基于電力電子變壓器并聯(lián)運行動態(tài)仿真設計方案研究

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)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，變壓器導磁材料采用鐵氧體等高導磁磁芯。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。取f0=50Hz以保證額定頻率。ρ0對應于有功負荷P0時的電壓初相角(一般取為0，引入有功補償系數(shù)Kp>0)，則可形成有功調(diào)差特性。

ρ=ρ0-KpP(1)

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

U=U0-KQQ(2)

對并聯(lián)運行的各PET，ρ0和U0的值應相同，由于引入有功和無功補償，當負荷變動時，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Kp和KQ的標幺值應該相等，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置于公共母線，即使對于PET參數(shù)不