新能源与电力电子设备电力系统管理研究

中国能源建设集团湖南省电力设计有限公司 杨 超

新能源的发展对传统发电带来较大的市场冲击，其需要确保稳定的电力供应和可靠电力系统。在此背景下，电力系统将会遇到更多的挑战和困难，传统的电力变压器已无法满足现状，其自身功能单一性和较多条件限制性都是被淘汰的原因。对此，设计新型的电力电子变压器是当前国际电力领域中的重要目标，将现有的电力电子设备功能进行技术改革，实现变压技术的变革性跨越是一个重要的手段。

1 电力电子变压器运行原理

电力电子变压器（EPT）最早在20世纪七十年代提出来的，美国通用公司的W.McMurray 提出了高频链接AC/AC 变换电路，奠定了基发展基础[1]。电力电子变压器不仅具备电气变换、电气隔离、能量传递等基本功能，同时还能对电能的质量进行控制，从而实现调节电能质量的目的。电力电子变压器的基本运行原理，是利用电子电力变换技术和电磁感应原理完成电能的供应，是将高频变压器当作工频变压器来使用[2]，如图1所示。

图1 三级式电子电力变压器

图1是美国在1999年研发的电子电力变压器，其具有三级结构，即输出级、输入级和中间隔离级，其中在输入侧使用了多级模块串联分压的拓扑结构，从而实现输入侧的单位功率因数整流。此结构只能实现功率的单向流动，无法调节。

2 准Z 源逆变器的电气模型

2.1 准Z 源逆变器的数学模型

准Z 源逆变器的桥臂前后开关，处于开启状态时，此种状态在学术上被称之为直通，同时准Z 源逆变器内部含带逆变桥前端的准Z 源网络，如图2所示。传统逆变器中的桥臂直通易导致开关管损坏，从而此种工作状态被禁止。“该拓扑结构为单级，QZSI中添加直通状态后，通过在传统调制策略下的逆变器部分零状态的时间中插入直通时间或者将整个零状态替换为直通状态，从而实现输入侧电压的升降”。

图2 准Z 源三相逆变器拓扑

准Z 源逆变器在实际运行过程中，可以同时进行两种工作模式，如图3所示，当准Z 源逆变器处于直通状态时，通常情况下容易引发三相桥臂短路；而当准Z 源逆变器中的网络电感与电容开展交换流程时，电感与电容呈现出释放和吸收的状态，并且负载或网两侧不会出现能量的吸收。所以，在准Z源逆变器的非直通的工作状态，与VSI 工作原理一致，同时电源能量呈现出负载或网两侧的传输，电感与电容的交换流程的电量呈现为吸收和释放。

图3 准Z 源逆变器等效电路

图4 准Z 源并网逆变器风力发电系统

此外，在工作状态下准Z 源逆变器网和直流电源的功率传输，呈现为同时刻同网侧，从而使所有环节当中的电源能量发挥出最大作用，并利用准Z源逆变器网开展电能的吸收与释放，达到提高准Z源逆变器电压的效果。据此，在一个开关周期当中，直通工作状态的时间比值，公式表示为：

式中，vin为直流输入电压，vc1、vc2分别代表电容、电压，vdc表示直流母线电压。同时非直通状态所用时间占比，同样按照基尔霍夫定律进行计算，公式表示为：

已知处于稳定状态时，一个开关周期内的电感平均电压为零，则：

式中，T 为时间周期，Tsh直通工作状态的时间比；T1为非直通状态所用时间比；进而根据公式（3）可将电容电压进行推导，如下：

式中，ds为直通工作状态下的占空比，该比值等于直通工作状态的时间周期比；Vc1为准Z 源逆变器网稳态电容；Vc2为准Z 源逆变器网稳态电压；进而可推导出逆变器的直流母线电压与交流输出电压，如下：

式中，B 为升压因子；M 为调制比例，G 为增益电压值。进而Z 源逆变器网处于直通状态，该网的开关器件中的电流数据为0，逆变器电流与电感之和公式表示为：

电感电流始终处于稳定状态下时，电容、电压在同一周期内部的开关变化统一无效，皆为“0”，对此，则可以根据此性质，推导出电感电流如下：

2.2 准Z 源并网逆变器的控制模型

发电机、整流桥、三相逆变桥、输入电容、准Z 源逆变器是风电系统重要组成部分。输入电容是作为DC 电源用来与准Z 源网络连接使用的。在不同风力下，发电机变化会因为端电压通过二极管整流电路连接准Z 源逆变器。其输入电压如下：

式中，VLL为发电机线电压。

准Z 源并网系统使用双闭环矢量控制策略。电流内环对并网dq 轴电流进行解耦控制，内环将使用PI 控制器与状态反馈解耦进行控制，同时电网与电动势前反馈补偿如下：

图5 SVM 调制方法

由图4可知，电压呈现为外化状态时，所控的电压元件为C1，前输出元件的电流由PI 进行控制，进而在该控制过程当中，需要在保证准Z 源逆变器内部电压和电容的基础上，同时内部电压和电容必须稳定，如此才可以让电压和电流回到稳定。

3 调制策略

由于准Z 源逆变器存在直通与非直通两种工作状态，所以在两种工作状态下，逆变器所发挥的作用与工作的模式存在一定差异性，如直通状态下可以利用部分VSI 零状态时间段，通过在其中增加直通时间或直接使用直通模式的方式，对整体的状态进行零状态调整，但是此种操作容易致使三相桥臂中的其中一相出现短路问题。因此，从上文的装置设备运行状态能够知晓，在每一个开关周期内都有直通与非直通状态。对此，针对QZSI 进行调制需要完善原有的调制途径与方式，才能够保障直通状态完美融入零状态中。

空间矢量调制（SVM）的开关信号如图5所示，开关切换时间如下：

式中，i 为自然数，最大值为6；T1和T2为作用时间；V1和V2为有效电压矢量；θ 为电压矢量之间的角度；T0为零状态作用时间；m 为调制度。

按照SVM 调制方法进行汇总，可知零状态矢量的实际作用，在一定时间内会出现变化，并且此种变化呈现周期性特点，约为π/3的值。零状态矢量的平均占空比为：

升压最大化能将出现的零矢量全体替换为直通量，且直通量占据比例会不断发生变化。固定升压比控制的直通占空比不变，且其中包括直接插入法升压、分段插入法升压两类控制方法。相比较于后者升压法来说，前者的直通矢量为固定值，位置也固定，一般情况下，位于传统矢量000与111正中间，能够代替一小部分零矢量状态，记作为ZSVM1。使用直接升压方式，能够为其在一个开关周期内增加开关次数，且开关频率比传统调制方法高出两倍以上一个开关周期之内的直通损耗超过两次，但能够将损耗平均分配到三个桥臂上，损耗降低。

如图6所示，是另一种升压方式，该方式通过在开关周期发生变化时，在装置切换过程中，通过加入直通电流的方式完成，同时当中出现红色阴影，表示直通运行所需要的时间。进而本文将直通消耗时间，按照公式（11）进行划分，同时保证单个开关可以在有效状态下运行过程中，完成直通状态的插入，且使得单个桥臂均有直通的电流流过，便可确保三相桥臂开关频率可以长期在同一水平，且呈现较高的稳定性。此外，前段准Z 源网络内部结构中的二极管的开关频率为三相逆变器的6倍。

图6 六段插入直通升压调制方法

此外，在直通升压方式当中利用分段的方式完成添加后，单个桥臂均会承担部分直通电流，同时所承担的直通电流应力，相较于常规情况呈现出超过的状态，为降低单个桥臂承担的直通电流应力，可通过开启三相桥臂总开关的方式，保证三相桥臂直通电流相同。

本文主要概述了EPT 的拓扑和控制策略，对其进行了类比分析和选择，对EPT 的三个部分的常用拓扑进行了简要概述，且对其出现的优缺点进行分析，最后对综合数据讨论选取适合于国内现阶段的拓扑结构，并且以此结构作为数学模型建立的基础进行合适的控制策略选择，从而利用MATLAB 进行系统的整体性仿真，并将得到仿真结果、拓扑结构、控制策略等进行高效性和有效性的验证与评价。

本文对于EPT 输出侧进行了简要的分析介绍，但依然存在着较多的问题需要改善和更深层次的研究，本文研究只是简单的原理分析和软件仿真，实际的可行性并未通过试验平台进行验证，最后对ETP 在使用过程中的能量损耗进行了拓扑结构的研究。