电网不平衡故障下电力电子变压器控制策略

冯宇鹏，吴金龙，王先为，刘欣和，牛化鹏，姚为正

(1.西安许继电力电子技术有限公司，西安市 710075；2.许继集团有限公司，河南省许昌市 461000)

电网不平衡故障下电力电子变压器控制策略

冯宇鹏1，吴金龙1，王先为1，刘欣和1，牛化鹏1，姚为正2

(1.西安许继电力电子技术有限公司，西安市 710075；2.许继集团有限公司，河南省许昌市 461000)

针对电网不平衡故障下电力电子变压器(power electronic transformer, PET)高压级的相间均压问题和对电网电压的支撑问题，首先对负序电流注入法进行了研究，推导了需注入的负序电流幅值和相位，分析了有功电流和负序电流对电网公共连接点(point of common coupling，PCC)电压的影响，然后提出了一种新的适用于PET相间均压的零序电压注入法。仿真结果表明，电网故障时，PET仅传输有功功率，会降低PCC点正序电压，输出无功后可有效支撑电网电压。负序电流注入法和零序电压注入法均可实现高压级相间均压，但负序电流注入法需高压级具备更大的电流应力，且抬升了电网负序电压，而采用零序电压注入法时，高压级三相电流对称，对电网负序电压无影响。PET隔离级所有双有源桥(dual active bridge , DAB)传输功率均衡，低压级输出电压和功率恒定，不受电网故障的影响。

电网不平衡故障；负序电流；零序电压； 直流电压平衡控制；功率均衡控制

0 引 言

电力电子变压器(power electronic transformer, PET)不仅可实现电压变换、电气隔离和能量的双向流动等传统变压器的功能，而且具有输出电压幅值恒定，可进行无功补偿，能为清洁能源和储能电站提供良好的接入条件等优点，随着大功率半导体器件与磁性材料的迅速发展，已成为智能电网建设的关键设备[1-7]。

当电网电压不平衡时，电力电子变压器高压级三相直流电压将不均衡[8-10]。针对星型H桥链式拓扑的相间均压问题，文献[9-11]对基于负序电流注入法的相间均压策略进行了研究，实现了静止同步补偿器(static synchronous compensator, STATCOM)在电网电压不平衡时的相间直流电压均衡，但均未分析负序电流对公共连接点(point of common coupling，PCC)电压的影响。文献[12]针对STATCOM补偿不平衡负载工况，给出了零序电压的表达式，但未对电网电压不平衡时的相间均压策略进行研究。文献[13]从换流链电压与电流作用下的有功功率为0的角度出发，将电网相电压与零序电压分解至电流方向，根据换流链零序电压所在直线的交点求得零序电压的幅值和相位。该方法没有考虑有功功率的传输，仅适用于星型链式STATCOM，而不能用于电力电子变压器。文献[14]对比了零序电压与负序电压对PET有功功率的调节能力，但未给出具体的零序电压求解方法。

本文首先推导电网电压不平衡时PET所需注入的负序电流幅值和相位，分析有功电流和负序电流对电网PCC点电压的影响，然后提出一种新的适用于PET高压级相间直流电压均衡的零序电压生成方法，并给出PET高压级、隔离级和低压级的控制策略。

1 高压级相间均压理论分析

1.1 电力电子变压器拓扑结构

本文所用PET拓扑结构如图1所示，由高压级、隔离级和低压级组成。高压级为星型链式结构，由3条换流链组成，每条换流链由N个H桥串联组成，可

图1 电力电子变压器拓扑Fig.1 Topology of PET

实现不同电压等级的接入，且并网电压和电流谐波小；隔离级由N个双有源桥(dual active bridge , DAB)并联，实现能量的双向流动和电气隔离，并可提供低压直流母线；低压级采用三相四桥臂逆变器作为交流电压源，以满足不同负载的接入。

该PET拓扑与低压级直流电压独立、交流电压并联拓扑相比，其优点为：(1)既可提供交流电压，又可提供直流电压；(2)低压侧接入不平衡负载后，高压侧三相电流依旧保持平衡；(3)多个H桥并联成本较高，功率密度低，而大功率三相四线变流器已非常成熟，功率密度可以达到很高的水平。

1.2 负序电流注入法

1.2.1 换流链间有功功率平衡分析

电力电子变压器高压级等效电路如图2所示，电网电压不平衡时，假设换流链输出电压包含正序电压和负序电压，换流链电流中包含正序电流和负序电流，如式(1)和(2)所示[15]。

图2 电力电子变压器高压级等效电路Fig.2 Equivalent circuit of PET high voltage stage

(1)

(2)式中：Up为正序电压幅值；Un为负序电压幅值；Ip为正序电流幅值；In为负序电流幅值；以正序电压相位为基准相位，θ、α、φ分别为负序电压、正序电流、负序电流的初始相位。根据换流链的电压和电流，可得1个工频周期内每条换流链的平均有功功率为

(3)

为了保证电网电压不平衡期间，输入至PET的3条换流链的有功功率相同：

pa=pb=pc

(4)

根据式(3)与(4)可得：

UpIncosφ+UnIpcos(θ+α)=UpIncos(φ+2π/3)+
UnIpcos(θ+α+2π/3)

(5)

UpIncosφ+UnIpcos(θ+α)=UpIncos(φ-2π/3)+
UnIpcos(θ+α-2π/3)

(6)

设k=(UnIp)/(UpIn)，将式(5)和式(6)相加后化简可得：

kcos(θ+α)+cosφ=0

(7)

将式(5)和式(6)相减后化简可得：

ksin(θ+α)+sinφ=0

(8)

根据式(7)和式(8)可得：

k=1

(9)

因此，正序电压电流和负序电压电流在幅值上满足：

UpIn=UnIp

(10)

在相位上满足：

θ-φ=π-α

(11)

1.2.2 对电网电压的影响分析

电网故障期间，PET除了为负载提供有功功率，还可输出一定的无功功率以支撑PCC点电网电压的恢复，系统等效电路如图3所示。其中：e为电网电压；u为电网PCC点电压；Lg为线路等效阻抗；is为PET电流。

图3 系统等效电路Fig.3 Equivalent circuit of system

稳态时，PCC点正序电压与PET正序电流的关系为

(12)

以PCC点电压为参考矢量，当PET的工作模式为整流或逆变时，PCC点正序电压矢量如图4所示。可见当电网故障后，如果PET仅传输有功功率，会进一步降低PCC点正序电压，不利于电网电压的恢复，因此PET有必要输出无功功率来支撑电网电压。PET输出感性无功功率后，PCC点的正序电压得到抬升，其电压矢量如图5所示。

图4 PET的工作模式为整流或逆变时PCC点正序电压矢量图Fig.4 Positive sequence voltage vector diagram of PCC when PET works as a rectifier or inverter

图5 PET输出无功功率后PCC点正序电压矢量图Fig.5 Positive sequence voltage vector diagram of PCC when PET outputs reactive power

PCC点负序电压与负序电流的关系为

u-=e-+jωLgis-

(13)

为了保证PET高压级3条换流链有功功率的平衡，负序电流相位需满足式(11)，负序电流对PCC点负序电压的影响如图6所示，可见，该负序电流增加了PCC点的负序电压。

1.3 零序电压注入法

假设PET换流链高压级输出的零序电压为

u0=U0cos(ωt+β)

(14)式中：U0为零序电压的幅值；β为零序电压的初始相位。

在零序电压与PET正序电流的作用下，1个工频周期内PET高压级3条换流链的平均功率为

(15)

图6 PET输出负序电流后PCC点负序电压矢量图Fig.6 Negative sequence voltage vector diagram of PCC when PET outputs negative current

由于p0a+p0b+p0c=0，因此零序电压仅改变了有功功率在3条换流链的分配，而不会对输入PET的总有功功率造成影响。

令U0d=U0cosβ，U0q=U0sinβ，则注入的零序电压为

u0=Udcos(ωt)-Uqsin(ωt)

(16)

以电网正序电压矢量为正序dq旋转坐标系，结合式(14)和(16)可得：

(17)

式中：Ipd为正序电流的d轴分量；Ipq为正序电流的q轴分量，因此：

(18)

结合式(16)和(18)可得零序电压的生成框图如图7所示，其中udci(i=a,b,c)为i相换流链子模块电压的平均值。

图7 零序电压的生成框图Fig.7 Block diagram of zero sequence voltage obtained

2 电力电子变压器控制策略

2.1 高压级控制策略

PET高压级的控制策略如图8所示。将高压级所有功率模块的直流母线电压平均值udc_av进行闭环控制，实现了输入PET总有功功率的控制。通过注入零序电压，调整了电网故障工况下有功功率在3条换流链的分配，保证了高压级相间功率的均衡。当PCC点电压在正常范围0.9～1.1 pu时，PET高压级为单位功率因数控制，无功电流控制为0；当电网正序电压超出该范围时，PET对PCC点电压进行闭环控制，输出无功电流支撑电网电压的恢复，其中k为PET的特性斜率。

电流内环采用双旋转坐标系矢量控制，以电网正序电压矢量定向，分别对正序dq轴电流和负序dq轴电流进行闭环控制，为了增大电网故障后正序无功电流的输出能力，将负序电流控制为0，电流内环控制得到的调制波ui(i=a,b,c)作为i相换流链所有模块的调制波进行调制。

图8 PET高压级控制策略Fig.8 Control strategy of PET high voltage stage

2.2 隔离级控制策略

隔离级控制策略如图9所示，非谐振型DAB传输的有功功率[16]为

(19)

式中：Ui为DAB输入侧直流电压；φ为DAB的移向角。将低压侧直流电压进行闭环控制，得到总的移向角φ。由于DAB低压侧直流母线电压并联，因此对低压直流电压Uo闭环控制就控制了所有DAB传输至低压级的总有功功率。

在实际系统中，各个DAB的电感大小、高频变压器漏抗等存在一定的差异性，如果采用相同的移向角，其传输的有功功率将不同，进而导致PET高压级换流链内直流电压的不均衡。因此需要对各个DAB的移向角进行调整，具体为：分别将每条换流链内子模块直流电压Uij(i=a,b,c;j=1～N)与该条换流链电压的平均值Udci(i=a,b,c)做差，利用PI调节器进行闭环控制得到该换流链各个DAB的移向角修正量△φij，△φij与φ相加得到DAB的最终移向角φij。

图9 PET隔离级控制策略Fig.9 Control strategy of PET isolation stage

2.3 低压级控制策略

低压级为电压源，其控制策略如图10所示[5]。将低压级输出的三相交流电压变换至dq旋转坐标系，d轴电压控制为给定电压，q轴电压控制为0，桥臂N采用占空比为50%的方波进行调制，开关频率与其他三相相同。由于低压级为三相四线拓扑，因此采用SPWM进行调制。

图10 PET低压级控制策略Fig.10 Control strategy of PET low voltage stage

3 仿真验证

为了验证本文所提PET控制策略的正确性，利用MATLAB/SIMULINK搭建了1台10 kV/1.25 MVA的电力电子变压器。仿真参数如表1—3所示，系统短路电流为1 kA。为了验证功率均衡策略的有效性，将A相2号 DAB电感值设定为0.22 mH，3号 DAB电感值设定为0.18 mH。PET带阻感性负载，负载有功功率为1.25 MW，无功功率为125 kvar，电网A相电压在0.3 s时跌落至0.6 pu。

表1 高压级仿真参数
Table 1 Simulation parameters of high voltage stage

表2 隔离级仿真参数Table 2 Simulation parameters of isolation stage

表3 低压级仿真参数Table 3 Simulation parameters of low voltage stage

图11—12为PET高压级仿真结果，电网故障前，高压级为单位功率因数控制，有功功率为额定功率，无功功率为0。电网故障后，PET快速输出无功功率支撑电网电压恢复。零序电压注入法和负序电流注入法均能实现高压级相间均压，但采用零序电压注入法时，高压级的峰值电流为130 A(1.27 pu)，且三相电流对称，采用负序电流注入法时，高压级的峰值电流为150 A(1.47 pu)，且三相电流不对称。

图11 采用零序电流注入法的PET高压级仿真结果Fig.11 Simulation results of PET high voltage stage based on zero sequence voltage injection method

图12 采用负序电流注入法的PET高压级仿真结果Fig.12 Simulition result of PET high voltage stage based on negative sequence current injection method

图13为PCC点电网正负序电压仿真结果，投入PET后，如果PET仅输出有功功率，会降低PCC点正序电压， PET输出无功功率后，能有效支撑电网电压。当电网发生不平衡故障后，负序电流注入法会抬升电网负序电压。

图13 PCC点电网正负序电压幅值对比Fig.13 Voltage magnitude comparison of positive sequence and negative sequence of PCC

图14为PET隔离级仿真结果，虽然换流链A的1～3号DAB电感值存在差异，但通过调整其各自的移向角，电网故障前后，其传输的有功功率都保持均衡。图15为PET低压级仿真结果，电网故障前后，逆变器输出的电压没有任何变化，有功功率与无功功率均没有波动。

图14 PET隔离级仿真结果Fig.14 Simulation results of PET isolation stage

图15 PET低压级仿真结果Fig.15 Simulation results of PET low voltage stage

4 结 论

本文推导了电网故障时PET高压级应注入的负序电流幅值和相位，分析了有功电流与负序电流对电网PCC点电压的影响，提出了一种新的零序电压生成方法和DAB并联运行的功率均衡策略。仿真结果表明，采用零序电压注入法进行相间均压时，高压级三相电流对称，电流应力较负序电流注入法小很多，且不会抬升电网负序电压；电网故障前后，隔离级DAB传输功率都保持均衡，低压级输出的电压恒定不变，有功功率和无功功率没有任何波动。

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(编辑 蒋毅恒)

Control Strategy of Power Electronic Transformer under Unbalanced Grid Fault

FENG Yupeng1，WU Jinlong1，WANG Xianwei1， LIU Xinhe1，NIU Huapeng1，YAO Weizheng2

(1. Xi’an XJ Power Electronics Technology Corporation, Xi’an 710075, China; 2. Xuji Group Corporation, Xuchang 461000, Henan Province, China)

For the DC voltage balance control problem among phases of power electronic transformer (PET) and grid voltage support problem under unbalanced grid fault, this paper first studies the negative sequence current injection method, derives the current amplitude and phase of the negative sequence, and analyzes the influences of active current and negative sequence current on the point of common coupling (PCC) voltage. Then, this paper proposes a new zero sequence voltage injection method suitable for PET. The simulation results show that, when the grid fault occurs, if PET only transmits active power, the positive sequence voltage of PCC will be reduced, and the reactive power can effectively support the grid voltage. Both the negative sequence current injection method and the zero sequence voltage injection method can make the DC voltage balance among phases of high voltage stage, but the negative sequence current injection method needs greater current stress, and the negative sequence gird voltage is increased. When the zero sequence voltage injection method is used, the three phase current of high voltage stage is symmetrical, and there is no influence on the negative sequence voltage. The active power of all PET isolation stage DAB (dual active bridge) are equal, and the output voltage and power of low voltage stage are constant, which are not influenced by the grid fault.

unbalanced grid fault; negative sequence current; zero sequence voltage; DC voltage balance control; power balance control

国家电网公司科技项目(SGRI-DL-71-15-005)

TM 761

A

1000-7229(2016)07-0084-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.07.012

2016-04-18

冯宇鹏(1987)，男，硕士，工程师，主要研究方向为高压STATCOM、电力电子变压器；

吴金龙(1981)，男，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为柔性直流输电系统分析与设计、控制策略设计；

王先为(1985)，男，博士，工程师，研究方向为柔性交直流输电技术；

刘欣和(1985)，男，硕士，工程师，主要研究方向为柔性直流输电技术;

牛化鹏(1982)，男，硕士，高级工程师，研究方向为地铁回馈，电力电子变压器；

姚为正(1967)，男，博士，教授级高工，研究方向为电力电子及其在电力系统中的应用。