摘要：提出一種改進的基于三電平拓撲的電力電子變壓器(PET)。輸入級、隔離級與輸出級結(jié)構(gòu)分別采用二極管箝位式三電平PWM整流器、零電壓開關(guān)半橋三電平DC／DC變換器和兩電平逆變器。與兩電平PET相比，可在有效提高輸入電壓等級的同時降低開關(guān)損耗。針對變壓器各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了控制方案，并在配電系統(tǒng)環(huán)境下對其進行了建模和仿真。仿真結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)運行及電源波動、負載投切等動態(tài)運行條件下，三電平PET均能保持初、次級良好的電壓電流波形，且能維持輸出電壓恒定，有效抑制了電網(wǎng)與負載的擾動，實現(xiàn)了良好的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：變壓器；三電平；零電壓開關(guān)
1 引言
近年來，一種基于電力電子變換技術(shù)的新型電網(wǎng)配電變壓裝置，即PET，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。它不僅體積小、重量輕，而且具有交直流轉(zhuǎn)換能力，可靈活地將各種分布式發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)，比傳統(tǒng)變壓器更能適應(yīng)智能電網(wǎng)環(huán)境下用戶對電能的個性化需求。
在三電平結(jié)構(gòu)中，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力僅為兩電平拓撲的一半，因此可以成倍提升輸入級的電壓，解決PET在配電系統(tǒng)中的實用化問題，且不存在開關(guān)管直接串聯(lián)電路中的器件均壓問題。與模塊串并聯(lián)拓撲相比，可以減少所用器件的數(shù)量，提高PET的可靠性并降低成本。但目前國內(nèi)還未見公開發(fā)表的有關(guān)三電平結(jié)構(gòu)PET的相關(guān)文獻。這里在上述文獻的基礎(chǔ)上提出改進的三電平PET，設(shè)計了三相系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的控制策略，并通過仿真驗證了其拓撲和控制策略的有效性。
2 三電平PET電路介紹
圖1為三電平PET的拓撲結(jié)構(gòu)。其工作原理為：輸入級將高壓工頻交流電經(jīng)整流后變成直流電，在隔離級被調(diào)制成高頻方波加載到高頻變壓器，降壓后在次級又還原成直流電，最后經(jīng)輸出級逆變成三相低壓工頻交流電。由于中間隔離級的存在，在電源發(fā)生電壓波動、頻率閃變、諧波注入或負載投切時，三電平PET能避免系統(tǒng)側(cè)與負載側(cè)的相互影響，維持初、次級良好的電壓電流波形，且輸出恒定的電壓。
2．1 輸入級
系統(tǒng)的輸入級采用二極管箝位式三電平PWM整流器，每一個橋臂由4個功率開關(guān)構(gòu)成，因此每一個主功率開關(guān)所承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，而且三電平PWM整流器有27個開關(guān)矢量，因此其在開關(guān)頻率不是很高的情況下也能保證網(wǎng)側(cè)良好的電流波形，其諧波和畸變率大大小于兩電平PWM整流器。高頻的PWM整流器可以保證網(wǎng)側(cè)電流與電源之間功率因數(shù)為1。
2．2 中間隔離級
系統(tǒng)的中間隔離級在原有三電平PET基礎(chǔ)上作了改進，采用零電壓開關(guān)半橋三電平DC／DC變換器，對配電變壓器不考慮能量的雙向流動，故在變壓器次級采用全橋不控整流電路，開關(guān)管兩端并聯(lián)電容為其自身結(jié)電容。與兩電平PET中的DC／DC變換器相比，通過變換器初級2只中點箝位二極管使得4只開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為輸入直流電壓的一半，且通過諧振電感Lk對4只開關(guān)管上的并聯(lián)結(jié)電容進行充放電，使相應(yīng)的結(jié)電容兩端電壓達到零，實現(xiàn)零電壓開關(guān)，飛躍電容Cs用來將2對開關(guān)管開關(guān)過程連接起來，這樣能有效減小開關(guān)損耗，提高變換器效率。
2．3 輸出級
由于隔離級已將高壓直流電變換為約600 V的低壓直流電，且PET輸出目標也是380 V低壓用電，在此電壓等級下，目前的IGBT器件已足夠成熟可靠，因此輸出級采用兩電平PWM逆變器，并輔以LC濾波器。
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3 控制策略
3．1 輸入級控制
輸入級的控制策略需要實現(xiàn)整流輸出直流電壓可控及網(wǎng)側(cè)電流與電源之間單位功率因數(shù)運行等，因此采用在d，q坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)控制策略，圖2為輸入級的控制原理。
為保證三電平PET各環(huán)節(jié)間的電壓平衡，必須對三電平PWM整流器的中點電壓進行控制。設(shè)中點處上電容電壓為udc1，下電容電壓為udc 2，由文獻可知一對小矢量對中點電壓的影響正好相反，定義使udc1增大、udc2減小的為正小矢量，反之為負小矢量。當采用變比例因子精確中點電壓控制方法時，定義比例因子：
式中：U為中點電壓偏差期望值。
除上式外，還需將ρ限制在±1以內(nèi)。這里對該方法進行進一步改進，結(jié)合網(wǎng)側(cè)電流方向來先判斷小矢量的正負屬性。
式中：t正為正小矢量的作用時間；t負為負小矢量作用時間；t1為該小矢量原作用時間。
利用此方法，根據(jù)中點電壓偏差實時調(diào)整正負小矢量的作用時間，達到更精確的中點電壓控制，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3．2 中間隔離級控制
為抑制網(wǎng)側(cè)電源波動及負載突變等對隔離級輸出直流電壓的影響，隔離級控制策略需實現(xiàn)隔離級輸出電壓可控及恒定?？紤]到控制方案的簡化，這里設(shè)計了一種電壓單閉環(huán)PI調(diào)節(jié)方法。
在圖1的隔離級框圖中，定義VT1，VT4為超前管，VT2，VT3為滯后管，對開關(guān)管驅(qū)動信號采用移相控制的方法，VT1和VT4，VT2和VT3分別成180°互補導(dǎo)通，VT1，VT4分別超前VT2，VT3一個相位，稱為移相角。在控制方案設(shè)計中通過調(diào)節(jié)移相角的大小即可控制輸出電壓的大小。因此將輸出直流電壓實際值Uo與設(shè)定值之間的偏差通過PI調(diào)節(jié)器，其輸出為移相角，作用到移相PWM控制器上得到4個開關(guān)管的控制脈沖，從而實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖3為隔離級的控制原理。[!--empirenews.page--]
3．3 輸出級控制
輸出級控制需要實現(xiàn)輸出恒壓恒頻的低壓三相交流電，當網(wǎng)側(cè)電源波動或者負載投切時保持輸出電壓恒定。通常配電系統(tǒng)的負載為無源性質(zhì)，因此采用在d，q坐標系下基于瞬時值反饋的定交流電壓控制，圖4為輸出級控制原理圖。將三相負載電壓的d，q分量分別與各自參考值比較后的偏差量經(jīng)各自PI調(diào)節(jié)器，得到指令空間電壓矢量Ud，Uq，最后經(jīng)過SVPWM得到開關(guān)管的驅(qū)動脈沖。d軸電壓參考值為負載相電壓幅值，q軸電壓參考值取為0。這種控制方案可從理論上保證輸出電壓穩(wěn)態(tài)無差，且能有效抑制負載及系統(tǒng)擾動。
4 仿真研究
為驗證該三電平PET電路的合理性和控制策略的有效性，針對10 kV／380 V配電系統(tǒng)環(huán)境下PET的穩(wěn)態(tài)運行及輸入電壓波動、頻率閃變、含有諧波、負載投切等特殊情況進行了仿真研究，采用PSCAD／EMTDC軟件仿真。其參數(shù)如下：輸入級，輸入電感Lr=15 mH，輸入電阻R=0．5 Ω，輸出穩(wěn)壓電容Ci=4．8 mF；隔離級，Cs=10μF，Lk=50 μH，并聯(lián)結(jié)電容C=10 nF，輸出濾波電感Lg=0．2 mH；輸出級，濾波電感Lv=0．3 mH，濾波電容Cv=300 μF。輸入級、隔離級、輸出級及高頻變壓器工作頻率均為5 kHz，高頻變壓器變比8．6 kV：1．5 kV。[!--empirenews.page--]
4．1 穩(wěn)態(tài)運行
圖5為三電平PET穩(wěn)態(tài)運行時的仿真波形。它在保證輸出級輸出電壓恒定的同時，使輸入電流及輸出電壓均為正弦波，且實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)控制。由圖5c可見，在VT1承受電壓降為零時對其進行了開通與關(guān)斷，實現(xiàn)了零電壓開關(guān)。經(jīng)快速傅里葉變換分析，其單相輸入電流總諧波畸變率約為1．04％，單相輸出電壓THD≈0．93％。
4．2 輸入電壓波動±20％
圖6為輸入電壓波動時的仿真波形。在0．505 s處，初級10 kV系統(tǒng)輸入電壓出現(xiàn)20％的電壓上升，持續(xù)2個周期后恢復(fù)正常，在0．565 s處輸入電壓又出現(xiàn)20％的電壓跌落，持續(xù)2個周期后恢復(fù)正常。從仿真結(jié)果可見，輸出電壓幾乎不受影響，有效抑制了輸入電壓的波動。
4．3 輸入電壓發(fā)生頻率閃變
圖7為輸入電壓發(fā)生頻率閃變時的仿真波形。在0．505 s處，輸入電壓出現(xiàn)10 Hz的頻率跌落，持續(xù)2個周期后恢復(fù)正常，在0．565 s處輸入電壓又出現(xiàn)10 Hz的頻率上升，持續(xù)2個周期后恢復(fù)正常。由仿真結(jié)果可見，輸出電壓幾乎不受影響，能夠有效抑制輸入電壓頻率的閃變。
4．4 輸入電壓含基波幅值20％的5次、7次諧波
圖8為輸入電壓含有基波幅值20％的5次、7次諧波時的仿真結(jié)果。由FFT分析可知，單相輸出電壓的THD≈0．97％，可見PET輸出仍維持了較好的正弦度。可見即使輸入電壓中有較多的諧波，由于隔離級的存在阻礙了諧波擴散，因此輸出電壓基本不受影響。
4．5 負載投切
圖9為突加負載時的仿真波形，0．45 s時突加66．7％的負載。由仿真可見，在突加負載后輸入電流變大，但仍維持正弦波且與輸入電壓之間功率因數(shù)為1。輸出電壓在突加負載時發(fā)生一定的波動，但馬上又恢復(fù)正常。說明負載投切對輸出電壓衡，在負載突加后略微變大，但始終保持在2 V以內(nèi)，說明中點電壓控制達到了很好的效果。
5 結(jié)論
所提出的三電平PET在穩(wěn)態(tài)運行時能夠保持初級可控且良好的電壓電流波形，在輸入電壓波動、頻率閃變、含有諧波及負載投切等動態(tài)過程中都能保持輸出電壓的恒定，有效地抑制了可能出現(xiàn)的擾動，實現(xiàn)了良好的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。在結(jié)構(gòu)特點上三電平PET可在有效提高輸入電壓等級的同時降低開關(guān)損耗，使得PET的實用化變?yōu)榭赡?。另外，PET電路中的直流環(huán)節(jié)也為光伏發(fā)電等新能源系統(tǒng)以及儲能系統(tǒng)的直接接入提供了接口。目前，所提出的三電平PET的實驗樣機尚處在研制中，待樣機完成后可以直接應(yīng)用在6 kV的配電系統(tǒng)中。
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