器件且同時兼有交、直流環節，所以除了能方便接入直流電源和負荷以外還能夠調節電能質量，這是電力電子變壓器最為實用也是最顯著的一個特點。故電力電子變壓器已成為未來電網的重要組成部分[4]。

綜合現有文獻，目前電力電子變壓器的主要研究內容集中在適用于豐富系統功能以及提高系統性能等方面的拓撲結構以及相應的控制策略研究。文獻[5]系統地總結、分類并歸納了電力電子變壓器的常規控制策略，但沒有進行較為詳細的實驗仿真分析。文獻[6-7]對PET存在的故障情況進行了詳細分析并提出相應的保護措施，實現了故障時PET具有一定的自阻斷能力。文獻[8-9]驗證了PET可以和多臺PET亦可與常規變壓器并聯運行，進一步提高系統的供電可靠性與供電容量，且在此運行模式下實現有功負荷與無功負荷的合理分配。文獻[10]提出的變MMC子模塊結構能夠在配電網電壓跌落故障的工作模式下，能夠延長輸出電壓的穩定時間，其輸出級三相四橋臂逆變器適用于不平衡負載，但其控制策略較為復雜。文獻[11]在PET隔離級雙有源橋(DAB)等效模型中加入變壓器磁化電感和銅耗電阻以使傳輸二次脈動功率的性能增強，并采用PIR控制抑制直流側二次紋波電壓幅值。電力傳輸中斷和電壓波動會對生成重大的停電事故以及巨大的損失，而雙電源供電模式將降低這些意外工況的產生，大大提升了供電可靠性。當一路電源因故障失電后，另一路電源亦可不間斷供電，從而根本上降低了因外在因素對供電穩定性、可靠性及后續生產的危險影響。PET作為未來配電網的重要一環，深入研究在雙電源輸入情況下電力電子變壓器的運行特性是十分有必要的。

綜上所述，設計了一種適用于雙電源輸入電力電子變壓器(DPI-PET)，其并聯模塊化多電平換流器(MMC)組成其輸入級，實現其中一路電源因故障停電時能快速配合另一路電源工作，從而確保供電穩定性并且使各側電壓保持平穩狀態。針對在DPI-PET運行過程中可能發生的各種異常工況，將輸出級設計為三個YN聯結的單相逆變器，在控制更為靈活、簡單的情況下亦保證了良好的輸出電能質量。最后在Matlab/Simulink中建立10 kV/380 V的配電網DPI-PET仿真模型，實驗結果驗證了所提拓撲結構的有效性與實用性。

1 DPI-PET工作原理

1.1 DPI-PET拓撲

DPI-PET拓撲結構如圖1所示。輸入級由兩個相同結構的MMC并聯組成，將電網雙路三相電源Uaj、Ubj、Ucj(j=1，2)整流成兩個直流中壓UH1、UH2，后經各個中壓電容CH，通過串聯分壓給隔離級的N個DC-DC變換器[12-14]，再由DC-DC變換器轉換成直流低壓ULkn(k=a,b,c;n=1，2…j)最后再由YN聯結的單相逆變器轉換成三相低壓交流電為負載端供電。此拓撲結構中：(1)由于應用于中壓配電網，不考慮功率的雙向流動，所以隔離級DC-DC換流器二次測的整流部分由二極管組成，使結構簡單、控制方便、降低損耗且節約成本；(2)隔離級與輸出級合為一個子單元，采用ISOP的聯結方式；(3)子單元隔離級中的高頻變壓器為1輸出3輸出的結構，以便為輸出級YN連接的單相逆變器提供端口。

圖1 DPI-PET拓撲

1.2 輸入級工作原理

兩個相同結構的MMC并聯構成為輸入級不僅形成雙電源輸入的工作環境，并提高額定容量、加強功率處理能力。MMC并聯運行存在兩個關鍵問題：一是并聯MMC之間的環流問題，二是所有子模塊的均壓及穩壓問題[15]。針對前者，在兩個MMC換流器前端各投運YND型換流變壓器，如圖1所示。得益變壓器的隔離作用，并聯MMC之間不會產生環流現象，因此兩個MMC可以相對獨立控制。

圖2是并聯MMC等效電路，其中Ukj、ikj(k=a,b,c；j=1，2)分別為交流側兩路輸入電壓、電流；UHj、iHj(j=1,2)分別為并聯MMC中壓直流輸出電壓、電流；Ukpj、ikpj(k=a,b,c;j=1,2)分別為MMC上橋臂電壓、電流；Uknj、iknj(k=a,b,c;j=1,2)分別為MMC下橋臂電壓、電流。MMC每個橋臂上的半橋子模塊均等效為一個電壓源。

圖2 并聯MMC等效電路

在忽略并聯MMC環流影響后，根據基爾霍夫定律寫出MMC上下橋臂電壓方程：

(1)

(2)

式(2)上下兩式相減可得：

ikj=iknj-ikpj

(3)

由式(3)可知輸入電流可直接分為上下橋臂電流，其中三相輸入電流峰值在一般情況下大于橋臂電流峰值，故即使是小額定電流的功率器件也可實現大電流輸入，達到有效分流的效果[16]

1.3 子單元工作原理

文中所提的DPI-PET拓撲結構逆變環節實質上是按DC-DC變換器的數量N將隔離級和輸出級合為N個子單元，且采用ISOP的聯結方式。

為保證負載不平衡、網側電壓不平衡等異常工況下的電能質量，針對負載端需引入中性點以形成三相四橋臂輸出的供電結構，主要措施有三相四橋臂逆變器和三個YN聯結的單相逆變器。前者結構簡單、功率器件利用率高，增加的第四橋臂控制中性點電壓，即可得到3個獨立電壓，采用三次諧波注入式正弦脈寬調制[17-18]，可以得到理想的三相輸出電壓，且達到減少輸出電壓的諧波含量以及提高電壓利用率，但控制十分復雜；后者每相獨立靈活控制且簡單實現，可適用于大功率場合以保證功率器件的流通能力。N個子單元中的三個獨立單相逆變器組合形成a、b、c三相低壓交流電輸出，再按相對應并聯在一起，最后每個單相逆變器后接一個LC濾波器，便構成了三相四橋臂輸出的供電結構，此結構下的前級-隔離級中的高頻變壓器為1輸出3輸出的結構，一是為了提供直流端口給單相逆變器，二是變換電壓等級以及電氣隔離。

綜上所述，選擇三個YN聯結的單相逆變器，其優點為：(1)控制簡單且靈活；(2)在異常工況下保證良好的電能質量；(3)響應速度快等。

2 DPI-PET控制策略

2.1 輸入級控制

輸入級兩個并聯MMC分別獨立控制，其中MMC在d-q旋轉坐標系下的數學模型可表示為：

(4)

式中ud、uq、id、iq分別為網側電壓和電流的d-q分量；ued、ueq為MMC端口交流電壓的d-q分量；R、L為系統等效電阻、電感。電流d-q分量含有耦合項ωLiq、ωLid，須消除這種復雜的非線性耦合關系，且保持系統輸入電壓、電流正弦化，故采用電壓電流雙閉環控制。除此之外，又要維持穩定的中壓直流電壓，因此外環加入定直流電壓控制。

調制方式采用載波移相調制可使MMC開關器件損耗降低，總諧波含量相對較少，對系統危害大大減少，且調制簡單。具體控制如圖3所示。

圖3 MMC控制圖

如1.2節中所述并聯MMC要解決所有子模塊的均壓及穩壓問題，需加入子模塊電容均壓/穩壓控制，即平均電壓控制和獨立電壓控制，如圖4所示。

圖4 子模塊均壓控制

2.2 隔離級控制

隔離級DC-DC是實現將直流轉換成高頻交流并耦合到二次側后再還原成直流，考慮到此環節用以穩定后逆變器的直流電壓，所采用電壓閉環控制，控制方案如圖5所示[19]

圖5 隔離級控制

2.3 輸出級控制

利用三個含LC濾波器的單相逆變器形成負載端三相輸出交流電，單項逆變器即對應a、b、c相電壓。對其進行三相獨立控制，達到在不平衡負載時仍能實現輸出電壓穩定以及波形正弦化的目的。

輸出級采用雙環控制，外環為相電壓有效值控制環，內環為相電壓瞬時值控制環。外環由輸出相電壓的有效值與參考值作差，其誤差信號經PI調節器后與標準正弦波形相乘得到內環相電壓瞬時值的參考值；內環中，測得的相電壓瞬時值與上述得到的參考值形成誤差信號，經PI調節最后由PWM發生器形成驅動信號傳送到開關器件從而獲得穩定的輸出相電壓。外環保證輸出相電壓有效值不變，內環則實現維持相電壓良好的正弦波形。如圖6所示。

圖6 輸出級控制

3 仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真環境下搭建了圖1的DPI-PET拓撲結構進行實驗驗證，主要參數如表1所示。

表1 DPI-PET仿真模型參數

3.1 常規工況時的仿真

在0 s時，DPI-PET進行滿負荷穩態(0.6 MW，功率因數0.8滯后)運行，在0.3 s處，MMC1由于故障退出運行，模擬DPI-PET一路電源因故障停止工作快速配合另一路電源工作的工況。圖7分別給出了系統側與負載側的電壓電流波形、中低壓直流電壓波形以及輸出有功功率和無功功率波形。

圖7(a)、圖7(b)可以看出系統側和負載側的電壓、電流波形在短暫振蕩后，在0.1 s處趨于穩定，圖7(c)則可以看出直流側在0.15 s處電壓保持穩定且平衡，中壓穩定為20 kV、低壓為800 V。即使MMC1在0.3 s退出運行時，無論是交流電還是直流電都保持良好的穩定性，且圖7(d)也輸出了穩定的有功功率波形。實驗結果證明了DPI-PET滿載運行時良好的工作性能，有效提高了供電可靠性。

3.2 異常工況時的仿真

為深度分析DPI-PET的工作性能，對其在0～0.5 s的運行時間內針對系統側電壓跌落、負載側一相斷路和三相負載不平衡三種異常工況分別進行運行仿真。

DPI-PET滿載運行，系統側三相電壓在0.2 s時跌落20%，隨后在0.3 s處恢復額定電壓。圖8(a)、圖8(b)給出負載側電壓、電流波形以及直流側電壓波形。可以看出負載側電壓、電流并沒有受系統側電壓跌落的影響，始終保持穩定的正弦曲線，證明了逆變器的良好的工作性能。三條直流電壓波形則在0.2 s時均發生了5%左右的跌落，但在0.3 s后，各電壓等級的直流電壓可以很快恢復正常，最終在0.38 s趨于穩定。但當系統側三相電壓跌落60%時，圖8(c)顯示0.26 s～0.36 s內電壓波形發生明顯振蕩，則會影響到負載側的正常工作。

圖8 系統側電壓跌落時的仿真波形

DPI-PET滿載運行，負載側在0.2 s時一相斷路形成不平衡負載，后于0.3 s處恢復正常。圖9給出此工況下的系統側和負載側電壓、電流波形以及直流側電壓波形。從圖9(b)中可以看出0.2 s～0.3 s之間斷線相電流為0 A，而其電壓在0.22 s處出現短暫波動現象后迅速平穩，之后三相始終保持良好的正弦波形，且圖9(a)中系統側電壓、電流也仍保持三相平衡。直流側電壓波形與滿載運行時相同，在短時間波動后均穩定在預設值，證明了子單元拓撲結構的有效性且響應速度快的優點。

圖9 負載側一相斷路時的仿真波形

DPI-PET滿載運行，負載側在0.2 s時發生三相負載不平衡工況：A相單相滿負荷，B相無功功率0.5 Mvar，C相功率為0.5 MW+0.1 Mvar，后在0.3 s恢復正常。系統側以及負載側的電壓、電流波形如圖10所示。可看出系統側電壓電流波形依舊能保持良好正弦度，負載側輸出電壓波形除在接入和退出三相不平衡負載的瞬間發生輕微不穩定但又立即恢復正常，因此負載側三相負載不平衡時系統側仍然輸出穩定電能。

圖10 三相負載不平衡時的仿真波形

4 結束語

提出一種應用于中低壓配電網的DPI-PET拓撲結構，在雙電源工作環境下不僅保持了輸入和輸出電壓、電流良好的電能質量，且憑借此結構滲透性強、響應速度快的特點，大大提高了城市配電網供電可靠性。通過對其滿載運行以及一路電源停止工作、系統側電壓跌落和負載側一相斷路等異常工況的仿真實驗，皆表明此DPI-PET結構不僅能為各側提供高質量的電能，還可以避免一路電源因故障停止供電對負載側的影響，比常規電力電子變壓器具有更優越的工作性能。