电力电子变压器改善电能质量的仿真研究

许 峰 姜 军

（1.南京工程学院，江苏南京211167；2.国网宿迁供电公司，江苏宿迁223865）

0 引言

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET），也称为固态变压器（SolidState Transformer，SST）或智能变压器（Smart Transformer，ST）等。PET除了具备传统变压器的功能之外，还可以减小传统变压器磁性材料的用量，而且具有改善电能质量、补偿无功功率和限制故障电流等功能[1-3]。

随着智能电网、能源互联网等未来电网技术的快速发展，关于能实现变压、电气隔离、功率调节与控制、可再生能源接入等多种功能的电力电子变压器的理论和技术研究得到了越来越广泛的关注[1，3]。

本文结合国内外的研究现状，首先介绍PET的拓扑结构，选取主流AC-DC-AC型PET作为研究对象，建立统一数学模型，然后分析设计控制策略，最后建立仿真模型验证PET改善电能质量的可行性和有效性。

1 拓扑结构

PET主要由一次侧、二次侧电力电子变换电路以及能够以高频率运行的高频变压器组成，如图1所示。根据有无直流环节分为两类：AC-AC型和AC-DC-AC型[4-6]。

AC-AC型PET的优点是不需要直流环节，中间高频变压器具有小而轻的结构特点。AC-DC-AC型PET比前者多了中间直流环节，有助于一次侧和二次侧的单独控制。

本文采用了如图2所示的AC-DC-AC结构，它主要由五个部分组成：三相PWM整流、单相桥式逆变电路、高频变压器、单相桥式整流和三相PWM逆变。一般将PWM整流部定义为输入环节，将单相桥式逆变、高频变压器和单相桥式整流定义为中间隔离环节，将PWM逆变定义为输出环节。

2 数学模型

PET中PWM整流和PWM逆变的数学模型非常相似，所以本文推导了如图3所示的PWM变流器统一的数学模型。

根据基尔霍夫电压、电流定律可得三相静止坐标系abc下的方程为：

图1 PET系统结构框图

图2 AC-DC-AC型PET拓扑结构

图3 PWM变换器主电路图

其中，sk（k=a，b，c）为单极性二值逻辑开关函数：

利用Park变换，得PWM变换器在dq同步旋转坐标系下的方程：

3 控制策略

PET中间隔离环节单相桥式逆变采用了±180°工作方式开环控制策略，控制结构简单。输入环节控制策略和输出环节控制策略有共同之处，本文重点讨论PWM变流器的控制策略。

在三相PWM变换器控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环主要是控制三相PWM变流器直流侧电压，而电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制[6-7]。图4和图5分别给出了电流内环和电压外环结构框图。

4 仿真实验

为验证PET对改善电能质量的可行性和有效性，在MATLAB/Simulink软件平台上构建了PET仿真模型，分别从谐波污染、三相电压不平衡、电压波动与闪变和电压跌落四个方面进行仿真验证。PWM变流器仿真参数如表1所示。

4.1 谐波

在三相电源中分别加入幅值为基波幅值的30%的5次和20%的7次谐波，三相电源电压的波形畸变严重，如图6（a）所示。经过快速傅里叶变换，波形总畸变率（THD）达到36.06%，如图6（b）所示。

4.2 三相不平衡

仿真中设置A相电压为原来幅值的50%（图7），三相相位保持不变，来模拟三相电源的不平衡。则电压不平衡度为：

图4 电流内环结构框图

图5 电压外环结构框图

表1 PWM变换器仿真参数

4.3 电压波动与闪变

电压波动和闪变采用三相电源加入频率为10 Hz、幅值为电源电压10%的间谐波来模拟，其波形如图8所示。

图6 谐波注入PET输入电压波形和THD

图7 三相不平衡PET输入电压波形

图8 电压波动PET输入电压波形

4.4 电压跌落

在0.001 s时，电压跌落到原来幅值的40%，跌落时间长达3个电源周期，如图9所示。

图9 三相不平衡PET输入电压波形

在以上四种情况下，PET仍能保证二次侧输出电压的稳定，向负荷可靠地供电。输出波形如图10（a）所示，THD也仅为0.33%，如图10（b）所示。说明PET不仅能实现变压，而且有效隔离了一次侧和二次侧，能够避免一次侧电能质量问题传递到二次侧，这是传统变压无法实现的。

图10 PET输出电压波形和THD

5 结语

分布式发电技术迅速发展，直流配电网研究不断深入，智能电网受到广泛关注，而电力电子变压器的出现有望解决电力系统面临的诸多新问题。

本文在理论分析的基础上建立仿真模型，验证了PET改善电能质量的可行性和有效性。