基于三電平拓?fù)涞碾娏﹄娮幼儔浩餮芯?/h1>
摘要：提出一種改進(jìn)的基于三電平拓?fù)?/strong>的電力電子變壓器(PET)。輸入級(jí)、隔離級(jí)與輸出級(jí)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(jí)的同時(shí)降低開關(guān)損耗。針對(duì)變壓器各環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了控制方案，并在配電系統(tǒng)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行了建模和仿真。仿真結(jié)果表明，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及電源波動(dòng)、負(fù)載投切等動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下，三電平PET均能保持初、次級(jí)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(fù)載的擾動(dòng)，實(shí)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(guó)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(duì)電能的個(gè)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?fù)涞囊话耄虼丝梢猿杀短嵘斎爰?jí)的電壓，解決PET在配電系統(tǒng)中的實(shí)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?jiǎn)栴}。與模塊串并聯(lián)拓?fù)湎啾?，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(guó)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(xiàn)。這里在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的三電平PET，設(shè)計(jì)了三相系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的控制策略，并通過仿真驗(yàn)證了其拓?fù)浜涂刂撇呗缘挠行浴?br />
2 三電平PET電路介紹
圖1為三電平PET的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)。其工作原理為：輸入級(jí)將高壓工頻交流電經(jīng)整流后變成直流電，在隔離級(jí)被調(diào)制成高頻方波加載到高頻變壓器，降壓后在次級(jí)又還原成直流電，最后經(jīng)輸出級(jí)逆變成三相低壓工頻交流電。由于中間隔離級(jí)的存在，在電源發(fā)生電壓波動(dòng)、頻率閃變、諧波注入或負(fù)載投切時(shí)，三電平PET能避免系統(tǒng)側(cè)與負(fù)載側(cè)的相互影響，維持初、次級(jí)良好的電壓電流波形，且輸出恒定的電壓。
2．1 輸入級(jí)
系統(tǒng)的輸入級(jí)采用二極管箝位式三電平PWM整流器，每一個(gè)橋臂由4個(gè)功率開關(guān)構(gòu)成，因此每一個(gè)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(gè)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(jí)
系統(tǒng)的中間隔離級(jí)在原有三電平PET基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，采用零電壓開關(guān)半橋三電平DC／DC變換器，對(duì)配電變壓器不考慮能量的雙向流動(dòng)，故在變壓器次級(jí)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(jí)2只中點(diǎn)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(duì)4只開關(guān)管上的并聯(lián)結(jié)電容進(jìn)行充放電，使相應(yīng)的結(jié)電容兩端電壓達(dá)到零，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，飛躍電容Cs用來將2對(duì)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(jí)
由于隔離級(jí)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(biāo)也是380 V低壓用電，在此電壓等級(jí)下，目前的IGBT器件已足夠成熟可靠，因此輸出級(jí)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(jí)控制
輸入級(jí)的控制策略需要實(shí)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(yùn)行等，因此采用在d，q坐標(biāo)系下的電壓電流雙閉環(huán)控制策略，圖2為輸入級(jí)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(duì)三電平PWM整流器的中點(diǎn)電壓進(jìn)行控制。設(shè)中點(diǎn)處上電容電壓為udc1，下電容電壓為udc 2，由文獻(xiàn)可知一對(duì)小矢量對(duì)中點(diǎn)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(fù)小矢量。當(dāng)采用變比例因子精確中點(diǎn)電壓控制方法時(shí)，定義比例因子：
式中：U為中點(diǎn)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(duì)該方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，結(jié)合網(wǎng)側(cè)電流方向來先判斷小矢量的正負(fù)屬性。
式中：t正為正小矢量的作用時(shí)間；t負(fù)為負(fù)小矢量作用時(shí)間；t1為該小矢量原作用時(shí)間。
利用此方法，根據(jù)中點(diǎn)電壓偏差實(shí)時(shí)調(diào)整正負(fù)小矢量的作用時(shí)間，達(dá)到更精確的中點(diǎn)電壓控制，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3．2 中間隔離級(jí)控制
為抑制網(wǎng)側(cè)電源波動(dòng)及負(fù)載突變等對(duì)隔離級(jí)輸出直流電壓的影響，隔離級(jí)控制策略需實(shí)現(xiàn)隔離級(jí)輸出電壓可控及恒定?？紤]到控制方案的簡(jiǎn)化，這里設(shè)計(jì)了一種電壓?jiǎn)伍]環(huán)PI調(diào)節(jié)方法。
在圖1的隔離級(jí)框圖中，定義VT1，VT4為超前管，VT2，VT3為滯后管，對(duì)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用移相控制的方法，VT1和VT4，VT2和VT3分別成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，VT1，VT4分別超前VT2，VT3一個(gè)相位，稱為移相角。在控制方案設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)開關(guān)管的控制脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。圖3為隔離級(jí)的控制原理。[!--empirenews.page--]
3．3 輸出級(jí)控制
輸出級(jí)控制需要實(shí)現(xiàn)輸出恒壓恒頻的低壓三相交流電，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電源波動(dòng)或者負(fù)載投切時(shí)保持輸出電壓恒定。通常配電系統(tǒng)的負(fù)載為無源性質(zhì)，因此采用在d，q坐標(biāo)系下基于瞬時(shí)值反饋的定交流電壓控制，圖4為輸出級(jí)控制原理圖。將三相負(fù)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(dòng)脈沖。d軸電壓參考值為負(fù)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(fù)載及系統(tǒng)擾動(dòng)。
4 仿真研究
為驗(yàn)證該三電平PET電路的合理性和控制策略的有效性，針對(duì)10 kV／380 V配電系統(tǒng)環(huán)境下PET的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及輸入電壓波動(dòng)、頻率閃變、含有諧波、負(fù)載投切等特殊情況進(jìn)行了仿真研究，采用PSCAD／EMTDC軟件仿真。其參數(shù)如下：輸入級(jí)，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(jí)，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(jí)，濾波電感Lv=0．3 mH，濾波電容Cv=300 μF。輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)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(yùn)行
圖5為三電平PET穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的仿真波形。它在保證輸出級(jí)輸出電壓恒定的同時(shí)，使輸入電流及輸出電壓均為正弦波，且實(shí)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(shí)對(duì)其進(jìn)行了開通與關(guān)斷，實(shí)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(dòng)±20％
圖6為輸入電壓波動(dòng)時(shí)的仿真波形。在0．505 s處，初級(jí)10 kV系統(tǒng)輸入電壓出現(xiàn)20％的電壓上升，持續(xù)2個(gè)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(gè)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(dòng)。
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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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?？梢娂词馆斎腚妷褐杏休^多的諧波，由于隔離級(jí)的存在阻礙了諧波擴(kuò)散，因此輸出電壓基本不受影響。
4．5 負(fù)載投切
圖9為突加負(fù)載時(shí)的仿真波形，0．45 s時(shí)突加66．7％的負(fù)載。由仿真可見，在突加負(fù)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(fù)載時(shí)發(fā)生一定的波動(dòng)，但馬上又恢復(fù)正常。說明負(fù)載投切對(duì)輸出電壓衡，在負(fù)載突加后略微變大，但始終保持在2 V以內(nèi)，說明中點(diǎn)電壓控制達(dá)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(yùn)行時(shí)能夠保持初級(jí)可控且良好的電壓電流波形，在輸入電壓波動(dòng)、頻率閃變、含有諧波及負(fù)載投切等動(dòng)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)了良好的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上三電平PET可在有效提高輸入電壓等級(jí)的同時(shí)降低開關(guān)損耗，使得PET的實(shí)用化變?yōu)榭赡堋Ａ硗?，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(chǔ)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)尚處在研制中，待樣機(jī)完成后可以直接應(yīng)用在6 kV的配電系統(tǒng)中。
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