電力電子變壓器并聯(lián)運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真

  引  言

      電力電子變壓器PET（Power－Electronic Transformer）作為一種新型的電力變壓器，得到了國(guó)內(nèi)外研究人員越來越多的關(guān)注。它是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的變電裝置。PET在完成常規(guī)的變壓、隔離和傳遞能量的同時(shí)，還可起到電能質(zhì)量控制器的作用，是一種多功能的新型變壓器。將其用于配電系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)降壓又可保證電能質(zhì)量[1]。

      兩臺(tái)或數(shù)臺(tái)PET并聯(lián)運(yùn)行是變壓器的一種重要運(yùn)行方式，具有重要的研究?jī)r(jià)值。但當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于PET的研究主要集中于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略上，對(duì)其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及其運(yùn)行特性的研究相對(duì)薄弱。文獻(xiàn)[2]采用主從式控制方案解決并聯(lián)PET輸出交流側(cè)的并聯(lián)均流問題；文獻(xiàn)[3]對(duì)并聯(lián)PET負(fù)載發(fā)生階躍變化以及帶非線性負(fù)載的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行了仿真研究。本文對(duì)配電用并聯(lián)PET負(fù)荷分配的控制策略進(jìn)行研究，并對(duì)典型操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[2,3] 。

1  PET的基本結(jié)構(gòu)和控制策略

      PET的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為交-交-交變換器和交-直-交-直-交雙直流變換器。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但可控性不高：后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制策略完善，實(shí)用性較強(qiáng)。典型的交-直-交-直-交雙直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

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      PET原邊的電壓型PWM整流電路采用解耦的電壓、電流雙閉環(huán)控制，無論變壓器的負(fù)載是感性還是容性，只要在一定的范圍內(nèi)，都可使電網(wǎng)的功率因數(shù)接近1；原邊的單相逆變電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變，采用開環(huán)控制即可。為減小變壓器的體積和重量，變壓器導(dǎo)磁材料采用鐵氧體等高導(dǎo)磁磁芯。變壓器副邊整流電路用于實(shí)現(xiàn)高頻整流，對(duì)配電變壓器不考慮能量的雙向流動(dòng)，故其采用不控整流電路。為輸出恒壓、恒頻的交流電壓，PET副邊逆變電路采用電壓閉環(huán)控制[4]。

2  PET并聯(lián)運(yùn)行控制原理

      兩臺(tái)或數(shù)臺(tái)PET并聯(lián)運(yùn)行是提高系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)大容量的一種有效途徑，有關(guān)PET并聯(lián)運(yùn)行的研究尚不夠深入。PET副邊逆變器與US的逆變器工作原理一致，而多臺(tái)UPS的并聯(lián)運(yùn)行方面的成果比較豐富[5-7],在研究PET的并聯(lián)問題時(shí)可以借鑒。

      目前提出的PET并聯(lián)控制方法主要有：集中控制方式、主從控制方式、分布邏輯控制方式和無互連線控制方式[2]。本文主要針對(duì)兩臺(tái)無互連線的PET的并聯(lián)運(yùn)行問題進(jìn)行研究。圖2是兩臺(tái)PET并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其原方接于同一公共母線。

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      為了避免并聯(lián)變壓器出現(xiàn)環(huán)流，各臺(tái)PET的二次側(cè)電壓的頻率、幅值、相位必須保持一致；為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)變壓器之間有功負(fù)荷和無功負(fù)荷的穩(wěn)定分配，各臺(tái)PET應(yīng)具有有功調(diào)差特性和無功調(diào)差特性。具有調(diào)差特性的PET副邊逆變器控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

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      PET二次側(cè)電壓的頻率、幅值和相位取決于逆變器的PWM脈沖的正弦調(diào)制信號(hào)，正弦調(diào)制信號(hào)的特征與頻率給定值f0、相位給定值ρ0和幅值給定值有關(guān)。取f0＝50Hz以保證額定頻率。ρ0對(duì)應(yīng)于有功負(fù)荷P0時(shí)的電壓初相角（一般取為0，引入有功補(bǔ)償系數(shù)Kp＞0），則可形成有功調(diào)差特性

ρ=ρ0-KpP      （1）

      U0對(duì)應(yīng)于無功負(fù)荷Q=0時(shí)的電壓幅值，引入無功補(bǔ)償系數(shù)KQ＞0，則可形成無功調(diào)差特性

U=U0-KQQ      （2）

      對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的各PET，ρ0和U0的值應(yīng)相同，由于引入有功和無功補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的各PET將自動(dòng)調(diào)節(jié)其輸出電壓的相位角和幅值，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變壓器間的功率穩(wěn)定分配；為按變壓器容量大小合理分配負(fù)荷，各PET以自身容量為基準(zhǔn)的Kp和KQ的標(biāo)幺值應(yīng)該相等，一般取0.01～0.05。

      文獻(xiàn)[2,8]提出采用頻率調(diào)差特性進(jìn)行并聯(lián)PET以及逆變電源的有功功率分配。顯然，在這種控制方式下，不同負(fù)荷時(shí)供電頻率不能保持為50Hz；而若為了保證頻率質(zhì)量，頻率調(diào)差系數(shù)取值必須很小，這又不利于穩(wěn)定分配并聯(lián)PET間的有功負(fù)載。與其不同，本文采用的初相角調(diào)差特性，即可保持 恒頻供電，又可根據(jù)需要選合理的調(diào)差系數(shù)，實(shí)現(xiàn)有功負(fù)荷的穩(wěn)定合理分配。參與并聯(lián)的各PET的輸出電壓頻率必須都等于50Hz才能保證正常運(yùn)行。在圖3中，由于對(duì)頻率采用閉環(huán)PI控制，可以做到這一點(diǎn)。

      并聯(lián)運(yùn)行PET的參數(shù)可能不完全一致，最常見的是限流電抗器或連接線電感參數(shù)不同。圖3中的電壓測(cè)量點(diǎn)特意設(shè)置于公共母線，即使對(duì)于PET參數(shù)不一致的情況，也可以保證并聯(lián)PET間的功率穩(wěn)定合理分配。如電壓測(cè)量點(diǎn)位于各PET輸出端，則不能保證這一點(diǎn)[3]。

3  仿真分析

      本文利用Matlab6.5/Simulink搭建了仿真模型，對(duì)兩臺(tái)同參數(shù)PET的并聯(lián)運(yùn)行進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)主要參數(shù)為：PET額定容量10kVA，額定電壓240/110V；PET2額定容量10kVA，額定電壓240/110V系統(tǒng)頻率50Hz，高頻變壓器頻率1000Hz，IGBT開關(guān)頻率9000Hz；KP、KQ硒均取標(biāo)幺值0.01，頻率給定值f0取50Hz，相位給定值ρ0取0，幅值給定值U0取標(biāo)幺值為1.0。

3.1  兩臺(tái)PET同時(shí)投入并聯(lián)運(yùn)行（情況1）

      1.0s時(shí)，兩臺(tái)PET在低壓側(cè)由空載投入并聯(lián)運(yùn)行，承擔(dān)功率因數(shù)為0.8的綜合性負(fù)載。有關(guān)變量波形如圖4-圖6所示。由圖可以看出，兩臺(tái)PET對(duì)應(yīng)變量的波形一致。并聯(lián)運(yùn)行后所承擔(dān)的負(fù)載電流相等，實(shí)現(xiàn)了均流控制以及有功、無功負(fù)荷的穩(wěn)定分配，且頻率保持恒定值不變。

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3.2  PET2加入并聯(lián)運(yùn)行（情況2）

      PET1帶載運(yùn)行，1.0s時(shí)PET2由空載狀態(tài)投入，兩臺(tái)PET并聯(lián)運(yùn)行。有關(guān)波形如圖7和圖8所示。由圖可見，PET1由單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)切換至并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)后，其承擔(dān)的負(fù)載電流、有功和無功負(fù)荷均有所下降，下降部分由PET2來承擔(dān)，最終兩臺(tái)并聯(lián)PET之間實(shí)現(xiàn)了均流控制以及有功、無功負(fù)荷的穩(wěn)定分配且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

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4  結(jié)  論

      本文基于有功和無功調(diào)差特性方程建立了PET控制策略及模型，基于該模型對(duì)PET并聯(lián)運(yùn)行動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，該控制策略可以在保持額定供電頻率的前提下，實(shí)現(xiàn)有功、 無功負(fù)荷的穩(wěn)定分配，且動(dòng)態(tài)特性良好。