一种改进的电子电力变压器并联控制技术

石赛美，刘宪林，王晓芳，李海娜

(1.邵阳学院电气工程学院，湖南邵阳，422000;2.郑州大学电气工程学院，河南郑州，450001)

电子电力变压器(Electronic－Power－Transformer，EPT)作为一种新型变压器，在改善电能质量方面发挥了重要作用。为了进一步提高电力系统的供电可靠性和供电容量，EPT的并联运行得到了国内外研究人员越来越多的关注［1－2］。

当前EPT的并联运行控制技术大致分为有互联线控制方式和无互联线控制方式。无互联线控制技术采用调差特性下垂控制方程，通过监测每台EPT各自输出的即时功率，通过将有功功率和无功功率解耦来分别控制，利用下垂特性分别调整各自EPT的输出电压的幅值和相位来实现均流，但均流的实现是以牺牲电压调节精度为代价［3］。为抑制输出电压幅值的波动，文献［4－5］通过增加瞬时电压基准补偿环节和输出阻抗参数调节环节，使逆变器实现了良好的动态均流能力以及对参数不一致的调节能力。通过借鉴逆变器的无互联线控制方式，针对典型的基于调差特性的控制方式提出了一种新的无互联线控制方式。结合两台EPT并联搭建了仿真模型，并进行动态仿真。

1 两台EPT并联系统

1.1 并联系统的基本原理

与传统变压器的并联运行原理一致，在小型及微型电网中，多台EPT并联运行的理想条件是:空载时其各自并联的EPT之间没有环流存在;带负载后各台EPT二次侧电流同相位，多台EPT输出功率应完全均分。但是由于各种实际因素的影响，很难达到并联的理想情况，其中EPT输出特性的差异，造成了并联系统中的环流存在。因此，抑制环流是解决并联运行的首要问题。

图1是两台EPT并联运行的等效电路，该电路已折算到二次侧。其中V1和V2为两台EPT输出电压幅值，δ1和δ2分别为其相位角，两个模块的连线阻抗为R1+jX1和R2+jX2，通常线路阻抗里有电阻远小于电抗值，所以此处忽略了电路中的电阻，V0∠0°为公共母线上的电压和为各自EPT输出电流。

图1 两台EPT并联运行等效电路Fig.1 Equivalent circuit of two EPTs in parallel operation

由图可得:，X=X=X，

定义环流如果12则

又因为

联立式(2)、(3)可得到

从表达式(2)可以看出，一般情况由于实际EPT运行时线路感抗值非常小，所以当两台EPT存在输出电压相位、幅值上的稍有差异就会在各电流输出端形成较大的环流。

由表达式(4)可见，由两台EPT组成并联系统时，其变压器的输出电流是由两部分构成的，一部分是承担负载的负载电流，另一部分则是流通在各并联EPT之间的环流。前者是共同分量，由承担的负载决定;后者特性则是大小相等，方向相反。由相应变压器输出电压的输出特性差异决定，造成了相互间承担负荷的不等，影响了变压器的经济性能。

通过分析可得，为了实现理想的并联运行条件，各台EPT必须保证二次侧电压的频率、幅值、相位一致。而二次侧输出电压的差异可以通过对基准电压的幅值、相位和频率的控制来校正。因此可以得出结论，要抑制EPT并联运行所产生的环流和由此所引起的功率不平衡问题，可以通过控制基准电压的幅值、相位和频率来实现。

1.2 传统功率下垂控制

以EPT1为分析对象，由图1可得EPT1输出的复功率为:EPT1的输出电流为:

将式(6)代人(5)式得出

由于一般 EPT 输出电压 V1和 V0相位差很小，则 sinδ1=δ1，cosδ1=1，可得到

通过以上分析我们可以得到并联EPT输出有功功率的变化主要取决于相位角δ的变化，相位超前者发出有功功率，反之则吸收有功功率;无功功率的变化主要受输出电压幅值的影响，幅值高者发出无功功率，反之则吸收无功功率。

在实际应用中，输出电压相位的调节可以通过调节其角频率或初相位来实现，为了抑制频率波动给并联带来的影响，文献［3］采用基于电压初相角调差特性的控制方式，达到了既可以保持恒频供电，又可根据实际需要选取合理的调差系数，从而实现有功负荷的稳定合理分配。典型的功率下垂控制关系为

对并联运行的各EPT，当负荷发生变动时，各EPT将通过自动调节其输出电压的相位角和幅值，从而达到实现功率稳定分配的效果;缺点是传统的功率下垂控制其控制系数的大小和系统的输出阻抗、线路阻抗对系统的性能有着重要的影响。

2 改进的功率下垂控制

针对传统的下垂控制提出了一种改进的下垂控制方法，在原来的基础上通过增加瞬时电压基准补偿环节和输出阻抗参数调节环节。如图2所示。

图2 单台EPT控制原理图Fig.2 Control principle diagram of single PET

其中瞬时电压基准调节环节如图3所示，通过实时检测EPT的输出电流，当出现大的环流流动时提供瞬时电压基准的动态调节，能够立即减小环流，抑制环流尖峰，提高了系统的动态响应能力和稳定性能。

输出阻抗参数调节环如图4所示，由文献［6－7］可推知，EPT的电压环的PI调节参数的积分系数与输出阻抗关系密切，可以通过改变积分系数的大小来调节输出阻抗，当系统出现比较大的环流时，通常环流主要表现出无功环流部分的显著增加，因此通过检测EPT瞬时输出的无功功率情况能够及时得到环流情况，在传统的无功调差特性基础上增加输出阻抗参数调节环节可以有效提高功率均分精度，对参数存在差异的并联EPT能起到快速调节的作用，从而抑制环流的产生。

图3 瞬时电压基准调节环Fig.3 The diagram of the instantaneous voltage reference adjustment

图4 输出阻抗调节环Fig.4 The diagram of the output impedance adjustment

3 仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建两台EPT并联仿真模型，为了验证改进的控制方案的可行性及仿真效果，对两台输出滤波电感存在参数差异情况的EPT进行了相关仿真研究。

3.1 EPT2中途投入并联运行

EPT1带恒定负载运行，0.5s时EPT2由空载状态投入系统，实现两台EPT并联运行。有关波形如图5和图6所示。由仿真结果图可见，系统由单台变压器运行状态切换至两台变压器并联运行状态后，尽管两台EPT存在参数差异，由于采用了改进的多环控制方式，两台并联EPT之间实现了很好的均流控制，有功、无功负荷也在两台EPT之间达到了稳定分配，且动态响应性能非常良好，控制精度比较高。

图5 EPT2在0.5s并入前后的电流波形Fig.5 Simulation waveforms of current before and after the parallel of EPT2 at 0.5s

图6 EPT2并联后输出功率波形Fig.6 Simulation waveforms of output power after the parallel of EPT2

3.2 并联系统由满载突变到半载

并联系统开始满载运行，0.5s时负载由满载突变到半载，由输出电流波形可以看出，在系统负载突变时，EPT的输出电流也都能保持良好的动态和稳态性能。

图6 并联后满载切换到半载输出电流波形Fig.6 Simulation waveforms of output current from full－load to half－load after the parallel

4 结论

基于传统的调差特性方程的EPT下垂控制策略基础上，提出了增加瞬时电压基准补偿环和输出阻抗调节环的多环控制方式，基于该控制方式对两台参数不一致的EPT并联系统搭建仿真模型，对其并联运行的动态过程进行仿真分析。仿真效果表明，采用该改进的控制方案，对两台EPT并联系统参数不一致的情况，能够快速精确的实现有功、无功负荷的稳定分配，且系统能保持良好的动态和稳态性能。

参考文献:

［1］陈亚爱，刘明远，周京华，等.电力电子变压器控制策略［J］.电气传动，2016，46(08):3－10.

［2］刘海波，毛承雄，陆继明，等.基于无互联线控制的电子电力变压器并联技术［J］.电力系统自动化.2007，31(15):55－60.

［3］石赛美，刘宪林.电力电子变压器并联运行动态仿真［J］.电力系统保护与控制，2009，37(02):20－23.

［4］GUERRERO J M，MATAS J，CASTILLA M，et al.Wireless－ Control Strategy for Parallel Operation of Distributed－Generation Inverters［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53(05):1461－1470.

［5］YAO W，CHEN M，MATAS J，et al.Design and analysis of the droop control method for parallel inverters considering the impact of thecomplex impendence on the power sharing［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58(02):576－588.

［6］姚玮，陈敏，陈晶晶，等.一种用于无互连线逆变器并联的多环控制方法［J］.电工技术学报，2008，23(01):84－89.

［7］谢玲玲，时斌，华国玉，等.基于改进下垂控制的分布式电源并联运行技术［J］.电网技术，2013，37(04):992－998.