负荷波动对PET运行影响及应对策略研究

涂春鸣，李小栋，兰　征，肖　凡，帅智康

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)

负荷波动对PET运行影响及应对策略研究

涂春鸣，李小栋，兰征，肖凡，帅智康

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)

负荷波动会影响电力电子变压器(power electronic transformer，PET)的稳定运行，尤其是会导致直流侧电压波动和输出电压畸变。针对此问题，基于PET输入输出功率守恒提出了一种应对策略。首先通过建立负荷波动时的小信号模型，然后利用该模型分析了负荷波动影响PET运行的原因，最后通过对PET的输出功率引入前馈控制，使系统对于输出功率变化获得较快的动态响应速度，减小直流侧电压波动和输出电压畸变。仿真结果验证了所提出的控制方法的可行性和有效性。

电力电子变压器；稳定运行；直流侧电压波动；输出电压畸变；功率前馈

近年来随着电力电子技术在电力系统中的应用日趋广泛，出现了一种通过电力电子装置实现电力系统中电压变换和能量传递的新型变压器—电力电子变压器(Power electronic transformer，PET)。PET由于具有输入输出功率因数可调和可实现功率双向流动等优点，有望成为未来智能变压器的发展趋势。

目前对于PET的研究主要集中在拓扑结构和控制策略上[1-2]，对于负荷波动对PET运行的影响，尤其是对直流侧电压和输出电压质量的影响研究较少。文献[3]提出利用大电容的稳压作用，一定程度上可抑制直流侧电压的波动，但可能会降低系统的动态响应并增大系统的体积。文献[4]提出了一种变结构控制的PWM整流器，通过瞬态、稳态间的控制策略切换减小直流侧电压的波动，但可能会降低系统的瞬态功率因数。文献[5]提出通过直接或间接地保持电容电流为零，达到抑制直流侧电压波动的目的。文献[6]提出了一种用低压直流侧电流作为前馈信号的控制方法，但该方法只考虑了直流负荷，未考虑交流负荷波动对PET运行的影响。

本文采用小信号分析方法，分析了PET负荷波动对直流侧电压和输出电压的影响，基于PET输入功率与输出功率守恒提出了一种应对策略。通过将交直流负荷的功率信号转换成电流信号并前馈，保持PET输入功率与输出功率始终相等，从而使PET在负荷波动时获得较快的动态响应速度，减小直流侧电压的波动并提高输出电压的质量。

1　PET的基本工作原理

图1为PET的基本拓扑结构图，由输入级、隔离级和输出级三个部分组成。输入级由多个单相整流桥级联组成，且每个整流桥并联一个电容，从而可降低每个开关管上所承受的电压，使PET能够适应较高的输入电压；隔离级的核心是双主动全桥(Dual active bridge，DAB)，由单相全桥逆变器、高频变压器和单相全桥整流器组成。由于结构上的对称性，DAB可以实现功率的正反方向流动，同时其低压直流侧也可为分布式电源提供直流接口；输出级由三相全桥逆变器和LC滤波器组成。

图1　PET的基本拓扑结构图

PET的工作原理为：高压交流输入经级联整流桥变换为多级的高压直流，再分别通过全桥变换电路调制成高频方波，经高频变压器耦合到二次侧后，高频方波再通过全桥变换电路被还原成直流，最后逆变器将低压直流母线电压变换为三相交流输出。

2　负荷波动对PET运行影响分析

负荷波动时，输入级和隔离级对输出功率的改变响应较为缓慢，会出现直流侧电压波动和输出电压畸变，本文采用小信号模型对此进行分析。

2.1高压直流侧电压波动分析

输入级作为PET与网侧的接口，其对PET负荷波动的响应能力直接决定着PET运行的稳定性。根据基尔霍夫电流定律和功率守恒原理，假定低压直流侧电压在负荷波动时不发生波动并忽略损耗，图1中的输入级部分可得：

式中：v1为高压侧直流电压；i0为整流桥输出电流；i1为整流桥负载电流；u、i为电网电压、电流有效值；po为PET输出功率；C为高压直流侧电容。

稳态时电网电流有效值和参考电流之间有 (输入级采用D-Q同步旋转坐标系的空间矢量控制)[7]：

利用式(2)和小信号的线性化技术分析式(1)，可得输入级的小信号模型：

由式(3)可得小信号控制框图2。图中GU为PI控制器的传递函数，其它传递函数如式(4)所示：

图2　小信号控制框图

由图2可以推导出电压波动与输出功率波动之间关系为：

由式(5)可知，由于G项不为零，因此高压侧直流电压v1会产生与输出功率相反方向的波动。

2.2低压直流侧电压波动分析

DAB的功率取决于输入级的功率大小，假定负荷波动瞬间输入级功率不变，并忽略损耗：

式中：pDAB为DAB的平均功率；pc为低压直流侧电容的功率(稳态时为零)；po为PET输出功率。

由式(6)可知，负荷波动时输入功率不变即pDAB不变，po的波动会改变pc，即会使低压侧直流电压v2产生与po相反方向的波动。

2.3输出电压畸变分析

带有LC滤波器的三相逆变器在D-Q坐标系下的数学模型为：

负荷波动时，由于LC滤波器的抑制作用，式(7)中逆变器输出电流向量i不会产生突变，v2的波动会使负载电压向量uo产生相同方向的波动。

3　PET应对负荷波动控制策略

为解决由负荷导致的直流侧电压波动和输出电压畸变，本文基于PET输入功率与输出功率守恒提出了一种PET的前馈控制，控制框图如图3所示。通过将PET交直流功率信号转换成电流信号分别前馈到PET的输入级和隔离级，减小负荷波动对PET运行的影响。

在PET的控制策略中，输入级采用D-Q同步旋转坐标系的空间矢量控制[9]，隔离级采用移相角控制[10]，其中移相角计算如式(9)：

图3　PET前馈控制框图

式中：fs为DAB开关频率；Ls为变压器漏感；n为变压器变比。

为使输入级的输入功率能够跟随输出功率的变化，将输出功率等效为整流桥的负载电流，再前馈到输入级的电流内环控制中。同时用输出功率等效为隔离级的负载电流，再用其计算相移角度φ，使隔离级功率传输也能较好地跟随输出功率的变化。

根据瞬时无功功率理论[8]，交流瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q为：

PET直流输出功率为：

式中：i2dc为隔离级的直流负载电流。

结合式(10)(11)可得PET总负载功率：

当PET忽略开关损耗和变压器的损耗时：

结合式(12)(13)可分别得到整流桥和隔离级的等效负载电流i1'和i2'为：

前馈过程如图3虚线部分所示。由于采用了PET已有的输出状态量，所以输出功率计算并不需要额外的传感器。

4　仿真分析

为了验证上述前馈控制策略的有效性，对图1所示的拓扑图搭建了仿真，参数如表1所示。

表1　PET参数

为验证负荷波动对PET运行的影响，选取PET五种不同的交直流负载情况，参数如表2所示。PET的负荷按照运行点ACADEBCEA的顺序进行切换，直流侧电压和输出电压瞬态响应分别如图4、5所示。当PET在重载下或轻载下切换，如图4和图5(a)所示，直流侧电压波动较小，输出电压的畸变也不明显；当PET在空载、轻载和重载之间切换，如图4和图5(b)所示，直流侧电压波动较大，输出电压也存在较大畸变，会对PET的稳定运行产生较大影响。

选取运行点B、C、E，按照CEB的顺序进行切换，0.4 s时由C切换至E，0.6 s由E切换至B，如图6～8所示。

表2　PET负荷情况

图4　直流侧电压瞬态响应

图5　输出电压瞬态响应

图6　不同控制策略的直流侧电压瞬态响应

图6为采用不同控制方法得到的直流侧电压瞬态响应。与高压直流侧电压相比，由于仿真选取的低压直流侧电容较大，对电压波动具有一定抑制作用，因此出现的波动小于高压直流侧，由图可以看出使用本文的方法时，对波动具有较好的抑制作用。

图7为采用不同控制方法时的功率瞬态响应。如图所示，PET采用本文的方法能够通过改变输入功率大小迅速响应负荷波动，同时隔离级也能做出同样响应使输入功率迅速地传递到输出级。

图7　不同控制策略的功率瞬态响应

图8为采用不同控制方法的PET输出电压(A相)。由图可知，无前馈控制的输出电压在0.4和0.6 s时会出现较大畸变，而采用本文的方法在0.4和0.6 s时都有较好的控制效果。对0.4～0.5 s和0.6～0.7 s共10个周期的A相电压进行谐波分析，如表3所示。无前馈控制在负荷波动时输出电压的基频分量与参考值相比会出现较大的波动，且谐波畸变率较大。而采用本文的方法对输出电压的畸变有较好的抑制效果。而负载功率在稳态时，无前馈和本文的方法在控制效果上没有太大差别。

图8　不同控制策略的输出电压(A相)

表3　谐波分析结果

5　结论

本文通过建立负荷波动时的小信号模型，分析了直流侧电压波动和输出电压畸变的原因，提出了一种前馈控制策略。仿真研究表明，该方法对直流侧电压波动具有较好的抑制作用，对输出电压的质量也有明显的提高，同时可以在较小的直流侧电压波动情况下，用较小的电容取代大容量电容，减小系统的体积并降低成本。

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Effects of load fluctuations on PET operation and its control strategies

TU Chun-ming,LI Xiao-dong,LAN Zheng,XIAO Fan,SHUAI Zhi-kang
(College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha Hunan 410082,China)

The stable operation of power electronic transformer will be impacted by load fluctuations,especially to DC link voltage and output voltage.To solve this,control strategies based on the input and output power conservation of PET were proposed.Firstly,small-signal model of load fluctuations was built in this paper.Then,the reasons of the impacts on PET caused by load fluctuations were analyzed with the model.Finally,less impact on DC link voltage and output voltage could be achieved through adding a feed-forward control to PET,which greatly speeded up the system response to the power changes.The results of simulation verify the feasibility and effectiveness of the proposed control strategy.

power electronic transformer；stable operation；DC link voltage fluctuation；output voltage distortion；power feed-forward

TM 461

A

1002-087 X(2016)10-2051-04

2016-03-16

国家自然科学基金(51377051)

涂春鸣(1976—)，男，江西省人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子在电力系统中的应用等。