級(jí)聯(lián)型固態(tài)變壓器整流級(jí)電壓均衡控制策略

艾永樂，李自清，陳 博，許增淵，孟筱筱

（1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作 454000；2.國(guó)網(wǎng)亳州供電公司，亳州 236800）

0 引言

固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST），又稱智能通用變壓器或電力電子變壓器，是一種新型智能電力電子設(shè)備。與傳統(tǒng)變壓器相比，SST具有體積小、重量輕、空載損耗小、不需要絕緣油等優(yōu)點(diǎn)[1]。SST通過電力電子變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中電壓變換和能量雙向傳遞，而且還可以實(shí)現(xiàn)輸入電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)、無功功率補(bǔ)償、改善電能質(zhì)量以及為各種設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化接口等多種功能[2,3]。模塊級(jí)聯(lián)型SST由輸入整流級(jí)，中間DC/DC隔離級(jí)以及輸出逆變級(jí)三部分組成。

直流電容電壓不均衡是多電平變換器固有的問題。在級(jí)聯(lián)固態(tài)變壓器整流級(jí)中，可能是由于有功分量和無功分量的不匹配、不同的開關(guān)模式、有限的控制解決方案、或不同的負(fù)載等原因所導(dǎo)致[4,5]。整流級(jí)輸出直流電壓不均衡會(huì)導(dǎo)致輸入電流下降，H橋的不平衡損耗，功率器件電壓應(yīng)力分配不均。如果沒有采用電壓均衡控制，整流級(jí)的一些設(shè)備將面臨過電壓故障，嚴(yán)重情況下可能會(huì)使整個(gè)SST系統(tǒng)崩潰[6]。顯然，電壓均衡控制能力是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要條件。因此，需要對(duì)固態(tài)變壓器整流級(jí)進(jìn)行電壓均衡控制策略研究。均壓控制器的引入會(huì)對(duì)原系統(tǒng)控制器產(chǎn)生耦合影響，這是控制系統(tǒng)中所不希望的。文獻(xiàn)[7～10]中提出的方法只能消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下對(duì)原系統(tǒng)的控制器耦合影響，而負(fù)載擾動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)，此類方法不能消除均壓控制器對(duì)原系統(tǒng)控制器的耦合影響。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種基于共同占空比的單相d-q控制策略，通過引入電壓均衡控制，調(diào)節(jié)共同占空比，從而達(dá)到電壓均衡的目的。并且消除電壓均衡控制器對(duì)原系統(tǒng)控制器在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)下的耦合影響。在Matlab/Simulink下搭建模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提電壓均衡控制策略的正確性與有效性。

1 固態(tài)變壓器整流級(jí)建模與控制

1.1 整流級(jí)數(shù)學(xué)模型

圖1是N個(gè)H橋單相級(jí)聯(lián)的整流級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。vs是電網(wǎng)側(cè)電壓，is是輸入電流，Ls是濾波電感，Rs是導(dǎo)線、濾波電感和開關(guān)損耗的等效電阻。和三相系統(tǒng)不同，實(shí)現(xiàn)單相d-q變換必須構(gòu)造一個(gè)虛擬系統(tǒng)，該虛擬系統(tǒng)與原系統(tǒng)完全對(duì)稱，且電網(wǎng)側(cè)交流電壓滯后于原系統(tǒng)電壓90°，虛擬系統(tǒng)的濾波電感及等效電阻與原系統(tǒng)完全相同，其等效電路如圖2所示。vm和im分別是虛擬系統(tǒng)的電壓和電流。在文獻(xiàn)[11]中詳細(xì)闡述了單相d-q變換理論。

對(duì)圖2運(yùn)用基爾霍夫定律，可得整流級(jí)平均狀態(tài)空間方程為：

圖1 模塊級(jí)聯(lián)整流級(jí)單相拓?fù)?/p>

單相d-q變換矩陣為：

其反變換矩陣為：

聯(lián)立式(1) ～式(3)，得整流級(jí)在d-q坐標(biāo)系下的平均狀態(tài)空間方程為[12]：

圖2 虛擬系統(tǒng)

1.2 整流級(jí)均壓控制

固態(tài)變壓器整流級(jí)采用的是基于共同占空比的單相d-q控制策略。整流級(jí)各H橋模塊連接的負(fù)載相同時(shí)，基于共同占空比的控制可實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓均衡；當(dāng)負(fù)載不同時(shí)，基于共同占空比的控制將無法保證輸出直流電壓均衡。因此，本文提出在基于共同占空比的單相d-q控制的基礎(chǔ)上，加入均壓控制，通過調(diào)節(jié)各模塊占空比有功分量，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓，最終使整流級(jí)輸出直流電壓均衡，控制原理如圖3所示。

圖3 基于共同占空比的單相d-q控制框圖

引入的電壓均衡控制器會(huì)對(duì)原系統(tǒng)控制器會(huì)產(chǎn)生耦合影響，耦合作用對(duì)原系統(tǒng)控制器的影響是不可預(yù)測(cè)的，并會(huì)對(duì)原系統(tǒng)控制回路帶來意想不到的變化[13]。因此，這種影響是控制回路中不希望出現(xiàn)的。本文的目的就是消除電壓均衡控制器對(duì)原系統(tǒng)控制器產(chǎn)生的耦合影響。

原系統(tǒng)控制器的動(dòng)態(tài)方程為：

其中，是輸出直流電壓的平均值，vdci是各個(gè)H橋模塊的直流電壓，dd和dq分別是占空比有功分量和無功分量。

加入均壓控制后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程為：

由式(5)和式(7)可得：

定義耦合指數(shù)為：

式(9)中，Δdddi是均壓控制器的占空比，Δdvdci是直流電壓與參考電壓之間的差值。

因?yàn)檎伎毡鹊臒o功分量始終不變，所以dq=dqi。因此，J2=0。如果J1=0，就可以消除均壓控制器對(duì)原系統(tǒng)控制所產(chǎn)生的影響。即：

展開并化簡(jiǎn)得：

所以均壓控制器的占空比滿足：

本文提出的電壓均衡控制器如圖4所示。

圖4 電壓均衡控制器

2 仿真分析

為驗(yàn)證本文控制策略的可行性和有效性，對(duì)模塊級(jí)聯(lián)STT進(jìn)行了SIMULINK仿真。為了簡(jiǎn)化分析，以三個(gè)H橋級(jí)聯(lián)的七電平系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 STT仿真參數(shù)

整流級(jí)的仿真波形如圖5所示。三個(gè)級(jí)聯(lián)H橋模塊的電壓均衡控制原理相同，同樣為了簡(jiǎn)化分析，本文僅以第三個(gè)H橋模塊為例進(jìn)行仿真說明。

圖5(a)是整流級(jí)輸入電壓與輸入電流波形。輸入電壓和輸入電流同相，所以系統(tǒng)運(yùn)行在單位功率因數(shù)模式下。

圖5(b)是整流級(jí)各模塊輸出的穩(wěn)態(tài)直流電壓。當(dāng)整流級(jí)各模塊所連接的負(fù)載相同時(shí)，輸出直流電壓值穩(wěn)定在133V左右。

圖5 整流級(jí)仿真波形

圖5(c)是第三個(gè)H橋未加入電壓均衡控制的輸出直流電壓波形。當(dāng)負(fù)載R3從200V變?yōu)?20V時(shí)，直流電壓發(fā)散，vdc2增大、vdc1和vdc3減小。

圖5(d)是加入均壓控制后的輸出直流電壓波形。可以看到，三個(gè)直流電壓迅速收斂到133V的穩(wěn)定值。這就證了所提出的均壓控制器可以有效的均衡H橋的輸出直流電壓。

圖6是本文提出方法的耦合指數(shù)和以前提出方法的耦合指數(shù)的對(duì)比波形。虛線是本文提出方法的耦合指數(shù)，實(shí)線是文獻(xiàn)[7～10]中提出方法的耦合指數(shù)。可以看到，在負(fù)載擾動(dòng)之前，這兩種情況下的耦合指數(shù)接近于零，表明兩種方法都可以消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下的耦合影響。當(dāng)H橋的負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，所提出的方法的耦合指數(shù)仍然是零，而文獻(xiàn)[7～10]中方法的耦合指數(shù)發(fā)生較大的波動(dòng)。顯然，本文中的方法可以消除穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)下均壓控制器對(duì)原系統(tǒng)產(chǎn)生的耦合影響。

3 結(jié)論

對(duì)于模塊級(jí)聯(lián)固態(tài)變壓器整流級(jí)存在的問題。本文提出在基于共同占空比的單相d-q控制的基礎(chǔ)上加入電壓均衡控制，通過調(diào)節(jié)整流級(jí)的共同占空比，從而實(shí)現(xiàn)整流級(jí)各模塊輸出直流電壓的均衡。同時(shí)，該策略可以消除穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)下均壓控制器對(duì)原系統(tǒng)控制器的耦合影響。Matlab/Simulink仿真結(jié)果驗(yàn)證了電壓均衡控制策略的可行性和有效性。

圖6 本文方法的耦合指數(shù)和以前方法的耦合指數(shù)對(duì)比

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