基于电力电子技术的无耦合变压器研究与应用

张焕强，李育毅

（潮州供电局，广东 潮州 521000）

0 引言

近年来随着各类新兴家用电器用量飞速增长，当前配电台区网架结构呈现供电半径大的现状，导致用电峰谷期常常出现供电电压波形畸变、偏差较大超出国标限值的问题，严重影响居民用电设备正常运行。电气设备只有在额定参数运行才能稳定发挥其作用，同时效率也比较高。但是当其输入电压偏差较大时，设备运行性能和工作效率会明显下降，严重时易引起过电流或过电压而导致设备损坏[1]。目前，在配电台区治理电压问题采取的主要措施是变压器有载调压和无功补偿，如变压器档位调整、自耦调压器调压、电容器补偿、SVG补偿等等，以上方法存在需要短暂停电、调压精度低，响应速度慢和调压效果差的问题。因此，本文提出的基于电力电子技术的无耦合变压器结构电压调整方法，能够综合分析采样点电能质量问题，利用精确算法结合电力电子技术，改善电能质量，保证输出稳定可靠的供电电压。

1 两电平半桥无耦合变压器拓扑结构

若采用将输入电压全部经过AC-DC-AC转换实现输出目标稳定电压的全补偿模式，会产生电力电子期间开关频率低，功耗增加等缺点。因此，本文提出了部分补偿模式的基于电力电子技术的无耦合变压器结构采用两电平半桥无耦合变压器拓扑结构，即在输入电压、电流的基础上、补偿与目标电压的差值，从而实现输出目标电压的目标。

该系统包含并联和串联两大部分，并联部分为AC-DC整流输入部分，串联部分为DC-AC逆变输出部分。整体系统由整流单元、直流侧储能单元、逆变单元、输出LC滤波单元组成[2]，相较于三桥臂结构，其主电路电力电子器件数量少，成本低且体积小。该系统半桥结构的串联部分和并联部分不存在耦合，控制简单易实现，解决了三桥臂结构必须通过复杂控制策略控制公共桥臂电压解除桥臂之间的耦合问题。

2 控制策略

2.1 同相电压补偿控制方法

基于电力电子技术的无耦合变压器结构电压调整方法采用同相电压补偿控制方法。该方法利用锁相环原理实现输出电压与电网电压同步，控制器通过锁相环将电网电压的频率和相位作为参考信号，控制环路内部振荡信号的频率和相位，锁相环所锁住的电网相角作为目标电压的相角，跌落前负载的电压为目标电压幅值，确保在补偿电压与跌落时的电网电压同相基础上进行幅值叠加[3]。

2.2 串并联LCL回路控制实现方法

基于电力电子技术的无耦合变压器结构采用基于DSP和FPGA的双CPU结构的控制方式，其中DSP负责对采样电压、电流进行谐波分析检测，将检测的谐波电压指令及控制命令通过数据交互发送至FPGA，FPGA通过DSP得到指令和控制命令，并提供给ADC，ADC根据控制命令对采样的电压、电流信号进行转换[4-5]，转换之后的信号进入控制模块进行控制计算，得到调制信号通过波形发生模块与FPGA内部的三角波进行比较，最后得到电力电子开关器件的驱动信号。串并联LCL回路均采用电压、电流双闭环控制，并且采用FPGA重复控制算法实现输入电压、电流信号精确无静差，输出电压的无差跟踪，提高系统的抗扰动性能。

并联LCL输入回路控制策略采用母线电压外环、电感电流内环的双闭环控制方式，这样能够实现跟踪交流信号无静差，因此达到最优的控制效果。为了增加系统稳定性，本文考虑在入网侧增加有源阻尼算法来抑制抑制并联LCL输入回路的谐振峰。相较于增加阻尼电阻的方式，有源阻尼控制没有附加的阻尼电阻，只是通过算法增加系统阻尼，因此不但不会增加系统的损耗，而且能够提高系统效率，易实现，应用广泛。此外，在并联LCL输入回路控制中加入电网电压前馈能够使并联侧电流不受电网电压畸变的影响，从而保证直流母线电压稳定，确保串联LCL输出回路正常逆变输出。

串联LCL输出回路控制策略采用输出电压外环、电感电流内环的双闭环控制方式。为了能够快速跟踪给定电压，并能有效抑制电压畸变，因此，串联LCL输出回路的电压外环控制方式采用重复控制方法。本文考虑引入负载电流前馈来抵消非线性负载的影响，控制器的交流输出信号通过惯性环节延时后，在拓扑上经PWM控制输出。控制逻辑是先与电容电压作差形成电感电压，再把电感两端电压通过等效电抗分析计算后形成流过电感的电流，电感电流与负载电流求和作为电容电流，最后与电容的容抗分析计算后形成电容两端的输出电压。

2.3 FPGA重复控制算法

重复控制是在被控对象增加设定偏差信号的基础上再叠加一个前馈的上一个周期同时刻的控制偏差信号，通过偏差重复利用提高跟踪精度，其原理为基于内膜原理的一种控制算法，不但跟踪精度高，而且能够以比较简单的结构实现多次谐波的抑制目标，易于实现数字控制。重复控制算法通过叠加反馈上一个周期同时刻的偏差信号来实现内膜功能，利用周期延时单元达到超前补偿目的，本周期时刻的信号偏差会在下个周期同一时刻产生影响，通过延迟一个周期叠加前一周期同时刻信号偏差实现超前性，本文提出装置通过针对控制对象设计补偿器，让其为控制对象提供幅值和相位补偿。装置重复控制方法逻辑为首先通过FPGA地RAM将误差数据存储起来，实现重复控制内膜，再利用DSP分析计算进行相位补偿、幅值调整，最后通过串并联LCL二阶低通滤波器进行输出。

3 实例应用

3.1 台区概况

10kV白莲线523峙溪村许厝公用台区，配变容量100kVA，最大电流122.31A（A相），三相供电半径416米，单相（A相）最大供电半径605米。平均功率因数0.91。A向低压配电线路所辖用户23户，用电高峰期，末端用户最低电压169.7V。

3.2 应用效果分析

基于电力电子技术的无耦合变压器结构电压调节装置安装于该台区A相低压配电线路#11杆处，安装点后有14户居民，装置输入最低电压171V，输出电压稳定在220V。2021年7月16日0时至2021年7月18日0时，设备输入输出电压幅值曲线如图1。

图1 输入输出电压幅值趋势图

装置输入电压总谐波畸变率THD最大值为7.5%，输出电压总谐波畸变率THD最大值为2.3%，大部分时间稳定在1%以内。2021年7月16日0时至2021年7月18日0时，设备输入输出电压总谐波畸变率趋势图如图2。

图2 输入输出电压总谐波畸变率趋势图

综上可知，装置能够快速跟踪补偿输入端电压，且对电压谐波起到抑制作用，输出稳定正弦波电压，改善了安装点后供电电压质量，提升了后端用户用电体验，为供电企业树立了良好的形象。

4 结语

装置工程实例验证结果表明：①在电压波动及存在谐波的工况下，装置能够快速响应，输出稳定电压；②DSP+FPGA 双CPU的控制方式及电力电子技术的优越性体现在：跟踪补偿精度高、响应快，AC-DC-AC转换不仅可以实现电压补偿，而且可以对谐波电压进行治理，降低电压谐波畸变率，确保输出标准正弦波电压，提高供电电压稳定性和可靠性；③基于电力电子技术的无耦合变压器结构装置在低压配电线路进行电压调整的方法，不仅在改善供电电压质量方面具有可行性和有效性，而且为供电企业在配电台区改善供电电压质量开辟了新的研究思路和方向。