重负荷切换下电力电子变压器的稳定性研究

周 柯 ，涂春鸣 ，高立克 ，刘 鹏 ，李小栋

（1.广西电网公司电力科学研究院，南宁 530023；2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙410082）

引言

电力电子变压器 （power electronic transformer,PET）是一种利用电力电子变换技术实现电压转换和能量传递的新型变压器。与传统变压器相比，PET采用高频变压器，提高了铁芯的利用率，从而大幅减小了变压器的体积。PET可以对其输入输出的电压幅值和相位实时控制，实现输入输出电压、电流以及功率的灵活调节。同时，其内部直流母线可以连接可再生能源，能便捷地将各种分布式发电系统接入电网。因此PET比传统变压器更能适应智能电网环境，但需克服多变的负荷及间歇性的分布式发电系统影响。

目前对于PET在稳态下的运行已经有了较深入的研究［1-3］，但是对于负荷切换等波动情况研究较少。PET是由AC-DC和DC-DC等环节构成的多级系统，各环节之间的耦合使得PET在负荷切换时的直流侧电压波动对于系统的稳定性会产生很大影响。文献［4］将整流桥和双主动桥（dual active bridge，DAB）作为两个独立单元分别进行控制，忽略了不同单元之间存在功率耦合，当负荷切换时，会出现较大的直流电压跌落。文献［5］提出在直流侧加装大电容，该方法在负荷切换时较好地抑制了直流侧电压波动，但缺点是降低了系统的动态响应并增大了系统的体积。文献［6］提出将背靠背系统的整流桥负载电流前馈，以此来抑制负荷切换时直流侧电压的波动，但对于重负荷切换工况，效果不理想。

本文针对重负荷切换工况，提出在整流桥和DAB环节增加前馈控制，使得PET能够抑制重负荷切换所引起的不稳定情况，改善切换时的动态响应。

1 PET的拓扑及工作原理

PET的拓扑结构如图1所示，AC-DC部分由3级H桥级联组成，由于对配电系统而言，一次侧电压等级高，二次侧电压等级低，输入必须采用多个整流桥串联的结构，使高压侧输入电压被均分到每一个整流桥上，从小单个模块上所承受的电压，并能以较低的开关频率实现了较高的等效开关频率，降低了开关器件的损耗。DC-DC部分由DAB构成，DAB在结构上完全对称，由单相全桥逆变电路、高频隔离变压器和单相桥式全控整流电路组成。

PET的工作原理为：整流桥将高压工频交流电经电力电子变换后变成直流电，直流电在DAB中被调制成高频方波加载到高频变压器上，降压后被还原成直流电。由于DAB具有功率的双向流动能力，DAB的输出可连接至直流可再生能源和直流负载，也可连接DC-AC逆变器，为交流负载供电。所以DAB后级既可以有交流负荷也可以有直流负荷，为简化分析，本文将DAB后级负荷用直流电阻等效。

图1 PET的基本拓扑结构

2 PET建模与控制

2.1 单相整流桥建模与控制

不考虑开关状态，可得H桥整流器的微分方程［7-9］为

式中：u、i为电网电压、电流；v为整流桥输入电压；L为等效线路电感；ihdc为整流桥负载电流；v1为高压直流侧电压。

首先将单相输入电压滞后π/2相位得到虚拟的β轴，再通过坐标变换将αβ坐标系下的整流桥微分方程转换至同步旋转坐标系下，可得到

式中：L 为等效线路电感；ud、uq、id、iq分别为电网电压和电流在dq轴的分量；vd、vq分别为整流桥输入电压在dq轴上的分量；ω为电网电压的角频率。

整流桥控制原理如图2所示，vref为高压直流侧总参考电压，v1、v2、v3为各级H桥高压直流侧电压。取d轴坐标与电网电压同相位，则按照瞬时无功功率理论，稳态时整流桥输入电压的dq分量均为直流变量，d轴表示有功分量，q轴表示无功分量。由式（2）可以看出，输入电流d轴分量和q轴分量之间存在耦合，因此PWM整流桥采用电压、电流双闭环控制策略，并引入PI调节器解耦输入电流。电压外环的作用主要是保证输出直流电压恒定，并给出d轴的内环电流参考值idref，电流内环的作用主要是按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，只需要令q轴电流参考量为零即可实现单位输入功率因数。

图2 整流桥双闭环控制框图

由于电力电子器件的参数存在偏差，所以稳态时在整流桥的级联结构中会出现各个高压直流侧电压之间的不平衡，这将严重影响PET的可靠运行。因此在整流桥的控制中加入均压控制，平衡各个高压直流侧电压。如图3所示的第一级H桥为例，整流桥会因不同的直流电压v1产生不同的Δv，从而在载波移相控制的基础上，再通过不同的调制波平衡各桥输出电压。

图3 均压控制框图

2.2 DAB的建模与控制

DAB是一种高功率的DC/DC转换器，其控制策略的目的是实现DAB的输出电压和功率流动可控［10-11］。以单级DAB为例，DAB两个整流桥的驱动信号均为占空比为50%的互补触发脉冲，两个桥的对应开关管导通存在一个相移角度。当φ为正值时，功率正向流动，当φ为负值时，功率反向流动。式中：v′为低压直流侧电压；fs为开关频率；Ls为变压器漏感；n为变压器变比；φ为原副边对应的开关管导通存在相移角度。

DAB移相角控制如图4所示，v′ref为低压直流侧参考电压，Pref为单级DAB参考功率（即平均功率给定），iref为DAB电流参考电压。通过PI调节器控制移向角φ，DAB的原副边电压均为50%的方波，如图5所示。

由于高压直流侧电压之间的不平衡以及各个DAB的参数的不完全相同，所以稳态时会导致各DAB之间的功率流动不均衡，在极端情况下可能会导致器件电压电流应力过大。因此在DAB中加入均功率控制，平衡各DAB功率的流动。各个DAB不同的功率与参考功率的差值会产生不同的Δφ，从而通过不同的移相角平衡各个DAB的功率流动。

图4 DAB移相控制框图

和图5计算，vt为 DAB原边电压，it为 DAB原边电流。

图4中各DAB的功率可由

图5 DAB功率计算

3 PET的重负荷切换稳定性研究

由于PET整流桥和DAB之间存在功率耦合，各级的功率传输不仅与本级的运行状态有关，还与其他级的运行状态有关。

PET的负荷发生切换时，式中整流桥负载电流ihdc发生波动，电网电流i在瞬间可看作定值，因此高压直流侧电压 v1、v2、v3会产生波动。

DAB在PET稳定运行时，忽略损耗有

式中，ilowdc为负载电流。

在负荷切换的瞬间，假设高压直流电压侧v1、v2、v3不变，DAB相移角度 φ 为定值即PDAB不变，ilowdc产生的波动也会使v′产生波动。

在PET的负荷发生切换时，整流桥和DAB不能立即对负荷切换做出相应的反应，相应的功率传输改变也较为缓慢，因此直流侧电压会出现波动，影响了PET运行的稳定性。故采用前馈控制，将等效负载电流和负载电流前馈到整流桥和DAB的闭环控制中，作为参考电流的一部分，以补偿负荷切换对直流侧电压的影响。

对式（1）进行拉氏变换可得

整流桥电流内环控制框图如图6所示。图中G1（s）=KP+为PI调节器传递函数，K0为PWM整流桥的放大倍数，与直流侧输出电压有关。

图6 整流桥电流内环控制框图

图6 所示的整流桥控制框图需要加入前馈控制，补偿负荷切换时输出功率变化对直流侧电压的影响。忽略变压器漏抗和开关损耗，有

式中，P0为输出功率。

因此整流桥的等效前馈电流为

加入前馈的整流桥电压外环控制框图如图7所示。图中Q（s）为整流桥电流内环闭环传递函数，G3（s）为 PWM 整流桥输出传递函数，G3（s）=K2

图7 加入前馈的整流桥电压外环控制框图

同样在DAB加入前馈，使DAB与整流桥同时响应PET的负荷切换。加入前馈的DAB控制框图如图8所示，v′ref为低压直流侧参考电压，iref为DAB电流参考电压。

图8 加入前馈的DAB控制框图

4 仿真结果

为了验证重负荷切换对PET稳定性的影响，对图1所示拓扑结构搭建了仿真模型，仿真参数如表1所示。

表1 PET参数

负载在0.4 s时从12 kW切换至重负荷18 kW，在0.6 s时从18 kW切换至6 kW。直流侧电压响应如图9和图10所示。

图9 重负荷切换下高压直流侧电压瞬态响应

图10 重负荷切换下低压直流侧电压瞬态响应

由图9和图10可以看出，当负载在重负荷下切换时，直流侧电压会出现较大的波动，而当负载在轻重负荷间切换时，直流侧电压出现的波动较小。因此需要采用前馈控制，抑制PET在重负荷下切换时的直流侧电压波动。为了验证前馈控制对PET直流侧电压波动的抑制作用，将PET负载在0.4 s时从12 kW 切换至 18 kW， 在 0.6 s时从 18 kW切换至12 kW，仿真结果如图11～图14所示。

图11为高压直流侧电压波形，可以看出电压在负荷切换时发生较大的波动，采用前馈控制可以较好地抑制电压波动。

图12为低压直流侧电压波形。由于低压直流侧的电容取值较大，所以与高压侧相比电压波动较小，在采用前馈控制后，低压直流侧电压可以基本消除，保证了负载的供电质量。

图11 高压直流侧电压波形

图12 低压直流侧电压波形

图13 为采用不同控制策略时的PET输入功率。由图看以看出，PET采用前馈能够通过改变输入功率大小迅速响应负载波动。

图14为DAB传输功率。DAB采用本文的方法能更快的改变传输功率大小，使得整流桥对负载功率做出的变化迅速地传递到DAB。

图13 PET输入功率

图14 DAB传输功率

5 结语

本文对PET在重负荷切换时的稳定性进行了初步研究，分析了在有无前馈时直流侧电压波动的情况，并提出了一种PET的前馈控制方法。仿真分析结果表明，该方法能够抑制由重负荷切换所引起PET直流侧电压波动，增强PET在重负荷切换时的稳定性，验证了所提出方法的有效性。

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