探究電網(wǎng)供電的電子變壓器控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

翟志強(qiáng)+王偉+劉玉龍

摘 要：本文通過對電力電子變壓器控制算法的研究，分析如何實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的調(diào)節(jié)，有效降低系統(tǒng)的運(yùn)營成本，從而顯著提高系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：電力電子；變壓器；控制；算法

前言：近些年來，分布式發(fā)電技術(shù)與高壓直流輸電技術(shù)被廣泛的應(yīng)用和推廣開來，從而備受人們的關(guān)注。電力電子變壓器含有直流環(huán)節(jié)，可達(dá)到風(fēng)光互補(bǔ)的輸入和交直流共存輸出的目的。電力電于變壓器的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在運(yùn)用電力、交通、軍事等行業(yè)中，其是一種實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)與功率變換的裝置。與傳統(tǒng)鐵芯式變壓器相比，電力電子變壓器實(shí)現(xiàn)了從低頻化到高頻化、小型化的轉(zhuǎn)型，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對變壓器原、副方電壓幅值和相位的靈活控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

電力電子變壓器的結(jié)構(gòu)主要分為兩種形式，一種是指無直流環(huán)節(jié)的直接AC-AC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，另一種形式為含有直流環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。圖一為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

AC-DC 模塊中將三相高壓、工頻交流電通經(jīng)三相PWM整流為直流電；DC-DC模塊將直流電調(diào)制成為單相高頻方波，經(jīng)高頻變壓器耦合后再全控整流成直流電，DC-AC模塊將直流電經(jīng)三相PWM逆變成三相交流電，經(jīng)濾波后供負(fù)載使用。DC-DC環(huán)節(jié)與DC-AC環(huán)節(jié)均采用開環(huán)控制的方法，故控制策略不作具體研究[1]。

1.1高壓PWM 整流原理

PWM整流器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓靈活調(diào)節(jié)，還能保證交流網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，建立三相VSR數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中： ea、eb、ec、ia、ia、ia分別為三相交流電壓、電流，Vdc是直流母線電壓，L 為電感，C 為電容；Si；i=a、b、c；為二值邏輯函數(shù)，Si=1為對應(yīng)上橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通，Si=0為下橋臂開關(guān)管導(dǎo)通[2]。兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型可寫為：

1.2雙閉環(huán)解耦控制原理

三相 PWM 整流系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制，產(chǎn)生一個(gè)與耦合量大小相等方向相反的量來消除耦合。電子變壓器運(yùn)行過程中，若發(fā)生電壓跌落、閃變以及三相不平衡等問題，傳統(tǒng)的 PI 控制器由于其參數(shù)固定，動(dòng)態(tài)性能較低，電能質(zhì)量調(diào)節(jié)效果不佳，很難實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的快速響應(yīng)，且電壓調(diào)節(jié)過程中，直流母線電壓的波動(dòng)無法滿足敏感負(fù)荷的安全運(yùn)行要求[3]。

2基于模糊PI的整流控制策略

為滿足敏感負(fù)荷的安全運(yùn)行要求，提高PET系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能與抗干擾能力，本文主要研究高壓整流環(huán)節(jié)在模糊PI的電壓外環(huán)控制器中的應(yīng)用。在系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可采取調(diào)整控制器參數(shù)的方式，提高系統(tǒng)的抗干擾能力與自適應(yīng)能力。其參數(shù)整定的原則為：

當(dāng)電壓跌落、暫升與閃變時(shí)，當(dāng)直流母線電壓的誤差較大且為正，通過增大控制器參數(shù)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，盡快消除直流母線電壓的誤差。

當(dāng)誤差為負(fù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)減小控制器參數(shù)，避免出現(xiàn)較大超調(diào)。

當(dāng)誤差較小且誤差變化率較小，直流母線電壓趨于穩(wěn)定時(shí)，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，控制器參數(shù)的修正量應(yīng)為0[4]。

3 PET仿真驗(yàn)證與分析

3.1仿真建模

為進(jìn)一步驗(yàn)證和分析采取方法的有效性，采用對比分析的方法，在參數(shù)不變時(shí)，分別觀測基于傳統(tǒng) PI和模糊PI的電力電子變壓器在電壓跌落、暫升、閃變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。基于Mat-lab/Simulink 軟件，搭建電力電子變壓器系統(tǒng)仿真模型，將直流母線電壓誤差與誤差變化率送入模糊邏輯控制器中，模糊邏輯控制器輸出比例系數(shù)與積分系數(shù)的修正量，實(shí)現(xiàn)PI控制器參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.2仿真結(jié)果

網(wǎng)側(cè)線電壓有效值為10kV，頻率為 50Hz，高頻變壓器運(yùn)行頻率 20k Hz； 傳統(tǒng) PI控制器的 Kp=0.6，Ki=20；模糊PI控制器比例系數(shù)參考值為0.6，積分系數(shù)的參考值為20。基于PI控制和基于模糊 PI 控制的電力電子變壓器系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，前者的超調(diào)量為3.4%，后者的超調(diào)量為1.5%，這表明后者具有響應(yīng)時(shí)間更快、超調(diào)更小的優(yōu)勢。系統(tǒng)帶載啟動(dòng)，在0.3s時(shí)由于網(wǎng)側(cè)電源發(fā)生電壓波動(dòng)，其波動(dòng)幅值不超過±30%。基于PI控制和基于控制的電力電子變壓器系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，且前者波動(dòng)的幅值為后者波動(dòng)幅值的兩倍。這表明后者具有更好的穩(wěn)壓效果。系統(tǒng)帶載啟動(dòng)，在0.3s時(shí)由于網(wǎng)側(cè)電源發(fā)生電壓跌落30%或者電壓突升30%，在0.65s電壓恢復(fù)正常[5]。與傳統(tǒng)PI控制相比，基于模糊PI控制的電力電子變壓器高壓側(cè)整流器具有更快的響應(yīng)速度，更小的超調(diào)量，究其原因是模糊PI控制器的參數(shù)可以適時(shí)調(diào)整，使系統(tǒng)具有較好的自適應(yīng)性。

結(jié)語：在抑制電網(wǎng)供電電壓跌落中，電力電子變壓器應(yīng)用效果明顯，突升以及波動(dòng)閃變干擾等電能質(zhì)量問題時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，調(diào)節(jié)效果不佳。針對上述問題，提出了一種采用模糊 PI 控制的雙閉環(huán)控制方法。首先建立電子變壓器的數(shù)學(xué)模型。然后運(yùn)用模糊控制原理設(shè)計(jì)模糊控制器，對系統(tǒng)輸入級(jí)電壓外環(huán)的 PI 控制器參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。本文與前人研究成果相比，針對網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量發(fā)生變化的特點(diǎn)，提出了基于模糊 PI 控制的電力電子變壓器系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊控制算法，通過測取直流母線電壓和參考值之間的誤差與誤差變化率，對 PI 控制器的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度。

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