探究电网供电的电子变压器控制系统优化设计

翟志强+王伟+刘玉龙

摘 要：本文通过对电力电子变压器控制算法的研究，分析如何实现电能质量的调节，有效降低系统的运营成本，从而显著提高系统的动稳态特性。

关键词：电力电子；变压器；控制；算法

前言：近些年来，分布式发电技术与高压直流输电技术被广泛的应用和推广开来，从而备受人们的关注。电力电子变压器含有直流环节，可达到风光互补的输入和交直流共存输出的目的。电力电于变压器的应用领域主要集中在运用电力、交通、军事等行业中，其是一种实现电压调节与功率变换的装置。与传统铁芯式变压器相比，电力电子变压器实现了从低频化到高频化、小型化的转型，同时可以实现对变压器原、副方电压幅值和相位的灵活控制。

1 系统结构与原理

电力电子变壓器的结构主要分为两种形式，一种是指无直流环节的直接AC-AC的拓扑结构，另一种形式为含有直流环节的拓扑结构，即AC-DC-AC结构。图一为拓扑结构示意图。

AC-DC 模块中将三相高压、工频交流电通经三相PWM整流为直流电；DC-DC模块将直流电调制成为单相高频方波，经高频变压器耦合后再全控整流成直流电，DC-AC模块将直流电经三相PWM逆变成三相交流电，经滤波后供负载使用。DC-DC环节与DC-AC环节均采用开环控制的方法，故控制策略不作具体研究[1]。

1.1高压PWM 整流原理

PWM整流器不仅能够实现直流母线电压灵活调节，还能保证交流网侧的单位功率因数运行。根据基尔霍夫电压定律，建立三相VSR数学表达式：

式中： ea、eb、ec、ia、ia、ia分别为三相交流电压、电流，Vdc是直流母线电压，L 为电感，C 为电容；Si；i=a、b、c；为二值逻辑函数，Si=1为对应上桥臂的开关管导通，Si=0为下桥臂开关管导通[2]。两相同步旋转坐标系的数学模型可写为：

1.2双闭环解耦控制原理

三相 PWM 整流系统采用电压、电流双闭环控制。电流内环采用前馈解耦控制，产生一个与耦合量大小相等方向相反的量来消除耦合。电子变压器运行过程中，若发生电压跌落、闪变以及三相不平衡等问题，传统的 PI 控制器由于其参数固定，动态性能较低，电能质量调节效果不佳，很难实现直流母线电压的快速响应，且电压调节过程中，直流母线电压的波动无法满足敏感负荷的安全运行要求[3]。

2基于模糊PI的整流控制策略

为满足敏感负荷的安全运行要求，提高PET系统的动稳态性能与抗干扰能力，本文主要研究高压整流环节在模糊PI的电压外环控制器中的应用。在系统处于不同运行状态时，可采取调整控制器参数的方式，提高系统的抗干扰能力与自适应能力。其参数整定的原则为：

当电压跌落、暂升与闪变时，当直流母线电压的误差较大且为正，通过增大控制器参数，提高系统的响应速度，尽快消除直流母线电压的误差。

当误差为负时，应当减小控制器参数，避免出现较大超调。

当误差较小且误差变化率较小，直流母线电压趋于稳定时，为了保证系统的稳态性能，控制器参数的修正量应为0[4]。

3 PET仿真验证与分析

3.1仿真建模

为进一步验证和分析采取方法的有效性，采用对比分析的方法，在参数不变时，分别观测基于传统 PI和模糊PI的电力电子变压器在电压跌落、暂升、闪变时的动态响应特性。基于Mat-lab/Simulink 软件，搭建电力电子变压器系统仿真模型，将直流母线电压误差与误差变化率送入模糊逻辑控制器中，模糊逻辑控制器输出比例系数与积分系数的修正量，实现PI控制器参数的实时调整。

3.2仿真结果

网侧线电压有效值为10kV，频率为 50Hz，高频变压器运行频率 20k Hz； 传统 PI控制器的 Kp=0.6，Ki=20；模糊PI控制器比例系数参考值为0.6，积分系数的参考值为20。基于PI控制和基于模糊 PI 控制的电力电子变压器系统均能稳定运行，前者的超调量为3.4%，后者的超调量为1.5%，这表明后者具有响应时间更快、超调更小的优势。系统带载启动，在0.3s时由于网侧电源发生电压波动，其波动幅值不超过±30%。基于PI控制和基于控制的电力电子变压器系统均能稳定运行，且前者波动的幅值为后者波动幅值的两倍。这表明后者具有更好的稳压效果。系统带载启动，在0.3s时由于网侧电源发生电压跌落30%或者电压突升30%，在0.65s电压恢复正常[5]。与传统PI控制相比，基于模糊PI控制的电力电子变压器高压侧整流器具有更快的响应速度，更小的超调量，究其原因是模糊PI控制器的参数可以适时调整，使系统具有较好的自适应性。

结语：在抑制电网供电电压跌落中，电力电子变压器应用效果明显，突升以及波动闪变干扰等电能质量问题时动态响应速度慢，调节效果不佳。针对上述问题，提出了一种采用模糊 PI 控制的双闭环控制方法。首先建立电子变压器的数学模型。然后运用模糊控制原理设计模糊控制器，对系统输入级电压外环的 PI 控制器参数进行实时调节。本文与前人研究成果相比，针对网侧电能质量发生变化的特点，提出了基于模糊 PI 控制的电力电子变压器系统，并设计了相应的模糊控制算法，通过测取直流母线电压和参考值之间的误差与误差变化率，对 PI 控制器的参数进行实时调节，从而提高系统的动态响应速度与稳态精度。

参考文献：

[1]石锋伟. 哈尔滨铁路哈齐段2M业务割接施工技术探析[J]. 科技创新导报，2015，12（34）：55-56+58.

[2]陈小全. 京九铁路客运专线速度目标值研究[J/OL]. 铁道标准设计，2015，59（10）：33-37.

[3]程俊超. 探究影响高速铁路行车安全的因素[J]. 科技展望，2015，25（13）：55.

[4]周恒，王玉会，滕虎. 矿区铁路轨道电路智能防护监控技术研究[J]. 山东煤炭科技，2015，（03）：106-107+109.

[5]田晓丹. 铁路通信机房环境监控系统的优化[J/OL]. 电子技术与软件工程，2015，（05）：53.endprint