周 鵬，蔡新紅，曹冰玉

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000）

0 引言

隨著大量的分布式能源入網(wǎng)以及負(fù)荷的多樣化需求，微電網(wǎng)的穩(wěn)定性面臨著巨大的挑戰(zhàn)。而交直流混合微電網(wǎng)擁有直流配網(wǎng)和直流負(fù)載，能夠有效提高配電網(wǎng)的效率，適用性較強(qiáng)，可降低電網(wǎng)建設(shè)成本，是未來配電網(wǎng)的發(fā)展方向[1，2]。但因分布式能源的發(fā)電特性直接并網(wǎng)會對整個電力系統(tǒng)的造成巨大的沖擊，損害電網(wǎng)系統(tǒng)，在負(fù)載接入微網(wǎng)時，無法保證供電的可靠性，因此為了提高混合微網(wǎng)的穩(wěn)定性，需要研究出一種行之有效的控制策略來解決分布式能源并網(wǎng)的問題。

電力電子變壓器（Power Electronic Transformer，PET）是一種結(jié)合了電力電子變壓器和高頻變換器的新型功率轉(zhuǎn)換裝置，該裝置與傳統(tǒng)PET相比交具有體積小、穩(wěn)定性高、重量輕和可控性好的特點(diǎn)，應(yīng)用于混合微網(wǎng)中可改善電能質(zhì)量。由于它具有直流接口和交流接口，因此便于各類負(fù)荷和分布式電源的接入，而且它不僅具有傳統(tǒng)變壓器的電氣隔離和電壓變換的功能，還具有無功補(bǔ)償能力、抑制諧波能力和瞬時關(guān)斷能力，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)能量主動調(diào)控和多向流動[3-5]。因此，對PET的深入研究可有效改善混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量，減少電網(wǎng)運(yùn)行成本，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。

根據(jù)PET工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可將PET分為兩AC/DC/AC型PET，它含直流環(huán)節(jié)，而本文以三級式AD/DC/AC型PET為研究對象，提出了兩種控制策略來有效提高微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其中輸出級采用SVPWM雙閉環(huán)控制，隔離級采用開環(huán)控制，輸出級分別采用電壓閉環(huán)控制以及基于虛擬同步電機(jī)原理的控制策略并搭建了基于Matlab/Simulink的微網(wǎng)配電仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了這兩種控制策略的有效性。

1 交直流混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

基于PET的典型交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)一般將10 kV的配網(wǎng)做主網(wǎng)來運(yùn)行。通過PET的聯(lián)接功能，形成直流微網(wǎng)和交流微網(wǎng)兩種微網(wǎng)，在直流微網(wǎng)中DER主要是利用DC-DC直流變換器來并網(wǎng)，在交流微網(wǎng)中DER主要是利用DC-AC，AC-DC-AC變換器來并網(wǎng)。在自然界中各分布式能源都是通過對自身的運(yùn)行特性、運(yùn)行成本和運(yùn)行效率等因素的分析，來選擇接入的形式為直流接入還是交流接入。通常光伏和風(fēng)能的分布式能源既能直流接入也可交流接入，而蓄電池，超級電容，燃料電池，混合蓄電池這些分布式能源則是直接選擇直流接入[7-9]。

圖1 交直流混合微網(wǎng)系統(tǒng)

2 PET工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 PET工作原理

三級式AC-DC-AC型PET的工作原理如圖2，首先將輸入的交流電通過一次側(cè)電力變換器經(jīng)過整流器整流為直流電，再將變換過的直流電通過逆變電路變換為高頻方波信號，并將高頻方波信號輸入到高頻變壓器的一次側(cè)，經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換后將一次側(cè)高頻方波耦合為電壓等級較低的高頻方波并經(jīng)過二次側(cè)輸入到二次側(cè)電力轉(zhuǎn)換器，將高頻方波整流為直流電，再逆變?yōu)樨?fù)載所需的交流電輸出[10]，本文所研究的三級式電力電子變壓器不僅擁有直流接口還有交流接口，便于接入交直流系統(tǒng)且變流器靈活可控。

圖2 AC-DC-AC型PET原理

2.2 PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

AC-DC-AC型PET的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入級將交流信號通過三相整流橋整流為直流信號；之后再通過隔離級的單相全橋逆變器將直流信號逆變?yōu)楦哳l方波信號再經(jīng)過高頻變壓器調(diào)制為電壓等級較低的高頻方波信號，最后通過整流器整流為直流電輸入到輸出級，經(jīng)過輸出級逆變?yōu)樨?fù)荷所需的工頻交流電輸出，這種三級式PET即擁有兩個直流環(huán)節(jié)，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行有效控制，還可以調(diào)節(jié)輸入功率因數(shù)和抑制諧波，可以保證其電能質(zhì)量的穩(wěn)定性。

圖3 AC-DC-AC型PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 PET控制策略設(shè)計

3.1 輸入級控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的輸入級是將頻交流信號整流為直流信號，起整流作用，由于早期整流級使用的為二極管、晶閘管構(gòu)成的整流電路，該電路能量不能雙向流動、可控性較低、諧波污染較大[11]。因此在輸入級中對整流器本文采用雙閉環(huán)三相PWM空間矢量調(diào)制技術(shù)[12]，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)可控，并且能夠使得諧波有效減少，可有效控制直流電壓，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 AC-DC-AC型PET輸入級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于在工作時每組橋臂的上下橋臂只有一個導(dǎo)通，因此，這三組橋臂有8種開關(guān)狀態(tài)，分別為（000）～（111），這八種開關(guān)狀態(tài)也對應(yīng)八個電壓空間矢量ur，分別為u0（000）到u7（111）[13]。用空間矢量表示為：

本文輸入級所采用的為電壓源型整流器，控制策略為雙閉環(huán)控制策略，其數(shù)學(xué)模型如下。

設(shè)輸入級整流器的開關(guān)函數(shù)s為：輸入電壓為半徑為2/3udc的矢量圓，如圖5。當(dāng)sasbsc=（000）～（111）時，對應(yīng)的電壓空間矢量為u0（000）～u7（111）。

根據(jù)SVPWM電壓空間矢量分析其輸入電壓空間矢量可得到三相靜止abc坐標(biāo)系中的輸入級PWM整流器數(shù)學(xué)模型。

輸入級的輸入三相電源電壓為：

其中，ω是電源電壓的角頻率，φ是電流和電壓的相位差。

圖5 整流級的輸入電壓空間矢量圓

根據(jù)圖 4，結(jié)合式（2）、（3）對交流側(cè)用 KVL 可得：

其中，ura=saudc+uon，urb=sbudc+uon，urc=scudc+uon，Uon為下橋臂節(jié)點(diǎn)和電源中性點(diǎn)間的電壓。

由于整個系統(tǒng)是一個三相對稱系統(tǒng)，根據(jù)交直流側(cè)KVL可以得到PWM整流器的數(shù)學(xué)模型為：

3.2 隔離級控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的隔離級是采用兩組H橋變換器和一個高頻變壓器組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6，其主要作用是將輸入級輸出的直流信號逆變?yōu)楦哳l方波信號，再經(jīng)過高頻變壓器耦合到副邊，再整流逆變?yōu)橹绷餍盘柦o輸出側(cè)，主要起電氣隔離和電壓等級變換的作用。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對于隔離級采用開環(huán)控制。

3.3 兩種輸出級控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的輸出級是將從隔離級得到的直流信號逆變?yōu)樨?fù)載所需的工頻交流電，起到逆變作用，也被稱為逆變級，輸出級采用的是三相電壓橋式逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7，其是由直流電源、三相橋式逆變電路、LC濾波器和負(fù)載組成，主要作用是在系統(tǒng)非正常運(yùn)行時，保證輸出電壓的穩(wěn)定，能夠給微電網(wǎng)提供一個穩(wěn)定高效的電能，提高電能質(zhì)量，根據(jù)PET輸出級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過兩種不同的控制策略進(jìn)行研究分析。

圖6 AC-DC-AC型PET隔離級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 AC-DC-AC型PET輸出級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.1 電壓閉環(huán)控制策略

PET輸出級主要是給負(fù)載側(cè)提供一個恒定的交流電壓，并且能夠在負(fù)載側(cè)出現(xiàn)電壓波動和變化的時候依然能夠使輸出電壓保持穩(wěn)定，輸出級可以采用電壓閉環(huán)控制，其控制原理圖如圖8，控制過程為：將輸出的交流電壓經(jīng)過Park變換轉(zhuǎn)換為d軸和q軸分量ud和uq，然后和定值做差，并將所得的差值通過調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后再經(jīng)過clark變換得到參考電壓矢量，最后將電壓矢量經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM得到開關(guān)驅(qū)動信號從而控制逆變器的開關(guān)管[13]。

根據(jù)KVL得到三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中 R為開關(guān)管損耗等效電阻和濾波電感等效電阻之和；L為濾波電感。

圖8 AC-DC-AC型PET輸出級控制原理

把三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系下為：

3.3.2 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的控制策略

在微電網(wǎng)中PET的輸出級是與微電網(wǎng)直接相連，為微網(wǎng)所接入的負(fù)載提供電壓和頻率支持。由于PET的輸入級采用的是三相逆變器，其開關(guān)元件開斷時間較短，能量轉(zhuǎn)換速度過快，由于三相逆變器缺乏轉(zhuǎn)動慣量和阻尼特征所以當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)波動時，電壓和頻率波動劇烈，會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了電能質(zhì)量。近幾年，隨著同步電機(jī)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得電力電子變壓器能夠基于虛擬同步電機(jī)（Virtual Synchronous Generator，VSG）技術(shù)具備一定的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼特性[14-15]，其控制原理如圖9所示。控制過程為：基于該技術(shù)下的PET輸出級控制系統(tǒng)是由兩部分組成：①外環(huán)VSG控制，通過控制虛擬調(diào)速器和虛擬勵磁調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)負(fù)載電壓和相角；②內(nèi)環(huán)控制為電壓電流雙閉環(huán)控制，其作用是將外環(huán)VSG所輸出的電壓和相角的參考值經(jīng)雙閉環(huán)控制轉(zhuǎn)換為調(diào)制波，最后通過SVPWM模塊生成開關(guān)管的脈沖信號，并采用PR控制器來實(shí)現(xiàn)對交流分量的無靜差跟蹤，可以有效減少靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖9 AC-DC-AC型PET輸出級控制原理

通過對控制原理圖的分析可得到PET輸出級數(shù)學(xué)模型為：

式中 udc為PET直流低壓側(cè)電壓；m0為調(diào)制比；θ為移相角。

4 仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了AC-DCAC型PET仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過仿真實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證兩種不同控制策略下的PET輸出級對電網(wǎng)控制的有效性。

4.1 PET輸入級仿真

PET輸入級采用的是雙閉環(huán)PWM控制策略，根據(jù)其控制策略和數(shù)學(xué)模型搭建出仿真模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其主要仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖10，圖11所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定時，輸入電壓電流呈正弦穩(wěn)定狀態(tài)，且相位相同，高壓側(cè)直流電壓也能夠迅速達(dá)到設(shè)定值，且保持穩(wěn)定，因此基于雙閉環(huán)PWM控制策略的輸出級對電壓電流控制效果較好。

表1 輸入級電路主要參數(shù)

圖10 輸入級交流側(cè)電壓、電流波形

圖11 輸入級高壓直流側(cè)電壓波形

4.2 PET隔離級仿真

PET隔離級是由兩個H橋和一個高頻變壓器組成，采用開環(huán)控制，其仿真電路主要參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖12，圖13，圖14所示。通過仿真結(jié)果可以看出高頻變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)電壓在穩(wěn)態(tài)時均為方波電壓，電壓值也較為穩(wěn)定，因此隔離級采用開環(huán)控制可以給PET輸出級輸送穩(wěn)定的直流電壓。

表2 隔離級電路主要參數(shù)

圖12 隔離級高頻變壓器一次側(cè)電壓

圖13 隔離級高頻變壓器二次側(cè)電壓

圖14 隔離級輸出直流電壓

4.3 兩種不同控制策略下的PET輸出級仿真

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，其PET控制策略也在不斷地研究探索，本文通過對PET輸出級兩種不同控制策略的研究和數(shù)學(xué)模型的搭建以及仿真實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，可以看出當(dāng)PET輸出級采用電壓單閉環(huán)控制策略時其輸出的電壓電流波形存在諧波且含量較大，影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而當(dāng)PET輸出級采用基于虛擬電機(jī)原理的控制策略時由于虛擬電機(jī)原理會使輸出級具有轉(zhuǎn)動慣量和阻尼特征，并通過雙環(huán)控制可以有效地改善諧波污染，其輸出的電流電壓波形為正旋波形，提高了電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4.3.1 電壓閉環(huán)控制

PET輸出級的作用是將隔離級輸出的直流電壓逆變?yōu)樨?fù)載所需的交流電壓，并保證電壓功率的穩(wěn)定，當(dāng)PET輸出級采用電壓單閉環(huán)控制策略時，其電路主要仿真參數(shù)如表3所示，其仿真結(jié)果如圖15，圖16所示。從仿真結(jié)果可以看出在額定的負(fù)載下其輸出的電壓電流波形為穩(wěn)定的正旋波，能夠給負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓電流，并能保證負(fù)載所需的功率。

表3 輸出級電路主要參數(shù)

圖15 輸出級三相輸出電壓

圖16 輸出級A相輸出電壓

4.3.2 基于虛擬電機(jī)原理控制策略

表4 輸出級電路主要參數(shù)

PET輸出級采用基于虛擬電機(jī)原理的恒壓恒頻控制策略，并選取虛擬電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量為0.5，阻尼系數(shù)為20，其電路主要參數(shù)如表4所示，仿真結(jié)果如圖17，圖18所示。通過仿真結(jié)果可以看出，基于虛擬電機(jī)原理的輸出級所輸出的電壓電流呈正旋波形，且諧波較少，且系統(tǒng)頻率變換較為平緩，能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定的電能。

圖17 輸出級三相輸出電壓

圖18 系統(tǒng)頻率

5 結(jié)論

近幾年隨著分布式能源的不斷發(fā)展，以及各類清潔能源的不斷入網(wǎng)，加大了對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和微電網(wǎng)為負(fù)載提供穩(wěn)定電能的考驗(yàn)，而電力電子變壓器具備可控性高，穩(wěn)定性好，擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)以及能夠有效改善分布式能源入網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊，加強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠?yàn)樨?fù)載提供更加高質(zhì)量的電能。因此，電力電子變壓器的研究一直為學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，隨著電力電子變壓器的不斷研究，未來智能化微電網(wǎng)的發(fā)展會越來越迅速。本文在典型的ACDC-AC型三級式電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，針對PET的輸出級采用了電壓閉環(huán)控制和基于虛擬同步電機(jī)原理的恒壓恒頻控制兩種不同的控制策略，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的有效性，通過仿真不難發(fā)現(xiàn)，這兩種控制策略均能夠?yàn)樨?fù)載提供穩(wěn)定可靠地電能環(huán)境，并能夠有效地減少諧波污染，而且在采用恒壓恒頻控制策略的基礎(chǔ)上引用基于虛擬同步電機(jī)原理的阻尼系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量可以更加有效地減少靜態(tài)誤差和諧波干擾，能夠在負(fù)載發(fā)生突變或者電源發(fā)生變化時迅速準(zhǔn)確的響應(yīng)，并能夠迅速做出反應(yīng)來保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高電能質(zhì)量，改善電能環(huán)境，為負(fù)載提供更加可靠的電能。