電力電子變壓器并聯(lián)運行動(dòng)態(tài)的Matlab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，得到了國內外研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。它是一種含有電力電子變換器且通過(guò)高頻變壓器實(shí)現磁耦合的變電裝置。PET在完成常規的變壓、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。將其用于配電系統既可實(shí)現降壓又可保證電能質(zhì)量[1]。

　　兩臺或數臺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?jì)r(jià)值。但當前國內外對于PET的研究主要集中于其拓撲結構和控制策略上，對其在電力系統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輸出交流側的并聯(lián)均流問(wèn)題；文獻[3]對并聯(lián)PET負載發(fā)生階躍變化以及帶非線(xiàn)性負載的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)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(jìn)行研究，并對典型操作進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真[2,3] 。

　　1 PET的基本結構和控制策略

　　PET的基本拓撲結構分為交-交-交變換器和交-直-交-直-交雙直流變換器。前者結構簡(jiǎn)單，但可控性不高：后者結構復雜，控制策略完善，實(shí)用性較強。典型的交-直-交-直-交雙直流拓撲結構如圖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(wú)論變壓器的負載是感性還是容性，只要在一定的范圍內，都可使電網(wǎng)的功率因數接近1；原邊的單相逆變電路實(shí)現高頻逆變，采用開(kāi)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(shí)現高頻整流，對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)運行控制原理

　　兩臺或數臺PET并聯(lián)運行是提高系統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(wèn)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(wú)互連線(xiàn)控制方式[2]。本文主要針對兩臺無(wú)互連線(xiàn)的PET的并聯(lián)運行問(wèn)題進(jìn)行研究。圖2是兩臺PET并聯(lián)系統結構圖，其原方接于同一公共母線(xiàn)。

　　為了避免并聯(lián)變壓器出現環(huán)流，各臺PET的二次側電壓的頻率、幅值、相位必須保持一致；為實(shí)現并聯(lián)變壓器之間有功負荷和無(wú)功負荷的穩定分配，各臺PET應具有有功調差特性和無(wú)功調差特性。具有調差特性的PET副邊逆變器控制結構圖如圖3所示。

　　PET二次側電壓的頻率、幅值和相位取決于逆變器的PWM脈沖的正弦調制信號，正弦調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對應于有功負荷P0時(shí)的電壓初相角（一般取為0，引入有功補償系數Kp＞0），則可形成有功調差特性

　　ρ=ρ0-KpP（1）

　　U0對應于無(wú)功負荷Q=0時(shí)的電壓幅值，引入無(wú)功補償系數KQ＞0，則可形成無(wú)功調差特性

　　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(wú)功補償，當負荷變動(dòng)時(shí)，并聯(lián)運行的各PET將自動(dòng)調節其輸出電壓的相位角和幅值，自動(dòng)實(shí)現變壓器間的功率穩定分配；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，頻率調差系數取值必須很小，這又不利于穩定分配并聯(lián)PET間的有功負載。與其不同，本文采用的初相角調差特性，即可保持恒頻供電，又可根據需要選合理的調差系數，實(shí)現有功負荷的穩定合理分配。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(diǎn)。

　　并聯(lián)運行PET的參數可能不完全一致，最常見(jiàn)的是限流電抗器或連接線(xiàn)電感參數不同。圖3中的電壓測量點(diǎn)特意設置于公共母線(xiàn)，即使對于PET參數不一致的情況，也可以保證并聯(lián)PET間的功率穩定合理分配。如電壓測量點(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，對兩臺同參數PET的并聯(lián)運行進(jìn)行了仿真。系統主要參數為：PET額定容量10kVA，額定電壓240/110V；PET2額定容量10kVA，額定電壓240/110V系統頻率50Hz，高頻變壓器頻率1000Hz，IGBT開(kāi)關(guān)頻率 9000Hz；KP、KQ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(shí)投入并聯(lián)運行（情況1）

　　1.0s時(shí)，兩臺PET在低壓側由空載投入并聯(lián)運行，承擔功率因數為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對應變量的波形一致。并聯(lián)運行后所承擔的負載電流相等，實(shí)現了均流控制以及有功、無(wú)功負荷的穩定分配，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(shí)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(jiàn)，PET1由單機運行狀態(tài)切換至并聯(lián)運行狀態(tài)后，其承擔的負載電流、有功和無(wú)功負荷均有所下降，下降部分由PET2來(lái)承擔，最終兩臺并聯(lián)PET之間實(shí)現了均流控制以及有功、無(wú)功負荷的穩定分配且具有良好的動(dòng)態(tài)響應性能。

　　4 結 論

　　本文基于有功和無(wú)功調差特性方程建立了PET控制策略及模型，基于該模型對PET并聯(lián)運行動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真研究。仿真結果表明，該控制策略可以在保持額定供電頻率的前提下，實(shí)現有功、 無(wú)功負荷的穩定分配，且動(dòng)態(tài)特性良好。