电力电子变压器输出特性仿真分析

许志伟，许智萌，肖家鸿，高 航

（1.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104；2.湖南吉利汽车职业技术学院 汽车学院，湘潭 411100；3.湖南工程学院 应用技术学院，湘潭 411101）

0 引言

电力电子变压器（Power Electronic Transformer简称PET）也被称为电子电力变压器［1］，还有别名为固态变压器（Solid State Transformer，SST）和柔性变压器（Flexible Transformer，FT）.它是一种通过引入电力电子技术与高频变压器实现电能变换和能量传递的新型变压器［2］.这种新型变压器不仅具备传统电力变压器的功能，还具有体积小、重量轻、安全环保等优点，除此之外，它还具备改善电能质量，无功功率补偿等特殊功能［3-4］.

随着电力电子技术的快速发展，电力电子变压器得到了广泛的关注［5］.文献［6］提出了一种适用于大功率电力电子变压器拓扑结构，对比分析了其控制策略，为本文研究提供良好的参考依据.文献［7］提出了一种基于矩阵式电力电子变压器的永磁风力发电系统控制策略，实现了风力发电系统良好的电能变换.文献［8］设计了一种新型电力电子变压器的并网装置，并提出相应并网控制策略，实现了电压的快速精准变换.

本文首先介绍PET的拓扑结构，选取具有直流环节的AC-DC-AC型PET作为研究对象，对其建立典型的数学模型，并进行控制仿真分析，通过仿真建模验证了PET输出电流控制策略的可行性.

1 电力电子变压器的拓扑结构及工作原理

电力电子变压器由电力电子变换器和高频变压器组成.根据有无直流环节可将电力电子变压器分为两大类：AC-AC型与AC-DC-AC型［9-10］.图1为AC-DC-AC型电力电子变压器的电路图，本文以AC-DC-AC型电力电子变压器为例展开研究.

图1 AC-DC-AC型电力电子变压器拓扑结构

电力电子变压器的工作原理如图2所示，一次侧接电源，电力电子变换器将输入电流整流成直流，随后变换成高频交流，经高频变压器一次侧绕组耦合到二次侧绕组，此时，高频变压器二次侧绕组会产生感应电动势，这种感应电动势施加到与高频变压器二次侧相连的副方电力电子变换器上，逆变为工频交流电能输出［11-12］.

图2 电力电子变压器工作原理

2 电力电子变压器数学模型

对于不同拓扑结构形式的PET，所对应的数学模型也不同.所研究的PET是一个典型的三相PET实现形式.对于AC-DC-AC型电力电子变压器可以等效成图3所示的形式，id1、id2是流经主副电力电子变换器的电流，Udc1、U′dc2是主副电力电子变换器两端电压.

图3 等效物理模型图

根据电路基本理论以及简化物理模型，可以得出PET数字模型如下：

考虑到高频变压器暂态过程，Ld为等效电感，Udc2、Cdc2折算量为

式中，k为高频变压器变比，θ为控制信号相角.

3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建电力电子变压器AC-DC-AC仿真模型，通过采用不同的控制方式来进行研究.仿真参数设置如下：三相电源相间电压（有效值）V=380 V，A相相位角α=30°，频率ω=50 Hz；六脉冲发生器选双脉冲，脉冲宽度t=25°，高频变压器频率f=500 Hz.

3.1 PWM控制

图4为电力电子变压器PWM控制简化模型，左边是整流电路，右边是逆变电路，整流后直流电经高频变压器再进行逆变，逆变后经过电感电容滤波，调制信号幅值At=1，频率ft=100 Hz，相位依次相差120°的正弦信号；频率触发由PWM控制，采用二电平PWM的转换器、三相六脉冲电桥，载波频率fZ=90×50 Hz；滤波电感为L=1×10-3H，滤波电容为C=10.13214×10-3F，仿真时长T1=0.2 s.

图4 电力电子变压器PWM控制简化模型

调制信号与输出电流波形如图5所示，上波形为调制信号，下波形为PET输出电流波形，在0.1 s左右，输出电流波形达到稳定.在此基础上，提高载波频率，增加采样点，如图6所示，由图可知，增大载波频率后，输出电流波形更加平滑了.

图5 调制信号与输出电流波形

图6 增加采样点输出电流波形

3.2 PET并联运行

PET并联运行，关键是实现PET间负荷的合理分配，实现均流.在上述PET的基础上并入一台参数设置相同的PET模型，两台PET共用一个三相电源，控制方式仍采用上述的PWM控制方式，其他参数设置不变，以此进行仿真，仿真结果如图7所示.

图7 PET并联运行输出电流波形

图7中上下两个波形图分别为两台PET的输出电流波形图，两台PET输出电流波形相同，它们之间都不存在环流，并很好地实现均流控制，大大地提高了供电可靠性和灵活性.在一台PET发生故障的情况下，还可实现不停电正常运行.

3.3 SVPWM控制

SVPWM控制模块如图8所示，SVPWM受幅值和相位控制，可以设置SVPWM的控制方式和开关切换模式，参数设置初始相位A1=0°，初始频率f1=50 Hz，PWM频率fpwm=33×50 Hz，仿真时长T2=0.05 s.SVPWM控制输出电流波形如图9所示，得到的仿真结果一致.PLL在不受波形控制下会默认输出，再观测相位波形，如图10所示.

图8 SVPWM控制模块图

图9 SVPWM控制输出电流波形

图10 输出电流与相位波形

相位波形最小值为0，最大值为2π，频率为50 Hz的锯齿波，不妨用锯齿波来进行控制，根据图11所示的电路模块进行仿真运行，其控制输出结果与图10一致.从仿真结果来看，输出电流波形稳定，且控制良好，电流畸变率小.

图11 锯齿波控制模块

3.4 闭环电流跟踪滞环比较方式

电流跟踪滞环比较方式在PWM变流电路中应用最多，基于电流跟踪滞环比较方式的电力电子变压器，给定的三相电流指令信号与逆变器侧的输出电流信号之差，传递给滞环控制器，得到PWM信号，对逆变器进行控制［13-15］.图12给出了采用滞环比较方式的PWM电流跟踪控制仿真模型［16］.三相电流指令信号依次相差120°，取滤波电感L1=5.5 mH，L2=0.1 mH，滤波电容C=20 μF及串联电阻R=3Ω，滞环控制器的开关状态为0.01，-0.01，仿真时长T3=0.2 s，得到图13所示的输出电流波形.从仿真结果看，输出电流稳定，三相对称，电流滞环跟踪对输出电流的控制效果良好.

图12 电流跟踪滞环模块

4 结论

本文针对电力电子变压器，在MATLAB/SIMULINK环境下，研究AC-DC-AC型电力电子变压器输出电流的控制策略，其中，PWM控制在通过增大载波频率使输出电流波形变得平滑；双PET并联运行可以有效实现均流，SVPWM控制可以使电流输出稳定，畸变率低，控制效果良好；电流跟踪滞环比较方式属于闭环控制，使输出电流稳定，三相对称且波动少.以上四种控制策略均在一定程度上优化了输出电流波形，从而验证了控制策略的可行性.