智能电网固态变压器输入级功率因数校正研究

孙珊珊

（绥化学院信息工程学院 黑龙江绥化 152000）

一、引言

农村电网存在配电变压器年利用小时率低、线损较大、网侧电流含有大量奇次谐波等问题，农村电网智能化改造是建设坚强智能电网的重要环节，而新兴的固态变压器具有电气隔离变换、无功补偿和抵御闪变等智能化功能，可改善电能质量并降低网损。其利用电磁感应原理和高频电力电子变流技术，通过由直流环节过渡的AC/DC/AC间接变换实现智能变电的作用，在抑制输入侧电流的谐波产生及具备良好的输出可控特性的基础上，实现原方电流、副方电压和功率的灵活控制的功能，故固态变压器在减少电网能损、提高电力品质方面具有显著效果[1-5]。

目前，农村电网依然存在三相负载不平衡现象，增加农电线路损耗，导致农网运行功率因数偏低。本文提出并采用一种新的固态变压器控制方案--电压电流双闭环控制策略，并利用Matlab/simulink仿真软件进行了功率因数校正实验研究。

二、三相级联式固态变压器输入级结构及基本工作原理

（一）固态变压器工作原理。含有直流环节的AC/DC/AC型级联式固态变压器目前在国际上认可度高投产率大，其三级结构包括：输入级、隔离级和输出级。输入级通过PWM调制技术可实现原、副边电压，电流，功率的灵活控制，是当今重要的科研方向之一。

图1 固态变压器基本原理示意图

联型固态变压器结构如图2所示。输入级是将网侧交流电变换为高压直流电的PWM整流电路;隔离级为DC-DC变换单元，将高压直流通过逆变器调制成高频方波，且达到变换过程中漏感很小的要求；输出级为三相逆变电路，逆变过程后的稳定三相交流电可供给阀侧负载使用。

图2 三相级联型固态变压器结构

（二）输入级PWM整流电路。基于上述工作原理，本文选用三相电压型六桥臂PWM整流电路作为三相固态变压器的输入级部分，可有效地防止出现过流及输出短路的故障现象，控制起来相对容易，通过选择适当的控制策略可以达到减少谐波的目的，且有利于保持原方电流波形的稳定性，便于实现电压电流双闭环控制。其主电路拓扑结构如图3所示。

对网侧电压进行幅值及相位控制时，三相电压型六桥臂PWM整流电路具有以下优点：（1）电流波形正弦输入（2）实现单位功率因数控制（3）降低电网无功分量（4）减少网测谐波干扰（5）双向传递功率，提高电网再生能力。

图3 三相电压型PWM整流器

三、三相固态变压器输入级控制策略

设电网电压三相对称，网侧电感L为线性，电压型高频PWM整流装置的拓扑结构如图3所示，其中udc为直流电压，R为负载电阻。

对电压型PWM整流器进行建模并分析其数学模型，为达到输入级实现单位功率因数运行的目的提出电压电流双闭环控制策略，同时提升静态特性，加快动态响应。因输入级采用三相电压型整流器作为固态变压器的前级整流部分，其在静止坐标系下的表达式为：

式中SA、SB和SC为开关函数，且上下桥臂开关状态互补。由于表达式为瞬时变量，控制难度大，故采用坐标变换映射的方法，将a，b，c三相交流量变化到旋转坐标系（dq0）下，以实现独立控制有功和无功。图4为输入级控制策略框图，θ=ωt，θ为网侧电压相位，ω为同步旋转角速度。T(θ)为旋转坐标系（dq0）的变换矩阵。其定义表达式为：

电压外环实现直流输出的恒定，电流内环控制输入电流相位对输入电压的跟踪。对控制原理进行优化：（1）利用SVPWM发生器产的脉冲信号对三相PWM整流器进行控制，限制开关损耗并降低反激电压。（2）利用PLL锁相环对时脉信号进行统一整合，使高频器件正常工作。

表1 PI控制器设置参数

四、仿真结果与分析

图5 固态变压器输入级仿真模型

图5为输入级模型，在此仿真实验中对特定负载进行切换来分别分析系统的静态特性和动态特性，仿真时间设置为0.5s，满载过程持续第一个0.15s，立即切换为120%负载，持续第二个0.15s，然后再立即切换成30%负载，持续第三个0.15s至仿真过程结束。输入工频电压为10kV，设直流电压参考值为18kV，采样时间Ts==5e-6s。在此过程中选择使用SIMPOWERSYSTEM中的理想开关元件从而达到忽略开关损耗的理想状态，并对其内部电阻阻值进行设定，大小为0.01Ω，初始为0或1状态。

图6 输入级电流电压仿真波形图

图6中，输入级原边电压波形如（a）所示，波形为正弦三相对称状态且幅值Em=8131V。输入级A相电压电流波形如图（b）所示，在满载运行时，电流实现电压跟随的时间短且为0.05s，证明电压跟随特性良好且处于单位功率因数运行状态，网测谐波少，正弦度高，电流品质好。由图（c）可看出：稳态电压值在0.05秒内迅速过渡到18kV且在极短时间内进入到5%误差带，证明仿真实验中PI参数的选择合适且输出，系统响应速度迅速且反应灵敏，系统的无差度的提高使直流电压实现稳定且连续的输出。由图（d）可看出：在进行负载切换（1.2倍负载切换至0.5倍负载）时，过渡过程时间短暂，输入侧电压和电流波形良好保持同相位运行，实现单位功率因数运行目标，实现降低电能损耗。

图7 切换负载时交流侧功率变化

由图7可看出，在进入稳态后的有功功率随负载变化且维持稳定状态，无功功率基本为0Var。

五、结论

提出了固态变压器输入级采用电压电流双闭环的控制策略从而实现功率因数校正目标，搭建仿真实验模型，结果印证了该控制策略可实现固态变压器输入级的功率因数校正且对功率、电流、电压的控制性能良好，可有效改善农村电网特性并进行无功补偿。