电力电子变压器在输电系统中的控制策略

2020-01-16胡冠球王航朱萌

电子技术与软件工程 2019年21期

关键词：调节器三相控制策略

文/胡冠球王航朱萌

电力电子变压器在电网的使用中除了具备传统变压器的功能外，还具备以下特点：

（1）既能对交流电网进行保护，也能与直流电源连接。

（2）其采用高频变压器，所需的导线、铁丝较少，减少金属用量。

（3）兼有智能自保护功能。所以其在电网中得到了广泛的应用，从上述可以看出其是集可再生并网、电气隔离等多功能与一体的电力电子设备。所以对其的工作原理及在输电系统中的控制策略进行研究具有重要意义，以期能够在电网建设中更好发挥作用。

1 电力电子变压器的优势及特点

通过将电力电子变压器（图1）与三相电力电子变压器的已有拓扑（图2）进行对比，可发现其具有以下的优势及特点。

1.1 三相结构，提高电压质量

在高压交流侧采用的MMC设备为三相交流器，就也就使得三相之间存在共同的交流母线，若是电力电子变压器采用三相的结构，那么其直流母线就不会存在低频波动，所以无需投放二倍频滤波器就能够有效提升电压的质量。

1.2 减少高频变压器数量

通过对上图进行观察，可以从图2中看出电力电子变压器每相皆需要6个高频变压器，这样三相共需要18个高压变频器，但是通过对图1的电力电子变压器进行观察发现其只需要10个高频变压器。所以在配电网中使用电力电子变压器能够减少高压变频器的数量，从而使得电力电子变压器的功率密度得到提高，这样可以减少造价。

1.3 减少开关数量

若是将电力电子变压器应用到配电网的使用中，其可以使得电子开关数量及变压器的数量有效减少，而直流电压的质量能由于其投入明显提高。

2 电力电子变压器在输电系统中的控制策略

图1：配电网中使用的电力电子变压器

图2：三相电力电子变压器现有拓扑

图3：高压交流侧MMC

图4：低压侧三相四桥臂逆变器的控制策略

2.1 内部参数

若想对电力电子变压器在输电系统的控制策略进行研究，则应分别对电力电子变压器中的高压交流侧MMC、中间ISOP隔离型DC-DC及低压侧的三相四桥臂逆变器在输电系统中的控制策略进行研究与分析。

2.2 高压交流侧MMC

在输电系统中可将高压交流侧MMC作为并网交流器，主要是因为在输电系统中的控制策略中高压交流侧MMC与传统的PWM并网逆变器/整流器相似。所以在输电系统中在对MMC进行控制的时候，其内环及外环的调节器均采用比例积分调节器，其控制策略如图3所示。

若是直流电压的定值为16kV，而电网侧功率的因数为1，则其高压交流电网的无用电流igq为0 。而本文所选定的电压环调节参数为HPIudcH(s)=0.055+0.5/s；电压环调节期参数为HPIig(s)=50+6 000/s。根据上式，若是想提高直流电压的利用率，则应该将高压交流侧MMC采用三次谐波的方式注入脉宽调制，这样能够使得电容器的电压得到很好的平衡。而MMC经过脉宽调制，其载波频率为5kHz。根据对MMC的相关研究观察可知MMC的上下臂之间各有10个模块，所以这也就相当于IGBT的开关频率为500Hz，从而使得其与高压大功率设备的应用场合相吻合。

2.3 ISOP隔离型DC-DC

在电力电子变压器的设计中，其中间含有多个隔离性型的DC-DC变换交流器，而通过这些变换交流器相串联，从而形成双H桥，这样可以使得功率双向流动。DC-DC变换交流器在使用时通常会使用输入串联、输出并联的连接方式，这就可以使得高压侧的变换器与并联在一起的低压侧变换器进行能量的交换。

在输电系统中对DC-DC变换交流器所采用的的控制方式为开环控制的方式，其主要是指变压器的低压侧电压及高压侧电压分别占方波电压的50%，这样就会使得两侧的相位相同。而也会使低压侧和高压侧的H桥中的IGBT可以进行双极调制。

对于电力电子变电器中DC-DC变换交流器而言，其阻抗主要包括谐振电容、谐振电感的等效内阻，而这样就极有可能导致DC-DC变换交流器的阻抗为0。通过上述可以看出，若是在输电系统中对DC-DC变换交流器采用开环控制的方法，则会使得其给定值与输出电压之间误差减小，通常误差为1%。

2.4 低压侧的三相四桥臂逆变器

低压侧的三相四桥臂逆变器其主要是由四个桥臂而构成的，分别为n，a，b，c，其中桥臂n的电压与负载电压无关，a，b，c的三相输出电压可作为3个单项逆变器对其进行独立控制。在对单相逆变器的输出电压进行控制的时候，其控制策略的选择较为多样，而本文则主要选择传统的双闭环控制策略，主要是指内环电感电流控制环+外环电压环控制环，如图4所示。而其中的内环调节器为比例调节器，外环调节器为比例谐振调节期。