一种级联型电力电子变压器的拓扑结构

胡世勇， 邹海荣

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

随着电网的不断发展，传统电力变压器在结构和功能上的缺陷日益突显，已渐渐无法满足当今电力系统发展的需求，于是电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)便应运而生。PET是结合电力电子变换技术和基于电磁感应原理将一种电力特征的电能转换为另一种电力特征的电能的电力设备[1]。它在实现电压等级变换、电气隔离和能量传递等基本功能的基础上，还能实现潮流控制、电能质量控制等许多额外的功能[2]。

比较完善的PET结构由美国德州A&M大学的Kang等[3]提出，该方案基于直接AC/AC变换技术，大幅度地减小了变压器的体积和质量。2002年，美国学者Ronan等[4]提出了3级结构(输入级、隔离级、输出级)的PET(见图1)。此后，由于功能上的优势和技术上的成熟，3级式拓扑结构成为应用与研究中的主流。

图1 电力电子变压器的3级结构

近年来，国内外大量文献对PET拓扑结构、控制策略进行了研究，文献[5]中提到了一种基于二极管钳位多电平的拓扑，它可以很好地减少谐波，但其拓扑的硬件结构比较复杂，而且功率器件均为二极管，只能单相传递能量。文献[6]中提出输入级采用模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)的方案，该拓扑输出电压质量高、功率灵活可控，但功率模块多，限制了PET的功率密度，并且成本高，不经济。文献[7]中的隔离级采用了双主动桥(Dual Active Bridge，DAB)，该方案应用广泛，技术成熟，但如果考虑变换效率和开关损耗，其并不是最佳选择。文献[8]中虽然采用了比DAB更好的LLC谐振变换器，但其忽略了励磁电感的影响，对于一个非理想的高频变压器而言，励磁电感可以创造一个能量传输的条件。

本文在AC/DC/AC型PET的基础上，研究了一种由级联H桥、LLC谐振变换器和逆变电路构成的拓扑结构。该拓扑结构简单、变换效率高、功率密度高、能量灵活传递，能够满足实际应用的要求。本文分析了PET电路拓扑的工作原理，研究了控制策略设计方法，并进行了仿真验证。

1 电力电子变压器拓扑

1.1 AC/DC/AC型PET

图2是一种典型的AC/DC/AC型PET拓扑结构。它可以实现输入端功率因数校正，同时可以抑制谐波的双向流动。其工作过程为：工频交流输入经三相全控整流器变换为直流，通过一个单相全桥逆变电路被调制成为高频方波后加载至高频变压器；耦合到变压器二次侧后，高频方波被整流成直流电压，再逆变为所需的交流输出[9]。

图2 AC/DC/AC型PET典型结构

1.2 级联型PET

本文研究了一种级联型的PET拓扑，如图3所示。该拓扑仍然采用AC/DC/AC型的三级结构。

输入侧由3级H桥级联而成，每一级由两个H桥和直流电容构成，前级H桥稳定模块内部直流电容电压，后级H桥稳定直流母线电压。由于一次侧的电压等级高，输入采用多个整流桥串联的结构，使得输入电压被均分到每个整流桥上，减小了单个整流桥的承受电压，同时降低了开关器件的损耗、减小了电压电流谐波[10]。

图3 级联型PET拓扑

隔离级的DC/DC变换器具有电压变换、电气隔离和能量双向流动的作用。本文采用LLC谐振型双向DC/DC变换模块，它有着高变换效率、高功率密度和能量灵活双向传递的特点，可实现零电压开断和零电流开断[11]。隔离级结构如图4所示，其中：Q1～ Q4与Q5～ Q8分别构成了两个H桥变换器；Lm为高频变压器的励磁电感；L1，L2为谐振电感；C1，C2为谐振电容；L1和C1构成一次侧LC谐振网络；L2和C2构成副边LC谐振网络。

图4 LLC谐振型DC/DC变换模块

输出级由逆变电路和LC滤波器构成，作用是将直流电逆变成恒压、恒频的交流电，该结构可以很好地应对电压和负载的不平衡，消除非线性负载对网侧电压的影响，减小电压谐波，有利于输出波形正弦化。

2 PET各级控制策略

2.1 输入级控制

输入级为3级H桥级联结构，每个H桥都是单相整流全桥，如图5所示。

图5 H桥拓扑结构

图3中：Us为电网电压；Ls为升压电感；Is为流过电感的电流；Us为交流侧输入电压；Udc为电容两端电压；I1为输出电流；IR1为负载电流；IC为电容电流；C为直流侧电容。

H桥在dq旋转坐标下的数学模型为

(1)

式中：usd和usq，vsd和vsq，Isd和Isq分别是电网电压，交流侧输入电压和交流电流在dq轴的分量。

为了实现直流侧输出电压恒定，交流侧输入电流为正弦且功率因数可控的目标，输入级采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环的作用是控制输出电压，保证直流输出电压的恒定；电流内环的作用是按照电压外环输出的电流指令进行电流控制，实现单位功率因数[12-14]。

为减小dq轴电流在动态过程中的相互影响，电流环引入前馈解耦控制环节。令系统控制输入为

(2)

将式(2)代入式(1)可得到解耦后的控制方程为

(3)

式(3)中的有功电流Isd和无功电流Isq已完全解耦，从而得到输入级的控制框图(见图6)。

图6 输入级控制框图

2.2 隔离级控制

隔离级的控制目标为：在高频变压器一次侧将直流电压调制成高频交流电压，经变压器耦合到二次侧后，再还原成直流电压。因此，隔离级采用PWM控制，驱动信号为占空比为50%的互补触发脉冲。而且由于隔离级在拓扑结构上的对称性，能实现能量的双向传输，电容电压自动平衡，从而不需要额外的控制手段[15]。

2.3 输出级控制

输出级的控制目标为：输出的相电压恒定且波形是正弦。因此，采用相电压瞬时值和有效值相结合的双环控制策略，内环为相电压瞬时值控制环，外环为相电压有效值控制环，此控制策略能够保证输出波形良好的正弦型，输出电压精度高[16]。控制框如图7所示。

图7 输出级控制框图

3 仿真及结果分析

为了验证级联型PET拓扑在电压变换和平衡电流电压等方面的性能，在Matlab/Simulink平台建立了仿真模型。仿真参数见表1。同时，将仿真结果与传统AC/DC/AC型PET进行比较验证。

表1 仿真模型主要参数

3.1 PET空载时

图8是级联型PET和传统PET空载时的仿真曲线，由图8(a)可知，输入级直流电压可以稳定控制在6 kV左右，这与设定的母线电压几乎相同，并且电压变化平稳，达到稳定所需时间较短。结合图8(b)，3个H桥直流电压约为2 kV，说明级联H桥在双闭环的控制策略可以实现每个H桥的均压。图8(c)可以看出传统PET电压变化迅速，峰值较高，约0.18 s后最终稳定在5.8 kV左右，不能达到设定的母线电压值；而级联型PET变化平稳，峰值较低，0.14 s左右即实现稳定。

(a) 级联型PET高压侧总电压

(b) 级联型PET H桥电压

(c) 传统与级联PET高压侧总电压

3.2 PET带负载时

图9所示为级联型PET和传统PET投入负载时电流的仿真曲线，开始时PET空载，在0.2 s时投入负载。图9(a)显示投入负载后，低压侧输出电流出现波动，但这个过程很短，随后迅速恢复正常状态，验证了控制策略具有很好的动态性能。从图9(b)可以看出，投入负载后，级联型PET负载侧电流出现跌落，但很快便恢复了正常；而传统PET电流迅速增大了约50%，而且恢复稳定时间也较长。

(a) 级联型PET低压侧输出电流

图10(a)、10(b)所示为PET低压侧和负载输出电压的波形。图10(a)、10(b)说明级联型PET可以很好地实现电压10 kV到360 V的变压。由图10(b)可知，投入负载后，级联型PET出现了较小的电压畸变，此外均为正常的正弦波；而传统PET的电压骤升至500 V左右，0.4 s后才渐渐稳定，且也出现了两处较大的畸变，但整体上还是正弦波。

(a) 级联型PET输入电压

(b) 传统与级联型PET负载电压

仿真结果表明，与传统的PET拓扑结构相比，级联型PET可以很好地完成电压等级变换，平衡负载和均压均流等功能，并且减小开关器件的损耗和电压电流谐波。在负载突变的情况下，能够迅速响应，在极短的时间内恢复平衡，体现了很好的动态性能和抗干扰能力。

4 结 语

本文基于传统的AC/DC/AC型PET研究了一种级联型PET拓扑结构，输入级的级联H桥电路模块数少，结构紧凑，而且电压被均分到每一个子模块上，从而提高了输入电压等级；隔离级的LLC型谐振变换器使得功率可以灵活双向传输，减少了开关损耗，提高了系统效率；输出级采用的逆变电路具有输出稳定，电能质量高等优点。通过Matlab/Simulink的仿真，验证了其均压均流，抑制谐波，动态性能优秀和平衡负载等能力。级联型PET由于采用高度模块化的结构和适当的控制策略，可广泛应用，具有较高的应用价值和广阔的发展前景。

[1] 毛承雄，范澍，王丹,等. 电力电子变压器的理论及其应用(Ⅰ) [J]. 高电压技术，2003, 29 (10): 4-6.

[2] 毛承雄，范澍，黄贻煜,等. 电力电子变压器的理论及其应用(Ⅱ) [J]. 高电压技术, 2003, 29 (12): 1-3.

[3] KANG M, ENJETI P N, PITEL I J. Analysis and design of electronic transformers for electric power distribution system [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1999, 14 (6): 1133-1141.

[4] RONAN E R, SUDHOFF S D, GLOVER S F,et al. A power electronic-based distribution transformer [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2002, 17 (2): 537-543.

[5] 陈启超，纪延超，潘延林,等. 配电系统电力电子变压器拓扑结构综述 [J]. 电工电能新技术, 2015, 34 (3): 41-48.

[6] 李子欣，王平，楚遵方,等. 面向中高压智能配电网的电力电子变压器研究 [J]. 电网技术, 2013, 37 (9): 2592-2601.

[7] 王杉杉，王玉斌，林意斐,等. 级联型电力电子变压器电压与功率均衡控制方法 [J]. 电工技术学报, 2016, 31 (22): 92-99.

[8] 武琳，张燕枝，李子欣,等. 一种隔离式双向全桥DC /DC变换器的控制策略 [J]. 电机与控制学报, 2012,16(12):21-27,35.

[9] 毛承雄，范澍，王丹,等. 电子电力变压器 [M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[10] 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, 20 (8): 32-39，47.

[11] 马催. 电力电子变压器带隔离环节的DC/DC变换器研究[D].合肥:合肥工业大学, 2016:39-41.

[12] 宋平岗，朱维昌，戈旺. 单相电力电子变压器整流级直接功率预测控制 [J].大功率变流技术, 2016(4): 7-12.

[13] 王轩，付永生，晋湾湾，等. 一种新型结构的电力电子变压器 [J]. 电工电能新技术, 2017, 36 (5): 67-74.

[14] 廖国虎，邱国跃，袁旭峰. 配电网电力电子变压器仿真研究 [J]. 电测与仪表, 2014, 51 (17): 35-41.

[15] 葛云霞，李勇，韩继业,等. PET接入10kV有源配电网的谐振稳定评估及输入阻抗优化 [J]. 电力系统及其自动化学报, 2017, 29 (2): 1-6，55.

[16] 张国荣，王啸飞. 配电网中自平衡电力电子变压器控制策略研究 [J]. 电气传动, 2017, 47 (4): 60-66.