電力電子變壓器改善電能質量的仿真研究

許 峰 姜 軍

（1.南京工程學院，江蘇南京211167；2.國網宿遷供電公司，江蘇宿遷223865）

0 引言

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET），也稱為固態變壓器（SolidState Transformer，SST）或智能變壓器（Smart Transformer，ST）等。PET除了具備傳統變壓器的功能之外，還可以減小傳統變壓器磁性材料的用量，而且具有改善電能質量、補償無功功率和限制故障電流等功能[1-3]。

隨著智能電網、能源互聯網等未來電網技術的快速發展，關于能實現變壓、電氣隔離、功率調節與控制、可再生能源接入等多種功能的電力電子變壓器的理論和技術研究得到了越來越廣泛的關注[1，3]。

本文結合國內外的研究現狀，首先介紹PET的拓撲結構，選取主流AC-DC-AC型PET作為研究對象，建立統一數學模型，然后分析設計控制策略，最后建立仿真模型驗證PET改善電能質量的可行性和有效性。

1 拓撲結構

PET主要由一次側、二次側電力電子變換電路以及能夠以高頻率運行的高頻變壓器組成，如圖1所示。根據有無直流環節分為兩類：AC-AC型和AC-DC-AC型[4-6]。

AC-AC型PET的優點是不需要直流環節，中間高頻變壓器具有小而輕的結構特點。AC-DC-AC型PET比前者多了中間直流環節，有助于一次側和二次側的單獨控制。

本文采用了如圖2所示的AC-DC-AC結構，它主要由五個部分組成：三相PWM整流、單相橋式逆變電路、高頻變壓器、單相橋式整流和三相PWM逆變。一般將PWM整流部定義為輸入環節，將單相橋式逆變、高頻變壓器和單相橋式整流定義為中間隔離環節，將PWM逆變定義為輸出環節。

2 數學模型

PET中PWM整流和PWM逆變的數學模型非常相似，所以本文推導了如圖3所示的PWM變流器統一的數學模型。

根據基爾霍夫電壓、電流定律可得三相靜止坐標系abc下的方程為：

圖1 PET系統結構框圖

圖2 AC-DC-AC型PET拓撲結構

圖3 PWM變換器主電路圖

其中，sk（k=a，b，c）為單極性二值邏輯開關函數：

利用Park變換，得PWM變換器在dq同步旋轉坐標系下的方程：

3 控制策略

PET中間隔離環節單相橋式逆變采用了±180°工作方式開環控制策略，控制結構簡單。輸入環節控制策略和輸出環節控制策略有共同之處，本文重點討論PWM變流器的控制策略。

在三相PWM變換器控制系統設計中，一般采用雙環控制，即電壓外環和電流內環。電壓外環主要是控制三相PWM變流器直流側電壓，而電流內環的作用是按電壓外環輸出的電流指令進行電流控制[6-7]。圖4和圖5分別給出了電流內環和電壓外環結構框圖。

4 仿真實驗

為驗證PET對改善電能質量的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink軟件平臺上構建了PET仿真模型，分別從諧波污染、三相電壓不平衡、電壓波動與閃變和電壓跌落四個方面進行仿真驗證。PWM變流器仿真參數如表1所示。

4.1 諧波

在三相電源中分別加入幅值為基波幅值的30%的5次和20%的7次諧波，三相電源電壓的波形畸變嚴重，如圖6（a）所示。經過快速傅里葉變換，波形總畸變率（THD）達到36.06%，如圖6（b）所示。

4.2 三相不平衡

仿真中設置A相電壓為原來幅值的50%（圖7），三相相位保持不變，來模擬三相電源的不平衡。則電壓不平衡度為：

圖4 電流內環結構框圖

圖5 電壓外環結構框圖

表1 PWM變換器仿真參數

4.3 電壓波動與閃變

電壓波動和閃變采用三相電源加入頻率為10 Hz、幅值為電源電壓10%的間諧波來模擬，其波形如圖8所示。

圖6 諧波注入PET輸入電壓波形和THD

圖7 三相不平衡PET輸入電壓波形

圖8 電壓波動PET輸入電壓波形

4.4 電壓跌落

在0.001 s時，電壓跌落到原來幅值的40%，跌落時間長達3個電源周期，如圖9所示。

圖9 三相不平衡PET輸入電壓波形

在以上四種情況下，PET仍能保證二次側輸出電壓的穩定，向負荷可靠地供電。輸出波形如圖10（a）所示，THD也僅為0.33%，如圖10（b）所示。說明PET不僅能實現變壓，而且有效隔離了一次側和二次側，能夠避免一次側電能質量問題傳遞到二次側，這是傳統變壓無法實現的。

圖10 PET輸出電壓波形和THD

5 結語

分布式發電技術迅速發展，直流配電網研究不斷深入，智能電網受到廣泛關注，而電力電子變壓器的出現有望解決電力系統面臨的諸多新問題。

本文在理論分析的基礎上建立仿真模型，驗證了PET改善電能質量的可行性和有效性。