基于电子电力变压器的配电系统电能质量控制

夏磊　周章斌　王军　曹涛　罗娟

摘 要：本文在分析电能质量控制方式的基础上，建构电子电力变压器数学模型，将电子电力变压器控制成电流源，将输出侧定义为电压源。从而利用电子电力变压器调控配电系统电能质量。

关键词：电子电力变压器；电能质量；电压源

中图分类号：TM72 文献标识码：A

通观国内外对电能质量的研究可以发现，当前对于电能质量学术界尚未形成统一定论。多数学者认为，电能质量不佳能够引起用户电力设备无法正常工作的电流、电压与频率偏差，容易导致用电设备故障或其他电力问题，影响用户正常用电，影响电力系统正常运转。伴随着科学技术与电力电子技术的飞速发展，各类精密复杂用电设备普及开来，人们对电能质量有着越来越高的要求，配电系统电能质量成为研究热点。用户电力技术（DFACTS技术）作为FACTS的重要分支成为电力系统研究的重要内容。

1.用户电力技术（DFACTS技术）分类

DFACTS主要分为：（1）以VSC为基础的有源电力滤波器、配电系统静止同步补偿器、动态电压恢复器、统一电能质量调节器；（2）以非VSC为基础的，静止无功补偿器、固态切换开关。有源电力滤波器可分为两种：串联、并联，用以补偿谐波；动态电压恢复器属于串联型调节器，以降低补偿电压；配电系统静止同步补偿器属于并联型调节器，以补偿目标结点电压。以上调节器均是一脉冲宽度调制技术控制为基础的电压源变换器，不同之处仅在于控制目标的差异，因此为功能不同的装置。统一电能质量调节器属于集并联、串联于一体的复合型电能质量控制器。统一电能质量调节器属于串联与并联集成的电能质量调节器，集两种调节器的优势与一体。是利用直流环节耦合起的电能质量调节器，用以补偿电压、谐波、无功功率，不仅能优化供电质量，更能减小进入公共电网的谐波。

2.电子电力变压器系统

电子电力变压器在输入、输出上包含VSC环节，近似于DFACTS装置。不仅可发挥电力变压器的变压、隔离功能，还可控制电能质量。因此，电子电力变压系统应用于配电系统后，能借助其发挥电能质量调节功能，无须增添其他的电能质量调节装置。同时，借助电子电力变压系统控制电能质量，无须对波形畸变成分进行准确分离，仅参考标准值波形即可。电子电力变压器配电系统接线图，如图1所示。

从图1看来，电子电力变压器要实现以下功能：（1）实现配电变压器的隔离、变压功能；（2）实现电能质量控制功能；（3）高频变压器主要用以实现隔离、变压，电能质量控制与电子电力变压器输入侧、输出侧紧密相关、协调进行。

就电网侧来说，为弱化外来谐波，减少无用传输，系统负载最好是线性的阻性负载。电子电力变压器配电系统应在电流源模式进行系统侧工作，到达系统的电流为波形正弦电流与三相对称，并且保持电流相位等同于系统电压相位，从而达到单位功率因数运行。就用户侧来说，则需要系统稳定输出理想的电压源。对此，电子电力系统负荷侧最好在电压源模式下工作，为负荷提供三相对称、波形正弦电压、幅值恒定。由此得出等效电路图，如图2所示。

从电网来看，电子电力变压器在电流源状态下工作，可隔离阻止谐波和无功向电网内注入；从用户侧来看，电子电力变压器在电压源状态工作，可以避免系统发生波形畸变以及影响负载，此类工作模式有以下优点：

（1）无须电网电压扰动进行检测，也不必对负荷的谐波进行检测；

（2）对于进入电网的电流可直接控制，并且可向电网提供无功；

（3）对于负荷的供电电压可直接控制，并且可提供多种不同的定制电源。

对于上述工作模式，电子电力变压器的输入侧须使用适宜的电流控制方案，以有效控制电流源工作，电子电力变压器的输出侧则使用适宜的电压控制方案，以有效控制电压源工作。一般而言，配电系统电子电力变压器，为适应单相负荷需要，需相应的提供三相四线制供电电源。电子电力变压器输出级使用三桥臂逆变器，不能提供公共地端。

三相逆变电源中，三相四线输出方式有：（1）副方联结成YN形式；（2）三相四桥臂逆变器，一个桥臂为中点：（3）三个单相逆变器，按YN联结。方式（1）须附加工频变压器，开关（2）开关器件少，但难以控制，方式（3）可灵活控制、操作简单，可实现三相独立控制，此结构为并联多重化，适宜于大功率场合，三相四桥臂式则无法使用。

3.控制策略

电子电力变压器含有VSC，所以其工作性能在很大程度上受控制策略影响。

3.1 输入级控制

电子电力变压器既要确保副方提供给用户的波形正弦与恒定电压，还要减少输入侧电流，降低谐波污染。

输入侧VSC可用以三相高频整流，不仅可完成电流正弦的输入，还可控制输入功率因数。为完成以上功能，输入级高频整流要使用双环控制，分别为直流电压外环、交流电压外环。电流控制环可显示于a、b、c相静止坐标系中，但为强化电子电力变压器动、静态响应，应在同步旋转d、p坐标系中则可更好的控制输入级电流环。d、p坐标中亦能对有功、无功进行解耦控制。图3为输入级数学模型。

从图3看出，输入级所形成的是一个相当复杂的非线性耦合关系。对此，为使性能充分发挥，应在d、q轴中去除耦合，一方面引入电流反馈，另一方面输入电源电压反馈。

输入级双环解耦控制策略外环为直流电压环，内环为交流输入电流环。将直流电压与参考值进行比较，而后形成偏差，而后通过控制器调节，以此为d轴电流参考值id，q轴电流为iq，人为设定功率因数。内环中，三相输入电流通过变换坐标，变换坐标id、iq与参考值进行比较，从而得出电流偏差量，通过调节控制器，得到参考波信号。

3.2 中间隔离级控制

中间隔离级应将输入级直流转换为高频方波信号，经过耦合，置于高频变压器的副方后，随后还原成直流信号。高频变压器主要有两个作用：其一，在原方系统和副方系统之间实现隔离；其二，电压等级变换。

有学者提出对于电子电力变压器的中间隔离级进行占空比控制，这样增添了控制系统的复杂性，同时带来不必要的谐波。所以，本文研究以开环控制将使直流调控至占空比为50%的高频方波，耦合至高频变压器的3个绕组后再进行整流并还原成直流。此类控制方式控制系统简单，同步问题易解决。假若忽略高频变压器的过渡，那么可将中间隔离级视为一个比例放大器：

3.3 输出控制级

输出级控制目的在于对称负载或不对称复杂条件下都可实现相电压的波形正弦与电压有效值恒定。电子电力变压器由3个单相逆变器构成三相四线逆变器，因此为三相独立控制，任一相负载不会影响其他相。三相独立控制基础上确保三相输出电压幅值相位对称。在输出级上，将a、b、c相划分为含有滤波器的单相逆变器。逆变器开关频率超过调制波的频率时，将其视为一个比例环节。

当配电系统负荷侧是无源系统时，那么输出级可以瞬时值反馈的定交流相电压控制输出级。输出级控制策略是双向控制系统，其中外环是相电压有效值控制环，内环是相电压瞬时值控制环。电子电力变压器输出级的控制为相电压有效值外环，是确保输出电压有效值的稳定，使负载发生变化，或系统被干扰时，电压有效值恒定。

结语

配电系统中电力质量问题是重要问题，近年来涌现的非线性符合、冲击性符合与波动性符合，严重影响了供电品质。电子电力变压器在电力系统中的应用，为解决配电系统电能质量问题提供了全新的方案。电子电力变压器可将电力系统网侧控制为电流源，用户侧控制为电压源，同时有效防止电压的闪变、波动、跌落等问题，有效控制电能质量。

参考文献

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