低压端采用阻抗变换器的电力电子变压器的仿真分析

陆飞，王男，杨喜军，郑水波

（1.上海交通大学 电气工程系电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240;2.新华自动化科技发展（上海）有限公司，上海 200240）

0 引言

智能电网技术正逐渐成为世界各国电力行业竞相研究的主题［1］。智能电网的重要组成部分之一是电力电子变压器，较传统铁芯式变压器而言，具有许多优点，如体积小、重量轻、成本低、供电质量高、四象限工作能力、智能化控制，符合智能电网的发展要求。因此，电力电子变压器受到了广泛和深入的研究［2－3］。电力电子变压器一般是指高压输入－低压输出的电力电子变换器。到目前为止，出现了多种功率电路。鉴于电力电子变压器需要采用高频降压变压器，实现降压和电气隔离，可以根据变压器前级和后级不同进行分类。变压器前级电路主要包括交直交型和交交型，变压器后级电路主要包括不可控整流型和PWM可控整流型［4－8］。变压器前级交交型电路具体包括单相－单相矩阵变换器和三相－单相矩阵变换器等，与交直交型电路相比，它是单级变换器，省去了中间储能环节，具有结构紧凑、效率高等优点。变压器后级电路具体包括工频或高频输入的单相二极管不控整流器或单相PWM整流器等，其中后者能够实现单位输入功率和能量双向流动［3］。基于以上考虑，本文理论分析、仿真分析了两种单相交流电源输入、三相交流低压输出、高压端采用交流推挽变换器、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器拓扑:第一类可以实现单向能量传输;第二类可以实现双向能量传输。单相输入交流线电压为10 kV，三相输出交流电压为三相208 V。

1 电路拓扑与工作原理

1.1 单向电力电子变压器

单向电力电子变压器的电路拓扑如图1所示，输入交流线电压10 kV，输出单相交流电压±120 V，可以获得单相交流电压240 V［9］。

图1中电路结构和工作原理为:

图1 单向电力电子变压器的电路拓扑

电感L1、L2与电容C1构成网侧滤波器，起到滤波作用。

双向开关BS1、BS2构成变压器前调制电路，负责将高压工频电压斩波成高压高频交流电压，开关频率一般高于几 kHz，占空比为50%。

T1为高频降压变压器，起到降压和隔离作用，没有直流磁化问题。

C2为滤波器电容，负责旁路来自后级的高频电流成分。

反向快速恢复二极管FRD1～FRD4构成高频整流器，负责将高频低压高频电压整流成低压二倍工频的正弦半波电压。该整流器的存在决定整个电路具有单向功率传输能力。

电感L3、逆变开关RCS1、反向快速恢复二极管FRD5、电解电容E1构成升压型阻抗变换器，使其输入端呈现单位功率因数，输出幅值略升高的直流电压。

逆变开关RCS2～RCS7构成3H桥逆变器，输出±120 V，实际上应该增加载侧滤波器。

图中的阻抗变换器实质上为功率因数校正器，在输出直流电压的同时，可以获得单位输入功率因数，即输入阻抗为纯阻性，该阻性特征可以传递到高压网侧，获得网侧单位输入功率因数。波调制电路的BS1与BS2无需考虑安全换流策略。逆变器的负载为瞬时恒定负载时，有利于网侧单位输入功率因数的实现，否则需要更大容量的电解电容E1。

1.2 双向电力电子变压器

1.2.1 第一种双向电路

第一种双向电路如图2所示，输入交流线电压10 kV，输出单相交流电压+120 V，具有双向功率传输能力。

电感L1、L2与电容C1构成网侧滤波器，起到滤波作用。

图2中电路结构和工作原理为:双向开关BS1、BS2构成变压器前调制电路，负责将高压工频电压斩波成高压高频交流电压，开关频率一般高于几kHz，占空比为50%。

图2 第一种双向电力电子变压器的电路拓扑

T1为高频降压变压器，起到降压和隔离作用，没有直流磁化问题。

双向开关BS3、BS4构成变压器后解调电路，能够还原出低压工频交流电压，开关频率一般高于几kHz，占空比为50%，脉冲规律分别与双向开关BS1、BS2的脉冲规律相同。

电感L3、L4与电容C2构成载侧滤波器，起到滤波作用，输出低压交流正弦电压。

1.2.2 第二种双向电路

第二种双向电路如图3所示，是在图2的基础上，去掉其输出滤波器，增加单相PWM整流器作为阻抗变换器，最后增加3H桥逆变器。输入交流线电压10 kV，输出单相交流电压±120 V，具有双向功率传输能力。

图3 第二种双向电力电子变压器的电路拓扑

图3中的工作原理为:由电感L3、逆导开关RCS1～RCS4构成的单相PWM整流器可以在获得幅值增加之后的直流电压之后，获得单位输入功率因数，即输入阻抗为纯阻性，该阻性特征可以传递到高压网侧，获得网侧单位输入功率因数。

1.2.3 第三种双向电路

第三种双向电路如图4所示，是在图3的基础上，去掉其变压器次级的解调电路，改为单相－单相矩阵变换器结构。输入交流线电压10 kV，输出单相交流电压±120 V，具有双向功率传输能力。

图4 第三种双向电力电子变压器的电路拓扑

由双向开关BS1～BS4构成的单相－单相矩阵变换器，起到解调电路作用，获得低压交流电压，为后级单相PWM整流器供电。BS3与BS6为一组，其驱动脉冲同BS1。BS4与BS5为另一组，其驱动脉冲同BS2。占空比均为50%，该电路同样可以获得网侧单位输入功率因数。以上四种电力电子变压器电路的共同特点是:（1）高压端变换器为交交变换器，单级结构，电路非常简单;（2）低压端变换器包含阻抗变换器，可以获得网侧单位输入功率因数;（3）输出±120 V交流电压;（4）高频降压变压器设计简单，没有磁路饱和问题;（5）高频变压器前后的交交变换器不存在安全换流问题;（6）整个电路由已有基本电路构成，结构简单，控制容易，可以很方便地构成大功率三相－三相电力电子变压器。

2 仿真分析

利用MATLAB/Simulink建立了图1、图2、图3、图4的仿真电路，包括功率电路和控制电路，进行了较为完整的仿真分析，获得了期望的结果。为简化起见，以图3所示的具有双向功率传输能力的电力电子变压器为例，给出仿真过程和有关结果，其仿真原理如图5～7所示，其中拆分的三部分依次级联。电解电容E1为2 820 μF。BS1与 BS2、BS3 与 BS4 的斩波频率为 5 kHz，BS1 与BS3、BS2与BS4采用相同的驱动脉冲，占空比均为50%，无需检测输入电压的相位。

图5 双向电力电子变压器的仿真电路（第一部分）

图6 双向电力电子变压器的仿真电路（第二部分）

降压变压器T1的变比为45:1，当输入交流电压有效值为10 kV时，T1输出交流电压的有效值为220 V。

电感L1、L2均为0.2 mH，电容C1为 47 nF，L3为 1 mH，单相PWM整流器中逆导开关RCS1～RCS4的开关频率为20 kHz，输出直流电压平均值为385 V。采用单周控制，即电压外环负责控制输出电压，电流内环采用单周期控制，也无需检测输入电压的相位。

3H桥逆变器中逆导开关RCS5～RCS10的开关频率为20 kHz，输出交流电压±120 V。采用单周控制，即电压外环负责控制输出电压，电流内环采用单周期控制。

在供电状态下，负载为20 kW时，网侧电压与电流的仿真波形如图8所示。在发电状态下，馈电为20 kW时，能量由低压端直流接入环节馈入，此时网侧电压与电流的仿真波形如图9所示。

提出的电力电子变压器拓扑极为简单，不足之处在于桥前的双向开关两端将承受两倍的网侧电压，仿真波形如图10，使功率器件的耐压要求加倍，所以本方案只适用于低压电网。

图7 双向电力电子变压器的仿真电路（第三部分）

图8 供电状态下网侧电压与电流的仿真波形

图9 发电状态下网侧电压与电流的仿真波形

3 结束语

本文提出了两类单相交流电源输入、三相交流低压输出、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器拓扑，分析了它们的工作原理，并利用MATLAB/Simulink进行了负载为20 kW时供电与发电状态的仿真。结果表明设计的两类单相交流电源输入、三相交流低压输出、低压端增加阻抗变换器的电力电子变压器方案是可行的，可用于电压智能电网的应用。

图10 桥前双向开关承受的电压波形

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