電網不平衡故障下電力電子變壓器控制策略

馮宇鵬，吳金龍，王先為，劉欣和，牛化鵬，姚為正

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，西安市 710075；2.許繼集團有限公司，河南省許昌市 461000)

電網不平衡故障下電力電子變壓器控制策略

馮宇鵬1，吳金龍1，王先為1，劉欣和1，牛化鵬1，姚為正2

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，西安市 710075；2.許繼集團有限公司，河南省許昌市 461000)

針對電網不平衡故障下電力電子變壓器(power electronic transformer, PET)高壓級的相間均壓問題和對電網電壓的支撐問題，首先對負序電流注入法進行了研究，推導了需注入的負序電流幅值和相位，分析了有功電流和負序電流對電網公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓的影響，然后提出了一種新的適用于PET相間均壓的零序電壓注入法。仿真結果表明，電網故障時，PET僅傳輸有功功率，會降低PCC點正序電壓，輸出無功后可有效支撐電網電壓。負序電流注入法和零序電壓注入法均可實現高壓級相間均壓，但負序電流注入法需高壓級具備更大的電流應力，且抬升了電網負序電壓，而采用零序電壓注入法時，高壓級三相電流對稱，對電網負序電壓無影響。PET隔離級所有雙有源橋(dual active bridge , DAB)傳輸功率均衡，低壓級輸出電壓和功率恒定，不受電網故障的影響。

電網不平衡故障；負序電流；零序電壓； 直流電壓平衡控制；功率均衡控制

0 引 言

電力電子變壓器(power electronic transformer, PET)不僅可實現電壓變換、電氣隔離和能量的雙向流動等傳統變壓器的功能，而且具有輸出電壓幅值恒定，可進行無功補償，能為清潔能源和儲能電站提供良好的接入條件等優點，隨著大功率半導體器件與磁性材料的迅速發展，已成為智能電網建設的關鍵設備[1-7]。

當電網電壓不平衡時，電力電子變壓器高壓級三相直流電壓將不均衡[8-10]。針對星型H橋鏈式拓撲的相間均壓問題，文獻[9-11]對基于負序電流注入法的相間均壓策略進行了研究，實現了靜止同步補償器(static synchronous compensator, STATCOM)在電網電壓不平衡時的相間直流電壓均衡，但均未分析負序電流對公共連接點(point of common coupling，PCC)電壓的影響。文獻[12]針對STATCOM補償不平衡負載工況，給出了零序電壓的表達式，但未對電網電壓不平衡時的相間均壓策略進行研究。文獻[13]從換流鏈電壓與電流作用下的有功功率為0的角度出發，將電網相電壓與零序電壓分解至電流方向，根據換流鏈零序電壓所在直線的交點求得零序電壓的幅值和相位。該方法沒有考慮有功功率的傳輸，僅適用于星型鏈式STATCOM，而不能用于電力電子變壓器。文獻[14]對比了零序電壓與負序電壓對PET有功功率的調節能力，但未給出具體的零序電壓求解方法。

本文首先推導電網電壓不平衡時PET所需注入的負序電流幅值和相位，分析有功電流和負序電流對電網PCC點電壓的影響，然后提出一種新的適用于PET高壓級相間直流電壓均衡的零序電壓生成方法，并給出PET高壓級、隔離級和低壓級的控制策略。

1 高壓級相間均壓理論分析

1.1 電力電子變壓器拓撲結構

本文所用PET拓撲結構如圖1所示，由高壓級、隔離級和低壓級組成。高壓級為星型鏈式結構，由3條換流鏈組成，每條換流鏈由N個H橋串聯組成，可

圖1 電力電子變壓器拓撲Fig.1 Topology of PET

實現不同電壓等級的接入，且并網電壓和電流諧波小；隔離級由N個雙有源橋(dual active bridge , DAB)并聯，實現能量的雙向流動和電氣隔離，并可提供低壓直流母線；低壓級采用三相四橋臂逆變器作為交流電壓源，以滿足不同負載的接入。

該PET拓撲與低壓級直流電壓獨立、交流電壓并聯拓撲相比，其優點為：(1)既可提供交流電壓，又可提供直流電壓；(2)低壓側接入不平衡負載后，高壓側三相電流依舊保持平衡；(3)多個H橋并聯成本較高，功率密度低，而大功率三相四線變流器已非常成熟，功率密度可以達到很高的水平。

1.2 負序電流注入法

1.2.1 換流鏈間有功功率平衡分析

電力電子變壓器高壓級等效電路如圖2所示，電網電壓不平衡時，假設換流鏈輸出電壓包含正序電壓和負序電壓，換流鏈電流中包含正序電流和負序電流，如式(1)和(2)所示[15]。

圖2 電力電子變壓器高壓級等效電路Fig.2 Equivalent circuit of PET high voltage stage

(1)

(2)式中：Up為正序電壓幅值；Un為負序電壓幅值；Ip為正序電流幅值；In為負序電流幅值；以正序電壓相位為基準相位，θ、α、φ分別為負序電壓、正序電流、負序電流的初始相位。根據換流鏈的電壓和電流，可得1個工頻周期內每條換流鏈的平均有功功率為

(3)

為了保證電網電壓不平衡期間，輸入至PET的3條換流鏈的有功功率相同：

pa=pb=pc

(4)

根據式(3)與(4)可得：

UpIncosφ+UnIpcos(θ+α)=UpIncos(φ+2π/3)+
UnIpcos(θ+α+2π/3)

(5)

UpIncosφ+UnIpcos(θ+α)=UpIncos(φ-2π/3)+
UnIpcos(θ+α-2π/3)

(6)

設k=(UnIp)/(UpIn)，將式(5)和式(6)相加后化簡可得：

kcos(θ+α)+cosφ=0

(7)

將式(5)和式(6)相減后化簡可得：

ksin(θ+α)+sinφ=0

(8)

根據式(7)和式(8)可得：

k=1

(9)

因此，正序電壓電流和負序電壓電流在幅值上滿足：

UpIn=UnIp

(10)

在相位上滿足：

θ-φ=π-α

(11)

1.2.2 對電網電壓的影響分析

電網故障期間，PET除了為負載提供有功功率，還可輸出一定的無功功率以支撐PCC點電網電壓的恢復，系統等效電路如圖3所示。其中：e為電網電壓；u為電網PCC點電壓；Lg為線路等效阻抗；is為PET電流。

圖3 系統等效電路Fig.3 Equivalent circuit of system

穩態時，PCC點正序電壓與PET正序電流的關系為

(12)

以PCC點電壓為參考矢量，當PET的工作模式為整流或逆變時，PCC點正序電壓矢量如圖4所示。可見當電網故障后，如果PET僅傳輸有功功率，會進一步降低PCC點正序電壓，不利于電網電壓的恢復，因此PET有必要輸出無功功率來支撐電網電壓。PET輸出感性無功功率后，PCC點的正序電壓得到抬升，其電壓矢量如圖5所示。

圖4 PET的工作模式為整流或逆變時PCC點正序電壓矢量圖Fig.4 Positive sequence voltage vector diagram of PCC when PET works as a rectifier or inverter

圖5 PET輸出無功功率后PCC點正序電壓矢量圖Fig.5 Positive sequence voltage vector diagram of PCC when PET outputs reactive power

PCC點負序電壓與負序電流的關系為

u-=e-+jωLgis-

(13)

為了保證PET高壓級3條換流鏈有功功率的平衡，負序電流相位需滿足式(11)，負序電流對PCC點負序電壓的影響如圖6所示，可見，該負序電流增加了PCC點的負序電壓。

1.3 零序電壓注入法

假設PET換流鏈高壓級輸出的零序電壓為

u0=U0cos(ωt+β)

(14)式中：U0為零序電壓的幅值；β為零序電壓的初始相位。

在零序電壓與PET正序電流的作用下，1個工頻周期內PET高壓級3條換流鏈的平均功率為

(15)

圖6 PET輸出負序電流后PCC點負序電壓矢量圖Fig.6 Negative sequence voltage vector diagram of PCC when PET outputs negative current

由于p0a+p0b+p0c=0，因此零序電壓僅改變了有功功率在3條換流鏈的分配，而不會對輸入PET的總有功功率造成影響。

令U0d=U0cosβ，U0q=U0sinβ，則注入的零序電壓為

u0=Udcos(ωt)-Uqsin(ωt)

(16)

以電網正序電壓矢量為正序dq旋轉坐標系，結合式(14)和(16)可得：

(17)

式中：Ipd為正序電流的d軸分量；Ipq為正序電流的q軸分量，因此：

(18)

結合式(16)和(18)可得零序電壓的生成框圖如圖7所示，其中udci(i=a,b,c)為i相換流鏈子模塊電壓的平均值。

圖7 零序電壓的生成框圖Fig.7 Block diagram of zero sequence voltage obtained

2 電力電子變壓器控制策略

2.1 高壓級控制策略

PET高壓級的控制策略如圖8所示。將高壓級所有功率模塊的直流母線電壓平均值udc_av進行閉環控制，實現了輸入PET總有功功率的控制。通過注入零序電壓，調整了電網故障工況下有功功率在3條換流鏈的分配，保證了高壓級相間功率的均衡。當PCC點電壓在正常范圍0.9～1.1 pu時，PET高壓級為單位功率因數控制，無功電流控制為0；當電網正序電壓超出該范圍時，PET對PCC點電壓進行閉環控制，輸出無功電流支撐電網電壓的恢復，其中k為PET的特性斜率。

電流內環采用雙旋轉坐標系矢量控制，以電網正序電壓矢量定向，分別對正序dq軸電流和負序dq軸電流進行閉環控制，為了增大電網故障后正序無功電流的輸出能力，將負序電流控制為0，電流內環控制得到的調制波ui(i=a,b,c)作為i相換流鏈所有模塊的調制波進行調制。

圖8 PET高壓級控制策略Fig.8 Control strategy of PET high voltage stage

2.2 隔離級控制策略

隔離級控制策略如圖9所示，非諧振型DAB傳輸的有功功率[16]為

(19)

式中：Ui為DAB輸入側直流電壓；φ為DAB的移向角。將低壓側直流電壓進行閉環控制，得到總的移向角φ。由于DAB低壓側直流母線電壓并聯，因此對低壓直流電壓Uo閉環控制就控制了所有DAB傳輸至低壓級的總有功功率。

在實際系統中，各個DAB的電感大小、高頻變壓器漏抗等存在一定的差異性，如果采用相同的移向角，其傳輸的有功功率將不同，進而導致PET高壓級換流鏈內直流電壓的不均衡。因此需要對各個DAB的移向角進行調整，具體為：分別將每條換流鏈內子模塊直流電壓Uij(i=a,b,c;j=1～N)與該條換流鏈電壓的平均值Udci(i=a,b,c)做差，利用PI調節器進行閉環控制得到該換流鏈各個DAB的移向角修正量△φij，△φij與φ相加得到DAB的最終移向角φij。

圖9 PET隔離級控制策略Fig.9 Control strategy of PET isolation stage

2.3 低壓級控制策略

低壓級為電壓源，其控制策略如圖10所示[5]。將低壓級輸出的三相交流電壓變換至dq旋轉坐標系，d軸電壓控制為給定電壓，q軸電壓控制為0，橋臂N采用占空比為50%的方波進行調制，開關頻率與其他三相相同。由于低壓級為三相四線拓撲，因此采用SPWM進行調制。

圖10 PET低壓級控制策略Fig.10 Control strategy of PET low voltage stage

3 仿真驗證

為了驗證本文所提PET控制策略的正確性，利用MATLAB/SIMULINK搭建了1臺10 kV/1.25 MVA的電力電子變壓器。仿真參數如表1—3所示，系統短路電流為1 kA。為了驗證功率均衡策略的有效性，將A相2號 DAB電感值設定為0.22 mH，3號 DAB電感值設定為0.18 mH。PET帶阻感性負載，負載有功功率為1.25 MW，無功功率為125 kvar，電網A相電壓在0.3 s時跌落至0.6 pu。

表1 高壓級仿真參數
Table 1 Simulation parameters of high voltage stage

表2 隔離級仿真參數Table 2 Simulation parameters of isolation stage

表3 低壓級仿真參數Table 3 Simulation parameters of low voltage stage

圖11—12為PET高壓級仿真結果，電網故障前，高壓級為單位功率因數控制，有功功率為額定功率，無功功率為0。電網故障后，PET快速輸出無功功率支撐電網電壓恢復。零序電壓注入法和負序電流注入法均能實現高壓級相間均壓，但采用零序電壓注入法時，高壓級的峰值電流為130 A(1.27 pu)，且三相電流對稱，采用負序電流注入法時，高壓級的峰值電流為150 A(1.47 pu)，且三相電流不對稱。

圖11 采用零序電流注入法的PET高壓級仿真結果Fig.11 Simulation results of PET high voltage stage based on zero sequence voltage injection method

圖12 采用負序電流注入法的PET高壓級仿真結果Fig.12 Simulition result of PET high voltage stage based on negative sequence current injection method

圖13為PCC點電網正負序電壓仿真結果，投入PET后，如果PET僅輸出有功功率，會降低PCC點正序電壓， PET輸出無功功率后，能有效支撐電網電壓。當電網發生不平衡故障后，負序電流注入法會抬升電網負序電壓。

圖13 PCC點電網正負序電壓幅值對比Fig.13 Voltage magnitude comparison of positive sequence and negative sequence of PCC

圖14為PET隔離級仿真結果，雖然換流鏈A的1～3號DAB電感值存在差異，但通過調整其各自的移向角，電網故障前后，其傳輸的有功功率都保持均衡。圖15為PET低壓級仿真結果，電網故障前后，逆變器輸出的電壓沒有任何變化，有功功率與無功功率均沒有波動。

圖14 PET隔離級仿真結果Fig.14 Simulation results of PET isolation stage

圖15 PET低壓級仿真結果Fig.15 Simulation results of PET low voltage stage

4 結 論

本文推導了電網故障時PET高壓級應注入的負序電流幅值和相位，分析了有功電流與負序電流對電網PCC點電壓的影響，提出了一種新的零序電壓生成方法和DAB并聯運行的功率均衡策略。仿真結果表明，采用零序電壓注入法進行相間均壓時，高壓級三相電流對稱，電流應力較負序電流注入法小很多，且不會抬升電網負序電壓；電網故障前后，隔離級DAB傳輸功率都保持均衡，低壓級輸出的電壓恒定不變，有功功率和無功功率沒有任何波動。

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(編輯 蔣毅恒)

Control Strategy of Power Electronic Transformer under Unbalanced Grid Fault

FENG Yupeng1，WU Jinlong1，WANG Xianwei1， LIU Xinhe1，NIU Huapeng1，YAO Weizheng2

(1. Xi’an XJ Power Electronics Technology Corporation, Xi’an 710075, China; 2. Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan Province, China)

For the DC voltage balance control problem among phases of power electronic transformer (PET) and grid voltage support problem under unbalanced grid fault, this paper first studies the negative sequence current injection method, derives the current amplitude and phase of the negative sequence, and analyzes the influences of active current and negative sequence current on the point of common coupling (PCC) voltage. Then, this paper proposes a new zero sequence voltage injection method suitable for PET. The simulation results show that, when the grid fault occurs, if PET only transmits active power, the positive sequence voltage of PCC will be reduced, and the reactive power can effectively support the grid voltage. Both the negative sequence current injection method and the zero sequence voltage injection method can make the DC voltage balance among phases of high voltage stage, but the negative sequence current injection method needs greater current stress, and the negative sequence gird voltage is increased. When the zero sequence voltage injection method is used, the three phase current of high voltage stage is symmetrical, and there is no influence on the negative sequence voltage. The active power of all PET isolation stage DAB (dual active bridge) are equal, and the output voltage and power of low voltage stage are constant, which are not influenced by the grid fault.

unbalanced grid fault; negative sequence current; zero sequence voltage; DC voltage balance control; power balance control

國家電網公司科技項目(SGRI-DL-71-15-005)

TM 761

A

1000-7229(2016)07-0084-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.012

2016-04-18

馮宇鵬(1987)，男，碩士，工程師，主要研究方向為高壓STATCOM、電力電子變壓器；

吳金龍(1981)，男，工學碩士，高級工程師，主要研究方向為柔性直流輸電系統分析與設計、控制策略設計；

王先為(1985)，男，博士，工程師，研究方向為柔性交直流輸電技術；

劉欣和(1985)，男，碩士，工程師，主要研究方向為柔性直流輸電技術;

牛化鵬(1982)，男，碩士，高級工程師，研究方向為地鐵回饋，電力電子變壓器；

姚為正(1967)，男，博士，教授級高工，研究方向為電力電子及其在電力系統中的應用。