電力電子變壓器并聯(lián)運行動態(tài)仿真

0 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現(xiàn)磁耦合的變電裝置。PET在完成常規(guī)變壓器的變壓、隔離和傳遞能量的同時，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)既可實現(xiàn)降壓又可保證電能質(zhì)量^[1]。

兩臺或數(shù)臺PET并聯(lián)運行是變壓器的一種重要運行方式，具有重要的研究價值。但當(dāng)前國內(nèi)外對于PET的研究主要集中于其拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略上，對其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及其運行特性的研究相對薄弱。文獻[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[3]對并聯(lián)PET負載發(fā)生階躍變化以及帶非線性負載的動態(tài)過程進行了仿真研究。本文對配電用并聯(lián)PET負荷分配的控制策略進行研究，并對典型操作進行動態(tài)仿真^[2,3] 。

1 PET的基本結(jié)構(gòu)和控制策略

PET的基本拓撲結(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)簡單，但可控性不高：后者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制策略完善，實用性較強。典型的交-直-交-直-交雙直流拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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現(xiàn)高頻整流，對配電變壓器不考慮能量的雙向流動，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)運行控制原理

兩臺或數(shù)臺PET并聯(lián)運行是提高系統(tǒng)可靠性和擴大容量的一種有效途徑，有關(guān)PET并聯(lián)運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UPS的并聯(lián)運行方面的成果比較豐富^[5-7],在研究PET的并聯(lián)問題時可以借鑒。

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]。本文主要針對兩臺無互連線的PET的并聯(lián)運行問題進行研究。圖2是兩臺PET并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其原方接于同一公共母線。

為了避免并聯(lián)變壓器出現(xiàn)環(huán)流，各臺PET的二次側(cè)電壓的頻率、幅值、相位必須保持一致；為實現(xiàn)并聯(lián)變壓器之間有功負荷和無功負荷的穩(wěn)定分配，各臺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。

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，正弦調(diào)制信號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對應(yīng)于有功負荷P₀時的電壓初相角（一般取為0，引入有功補償系數(shù)K_p＞0），則可形成有功調(diào)差特性

U₀對應(yīng)于無功負荷Q=0時的電壓幅值，引入無功補償系數(shù)K_Q＞0，則可形成無功調(diào)差特性

對并聯(lián)運行的各PET，ρ₀和U₀的值應(yīng)相同，由于引入有功和無功補償，當(dāng)負荷變動時，并聯(lián)運行的各PET將自動調(diào)節(jié)其輸出電壓的相位角和幅值，自動實現(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荷，各PET以自身容量為基準的K_p和K_Q的標幺值應(yīng)該相等，一般取0.01～0.05。

文獻[2,8]提出采用頻率調(diào)差特性進行并聯(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，不同負荷時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)，實現(xiàn)有功負荷的穩(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才能保證正常運行。在圖3中，由于對頻率采用閉環(huán)PI控制，可以做到這一點。

并聯(lián)運行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中的電壓測量點特意設(shè)置于公共母線，即使對于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。如電壓測量點位于各PET輸出端，則不能保證這一點^[3]。

3 仿真分析

本文利用Matlab6.5/Simulink搭建了仿真模型，對兩臺同參數(shù)PET的并聯(lián)運行進行了仿真。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；K_P、K_Q硒均取標幺值0.01，頻率給定值f₀取50Hz，相位給定值ρ₀取0，幅值給定值U₀取標幺值為1.0。

3.1 兩臺PET同時投入并聯(lián)運行（情況1）

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

3.2 PET2加入并聯(lián)運行（情況2）

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

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PET并聯(lián)運行動態(tài)過程進行仿真研究。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，實現(xiàn)有功、無功負荷的穩(wěn)定分配，且動態(tài)特性良好。