一種級聯型電力電子變壓器的拓撲結構

胡世勇， 鄒海榮

(上海電機學院 電氣學院， 上海 201306)

隨著電網的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電力變壓器在結構和功能上的缺陷日益突顯，已漸漸無法滿足當今電力系統(tǒng)發(fā)展的需求，于是電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)便應運而生。PET是結合電力電子變換技術和基于電磁感應原理將一種電力特征的電能轉換為另一種電力特征的電能的電力設備[1]。它在實現電壓等級變換、電氣隔離和能量傳遞等基本功能的基礎上，還能實現潮流控制、電能質量控制等許多額外的功能[2]。

比較完善的PET結構由美國德州A&M大學的Kang等[3]提出，該方案基于直接AC/AC變換技術，大幅度地減小了變壓器的體積和質量。2002年，美國學者Ronan等[4]提出了3級結構(輸入級、隔離級、輸出級)的PET(見圖1)。此后，由于功能上的優(yōu)勢和技術上的成熟，3級式拓撲結構成為應用與研究中的主流。

圖1 電力電子變壓器的3級結構

近年來，國內外大量文獻對PET拓撲結構、控制策略進行了研究，文獻[5]中提到了一種基于二極管鉗位多電平的拓撲，它可以很好地減少諧波，但其拓撲的硬件結構比較復雜，而且功率器件均為二極管，只能單相傳遞能量。文獻[6]中提出輸入級采用模塊化多電平換流器(Modular MultilevelConverter，MMC)的方案，該拓撲輸出電壓質量高、功率靈活可控，但功率模塊多，限制了PET的功率密度，并且成本高，不經濟。文獻[7]中的隔離級采用了雙主動橋(Dual Active Bridge，DAB)，該方案應用廣泛，技術成熟，但如果考慮變換效率和開關損耗，其并不是最佳選擇。文獻[8]中雖然采用了比DAB更好的LLC諧振變換器，但其忽略了勵磁電感的影響，對于一個非理想的高頻變壓器而言，勵磁電感可以創(chuàng)造一個能量傳輸的條件。

本文在AC/DC/AC型PET的基礎上，研究了一種由級聯H橋、LLC諧振變換器和逆變電路構成的拓撲結構。該拓撲結構簡單、變換效率高、功率密度高、能量靈活傳遞，能夠滿足實際應用的要求。本文分析了PET電路拓撲的工作原理，研究了控制策略設計方法，并進行了仿真驗證。

1 電力電子變壓器拓撲

1.1 AC/DC/AC型PET

圖2是一種典型的AC/DC/AC型PET拓撲結構。它可以實現輸入端功率因數校正，同時可以抑制諧波的雙向流動。其工作過程為：工頻交流輸入經三相全控整流器變換為直流，通過一個單相全橋逆變電路被調制成為高頻方波后加載至高頻變壓器；耦合到變壓器二次側后，高頻方波被整流成直流電壓，再逆變?yōu)樗璧慕涣鬏敵鯷9]。

圖2 AC/DC/AC型PET典型結構

1.2 級聯型PET

本文研究了一種級聯型的PET拓撲，如圖3所示。該拓撲仍然采用AC/DC/AC型的三級結構。

輸入側由3級H橋級聯而成，每一級由兩個H橋和直流電容構成，前級H橋穩(wěn)定模塊內部直流電容電壓，后級H橋穩(wěn)定直流母線電壓。由于一次側的電壓等級高，輸入采用多個整流橋串聯的結構，使得輸入電壓被均分到每個整流橋上，減小了單個整流橋的承受電壓，同時降低了開關器件的損耗、減小了電壓電流諧波[10]。

圖3 級聯型PET拓撲

隔離級的DC/DC變換器具有電壓變換、電氣隔離和能量雙向流動的作用。本文采用LLC諧振型雙向DC/DC變換模塊，它有著高變換效率、高功率密度和能量靈活雙向傳遞的特點，可實現零電壓開斷和零電流開斷[11]。隔離級結構如圖4所示，其中：Q1～ Q4與Q5～ Q8分別構成了兩個H橋變換器；Lm為高頻變壓器的勵磁電感；L1，L2為諧振電感；C1，C2為諧振電容；L1和C1構成一次側LC諧振網絡；L2和C2構成副邊LC諧振網絡。

圖4 LLC諧振型DC/DC變換模塊

輸出級由逆變電路和LC濾波器構成，作用是將直流電逆變成恒壓、恒頻的交流電，該結構可以很好地應對電壓和負載的不平衡，消除非線性負載對網側電壓的影響，減小電壓諧波，有利于輸出波形正弦化。

2 PET各級控制策略

2.1 輸入級控制

輸入級為3級H橋級聯結構，每個H橋都是單相整流全橋，如圖5所示。

圖5 H橋拓撲結構

圖3中：Us為電網電壓；Ls為升壓電感；Is為流過電感的電流；Us為交流側輸入電壓；Udc為電容兩端電壓；I1為輸出電流；IR1為負載電流；IC為電容電流；C為直流側電容。

H橋在dq旋轉坐標下的數學模型為

(1)

式中：usd和usq，vsd和vsq，Isd和Isq分別是電網電壓，交流側輸入電壓和交流電流在dq軸的分量。

為了實現直流側輸出電壓恒定，交流側輸入電流為正弦且功率因數可控的目標，輸入級采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內環(huán)。電壓外環(huán)的作用是控制輸出電壓，保證直流輸出電壓的恒定；電流內環(huán)的作用是按照電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制，實現單位功率因數[12-14]。

為減小dq軸電流在動態(tài)過程中的相互影響，電流環(huán)引入前饋解耦控制環(huán)節(jié)。令系統(tǒng)控制輸入為

(2)

將式(2)代入式(1)可得到解耦后的控制方程為

(3)

式(3)中的有功電流Isd和無功電流Isq已完全解耦，從而得到輸入級的控制框圖(見圖6)。

圖6 輸入級控制框圖

2.2 隔離級控制

隔離級的控制目標為：在高頻變壓器一次側將直流電壓調制成高頻交流電壓，經變壓器耦合到二次側后，再還原成直流電壓。因此，隔離級采用PWM控制，驅動信號為占空比為50%的互補觸發(fā)脈沖。而且由于隔離級在拓撲結構上的對稱性，能實現能量的雙向傳輸，電容電壓自動平衡，從而不需要額外的控制手段[15]。

2.3 輸出級控制

輸出級的控制目標為：輸出的相電壓恒定且波形是正弦。因此，采用相電壓瞬時值和有效值相結合的雙環(huán)控制策略，內環(huán)為相電壓瞬時值控制環(huán)，外環(huán)為相電壓有效值控制環(huán)，此控制策略能夠保證輸出波形良好的正弦型，輸出電壓精度高[16]。控制框如圖7所示。

圖7 輸出級控制框圖

3 仿真及結果分析

為了驗證級聯型PET拓撲在電壓變換和平衡電流電壓等方面的性能，在Matlab/Simulink平臺建立了仿真模型。仿真參數見表1。同時，將仿真結果與傳統(tǒng)AC/DC/AC型PET進行比較驗證。

表1 仿真模型主要參數

3.1 PET空載時

圖8是級聯型PET和傳統(tǒng)PET空載時的仿真曲線，由圖8(a)可知，輸入級直流電壓可以穩(wěn)定控制在6 kV左右，這與設定的母線電壓幾乎相同，并且電壓變化平穩(wěn)，達到穩(wěn)定所需時間較短。結合圖8(b)，3個H橋直流電壓約為2 kV，說明級聯H橋在雙閉環(huán)的控制策略可以實現每個H橋的均壓。圖8(c)可以看出傳統(tǒng)PET電壓變化迅速，峰值較高，約0.18 s后最終穩(wěn)定在5.8 kV左右，不能達到設定的母線電壓值；而級聯型PET變化平穩(wěn)，峰值較低，0.14 s左右即實現穩(wěn)定。

(a) 級聯型PET高壓側總電壓

(b) 級聯型PET H橋電壓

(c) 傳統(tǒng)與級聯PET高壓側總電壓

3.2 PET帶負載時

圖9所示為級聯型PET和傳統(tǒng)PET投入負載時電流的仿真曲線，開始時PET空載，在0.2 s時投入負載。圖9(a)顯示投入負載后，低壓側輸出電流出現波動，但這個過程很短，隨后迅速恢復正常狀態(tài)，驗證了控制策略具有很好的動態(tài)性能。從圖9(b)可以看出，投入負載后，級聯型PET負載側電流出現跌落，但很快便恢復了正常；而傳統(tǒng)PET電流迅速增大了約50%，而且恢復穩(wěn)定時間也較長。

(a) 級聯型PET低壓側輸出電流

圖10(a)、10(b)所示為PET低壓側和負載輸出電壓的波形。圖10(a)、10(b)說明級聯型PET可以很好地實現電壓10 kV到360 V的變壓。由圖10(b)可知，投入負載后，級聯型PET出現了較小的電壓畸變，此外均為正常的正弦波；而傳統(tǒng)PET的電壓驟升至500 V左右，0.4 s后才漸漸穩(wěn)定，且也出現了兩處較大的畸變，但整體上還是正弦波。

(a) 級聯型PET輸入電壓

(b) 傳統(tǒng)與級聯型PET負載電壓

仿真結果表明，與傳統(tǒng)的PET拓撲結構相比，級聯型PET可以很好地完成電壓等級變換，平衡負載和均壓均流等功能，并且減小開關器件的損耗和電壓電流諧波。在負載突變的情況下，能夠迅速響應，在極短的時間內恢復平衡，體現了很好的動態(tài)性能和抗干擾能力。

4 結 語

本文基于傳統(tǒng)的AC/DC/AC型PET研究了一種級聯型PET拓撲結構，輸入級的級聯H橋電路模塊數少，結構緊湊，而且電壓被均分到每一個子模塊上，從而提高了輸入電壓等級；隔離級的LLC型諧振變換器使得功率可以靈活雙向傳輸，減少了開關損耗，提高了系統(tǒng)效率；輸出級采用的逆變電路具有輸出穩(wěn)定，電能質量高等優(yōu)點。通過Matlab/Simulink的仿真，驗證了其均壓均流，抑制諧波，動態(tài)性能優(yōu)秀和平衡負載等能力。級聯型PET由于采用高度模塊化的結構和適當的控制策略，可廣泛應用，具有較高的應用價值和廣闊的發(fā)展前景。

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