双电源输入环境下的电力电子变压器运行研究
发布时间：2020-12-31
摘要:为达到现代电网供电可靠性高、连续性强的标准，设计了一种适用于双电源输入电力电子变压器(DPI-PET)拓扑。其中，输入级为并联模块化多电平变流器(MMC)，实现一路电源因故障停电时能快速配合另一路电源工作，并保持网侧以及直流侧电压平稳;输出级为YN联结的三个单相逆变器，解决各种异常工况下电能质量的影响，各环节结合运行状态给出了相应的控制策略。最后在Matlab/Simulink中建立10kV/380V的配电网DPI-PET进行仿真研究，验证了所提拓扑的有效性与实用性。
关键词:双电源输入;电力电子变压器;配电网;控制策略;电能质量
0引言
电力电子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)是一种结合了电力电子元器件和高频变并采用相应控制策略的新型电力变换设备，能够实现电压等级、波形幅值和相角等电力特征变换的电力设备[1-3]。电力电子变压器由于使用了大量的电力电子器件且同时兼有交、直流环节，所以除了能方便接入直流电源和负荷以外还能够调节电能质量，这是电力电子变压器最为实用也是最显著的一个特点。故电力电子变压器已成为未来电网的重要组成部分[4]。综合现有文献，目前电力电子变压器的主要研究内容集中在适用于丰富系统功能以及提高系统性能等方面的拓扑结构以及相应的控制策略研究。文献[5]系统地总结、分类并归纳了电力电子变压器的常规控制策略，但没有进行较为详细的实验仿真分析。文献[6-7]对PET存在的故障情况进行了详细分析并提出相应的保护措施，实现了故障时PET具有一定的自阻断能力。文献[8-9]验证了PET可以和多台PET亦可与常规变压器并联运行，进一步提高系统的供电可靠性与供电容量，且在此运行模式下实现有功负荷与无功负荷的合理分配。文献[10]提出的变MMC子模块结构能够在配电网电压跌落故障的工作模式下，能够延长输出电压的稳定时间，其输出级三相四桥臂逆变器适用于不平衡负载，但其控制策略较为复杂。文献[11]在PET隔离级双有源桥(DAB)等效模型中加入变压器磁化电感和铜耗电阻以使传输二次脉动功率的性能增强，并采用PIR控制抑制直流侧二次纹波电压幅值。电力传输中断和电压波动会对生成重大的停电事故以及巨大的损失，而双电源供电模式将降低这些意外工况的产生，大大提升了供电可靠性。当一路电源因故障失电后，另一路电源亦可不间断供电，从而根本上降低了因外在因素对供电稳定性、可靠性及后续生产的危险影响。PET作为未来配电网的重要一环，深入研究在双电源输入情况下电力电子变压器的运行特性是十分有必要的。综上所述，本文设计了一种适用于双电源输入电力电子变压器(DPI-PET)，其并联模块化多电平换流器(MMC)组成其输入级，实现其中一路电源因故障停电时能快速配合另一路电源工作，从而确保供电稳定性并且使各侧电压保持平稳状态。针对在DPI-PET运行过程中可能发生的各种异常工况，将输出级设计为三个YN联结的单相逆变器，在控制更为灵活、简单的情况下亦保证了良好的输出电能质量。最后在Matlab/Simulink中建立10kV/380V的配电网DPI-PET仿真模型，实验结果验证了所提拓扑结构的有效性与实用性。
1.3子单元工作原理本文所提的DPI-PET拓扑结构逆变环节实质上是按DC-DC变换器的数量N将隔离级和输出级合为N个子单元，且采用ISOP的联结方式。为保证负载不平衡、网侧电压不平衡等异常工况下的电能质量，针对负载端需引入中性点以形成三相四桥臂输出的供电结构，主要措施有三相四桥臂逆变器和三个YN联结的单相逆变器。前者结构简单、功率器件利用率高，增加的第四桥臂控制中性点电压，即可得到3个独立电压，采用三次谐波注入式正弦脉宽调制[14]，可以得到理想的三相输出电压，且达到减少输出电压的谐波含量以及提高电压利用率，但控制十分复杂;后者每相独立灵活控制且简单实现，可适用于大功率场合以保证功率器件的流通能力。N个子单元中的三个独立单相逆变器组合形成a、b、c三相低压交流电输出，再按相对应并联在一起，最后每个单相逆变器后接一个LC滤波器，便构成了三相四桥臂输出的供电结构，此结构下的前级-隔离级中的高频变压器为1输出3输出的结构，一是为了提供直流端口给单相逆变器，二是变换电压等级以及电气隔离。综上所述，本文选择三个YN联结的单相逆变器，其优点为：(1)控制简单且灵活;(2)在异常工况下保证良好的电能质量;(3)响应速度快等。2DPI-PET控制策略2.1输入级控制
2.3输出级控制利用三个含LC滤波器的单相逆变器形成负载端三相输出交流电，单项逆变器即对应a、b、c相电压。对其进行三相独立控制，达到在不平衡负载时仍能实现输出电压稳定以及波形正弦化的目的。输出级采用双环控制，外环为相电压有效值控制环，内环为相电压瞬时值控制环。外环由输出相电压的有效值与参考值作差，其误差信号经PI调节器后与标准正弦波形相乘得到内环相电压瞬时值的参考值;内环中，测得的相电压瞬时值与上述得到的参考值形成误差信号，经PI调节最后由PWM发生器形成驱动信号传送到开关器件从而获得稳定的输出相电压。外环保证输出相电压有效值不变，内环则实现维持相电压良好的正弦波形。如图6所示。
3仿真分析基于Matlab/Simulink仿真环境下搭建了图1的DPI-PET拓扑结构进行实验验证，主要参数如表1所示。
3.1常规工况时的仿真在0s时，DPI-PET进行满负荷稳态(0.6MW，功率因数0.8滞后)运行，在0.3s处，MMC1由于故障退出运行，模拟DPI-PET一路电源因故障停止工作快速配合另一路电源工作的工况。图7分别给出了系统侧与负载侧的电压电流波形、中低压直流电压波形以及输出有功功率和无功功率波形。
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图7(a)、(b)可以看出系统侧和负载侧的电压、电流波形在短暂振荡后，在0.1s处趋于稳定，图7(c)则可以看出直流侧在0.15s处电压保持稳定且平衡，中压稳定为20kV、低压为800V。即使MMC1在0.3s退出运行时，无论是交流电还是直流电都保持良好的稳定性，且图7(d)也输出了稳定的有功功率波形。实验结果证明了DPI-PET满载运行时良好的工作性能，有效提高了供电可靠性。3.2异常工况时的仿真为深度分析DPI-PET的工作性能，对其在0～0.5s的运行时间内针对系统侧电压跌落、负载侧一相断路和三相负载不平衡三种异常工况分别进行运行仿真。
DPI-PET满载运行，系统侧三相电压在0.2s时跌落20%，随后在0.3s处恢复额定电压。图8(a)、(b)给出负载侧电压、电流波形以及直流侧电压波形。可以看出负载侧电压、电流并没有受系统侧电压跌落的影响，始终保持稳定的正弦曲线，证明了逆变器的良好的工作性能。三条直流电压波形则在0.2s时均发生了5%左右的跌落，但在0.3s后，各电压等级的直流电压可以很快恢复正常，最终在0.38s趋于稳定。但当系统侧三相电压跌落60%时，图8(c)显示0.26s～0.36s内电压波形发生明显振荡，则会影响到负载侧的正常工作。
DPI-PET满载运行，负载侧在0.2s时一相断路形成不平衡负载，后于0.3s处恢复正常。图9给出此工况下的系统侧和负载侧电压、电流波形以及直流侧电压波形。从图9(b)中可以看出0.2s到0.3s之间断线相电流为0A，而其电压在0.22s处出现短暂波动现象后迅速平稳，之后三相始终保持良好的正弦波形，且图9(a)中系统侧电压、电流也仍保持三相平衡。直流侧电压波形与满载运行时相同，在短时间波动后均稳定在预设值，证明了子单元拓扑结构的有效性且响应速度快的优点。
DPI-PET满载运行，负载侧在0.2s时发生三相负载不平衡工况：A相单相满负荷，B相无功功率0.5Mvar，C相功率为0.5MW+0.1Mvar，后在0.3s恢复正常。系统侧以及负载侧的电压、电流波形如图10所示。可看出系统侧电压电流波形依旧能保持良好正弦度，负载侧输出电压波形除在接入和退出三相不平衡负载的瞬间发生轻微不稳定但又立即恢复正常，因此负载侧三相负载不平衡时系统侧仍然输出稳定电能。
4结束语本文提出一种应用于中低压配电网的DPI-PET拓扑结构，在双电源工作环境下不仅保持了输入和输出电压、电流良好的电能质量，且凭借此结构渗透性强、响应速度快的特点，大大提高了城市配电网供电可靠性。通过对其满载运行以及一路电源停止工作、系统侧电压跌落和负载侧一相断路等异常工况的仿真实验，皆表明此DPI-PET结构不仅能为各侧提供高质量的电能，还可以避免一路电源因故障停止供电对负载侧的影响，比常规电力电子变压器具有更优越的工作性能。——论文作者：苗宇1，袁旭峰1，邹晓松1，邵振1，谈竹奎2，徐玉韬2
