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　　電力系統保護與控制配電網中的電力電子變壓器研究凌晨葛寶明畢大強2（1北京交通大學電氣工程學院，北京100044；2電力系統國家重點。

　　交-直-交-直-交變換器比交-交-交變換器結構復雜，但控制特性良好。通過PWM調制技術可實現變壓器輸入輸出電壓、電流和功率的靈活控制。

　　典型的交-直-交-直-交拓撲結構如所示。

　　PET典型交-直-交-直-交拓撲結構Fig.本文針對配電網的PET，采用如所示結構，輸入級變換器采用三電平整流器拓撲，隔離級采用三電平半橋直直變換器，輸出級采用二電平電壓型逆變器。由于輸入級電壓較高，整流電路采用三電平電壓型變換器，可以有效降低功率元件一半的耐壓值，提高功率元件利用率。而且，由于三電平輸出比二電平多一個電平，故可使dM/d（降低一半，從而使輸出電壓諧波減小，有利于實現輸出電壓波形的正弦化，特別適合于高壓大容量的電力電子變換系統，如所示。輸出級由于電壓低，使用二電平結構可滿足要求。

　　配電網PET拓撲結構Fig. 2PET各級控制電路工作原理2.1輸入級控制PET不僅要保證其副方提供給用戶的電壓恒定和波形正弦，而且還應該盡量減小輸入側電流諧波，減小對電網造成的諧波污染。為保證PET電網側的電流為正弦以及實現網側功率因數可控，采用雙閉環控制，即電壓外環和電流內環控制，可以實現輸入電流正弦，輸入功率因數可控。

　　為實現上述功能，在外環，反饋的直流電壓與給定電壓值比較后形成偏差，經控制器調節后作為d軸電流，q軸電流的電流值置0，可以實現單位功率因數運行。在內環，三相輸入電流采樣后經坐標變換形成d軸和q軸分量，分別與值比較，經過控制器調節后，形成調制波信號。是三電平整流器控制原理圖。

　　2.2中間隔離級控制中間隔離級需要將來自輸入級的直流調制成高頻方波信號，并經過高頻變壓器耦合到副方，再還原成直流信號。

　　通過對高頻變壓器原方三電平半橋中的四個開關器件進行控制，將來自輸入級的直流高壓調制成高頻方波信號，然后經過高頻變壓器耦合至副方。

　　在這里，高頻變壓器的作用有兩個：一是實現原方系統和副方系統的隔離；二是實現電壓等級變換。

　　中，典型PET隔離模塊采用全橋整流模式，本文針對配電變壓器，不考慮能量的雙向流動，故采用不控整流電路，如。由原方耦合至副方的高頻方波信號通過二極管不控整流電路，經過濾波電感在電容上獲得直流低壓。

　　輸入級直流高壓幅值以及變壓器變比一定的情況下，調整隔離級開關器件開通占空比，高頻變壓器獲得不同占空比的高頻方波信號，將在直流低壓側獲得不同的電壓。故隔離電壓級采用電壓電流閉環控制，在直流低壓側獲得適合輸出級逆變系統的電壓等級。如所示，檢測副邊整流輸出級電容電壓F.，與電壓信號F.相比較，所得的偏差信號經過控制器調節后作為電流內環的給定/if高頻變壓器副邊電感電流瞬時值4與電流給定件的控制信號。

　　直直變換器控制原理。3輸出級控制負載側輸出采用電壓恒定控制，主要目的是獲得輸出恒壓、恒頻的交流電壓，當負載在一定范圍內變化時，應該保持穩定的輸出電壓。為此，采用所示恒壓恒頻控制。三相輸出電壓經過d-q旋轉坐標系轉換后得到d軸分量和q軸分量，它們分別與各自的值、比較，得到偏差量，經過調節器后形成調制信號，通過SVPWM的控制算法，實現對逆變器的開關控制。

　　3PET仿真模型及結果分析使用Matlab/Simulink構建了PET系統的仿真模型，如所示。

　　系統的仿真參數如下：①電網側：線電壓10kV，濾波電感100mH；②高壓直流側：電容6800壚，直流側設定電壓15kV.③高頻變壓器：變比10：1，頻率10kHz.④低壓直流側：濾波電感10mH，濾波電容1200xF，直流側設定電壓600V.⑤負載ftl：濾波電感ImH，濾波電容33pF，負載額定線電壓380V，負載電阻3.63給出了系統仿真波形圖，包括網側電壓，網側電流，高壓直流側電壓，高頻變壓器原邊電壓和副邊電壓，低壓直流側電壓，負載三相電壓，負載三相電流。為了驗證PET對無功功率的控制能力，仿真中設定PET向電網注入100kvar無功，PET負載為三相純阻性負載，輸出功率40kW，頻率50Hz.輸入級三電平整流器對網側高壓進行整流，得到直流側高壓15kV，并使得輸入電流正弦化，如圖功率，如（d），所以電網電壓和電流相位差68.2°，功率因數為超前cos爐=0.371三電平半橋變換器將高壓直流調制成高頻方波信號，如（e），并經過高頻變壓器耦合到副方，如（f）。利用二極管整流橋將高頻變壓器副方高頻方波整流還原成低壓直流信號，如（g）。

　　輸出級經過二電平電壓型逆變器，輸出穩定的低壓，如（h）和8（i）。由于電阻負載，功率因數為1.（a）電網三相相電壓誓（c）高壓直流側電壓（d）PET無功功率（e）高頻變壓器原邊電壓（b>電網三相相電流系統平臺，負責完成數據采集處理和控制算法的編寫，實現PET控制策略。

　　（f）高頻變壓器副邊電壓（g）低壓直流側電壓（h）負載三相電壓實驗系統參數如下：①電網側濾波電感3mH.②高壓直流側電容2200nF.③高頻變壓器變比3：1，頻率10kHz.④低壓直流側濾波電抗1.72mH，濾波電容2200奸。⑤負載側濾波電感5mH，濾波電容10HF，三相阻性負載50Q.給出了PET運行時的實驗波形。網側輸入交流電壓峰值為20V，高壓直流側電壓給定值50V，低壓直流側電壓給定值40V，負載相電壓峰值給定值為10V.在實驗系統中，PET通過所采用的控制策略，實現了電網電流正弦，并且相電流超前相電壓，向電網注入無功，如（a），其中紫色為A相與中性點之間的相電壓，綠色為相電流。

　　三電平整流器從電網吸入一定的功率維持直流側電壓在50V，如（b）。隔離級直直變換器將高壓直流調制成高頻方波，如（c）。高頻變壓器完成原邊和副邊電壓等級的轉換，如（d），并通過二極管不控整流將低壓直流穩定在40V，如（e）。負載側，二電平電壓型逆變器通過恒電壓恒頻率控制，穩定了負載側電壓10V，如（f）。可以看出，波形與預期控制目標一致。

　　（a）A相輸入電壓和電流帶寬限制。100A/V反相（b）輸入級直流側電壓（i）負載三相電流PET系統仿真結果Fig.現了輸入電流正弦，負載側恒定電壓、恒定頻率，并且向電網發出了需要的無功。

　　4實驗結果（C）高頻變壓器一次電壓帶M制伏/格探頭反相豳一芾寬限制（d）高頻變壓器二次電壓帶寬限制PET實驗系統共采用20個IGBT模塊和相應的驅動模塊，以DSPTMS320F2812為核心構建控制5結論針對配電網應用，提出一種PET新方案，原方三電平整流電路大大降低了元器件耐壓等級，隔離級以閉環控制穩定低壓直流側電壓，實現了原方電流正弦，副方負載電壓恒定。它不僅可以從電網傳送有功給負載，還可以向電網注入無功，給予電網無功支持。仿真和實驗結果驗證了所提出的PET方案。