面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-12-24 09:36 热度：

　　摘要：分析了传统电力电子变压器建模及控制策略的国内外研究现状，以及面向中高压配电网的电力电子变压器建模及控制策略的局限性。在此基础上，基于谐振变换器的工作特点，提出了面向中高压电网的电力电子变压器统一降阶建模方法及单级控制策略。该策略结构简单，控制能力强。相比于传统电力电子变压器的建模方法与控制策略，所提出的控制策略有效地利用了高频隔离型变换器的工作特点，将高频隔离型变换器与前端级联型变换器结合为一体，简化了控制系统，使其不会随着模块数增加而变得复杂。最后在PSCAD仿真环境中验证了10 kv 电力电子变压器的拓扑及其控制策略的可行性。

　　关键词：智能电网：配电网;电力电子变压器;控制策略;统一降阶模型

　　0引言

　　现代电网正在进入以“新能源+互联网”为特征的后碳时代，积极发展能源互联网，是中国应对下一次能源革命的主要策略Il J。在能源互联网构建过程中，需要逐步完成“以清洁能源替代化石能源，大力推动可再生能源产业进步”的清洁替代，和“以电代煤、以电代油，提高电能在终端能源消费的比重”的电能替代，从而缓解因能源消费过度依赖化石能源所造成的生态环境问题和能源安全问题12]。随着各种大规模可再生能源接入电网，传统的电力装备、电网结构和运行技术等在接纳超大规模可再生能源方面越来越力不从心，为此必须采用新技术、新装备和新电网结构来满足未来能源格局的深刻变化。

　　作为配电网的关键组成设备，传统配电变压器利用工频铁芯实现变压、隔离和能量传递等基本功能，其可控性、兼容性较差，已不能满足电网转型对电气设备智能化水平的要求。因此，国内外学者提出了“电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)”的概念，它是由电力电子换流器和高频变压器组成的新型智能化电气设备，具有高度的可控性，除去传统变压器的功能外，还可实现潮流控制、无功补偿、谐波治理、频率变换、交直流变换、可再生能源接入等能量管控功能【3J。

　　正是因为电力电子变压器的诸多优点，对其的研究也得到了国内外学者的广泛关注。目前国内外的电力电子变压器根据其工作原理及拓扑结构大体可以分为三类：AC/AC型;AC/DC—DC/AC型;以及AC/DC/DC型。

　　AC—AC型电力电子变压器一般由入口端变换器及出口端变换器构成。其中入口端变换器将工频量变为高频量，然后通过一个高频变压器，之后通过出口变换器再转化为工频量。由于其中的变压器工作在高频的状态，因此有较高的效率，同时能够很大程度地减少变压器的体积。然而，这种变压器需要双向的半导体开关，且可控性差，容易产生谐波‘4—61。

　　AC.DC—DC—AC型电力电子变压器一般包含三级结构：AC/DC级;DC/DC级;DC/AC级。相比于传统的AC/AC型电力电子变压器，这种结构具有更好的适用性，且传统的IGBT/MOSFETs器件就能满足要求。这种结构具有更好的动态特性，同时对于输出电压的调节能力更强，能够改善电能质量。然而，由于采用了三级结构，使得这种电力电子变压器的控制策略变得复杂，且随着电压等级的不断提高，必然导致级联模块数增多，使得控制环节变得更加复杂冗余，难以真正工程实现【7圳。

　　本文正是考虑到这一点，在分析已有电力电子变压器控制策略的基础上，将谐振变换器应用到电力电子变压器中，提出了一种适用于中高压智能配电网的新型电力电子变压器控制策略。本文详尽地分析了所提出的控制策略的数学模型及不同能量转化环节的控制策略，并进行了PSCAD环境下的仿真验证。

　　必须指出，由于后端DC/AC控制策略已经非常成熟，含有多级能量环节的电力电子变压器的控制关键在于AC/DC及DC/DC级，因此本文只着眼于AC/DC级及DC/DC级控制策略的研究。

　　1 传统电力电子变压器的控制方法

　　一种典型的传统电力电子变压器的控制方法如图1所示。由图可知，传统的电力电子变压器的数学模型和控制方法均可以分为AC/DC以及DC/DC 两级[10。15]。下面分别进行介绍。

　　1.1电力电子变压器前端AC/DC变换器控制策略

　　对于PET前端的AC/Dc变换器，控制目标主要是交流侧的三相电流、中间直流侧的电压、以及各个级联模块中间直流侧电压的平衡度。由图1可知，与控制目标相对应，传统的电力电子变压器分 AC/DC变换器的控制策略可同样分为电流内环控制、中间直流侧电压外环控制以及中间直流侧电压均压控制。

　　1.1.1电流内环控制

　　本文采用的一种典型VSC全桥变换器拓扑如图2(a)所示，全桥VSC变换器实际是由两个独立的桥臂并联而成，因此对两个桥臂分别进行分析是合理的。两个桥臂的等效电路图如图2(b)、2(c)所示;其中，蚝为交流侧电压源电压，fac为交流侧电流，三为交流侧电感，，为交流侧电阻，S1、S2、S3、S4 为用理想开关等效的功率器件，开关损耗用电阻以等效，定义开关函数Sl和S2：S1(S2)为1表示开关 S1fS2)导通，S1(S2)为0表示开关SI(S2)截止。

　　1.1.3中间直流侧电压均压控制

　　事实上，各并联运行的DC—DC变换器具有相同功率变换，但是实际中各模块的损耗不同并且在动态调节时，各有源前端变换模块看到的功率相对之间存在一定差异性。因此，各模块直流侧电压平衡控制的目的是使得各模块的直流侧电压维持在同一参考电压下，即使各模块直流侧输出功率存在明显不平衡时，也能达到同样的功能。

　　通过前述的电流内环和电压外环控制，可以得到级联型VSC型变换器所需产生的等效交流电压以虼。。。。，其为各模块所需产生交流电压研‰，的总和。由于各模块串联关系，各模块的直流侧电压通过共同的输入交流fa。来调节。因此，当各变换器模块具有相同的参考直流电压时，彬(矾+仍+…+巩)可以表示各模块直流侧电压的相对大小。

　　块间的均流。由图1可知，DC/DC变换器的控制策略同样可以分为电压外环和电流内环。其控制环节的建模可参见文献[101，本文不作过多描述。

　　1.3传统电力电子变压器控制策略的局限性

　　事实上，对于前端串联的，z个AC/DC变换模块：期望各模块能够独立地调节自身功率，同时通过n个模块的共同作用来控制高压交流侧电流ia。;由于串联关系，流经各模块的电流是相同的，所以各模块的功率传递又不是相互独立的。因此，对于前端串联型结构的控制主要难题是通过n个模块的开关组合来控制n+1个变量，分别为交流侧输入电感电流fac，门个直流侧电压Vdci(i：l，…，行)。对于后端并联的聆个DC/DC变换模块：通过前端AC.DC调节使得各DC—DC的输入侧直流电压控制在指定参考值下，期望各DC—DC模块来控制低压直流侧电压%。。。。，同时实现各模块间均流控制。此外，电力电子变压器采用多级结构，采集变量、控制变量以及控制目标较多，随着电压、容量等级增大，控制系统相当复杂¨“博J。

　　2 基于谐振变换器的电力电子变压器统一降阶建模方法

　　为了实现电力电子变压器高压级和隔离级的统一数学模型的降阶简化，本文拟采用CLLC谐振拓扑作为隔离级DC.DC变换器结构。由于CLLC 谐振变换器工作在谐振模式下能够保持电压增益不变，此时变换器具有恒定电压变比特性，因此可将隔离级DC/DC变换器建立成理想直流变压器数学模型。其拓扑结构图如图3所示。

　　2.1交流侧等效模型

　　本文所采用的电力电子变压器拓扑结构示意图如图3所示。事实上，从交流侧而言，整流级都是级联型全桥VSC结构，因此系统的交流侧的等效模型与传统电力电子变压器的等效模型类似。由于CLLC谐振变换器具有恒定电压变比特性，因此可将隔离级DC/DC变换器建立成理想直流变压器数学模型。

　　2.3基于谐振变换器的电力电子变压器的工作特点

　　观察式(23)和式(17)可知，基于谐振变换器的电力电子变换器，由于高频隔离型变换器的工作特点，当系统稳定时，中间直流侧的均压以及后端直流侧的均流能够自适应的达到。

　　从控制策略上来说，可以省去传统电力电子变压器控制策略中的均压环与均流环，大大减小了控制的难度，这一点将在下章中详细讨论。

　　从信号采集上来讲，只需通过对整体高压侧输入端和低压侧输出端的电气信号采集，即只需要采集i。。，Vac，Vd。。。。。大大地减少了信号的采集量，降低了控制成本，实现了高压级和隔离级的统一数学模型从(胛+1)阶降为1阶。

　　3 基于谐振变换器的电力电子变压器的单级控制策略研究

　　本章将在前述基于谐振变换器的电力电子变压器等效模型的基础上，对针对该PET的控制策略进行研究。

　　本文采用的单级控制策略如图4所示。对于整流模式下，通过交流侧的电压电流采样电路，得到交流侧电压和电流的瞬时值v。。，fa。，交流侧电压通过PPL锁相环得到交流侧电压的实时相位，在纯有功的情况下，与交流侧电流的峰值l‘mref相乘即为交流侧电流的实时参考值facref，而交流侧电流的峰值 fa。ref则由隔离级DC/DC输出电压%。。。。通过一个PI 控制器得到。再将交流侧电流实时值与实时参考值做差，得到交流侧电流的偏差值fe丌，电流偏差值。再经过控制器G船)，得到高压级AC/DC的输入侧参考值%(力，经过PWM控制器得到变换器的调制比d，根据调制比d控制高压级AC/DC变换器的开关状态，从而得到新的交流侧电流与直流侧电压i。。、 vdc’最终形成控制闭环。

　　控制策略同样可以分为电压外环和电流内环，下面对其进行详细介绍。

　　3.1电流内环

　　3.1.1电流内环控制设计

　　下面对电流内环进行具体的设计。

　　3.1.2前馈补偿

　　本系统在前述控制策略的基础上对电流控制器进行了优化，采用的是带有前馈导纳补偿的电流控制器，带有前馈导纳补偿的电流控制框图如图8所示，通过消去不期望的控制变量，可实现平稳过零点启动并减小稳态误差。实际是前述交流电流侧偏差值k，经过控制器后先产生调制比偏差值，再与实时的调制比做差或求和，从而产生调制比。

　　4 仿真验证

　　为了验证本文所述统一降阶建模方法及控制策略的可行性，进行了基于PSCAD环境的仿真验证。仿真参数设计如表1所示。

　　图9为电力电子变压器由空载到带1.5 MVA 三相负载动态过程中的仿真结果。(注：0.2 S时将负载由空载切为额定负载)可见，低压侧直流电压在突加负载瞬间发生跌落，但之后迅速恢复。相对于PET 系统的响应时间，DC—DC变换器的工作频率较高 (10 kHz)。因此在动态过程中，中间直流侧电压与低压直流侧电压的变化趋势几乎完全相同，验证了本文在控制系统的设计过程中将谐振变换器作为理想变压器的假设。此外，图9也表明，在所涉及的 PET内各个变换器的控制器参数合理，系统稳定。

　　图10为电力电子变压器带1.5 MVA三相负载时的稳态仿真结果。由图10可知，PET在带载情况下的低压直流侧与中间直流侧电压输出波形质量良好，此外，低压直流侧的电压平均值约为755 V，与设计值760 V的误差约为0.65%，这也证明了处于谐振状态下的DC—DC变换器阻抗很小，产生的压降几乎可以忽略，其开环控制策略可行。

　　图11为电力电子变压器由空载到带1.5 MVA 三相负载时的高压侧交流电压和交流电流的动态波形，为了便于观察，将交流侧电压缩小了100倍。由图11可见，PET在突加负载时高压侧的三相电网电流响应时间(达到稳态值的90%的时间)小于 lO ms。而图12为电力电子变压器在带1.5 MVA三相负载时高压侧三相电网电压与三相电网电流的稳态波形，为了便于观察，将交流侧电压缩小了100 倍。由图12可知，三相电网电压与对应的电流相位几乎完全一致，这也说明了电力电子变压器具有功率因数整定的作用。此外，高压侧三相电网电流质量良好。

　　5 结论

　　本文在详细分析传统电力电子变压器建模方法及控制策略的基础上，将谐振变换器引入电力电子变压器，利用谐振变换器电压钳位的功能，提出了一种电力电子变压器统一降阶建模方法，并在此基础上提出了一种单级控制策略。这种控制策略的最突出优势在于省略了传统电力电子变压器控制策略的中问直流侧电压均压环和后端直流侧电流均流环，使得控制策略不会随着级联模块数的增加而变得复杂，能够有效解决传统电力电子变压器控制策略复杂冗余的缺点。最后通过PSCAD仿真软件，对10 kV/1.5 MVA 的电力电子变压器进行了仿真验证，仿真计算结果既表明了本文所提出的PET电路拓扑的可行性，也证明了本文所提出的控制策略的正确性。 ——论文作者：刘海军1，李刚2，王志凯1，赵国亮1，田鑫1，刘闯3

文章名称：面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究

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