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電力系統(tǒng)保護(hù)與控制配電網(wǎng)中的電力電子變壓器研究凌晨葛寶明畢大強(qiáng)2（1北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044；2電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)。
交-直-交-直-交變換器比交-交-交變換器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但控制特性良好。通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如所示。
PET典型交-直-交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.本文針對(duì)配電網(wǎng)的PET，采用如所示結(jié)構(gòu)，輸入級(jí)變換器采用三電平整流器拓?fù)洌綦x級(jí)采用三電平半橋直直變換器，輸出級(jí)采用二電平電壓型逆變器。由于輸入級(jí)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(gè)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(shí)現(xiàn)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(tǒng)，如所示。輸出級(jí)由于電壓低，使用二電平結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足要求。
配電網(wǎng)PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2PET各級(jí)控制電路工作原理2.1輸入級(jí)控制PET不僅要保證其副方提供給用戶(hù)的電壓恒定和波形正弦，而且還應(yīng)該盡量減小輸入側(cè)電流諧波，減小對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。為保證PET電網(wǎng)側(cè)的電流為正弦以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控，采用雙閉環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦，輸入功率因數(shù)可控。
為實(shí)現(xiàn)上述功能，在外環(huán)，反饋的直流電壓與給定電壓值比較后形成偏差，經(jīng)控制器調(diào)節(jié)后作為d軸電流，q軸電流的電流值置0，可以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。在內(nèi)環(huán)，三相輸入電流采樣后經(jīng)坐標(biāo)變換形成d軸和q軸分量，分別與值比較，經(jīng)過(guò)控制器調(diào)節(jié)后，形成調(diào)制波信號(hào)。是三電平整流器控制原理圖。
2.2中間隔離級(jí)控制中間隔離級(jí)需要將來(lái)自輸入級(jí)的直流調(diào)制成高頻方波信號(hào)，并經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到副方，再還原成直流信號(hào)。
通過(guò)對(duì)高頻變壓器原方三電平半橋中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，將來(lái)自輸入級(jí)的直流高壓調(diào)制成高頻方波信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合至副方。
在這里，高頻變壓器的作用有兩個(gè)：一是實(shí)現(xiàn)原方系統(tǒng)和副方系統(tǒng)的隔離；二是實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)變換。
中，典型PET隔離模塊采用全橋整流模式，本文針對(duì)配電變壓器，不考慮能量的雙向流動(dòng)，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(hào)通過(guò)二極管不控整流電路，經(jīng)過(guò)濾波電感在電容上獲得直流低壓。
輸入級(jí)直流高壓幅值以及變壓器變比一定的情況下，調(diào)整隔離級(jí)開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通占空比，高頻變壓器獲得不同占空比的高頻方波信號(hào)，將在直流低壓側(cè)獲得不同的電壓。故隔離電壓級(jí)采用電壓電流閉環(huán)控制，在直流低壓側(cè)獲得適合輸出級(jí)逆變系統(tǒng)的電壓等級(jí)。如所示，檢測(cè)副邊整流輸出級(jí)電容電壓F.，與電壓信號(hào)F.相比較，所得的偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)控制器調(diào)節(jié)后作為電流內(nèi)環(huán)的給定/if高頻變壓器副邊電感電流瞬時(shí)值4與電流給定件的控制信號(hào)。
直直變換器控制原理。3輸出級(jí)控制負(fù)載側(cè)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(dāng)負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，應(yīng)該保持穩(wěn)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(jīng)過(guò)d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器后形成調(diào)制信號(hào)，通過(guò)SVPWM的控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)控制。
3PET仿真模型及結(jié)果分析使用Matlab/Simulink構(gòu)建了PET系統(tǒng)的仿真模型，如所示。
系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下：①電網(wǎng)側(cè)：線電壓10kV，濾波電感100mH；②高壓直流側(cè)：電容6800壚，直流側(cè)設(shè)定電壓15kV.③高頻變壓器：變比10：1，頻率10kHz.④低壓直流側(cè)：濾波電感10mH，濾波電容1200xF，直流側(cè)設(shè)定電壓600V.⑤負(fù)載ftl：濾波電感ImH，濾波電容33pF，負(fù)載額定線電壓380V，負(fù)載電阻3.63給出了系統(tǒng)仿真波形圖，包括網(wǎng)側(cè)電壓，網(wǎng)側(cè)電流，高壓直流側(cè)電壓，高頻變壓器原邊電壓和副邊電壓，低壓直流側(cè)電壓，負(fù)載三相電壓，負(fù)載三相電流。為了驗(yàn)證PET對(duì)無(wú)功功率的控制能力，仿真中設(shè)定PET向電網(wǎng)注入100kvar無(wú)功，PET負(fù)載為三相純阻性負(fù)載，輸出功率40kW，頻率50Hz.輸入級(jí)三電平整流器對(duì)網(wǎng)側(cè)高壓進(jìn)行整流，得到直流側(cè)高壓15kV，并使得輸入電流正弦化，如圖功率，如（d），所以電網(wǎng)電壓和電流相位差68.2°，功率因數(shù)為超前cos爐=0.371三電平半橋變換器將高壓直流調(diào)制成高頻方波信號(hào)，如（e），并經(jīng)過(guò)高頻變壓器耦合到副方，如（f）。利用二極管整流橋?qū)⒏哳l變壓器副方高頻方波整流還原成低壓直流信號(hào)，如（g）。
輸出級(jí)經(jīng)過(guò)二電平電壓型逆變器，輸出穩(wěn)定的低壓，如（h）和8（i）。由于電阻負(fù)載，功率因數(shù)為1.（a）電網(wǎng)三相相電壓誓（c）高壓直流側(cè)電壓（d）PET無(wú)功功率（e）高頻變壓器原邊電壓（b>電網(wǎng)三相相電流系統(tǒng)平臺(tái)，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集處理和控制算法的編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)PET控制策略。
?。╢）高頻變壓器副邊電壓（g）低壓直流側(cè)電壓（h）負(fù)載三相電壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如下：①電網(wǎng)側(cè)濾波電感3mH.②高壓直流側(cè)電容2200nF.③高頻變壓器變比3：1，頻率10kHz.④低壓直流側(cè)濾波電抗1.72mH，濾波電容2200奸。⑤負(fù)載側(cè)濾波電感5mH，濾波電容10HF，三相阻性負(fù)載50Q.給出了PET運(yùn)行時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。網(wǎng)側(cè)輸入交流電壓峰值為20V，高壓直流側(cè)電壓給定值50V，低壓直流側(cè)電壓給定值40V，負(fù)載相電壓峰值給定值為10V.在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，PET通過(guò)所采用的控制策略，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)電流正弦，并且相電流超前相電壓，向電網(wǎng)注入無(wú)功，如（a），其中紫色為A相與中性點(diǎn)之間的相電壓，綠色為相電流。
三電平整流器從電網(wǎng)吸入一定的功率維持直流側(cè)電壓在50V，如（b）。隔離級(jí)直直變換器將高壓直流調(diào)制成高頻方波，如（c）。高頻變壓器完成原邊和副邊電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換，如（d），并通過(guò)二極管不控整流將低壓直流穩(wěn)定在40V，如（e）。負(fù)載側(cè)，二電平電壓型逆變器通過(guò)恒電壓恒頻率控制，穩(wěn)定了負(fù)載側(cè)電壓10V，如（f）。可以看出，波形與預(yù)期控制目標(biāo)一致。
?。╝）A相輸入電壓和電流帶寬限制。100A/V反相（b）輸入級(jí)直流側(cè)電壓（i）負(fù)載三相電流PET系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.現(xiàn)了輸入電流正弦，負(fù)載側(cè)恒定電壓、恒定頻率，并且向電網(wǎng)發(fā)出了需要的無(wú)功。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共采用20個(gè)IGBT模塊和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊，以DSPTMS320F2812為核心構(gòu)建控制5結(jié)論針對(duì)配電網(wǎng)應(yīng)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(jí)，隔離級(jí)以閉環(huán)控制穩(wěn)定低壓直流側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)了原方電流正弦，副方負(fù)載電壓恒定。它不僅可以從電網(wǎng)傳送有功給負(fù)載，還可以向電網(wǎng)注入無(wú)功，給予電網(wǎng)無(wú)功支持。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出的PET方案。
