基于微电网的电力电子变压器控制策略研究

周 鹏，蔡新红，曹冰玉

（石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000）

0 引言

随着大量的分布式能源入网以及负荷的多样化需求，微电网的稳定性面临着巨大的挑战。而交直流混合微电网拥有直流配网和直流负载，能够有效提高配电网的效率，适用性较强，可降低电网建设成本，是未来配电网的发展方向[1，2]。但因分布式能源的发电特性直接并网会对整个电力系统的造成巨大的冲击，损害电网系统，在负载接入微网时，无法保证供电的可靠性，因此为了提高混合微网的稳定性，需要研究出一种行之有效的控制策略来解决分布式能源并网的问题。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer，PET）是一种结合了电力电子变压器和高频变换器的新型功率转换装置，该装置与传统PET相比交具有体积小、稳定性高、重量轻和可控性好的特点，应用于混合微网中可改善电能质量。由于它具有直流接口和交流接口，因此便于各类负荷和分布式电源的接入，而且它不仅具有传统变压器的电气隔离和电压变换的功能，还具有无功补偿能力、抑制谐波能力和瞬时关断能力，结合现代控制技术还可实现能量主动调控和多向流动[3-5]。因此，对PET的深入研究可有效改善混合微电网的稳定性，提高电能质量，减少电网运行成本，提高电力系统的稳定性[6]。

根据PET工作原理和拓扑结构可将PET分为两AC/DC/AC型PET，它含直流环节，而本文以三级式AD/DC/AC型PET为研究对象，提出了两种控制策略来有效提高微电网运行的稳定性，其中输出级采用SVPWM双闭环控制，隔离级采用开环控制，输出级分别采用电压闭环控制以及基于虚拟同步电机原理的控制策略并搭建了基于Matlab/Simulink的微网配电仿真系统，验证了这两种控制策略的有效性。

1 交直流混合微电网结构

基于PET的典型交直流混合微网系统，如图1。该系统一般将10 kV的配网做主网来运行。通过PET的联接功能，形成直流微网和交流微网两种微网，在直流微网中DER主要是利用DC-DC直流变换器来并网，在交流微网中DER主要是利用DC-AC，AC-DC-AC变换器来并网。在自然界中各分布式能源都是通过对自身的运行特性、运行成本和运行效率等因素的分析，来选择接入的形式为直流接入还是交流接入。通常光伏和风能的分布式能源既能直流接入也可交流接入，而蓄电池，超级电容，燃料电池，混合蓄电池这些分布式能源则是直接选择直流接入[7-9]。

图1 交直流混合微网系统

2 PET工作原理和拓扑结构

2.1 PET工作原理

三级式AC-DC-AC型PET的工作原理如图2，首先将输入的交流电通过一次侧电力变换器经过整流器整流为直流电，再将变换过的直流电通过逆变电路变换为高频方波信号，并将高频方波信号输入到高频变压器的一次侧，经过高频变压器转换后将一次侧高频方波耦合为电压等级较低的高频方波并经过二次侧输入到二次侧电力转换器，将高频方波整流为直流电，再逆变为负载所需的交流电输出[10]，本文所研究的三级式电力电子变压器不仅拥有直流接口还有交流接口，便于接入交直流系统且变流器灵活可控。

图2 AC-DC-AC型PET原理

2.2 PET拓扑结构

AC-DC-AC型PET的拓扑结构如图3，该拓扑结构的输入级将交流信号通过三相整流桥整流为直流信号；之后再通过隔离级的单相全桥逆变器将直流信号逆变为高频方波信号再经过高频变压器调制为电压等级较低的高频方波信号，最后通过整流器整流为直流电输入到输出级，经过输出级逆变为负荷所需的工频交流电输出，这种三级式PET即拥有两个直流环节，能够对信号进行有效控制，还可以调节输入功率因数和抑制谐波，可以保证其电能质量的稳定性。

图3 AC-DC-AC型PET拓扑结构

3 PET控制策略设计

3.1 输入级控制策略及数学模型

PET的输入级是将频交流信号整流为直流信号，起整流作用，由于早期整流级使用的为二极管、晶闸管构成的整流电路，该电路能量不能双向流动、可控性较低、谐波污染较大[11]。因此在输入级中对整流器本文采用双闭环三相PWM空间矢量调制技术[12]，该技术能够实现功率因数可控，并且能够使得谐波有效减少，可有效控制直流电压，其拓扑结构如图4。

图4 AC-DC-AC型PET输入级拓扑结构

由于在工作时每组桥臂的上下桥臂只有一个导通，因此，这三组桥臂有8种开关状态，分别为（000）～（111），这八种开关状态也对应八个电压空间矢量ur，分别为u0（000）到u7（111）[13]。用空间矢量表示为：

本文输入级所采用的为电压源型整流器，控制策略为双闭环控制策略，其数学模型如下。

设输入级整流器的开关函数s为：输入电压为半径为2/3udc的矢量圆，如图5。当sasbsc=（000）～（111）时，对应的电压空间矢量为u0（000）～u7（111）。

根据SVPWM电压空间矢量分析其输入电压空间矢量可得到三相静止abc坐标系中的输入级PWM整流器数学模型。

输入级的输入三相电源电压为：

其中，ω是电源电压的角频率，φ是电流和电压的相位差。

图5 整流级的输入电压空间矢量圆

根据图 4，结合式（2）、（3）对交流侧用 KVL 可得：

其中，ura=saudc+uon，urb=sbudc+uon，urc=scudc+uon，Uon为下桥臂节点和电源中性点间的电压。

由于整个系统是一个三相对称系统，根据交直流侧KVL可以得到PWM整流器的数学模型为：

3.2 隔离级控制策略及数学模型

PET的隔离级是采用两组H桥变换器和一个高频变压器组成，其拓扑结构如图6，其主要作用是将输入级输出的直流信号逆变为高频方波信号，再经过高频变压器耦合到副边，再整流逆变为直流信号给输出侧，主要起电气隔离和电压等级变换的作用。为了减少系统的复杂程度，对于隔离级采用开环控制。

3.3 两种输出级控制策略及数学模型

PET的输出级是将从隔离级得到的直流信号逆变为负载所需的工频交流电，起到逆变作用，也被称为逆变级，输出级采用的是三相电压桥式逆变器，其拓扑结构如图7，其是由直流电源、三相桥式逆变电路、LC滤波器和负载组成，主要作用是在系统非正常运行时，保证输出电压的稳定，能够给微电网提供一个稳定高效的电能，提高电能质量，根据PET输出级的拓扑结构通过两种不同的控制策略进行研究分析。

图6 AC-DC-AC型PET隔离级拓扑结构

图7 AC-DC-AC型PET输出级拓扑结构

3.3.1 电压闭环控制策略

PET输出级主要是给负载侧提供一个恒定的交流电压，并且能够在负载侧出现电压波动和变化的时候依然能够使输出电压保持稳定，输出级可以采用电压闭环控制，其控制原理图如图8，控制过程为：将输出的交流电压经过Park变换转换为d轴和q轴分量ud和uq，然后和定值做差，并将所得的差值通过调节器进行调节，之后再经过clark变换得到参考电压矢量，最后将电压矢量经过空间矢量脉宽调制SVPWM得到开关驱动信号从而控制逆变器的开关管[13]。

根据KVL得到三相静止坐标系下的数学模型为：

式中 R为开关管损耗等效电阻和滤波电感等效电阻之和；L为滤波电感。

图8 AC-DC-AC型PET输出级控制原理

把三相静止坐标系下的数学模型转换到d-q坐标系下为：

3.3.2 基于虚拟同步发电机原理的控制策略

在微电网中PET的输出级是与微电网直接相连，为微网所接入的负载提供电压和频率支持。由于PET的输入级采用的是三相逆变器，其开关元件开断时间较短，能量转换速度过快，由于三相逆变器缺乏转动惯量和阻尼特征所以当负载侧出现波动时，电压和频率波动剧烈，会影响电力系统的稳定性，降低了电能质量。近几年，随着同步电机和电力电子技术的发展，使得电力电子变压器能够基于虚拟同步电机（Virtual Synchronous Generator，VSG）技术具备一定的转动惯量和阻尼特性[14-15]，其控制原理如图9所示。控制过程为：基于该技术下的PET输出级控制系统是由两部分组成：①外环VSG控制，通过控制虚拟调速器和虚拟励磁调节器来调节负载电压和相角；②内环控制为电压电流双闭环控制，其作用是将外环VSG所输出的电压和相角的参考值经双闭环控制转换为调制波，最后通过SVPWM模块生成开关管的脉冲信号，并采用PR控制器来实现对交流分量的无静差跟踪，可以有效减少静态误差，提高系统稳定性。

图9 AC-DC-AC型PET输出级控制原理

通过对控制原理图的分析可得到PET输出级数学模型为：

式中 udc为PET直流低压侧电压；m0为调制比；θ为移相角。

4 仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真环境下搭建了AC-DCAC型PET仿真模型，并进行了仿真实验验证。通过仿真实验可以验证两种不同控制策略下的PET输出级对电网控制的有效性。

4.1 PET输入级仿真

PET输入级采用的是双闭环PWM控制策略，根据其控制策略和数学模型搭建出仿真模型并进行仿真验证，其主要仿真参数如表1所示，仿真结果如图10，图11所示。从仿真结果可以看出，当电路达到稳定时，输入电压电流呈正弦稳定状态，且相位相同，高压侧直流电压也能够迅速达到设定值，且保持稳定，因此基于双闭环PWM控制策略的输出级对电压电流控制效果较好。

表1 输入级电路主要参数

图10 输入级交流侧电压、电流波形

图11 输入级高压直流侧电压波形

4.2 PET隔离级仿真

PET隔离级是由两个H桥和一个高频变压器组成，采用开环控制，其仿真电路主要参数如表2所示，仿真结果如图12，图13，图14所示。通过仿真结果可以看出高频变压器的一次侧和二次侧电压在稳态时均为方波电压，电压值也较为稳定，因此隔离级采用开环控制可以给PET输出级输送稳定的直流电压。

表2 隔离级电路主要参数

图12 隔离级高频变压器一次侧电压

图13 隔离级高频变压器二次侧电压

图14 隔离级输出直流电压

4.3 两种不同控制策略下的PET输出级仿真

随着电力电子技术的迅速发展，其PET控制策略也在不断地研究探索，本文通过对PET输出级两种不同控制策略的研究和数学模型的搭建以及仿真实验的验证，可以看出当PET输出级采用电压单闭环控制策略时其输出的电压电流波形存在谐波且含量较大，影响微电网的电能质量，降低了电力系统的稳定性，而当PET输出级采用基于虚拟电机原理的控制策略时由于虚拟电机原理会使输出级具有转动惯量和阻尼特征，并通过双环控制可以有效地改善谐波污染，其输出的电流电压波形为正旋波形，提高了电能质量和稳定性。

4.3.1 电压闭环控制

PET输出级的作用是将隔离级输出的直流电压逆变为负载所需的交流电压，并保证电压功率的稳定，当PET输出级采用电压单闭环控制策略时，其电路主要仿真参数如表3所示，其仿真结果如图15，图16所示。从仿真结果可以看出在额定的负载下其输出的电压电流波形为稳定的正旋波，能够给负载提供稳定的电压电流，并能保证负载所需的功率。

表3 输出级电路主要参数

图15 输出级三相输出电压

图16 输出级A相输出电压

4.3.2 基于虚拟电机原理控制策略

表4 输出级电路主要参数

PET输出级采用基于虚拟电机原理的恒压恒频控制策略，并选取虚拟电机的转动惯量为0.5，阻尼系数为20，其电路主要参数如表4所示，仿真结果如图17，图18所示。通过仿真结果可以看出，基于虚拟电机原理的输出级所输出的电压电流呈正旋波形，且谐波较少，且系统频率变换较为平缓，能够为负载提供稳定的电能。

图17 输出级三相输出电压

图18 系统频率

5 结论

近几年随着分布式能源的不断发展，以及各类清洁能源的不断入网，加大了对电力系统稳定性和微电网为负载提供稳定电能的考验，而电力电子变压器具备可控性高，稳定性好，扩展性强等特点以及能够有效改善分布式能源入网对电网的冲击，加强电力系统的稳定性，能够为负载提供更加高质量的电能。因此，电力电子变压器的研究一直为学者们的研究热点，随着电力电子变压器的不断研究，未来智能化微电网的发展会越来越迅速。本文在典型的ACDC-AC型三级式电力电子变压器的拓扑结构上，针对PET的输出级采用了电压闭环控制和基于虚拟同步电机原理的恒压恒频控制两种不同的控制策略，并通过仿真实验验证了控制策略的有效性，通过仿真不难发现，这两种控制策略均能够为负载提供稳定可靠地电能环境，并能够有效地减少谐波污染，而且在采用恒压恒频控制策略的基础上引用基于虚拟同步电机原理的阻尼系数和转动惯量可以更加有效地减少静态误差和谐波干扰，能够在负载发生突变或者电源发生变化时迅速准确的响应，并能够迅速做出反应来保证电力系统的稳定性，提高电能质量，改善电能环境，为负载提供更加可靠的电能。