配电网中的电力电子变压器研究

电力系统保护与控制配电网中的电力电子变压器研究凌晨葛宝明毕大强2（1北京交通大学电气工程学院，北京100044；2电力系统国家重点。

交-直-交-直-交变换器比交-交-交变换器结构复杂，但控制特性良好。通过PWM调制技术可实现变压器输入输出电压、电流和功率的灵活控制。

典型的交-直-交-直-交拓扑结构如所示。

PET典型交-直-交-直-交拓扑结构Fig.本文针对配电网的PET，采用如所示结构，输入级变换器采用三电平整流器拓扑，隔离级采用三电平半桥直直变换器，输出级采用二电平电压型逆变器。由于输入级电压较高，整流电路采用三电平电压型变换器，可以有效降低功率元件一半的耐压值，提高功率元件利用率。而且，由于三电平输出比二电平多一个电平，故可使dM/d（降低一半，从而使输出电压谐波减小，有利于实现输出电压波形的正弦化，特别适合于高压大容量的电力电子变换系统，如所示。输出级由于电压低，使用二电平结构可满足要求。

配电网PET拓扑结构Fig.2PET各级控制电路工作原理2.1输入级控制PET不仅要保证其副方提供给用户的电压恒定和波形正弦，而且还应该尽量减小输入侧电流谐波，减小对电网造成的谐波污染。为保证PET电网侧的电流为正弦以及实现网侧功率因数可控，采用双闭环控制，即电压外环和电流内环控制，可以实现输入电流正弦，输入功率因数可控。

为实现上述功能，在外环，反馈的直流电压与给定电压值比较后形成偏差，经控制器调节后作为d轴电流，q轴电流的电流值置0，可以实现单位功率因数运行。在内环，三相输入电流采样后经坐标变换形成d轴和q轴分量，分别与值比较，经过控制器调节后，形成调制波信号。是三电平整流器控制原理图。

2.2中间隔离级控制中间隔离级需要将来自输入级的直流调制成高频方波信号，并经过高频变压器耦合到副方，再还原成直流信号。

通过对高频变压器原方三电平半桥中的四个开关器件进行控制，将来自输入级的直流高压调制成高频方波信号，然后经过高频变压器耦合至副方。

在这里，高频变压器的作用有两个：一是实现原方系统和副方系统的隔离；二是实现电压等级变换。

中，典型PET隔离模块采用全桥整流模式，本文针对配电变压器，不考虑能量的双向流动，故采用不控整流电路，如。由原方耦合至副方的高频方波信号通过二极管不控整流电路，经过滤波电感在电容上获得直流低压。

输入级直流高压幅值以及变压器变比一定的情况下，调整隔离级开关器件开通占空比，高频变压器获得不同占空比的高频方波信号，将在直流低压侧获得不同的电压。故隔离电压级采用电压电流闭环控制，在直流低压侧获得适合输出级逆变系统的电压等级。如所示，检测副边整流输出级电容电压F.，与电压信号F.相比较，所得的偏差信号经过控制器调节后作为电流内环的给定/if高频变压器副边电感电流瞬时值4与电流给定件的控制信号。

直直变换器控制原理。3输出级控制负载侧输出采用电压恒定控制，主要目的是获得输出恒压、恒频的交流电压，当负载在一定范围内变化时，应该保持稳定的输出电压。为此，采用所示恒压恒频控制。三相输出电压经过d-q旋转坐标系转换后得到d轴分量和q轴分量，它们分别与各自的值、比较，得到偏差量，经过调节器后形成调制信号，通过SVPWM的控制算法，实现对逆变器的开关控制。

3PET仿真模型及结果分析使用Matlab/Simulink构建了PET系统的仿真模型，如所示。

系统的仿真参数如下：①电网侧：线电压10kV，滤波电感100mH；②高压直流侧：电容6800垆，直流侧设定电压15kV.③高频变压器：变比10：1，频率10kHz.④低压直流侧：滤波电感10mH，滤波电容1200xF，直流侧设定电压600V.⑤负载ftl：滤波电感ImH，滤波电容33pF，负载额定线电压380V，负载电阻3.63给出了系统仿真波形图，包括网侧电压，网侧电流，高压直流侧电压，高频变压器原边电压和副边电压，低压直流侧电压，负载三相电压，负载三相电流。为了验证PET对无功功率的控制能力，仿真中设定PET向电网注入100kvar无功，PET负载为三相纯阻性负载，输出功率40kW，频率50Hz.输入级三电平整流器对网侧高压进行整流，得到直流侧高压15kV，并使得输入电流正弦化，如图功率，如（d），所以电网电压和电流相位差68.2°，功率因数为超前cos炉=0.371三电平半桥变换器将高压直流调制成高频方波信号，如（e），并经过高频变压器耦合到副方，如（f）。利用二极管整流桥将高频变压器副方高频方波整流还原成低压直流信号，如（g）。

输出级经过二电平电压型逆变器，输出稳定的低压，如（h）和8（i）。由于电阻负载，功率因数为1.（a）电网三相相电压誓（c）高压直流侧电压（d）PET无功功率（e）高频变压器原边电压（b>电网三相相电流系统平台，负责完成数据采集处理和控制算法的编写，实现PET控制策略。

（f）高频变压器副边电压（g）低压直流侧电压（h）负载三相电压实验系统参数如下：①电网侧滤波电感3mH.②高压直流侧电容2200nF.③高频变压器变比3：1，频率10kHz.④低压直流侧滤波电抗1.72mH，滤波电容2200奸。⑤负载侧滤波电感5mH，滤波电容10HF，三相阻性负载50Q.给出了PET运行时的实验波形。网侧输入交流电压峰值为20V，高压直流侧电压给定值50V，低压直流侧电压给定值40V，负载相电压峰值给定值为10V.在实验系统中，PET通过所采用的控制策略，实现了电网电流正弦，并且相电流超前相电压，向电网注入无功，如（a），其中紫色为A相与中性点之间的相电压，绿色为相电流。

三电平整流器从电网吸入一定的功率维持直流侧电压在50V，如（b）。隔离级直直变换器将高压直流调制成高频方波，如（c）。高频变压器完成原边和副边电压等级的转换，如（d），并通过二极管不控整流将低压直流稳定在40V，如（e）。负载侧，二电平电压型逆变器通过恒电压恒频率控制，稳定了负载侧电压10V，如（f）。可以看出，波形与预期控制目标一致。

（a）A相输入电压和电流带宽限制。100A/V反相（b）输入级直流侧电压（i）负载三相电流PET系统仿真结果Fig.现了输入电流正弦，负载侧恒定电压、恒定频率，并且向电网发出了需要的无功。

4实验结果（C）高频变压器一次电压带M制伏/格探头反相豳一芾宽限制（d）高频变压器二次电压带宽限制PET实验系统共采用20个IGBT模块和相应的驱动模块，以DSPTMS320F2812为核心构建控制5结论针对配电网应用，提出一种PET新方案，原方三电平整流电路大大降低了元器件耐压等级，隔离级以闭环控制稳定低压直流侧电压，实现了原方电流正弦，副方负载电压恒定。它不仅可以从电网传送有功给负载，还可以向电网注入无功，给予电网无功支持。仿真和实验结果验证了所提出的PET方案。