电力电子变压器在电网故障中的控制策略

张晓东，张大海

（山东大学电气工程学院，济南250061）

电力电子变压器在电网故障中的控制策略

张晓东，张大海

（山东大学电气工程学院，济南250061）

电力电子变压器不但能完成常规电力变压器的基本功能，还具有优良的控制性能。为改善电力电子变压器在电网故障时的控制效果，首先分析了电力电子变压器拓扑结构，然后通过对传统PI控制器加入复数积分和微分环节，提出了一种适用于不对称故障的电力电子变压器控制策略，减小稳态误差并提高动态响应速度。最后将该控制策略应用于发生单相接地故障的配电网中进行仿真分析。结果表明，所设计的电力电子变压器具有良好的稳态控制效果，在电网发生故障时仍能保证稳定输出三相电压。

电力电子变压器；配电网；单相接地故障；控制策略；电能质量

随着电力系统的不断发展，传统电力变压器的缺点日益突出，如体积、重量及空载损耗过大等。另外，变压器过载时容易导致输出电压下降，产生谐波，从而影响电能质量。当电源侧故障导致电压异常时，传统电力变压器不能对输出电压进行控制，只能将故障传递到负荷侧，这使敏感负荷受到严重影响。而产生于20世纪70年代的电力电子变压器PET（power electronic transformer）能对输出电压进行有效控制，有望解决传统变压器存在的一些问题。

电力电子变压器又叫电子电力变压器EPT（electronic power transformer），是一种基于大功率电力电子变换技术实现电压变换及控制和能量传递的新型智能电力变压器[1，2]，通过大功率电力电子器件及电力电子整流、逆变技术，实现电能在电网中的传输[3，4]。

针对PET在其拓扑结构实现方案和对输出电压波形的控制方法上的研究已经取得了一些成果[5，6]。近年来，PET在电力系统中的应用研究也越来越多。文献[7]研究了PET并联运行问题；文献[8，9]研究了PET在配电系统中的应用；文献[10]研究了配电系统PET的IGBT缓冲电路；文献[11]研究了PET在配电网无功优化中控制问题；文献[12]介绍了PET在输电网中的控制策略；文献[13]提出利用PET改善电力系统动态特性；文献[14]将PET应用于新能源发电系统。

本文在分析了PET基本原理和实现方案的基础上，为了简化控制算法，提出了简化的PET稳态分析物理模型。鉴于传统PI控制的一些缺点[15]，在其中加入复数积分和微分环节之后，提出了比例-复数积分-微分控制策略，并将其应用于PET控制中，使PET输出电压在波形质量和动态响应速度方面有了一定地提高。针对目前PET在短路故障条件下的应用文献比较少，将设计的PET应用于配电系统，针对电力系统中发生次数最多的单相接地短路，在Matlab/Simulink环境中进行了仿真研究。结果表明，所设计PET在发生单相接地短路故障的情况下，二次侧输出电压仍控制在理想的范围内，保证良好的供电质量，对负载不间断地供电。

1 PET的基本结构和简化模型

1.1PET基本结构

根据电压变换过程中有无直流环节，PET有2种基本拓扑结构，第1种为交-交-交变换，第2种为交-直-交-直-交变换。前者变换过程中无直流环节，使用的功率电子器件比较少，可控性不高，在一些对二次侧输出电压要求较高的场合，一般不适用。而后者在变换过程中存在直流环节，使用的功率器件较多，可控性高，并且控制策略完善，应用范围广。本文采用第2种方案，交-直-交-直-交型PET典型拓扑结构如图1所示。

图1 交-直-交-直-交型PET拓扑结构Fig.1Topology of ac-dc-ac-dc-ac PET

PET基本工作原理为：三相工频交流母线高压经过PWM整流变成直流，再经过高频逆变电路将直流电压变成高频方波，接着经过高频变压器变压，高频方波电压再经过高频整流电路变成直流电压，最后直流电压经过三相脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）逆变成三相工频低压输出，经三相LC无源滤波器滤波后给三相负载供电。由于电力电压器的体积和重量均与其工作电压的频率成反比，所以高频变压器的使用能极大地减小传统电力变压器的体积和重量。

1.2PET简化稳态物理模型

图1中单相高频逆变电路产生高频方波，以降低PET的体积，为简化控制算法，本文对这一级逆变电路和PET副边的单相高频整流电路均采用不控方式处理，同时考虑中间高频变压器的作用，将图1所示的拓扑结构简化为稳态物理模型，如图2所示。

图2 PET简化稳态物理模型Fig.2Simplified steady-state physical model of PET

图2中，将单相高频逆变、中间高频隔离变压器及单相高频整流等效为一直流环节Udc。VSC1为PET输入侧三相工频整流环节，U1为该环节的输入电压；VSC2为PET输出侧三相工频逆变环节，U2为该环节的输出电压。通过采取合理的控制措施，使VSC1和VSC2两部分相互配合，再经过LC低通滤波器的作用，得到稳定的三相工频输出电压。

2 单相接地故障下的PET控制策略

2.1 输入整流侧控制策略

一次侧三相高压整流环节采用传统的电压外环、电流内环双PWM控制。通过坐标变换将三相坐标系下的各电网变量转换到电网基频同步旋转的两相d、q坐标系下，以电网侧三相输入电压US为例，变换公式为

三相高压整流环节控制数学模型为

式中：Usd、Usq为PET三相输入电压d、q轴分量；kip、kii为电流内环PI控制参数；ω为电网电压基波角频率；L、R为PET输入级无源滤波器等效电感和电阻，U1d、U1q为PET整流环节的输入电压d、q轴分量分别为PET输入侧基准电流和实际反馈电流。电流基准值分别为

2.2 输出逆变侧控制策略

由于占电网接地故障的百分比最高的单相接地故障属于不对称故障，而传统的双闭环控制策略在电网不对称情况下，输出直流电压出现倍频分量，从而不能得到一个稳定直流输出电压，而如果在逆变侧仍然使用传统的双闭环控制器，将不能得到理想的三相交流逆变电压，所以对PET二次侧的逆变器控制算法进行改进，使逆变器具有较好的稳态输出特性和较快的动态响应。

逆变器输出电压闭环控制结构如图3所示[16]。输出电压表达式为

图3 逆变器输出电压闭环控制结构Fig.3Output voltage closed-loop control model of inverters

控制原理为：经电压互感器采集输出三相交流电压信号Uo（s），与三相基准电压信号Ur（s）进行比较，误差信号经过控制器G（s）的作用后，控制PWM信号发生器，产生PWM开关控制信号，该控制信号控制逆变侧的主电路功率器件-绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar transistor）的通断，实现逆变的目的。合理的控制器G（s）的选择，可以使PET输出电压与基准电压的误差较小，达到控制输出电压的目的。

在图3中，K为PWM调制等效增益，L、C、R分别为滤波器等效电感、电容和电阻，Uo（s）为逆变器实际输出电压。若控制器G（s）=kp+ki/s，则该控制器为传统的PI控制。本文将复数积分[15]和微分环节加入PI控制器中，以代替其中的常数积分环节，得到比例-复数积分-微分PCID（proportion complex-integration differentiation）控制器。该控制器闭环传递函数为

该方法是对传统的PI控制方法的改进，分为PCI和PD 2部分。具体作用为：PCI控制消除输出电压与给定基准电压的稳态误差；PD控制主要改善系统动态特性，保证输出电压及时的跟踪输入电压变化情况。

评价控制器的优劣，主要从该控制器的稳态特性和抗扰动特性2方面来评价[16]。基于PCID控制的逆变器输出电压稳态误差特性和抗扰动特性分别为

将式（4）、式（5）代入式（6）、式（7），波特（Bode）图如图4所示。

图4PCID控制特性分析Fig.4Characteristic analysis of PCID control

由图4可以看出，该控制方法输出电压能较好地跟踪给定的三相基准电压，稳态误差非常小，同时其抗扰动特性也非常好。

3 仿真分析

本文在Matlab/Simulink环境中搭建配电系统仿真模型，如图5所示。

图5 配电系统仿真模型Fig.5Simulation model of distribution system

图中，交流发电机G与母线1相连，母线1与母线2通过常规变压器T1相连，母线1的线电压有效值为35 kV，母线2的线电压有效值为10 kV分别用PET和常规变压器T2对母线2电压进行变压后给三相负载1和负载2供电，2个负载均用100 Ω电阻代替。

PET部分的仿真参数为：整流电路PWM开关频率为5 kHz；逆变电路PWM开关频率为20 kHz；PET输入级和输出级滤波电感均设为3 mH；滤波器等效电阻设为0.2 Ω；中间高频方波频率为10 kHz；高频隔离变压器的变比为20 kV/1 kV。给定输出基准线电压有效值为380 V。

假设母线2在0.35 s发生A相接地短路故障，并一直持续到0.45 s时消失，故障点接地电阻设为1 Ω。仿真结果如图6～图8所示。

从图6中可以明显地看出，母线2在0.35 s时由于受接地短路故障的影响，电压跌落较严重，基本为0；在0.45 s时，短路故障消失，A相恢复供电；在故障期间，B、C两相电压升高为原来的倍。

图6 母线2三相电压Fig.6Three-phase voltage of bus 2

图7为新型PET三相输出电压波形，可以看到，PET输出三相电压基本不受输入侧A相接地故障的影响，输出相电压有效值为220 V，能跟踪给定的基准电压值，使三相负载的供电不受影响，说明了PCID在稳态误差控制方面的优越性。

图7PET输出电压Fig.7Output voltages of PET

根据经典控制理论，微分环节能预测误差变化的趋势，使抑制误差的作用变化超前。所以在控制系统中加入微分环节，用来提高系统的动态响应速度。从图7中可以看到，当母线2发生单相接地故障时，PET输出电压能迅速地动态跟踪基准电压，其原因是，即使母线2发生单相接地故障，另外两非故障相整流之后，仍能对PET输出侧逆变器直流电容进行充电，使直流电容两端电压变化不大，保证PET输出电压稳定。

图8为常规变压器T2输出的电压波形。可见其输出的A相电压受接地故障的影响，也发生明显的跌落，严重影响了对三相负载的供电。

图8 常规变压器T2的输出电压Fig.8Output voltages of conventional transformer T2

4 结语

本文通过分析PET的拓扑结构，针对电网中发生频率比较高的单相接地短路故障，指出整流侧采用传统的电压、电流双环控制方案时，直流输出电压将发生较大的波动，因此在逆变侧不宜再采用传统的PI控制器。本文采用PCID控制器，设计了稳态输出效果良好的PET，并将其应用于配电网中，对敏感负载进行供电。仿真结果表明，所设计的PET在配电网母线发生单相接地故障时，仍能保持输出电压的稳定，动态性能良好。

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Control Strategy of Power Electronic Transformer for Power Grid Fault

ZHANG Xiao-dong，ZHANG Da-hai
（College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China）

Power electronic transformer（PET）can not only accomplish the basic functions of conventional power transformers，but also has good control performances.To improve the control effect of PET for faulty power grid，the paper firstly analyzes topological structure of PET，then adds complex integral and differential blocks to traditional PI controller，and proposes a novel control strategy for asymmetric fault，so as to reduce steady error and improve dynamic response.Finally the proposed control strategy is applied to PET in a distribution network with single-phase-to-ground fault.Simulation results show that the PET has good steady control effect，and can provide ideal three-phase output voltage even power grid is in fault condition.

power electronic transformer；distribution network；single-phase ground fault；control strategy；power quality

TM41；TM46

A

1003-8930（2014）01-0039-05

张晓东（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制及电力电子变换技术。Email：zhangxiaodong1986@ 126.com

2012-03-15；

2012-04-01

张大海（1973—），男，通信作者，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力系统监控、电力电子和电能质量。Email：dhzhang@sdu.edu.cn