电力电子变压器并联运行动态仿真

  引  言

      电力电子变压器PET（Power－Electronic Transformer）作为一种新型的电力变压器，得到了国内外研究人员越来越多的关注。它是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变电装置。PET在完成常规的变压、隔离和传递能量的同时，还可起到电能质量控制器的作用，是一种多功能的新型变压器。将其用于配电系统既可实现降压又可保证电能质量[1]。

      两台或数台PET并联运行是变压器的一种重要运行方式，具有重要的研究价值。但当前国内外对于PET的研究主要集中于其拓扑结构和控制策略上，对其在电力系统中的应用及其运行特性的研究相对薄弱。文献[2]采用主从式控制方案解决并联PET输出交流侧的并联均流问题；文献[3]对并联PET负载发生阶跃变化以及带非线性负载的动态过程进行了仿真研究。本文对配电用并联PET负荷分配的控制策略进行研究，并对典型操作进行动态仿真[2,3] 。

1  PET的基本结构和控制策略

      PET的基本拓扑结构分为交-交-交变换器和交-直-交-直-交双直流变换器。前者结构简单，但可控性不高：后者结构复杂，控制策略完善，实用性较强。典型的交-直-交-直-交双直流拓扑结构如图1所示。

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      PET原边的电压型PWM整流电路采用解耦的电压、电流双闭环控制，无论变压器的负载是感性还是容性，只要在一定的范围内，都可使电网的功率因数接近1；原边的单相逆变电路实现高频逆变，采用开环控制即可。为减小变压器的体积和重量，变压器导磁材料采用铁氧体等高导磁磁芯。变压器副边整流电路用于实现高频整流，对配电变压器不考虑能量的双向流动，故其采用不控整流电路。为输出恒压、恒频的交流电压，PET副边逆变电路采用电压闭环控制[4]。

2  PET并联运行控制原理

      两台或数台PET并联运行是提高系统可靠性和扩大容量的一种有效途径，有关PET并联运行的研究尚不够深入。PET副边逆变器与US的逆变器工作原理一致，而多台UPS的并联运行方面的成果比较丰富[5-7],在研究PET的并联问题时可以借鉴。

      目前提出的PET并联控制方法主要有：集中控制方式、主从控制方式、分布逻辑控制方式和无互连线控制方式[2]。本文主要针对两台无互连线的PET的并联运行问题进行研究。图2是两台PET并联系统结构图，其原方接于同一公共母线。

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      为了避免并联变压器出现环流，各台PET的二次侧电压的频率、幅值、相位必须保持一致；为实现并联变压器之间有功负荷和无功负荷的稳定分配，各台PET应具有有功调差特性和无功调差特性。具有调差特性的PET副边逆变器控制结构图如图3所示。

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      PET二次侧电压的频率、幅值和相位取决于逆变器的PWM脉冲的正弦调制信号，正弦调制信号的特征与频率给定值f0、相位给定值ρ0和幅值给定值有关。取f0＝50Hz以保证额定频率。ρ0对应于有功负荷P0时的电压初相角（一般取为0，引入有功补偿系数Kp＞0），则可形成有功调差特性

ρ=ρ0-KpP      （1）

      U0对应于无功负荷Q=0时的电压幅值，引入无功补偿系数KQ＞0，则可形成无功调差特性

U=U0-KQQ      （2）

      对并联运行的各PET，ρ0和U0的值应相同，由于引入有功和无功补偿，当负荷变动时，并联运行的各PET将自动调节其输出电压的相位角和幅值，自动实现变压器间的功率稳定分配；为按变压器容量大小合理分配负荷，各PET以自身容量为基准的Kp和KQ的标幺值应该相等，一般取0.01～0.05。

      文献[2,8]提出采用频率调差特性进行并联PET以及逆变电源的有功功率分配。显然，在这种控制方式下，不同负荷时供电频率不能保持为50Hz；而若为了保证频率质量，频率调差系数取值必须很小，这又不利于稳定分配并联PET间的有功负载。与其不同，本文采用的初相角调差特性，即可保持 恒频供电，又可根据需要选合理的调差系数，实现有功负荷的稳定合理分配。参与并联的各PET的输出电压频率必须都等于50Hz才能保证正常运行。在图3中，由于对频率采用闭环PI控制，可以做到这一点。

      并联运行PET的参数可能不完全一致，最常见的是限流电抗器或连接线电感参数不同。图3中的电压测量点特意设置于公共母线，即使对于PET参数不一致的情况，也可以保证并联PET间的功率稳定合理分配。如电压测量点位于各PET输出端，则不能保证这一点[3]。

3  仿真分析

      本文利用Matlab6.5/Simulink搭建了仿真模型，对两台同参数PET的并联运行进行了仿真。系统主要参数为：PET额定容量10kVA，额定电压240/110V；PET2额定容量10kVA，额定电压240/110V系统频率50Hz，高频变压器频率1000Hz，IGBT开关频率9000Hz；KP、KQ硒均取标幺值0.01，频率给定值f0取50Hz，相位给定值ρ0取0，幅值给定值U0取标幺值为1.0。

3.1  两台PET同时投入并联运行（情况1）

      1.0s时，两台PET在低压侧由空载投入并联运行，承担功率因数为0.8的综合性负载。有关变量波形如图4-图6所示。由图可以看出，两台PET对应变量的波形一致。并联运行后所承担的负载电流相等，实现了均流控制以及有功、无功负荷的稳定分配，且频率保持恒定值不变。

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3.2  PET2加入并联运行（情况2）

      PET1带载运行，1.0s时PET2由空载状态投入，两台PET并联运行。有关波形如图7和图8所示。由图可见，PET1由单机运行状态切换至并联运行状态后，其承担的负载电流、有功和无功负荷均有所下降，下降部分由PET2来承担，最终两台并联PET之间实现了均流控制以及有功、无功负荷的稳定分配且具有良好的动态响应性能。

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4  结  论

      本文基于有功和无功调差特性方程建立了PET控制策略及模型，基于该模型对PET并联运行动态过程进行仿真研究。仿真结果表明，该控制策略可以在保持额定供电频率的前提下，实现有功、 无功负荷的稳定分配，且动态特性良好。