级联型电力电子变压器控制策略研究

摘 要：电力电子变压器是变电站建设中必不可少的一种电力装置，在变电站日常运行中发挥着至关重要的作用，随着科技的不断创新发展，电力电子变压器的种类也变得越来越丰富。文章以级联型电力电子变压器为研究重点，首先对其电力的拓扑结构进行分析，然后对级联型电力电子变压器的控制策略进行探讨，并对控制策略的可行性进行仿真分析。

关键词：级联型电力电子变压器；拓扑结构；控制策略

前言

最近两年，随着各国能源问题的日益尖锐和突出，分布式发电开始在电网中被广泛的接入。这种发电方式虽然能够在一定程度上缓解电能供需矛盾，但具有的双向潮流、不可调度和功率波动等缺点却增加了电网的不稳定因素。为了改善这一状况，尝试在直流微网中进行三相级联电力电子变压器的并网设计，并实施一定的控制策略，这一举措对电网调度的改善将具有重要实践意义。

1 级联型电力电子变压器的结构

电力电子变压器普遍采用拓扑结构形式，在文章的级联型电力电子变压器研究当中，主要是针对直流微网的分布式接入设计，针对直流微网与交流微网的并网设计，为了给电网提供一个稳定的分布式电源，保证低压直流端电压的稳定输出，决定采用拓扑结构对级联型电力电子变压器的接入进行设计，在高压输入级使用三相低压输出并联变换器[1]。级联型电力电子变压器的拓扑结构包括燃烧电池、光伏储能等直流电源和直流负载，这些模块均直接或间接的通过数数变换器与直流母线相连，而风电等交流电源与交流负载模块则经过数模变换器与直流母线相连，直流母线通过电力电子变换器与配网中压交流母线相连，从而实现直流微网与交流微网的并网。

电力电子变压器的功率部分由低压输出级并联DAB变换器（包含高频变压器）和H桥整流器两部分组成，分为两级，而整体结构则由许多个小模块共同组成，同样分为两级，以对应功率模块的两级。在级联型电力电子变压器的整个结构中，高压级的三相级联型结构负责输入电流的正弦化、功率因数的校正和对各直流侧电压稳定值进行调节，以便将其控制在指令允许范围内。由并联DAB变换器组成的低压级主要负责对各模块的功率进行均衡分配，保证输出端电压维持在稳定值，确保各桥功率平衡[2]。当处于工作状态时，直流电压先被转换成方波，经进一步的耦合到高频变压器副边后，再以直流电压的形式输出，并在H桥的使用下向双向流动，这就为级联型电力电子变压器在分布式发电向直流微网中的接入提供了有力的支撑和依据。整体而言，这种拓扑结构形式的级联型电力电子变压器，具有易于实现、模块化、可扩展等优点，可以通过接入不同级联单元数来达到将电网扩展至不同电压等级目的，为今后电网的扩展奠定了良好基础。

2 级联型电力电子变压器的控制策略

2.1 并联型DAB的控制策略

并联型DAB变换器由中间隔离的高频变压器和双H桥共同组成，在第一个H桥中所产生的占空比为50%的方波电压，并向高频变压器的原边靠近；而第二个H桥则产生相同波形的电压，但向高频变压器副边绕组靠近。由于高频变压器在工作过程中会产生可控漏抗，为了降低或消除可控漏抗对电网的消极影响，可以通过对双H 桥产生电压之间移相角的控制来实现对高频变压器漏抗电压的改变和电流的控制，进而实现对电能双向流动的控制[3]。目前，有关文献已经给出了传递功率值的计算公式，利用这一公式将已知的高频变压器漏感值、并联DAB输入输出直流电压等参数带入到公式当中，即可求出功率值。但由于多个并联在一起的DAB变换器在输入端的直流电压和变压器参数不一致，这样就会造成各模块分配的功率不均衡，容易引发过电流故障。为了避免这一故障发生，就需要对各模块功率进行均衡的分配，而这一功能和目标的实现则需要由并联的多个DAB变换器电流的均衡来负责。基于上述需求分析，提出了一个对应的控制策略，即在并联DAB变换器模块增设一个电压环和若干个电流环（3n），引入移相角和电流指令值等变量。

2.2 三相星形CHB变换器的控制策略

多级级联的H桥整流器是电力电子变压器的高压级，对该级采用开关函数（包含H桥四个开关的工作状态，用0和1表示，因而该函数的结果取值为-1、0和1三种）可以得到拓扑结构的级联型电力电子变压器各单元的数学模型，包括装置的并网电抗、直流母线的负载、电压电容等。在实际的设计过程中，尽管各H桥的参数可能达到完全一致，但因为电力电子变压器开关损耗、脉冲延时差、传导不平衡等因素和耦合关系的存在，会导致单相直流侧电压和三相之间直流侧电压的不均衡，影响电网调度稳定性[4]。

针对这一问题，应采取的控制策略是在多级H桥整流器双闭环控制的基础上增加两个修正模块，即相内直流电压平衡控制模块和相间直流电压平衡控制模块。相内直流电压平衡控制的实质是在不改变单相总有功功率的前提下，对相内各单元的有功功率进行均衡的分配和维持；而相间直流电压平衡控制的实质则是在不改变三相总有功功率的前提下，对各相之间的有功功率进行均衡的分配，并以独立的方式对三相的有功分量加以控制和维持。当相内和相间的各单元功率达到完全平衡后，这两个平衡控制模块便会以相对独立的方式运行下去，而不会对总的控制产生影响，最终实现对级联型电力电子变压器高低压级电压功率不平衡问题的解决，实现级联型电力电子变压器在直流微网并网设计中的良好应用。

为了检验出所设计的三相级联型电力电子变压器及其控制策略是否真实可行有效，决定采用仿真分析法对三相级联型电力电子变压器进行检验，仿真分析由MATLAB软件来完成，仿真分析的参数包括直流电容、电容设定电压、变压器漏抗、高低压机开关频率、变压器变化等[5]。通过对该电力电子变压器及其控制策略的仿真分析，得到级联型电力电子变压器高压级（多级H桥整流器）和低压级（并联DAB变换器）的仿真结果和电力电子变压器的总结果。仿真整体结果表明，在模拟分布式发电的情形下，输出波形呈现良好的双向传输，且双向传输的能量保持稳定。

3 结束语

综上所述，电力电子变压器在分布式电网接入中的级联应用在当前的电网建设中是非常常见的，充分体现出了其重要性。尽管级联型电力电子变压器在实际的设计应用中会出现各模块、各单元功率不均衡、电压不平衡等问题，但通过采取有效的控制策略，则可以将这些问题较好的解决，从而实现分布式发电在电网中的接入和有效运用，满足人们电能需求。

参考文献

[1]刘巍.级联型固态变压器故障检测与容错技术研究[D].东南大学，2015.

[2]孙广星，苟锐锋，孙伟.基于MMC结构的电力电子变压器拓扑结构及控制策略研究[J].高压电器，2016，01：142-147+153.

[3]吴剑.模块级联型三相固态变压器及其控制策略的研究[D].浙江大学，2015.

[4]张晓东，张大海.电力电子变压器在电网故障中的控制策略[J].电力系统及其自动化学报，2014，01：39-43.

[5]季振东，李东野，孙毅超，等.一种三相级联型电力电子变压器及其控制策略研究[J].电机与控制学报，2016，08：32-39+47.

作者简介：张燕飞（1981-），女，江苏省南京人，本科，助理工程师，研究方向：电力、电子与通信工程。