配电系统电子电力变压器不对称负载仿真 翻译

配电系统电子电力变压器不对称负载仿真王丹毛承雄陆继明范澍曹解围华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074摘要：配电系统中经常会出现不对称负载运行的情况，研究不对称负载情况下电子电力变压器的特性和控制策略，对于电子电力变压器在配电系统中应用有重要意义。通过分析原方系统和副方负载的要求，提出了一种简单而有效的控制方案：其输入级在d—q轴系中采用直流电压外环和交流电流内环的双环解耦控制，其输出级采用基于输出电压瞬时值反馈的双环控制。在Matlab／Simulink环境下建立了仿真模型，通过对空载、满载、单相负载、不平衡线负载和非线性负载等条件下的仿真表明，针对三相四线配电系统电子电力变压器所设计的控制方案，无论是在对称负载还是不对称负载条件下，电子电力变压器都能实现原方系统输入电流正弦和负荷侧供电电压恒定，具有良好的负载特性。关键词：电子电力变压器；配电系统；不对称负载0引言电子电力变压器(ElectronicPowerTransformer)又被称为电力电子变压器、固态变压器，或者电子变压器，是近年来随着大功率电力电子技术的发展而逐步发展起来的新型电力变压器。它在实现传统电力变压器(如油浸式变压器，干式变压器)变压、隔离和传递能量等功能的基础上，还可以实现输电系统的潮流控制，或者实现配电系统的电能质量控制。目前，国内外对于电子电力变压器的研究，主要侧重于拓扑结构的理论分析，部分研究单位推出了实验室样机。文献[1]、[2]分析了直接AC—AC的电子电力变压器的运行原理和控制方案。文献[3]、[4]分别针对110kV／20kV和10kV／240V的电网设计了2种3阶式(AC—DC—AC)的电子电力变压器拓扑结构。文献[5]讨论2种新的多模块级联形式的电子电力变压器拓扑结构。文献[6]、[7]对电子电力变压器在输电系统中的应用进行了研究，结果表明电子电力变压器对于提高系统稳定性具有显著效果。文献[8]针对直接高频交流链接的电子电力变压器基于瞬时值控制的策略进行了仿真研究，结果表明可以较好地保证EPT输出电压恒定，文献[9]、[10]在以上文献中，虽然讨论了多种电子电力变压器的拓扑结构和控制方法，但是都没有就配电系统电子电力变压器的负载特性问题进行研究。而负载特性是电子电力变压器最重要的性能指标之一，因此，本文重点研究配电系统电子电力变压器的负载特性，特别是在各种不平衡负载下的运行特性。1配电系统电子电力变压器配电系统电子电力变压器，为了满足单相负荷的需要，应提供三相四线制供电电源。采用一般的三桥臂逆变器作为电子电力变压器的输出级，将无法提供公共的地端。目前，在三相逆变电源中，较为常见的实现三相四线输出的措施主要有：(1)采用副方联结成YN形式的输出变压器；(2)采用三相四桥臂逆变器，其中一个桥臂用来形成中点；(3)采用3个单相逆变器，输出按YN联结。措施(1)要额外增加一个工频变压器，不可取；尽管措施(2)具有开关器件少的优点，但其控制非常复杂，实现良好的控制效果很难；措施(3)不仅具有控制灵活、实现简单的优点，而且容易实现三相独立控制。同时，这种结构容易实现并联多重化，能在大功率场合应用，这是三相四桥臂式所无法比拟的。基于此，三相四线电子电力变压器可以采用图1的结构实现。这是一种典型的AC—DC—AC三阶式电子电力变压器结构。它包括输入级、中间隔离级和输出级3个部分。输入级是一个三相高频电压源整流器，它一方面实现将原方电网交流电整成直流；另一方面实现输入电流正弦和输入功率因数可控。中间隔离级由一个与输入级联接的H型逆变器、1个原方单绕组，副方3绕组的中频(或高频)变压器和3个H型单相整流器构成。它将输入级来的直流调制成中频方波，经变压器耦合到副方3个绕组后分别整成直流。输出级由3个相电压源逆变器组成，输出端接成YN型，形成三相四线输出。这种结构的优点在于：一是可以为用户提供三相四线制电源，满足单相负荷运行要求；二是用户侧的负荷平衡与否，对原方系统没有影响；三是具有快速响应功能。2控制策略配电系统电子电力变压器的负载特性优劣在很大程度上有赖于控制策略的合适与否。为此，本节将研究三相四线制配电系统电子电力变压器的控制策略。2．1输入级控制电子电力变压器不仅要保证其副方提供给用户的电压恒定和波形正弦，而且还应该尽量减小输入侧电流谐波，减小对电网造成的谐波污染。输入级采用由全控器件实现的三相高频整流，在理论上，不但可以实现输入电流正弦，而且还能够实现原方输入功率因数可控。为实现上述功能，输入级高频整流一般需要采用双环控制，即直流电压外环和交流电内环。尽管电流控制环可以在a-b-c三相静止坐标系中实现，但为了提高电子电力变压器的静态和动态响应,在同步旋转d—q坐标系实现输入级电流环的控制将更有利。而且，在d—q坐标系中,可以方便地实现有功和无功的解耦控制。输入级在同步旋转d—q坐标系下的数学模型可以描述为：可见,这是一个复杂的非线性耦合关系。为了实现良好的性能，需要将d-q轴的耦合去掉，这可以通过引入电流状态反馈和输入电源电压前馈来实现，如图2所示。图2中,外环是一个直流电压环,内环是一个交流输入电流环。在外环，反馈的直流电压与参考值比较后形成偏差，经控制器调节后作为d轴电流的参考值，q轴电流的参考值可以根据功率因数的需要人为给定(这罩置0作单位功率因数运行)。在内环，三相输入电流采样后经坐标变换形成d轴和q轴分量，分别与参考值比较，经过控制器调节后，形成参考波信号。此时,式(1)可以简化为：2．2中间隔离级控制中间隔离级需要将输入级来的直流调制成中频(或高频)方波信号，并耦合到副方再还原成直流信号。在这里，中频变压器的作用有2个：一是实现原方系统和副方系统的隔离；二是实现电压等级变换。尽管电力电子变流器也可以实现电压等级变换的功能，但这样会要求电力电子开关器件能承受很高的应力。有文献提出对电子电力变压器的中间隔离级实施占空比控制，这一方面会增加控制系统的复杂性；另一方面还会带来不必要的谐波。因此，本文直接采用开环控制将直流调制成占空比为50％的中频方波，变压并耦合到中频变压器的副方3个绕组后再经过不控整流还原成真流。这种控制方式的优点是控制系统简单，同步问题容易解决。因此，中间隔离级可以看作一个比例放大器：式中：k为变压器变比。2．3输出级控制输出级控制目标是无论在x,／称负载还是不对称负载的情况下实现相电压有效值恒定和波形正弦。由于是3个单相逆变器组合成三相四线逆变器作为电子电力变压器的输出，所以可以实现三相独立控制，从而任一相负载都不会对其它相造成不利的影响。在实现三相独立控制时应保证三相输出电压幅值相等和相位对称(彼此相差120。)。在输出级，可以把a、b、c三相各自独立的作为一个含LC滤波的单相逆变器对待。当逆变器的开关频率远大于调制波的基波频率时，逆变器可以当作一个比例环节。其系统状态方程可描述为：当考虑配电系统负荷侧为无源系统时，输出级可以采用基于瞬时值反馈的定交流相电压控制，如图3所示，虚框内为输出级的动态等效模型。该系统为双环控制系统，外环为相电压有效值控制环，内环为相电压瞬时值控制环。在外环，测得的相电压的有效值与参考值比较，形成误差信号，经过PI控制器后与标准正弦信号相乘，作为内环的参考值。电子电力变压器的输出级通过相电压有效值外环控制，理论上可以实现输出电压有效值稳态无差，从而保证负载变化或系统受到干扰时，输出电压有效值不变。在控制内环，输出相电压的瞬时值采样进来后与参考值比较，误差量经过p控制器后作为参考波与三角波比较，形成触发脉冲。在瞬时值反馈控制内环中，之所以只采用P控制或PD控制，而不采用PI控制，是为了防止扩大相位误差。内环对输出电压瞬时值进行控制，使得电压跟踪给定正弦波，维持输出波形的良好正弦性。3负载特性仿真电子电力变压器的负载特性是其主要的性能指标。本节将通过仿真来分析电子电力变压器的负载特性。文中利用Matlab／Simulink软件按图1建立了l0kV／400V的电子电力变压器模型。主要参数如表1所示。表1电路主要参数图4是电子电力变压器在空载时的输出电压曲线,图5是电子电力变压器在满载(功率因数为0.8滞后)情况下的曲线。图4空载输出相电压曲线从图4、5中可以看出,由于输出电压有效值控制环的作用，不论是在空载还是在满载，电子电力变压器都能保持输出相电压恒定为23lV(RMS)。对波形进行FFT分析，空载时，输出相电压的总谐波畸变率不超过0．6％；满载时，输出相电压的总谐波畸变率不超过0．96％。因此，不论是空载还是负载情况下，输出电压波形均具有良好的正弦度。从图5还可以看出,即使在负载为0．8(滞后)功率因数情况下，电子电力变压器的输入电压、电流依然可以保持同相位。a)A相输入电压和输入电流b)B）输出相电压C）输出相电流图5满负荷运行的仿真曲线图6是电子电力变压器在0．85s时，突然起动满负荷的仿真曲线。可以看出，当突然投入满负荷时，电子电力变压器的副方输出相电压会有抖动，但这个抖动过程持续时间很短(约为0．003s)，随后电压恢复正常。图7是电子电力变压器在不平衡相负载情况下的仿真曲线。其中，相带有功率因数为0．8(滞后)的单相满负荷，B相带有213kW的有功负荷，C相带有160kvar的无功负荷。图8则是电子电力变压器在单相整流负载下的仿真曲线，其中整流桥的负载电阻为5欧。从图7可以看出，在三相不对称负荷情况下，电子电力变压器的输出电压波形仍然可以维持互相平衡，且有效值恒定为231V。经过FFT分析，此时三相输出相电压的总谐波畸变率分别为：A相0．96％，B相0．49％，C相0．81％。由此可见，三相电压仍然具有很好的正弦度。a)输出相电压B）输出相电流图6突然投入负荷时的仿真曲线A）输出相电压B）输出相电流图7不平衡负载下的仿真曲线从图8可以看出，在单相整流负载情况下，尽管电流畸变严重，但输出相电压基本还是正弦波。此时，相电压的有效值为230．9V，总谐波畸变率为2．49％。a)输出相电压b)输出桐电流图8单相不控整流负载时的仿真曲线配电系统中，有时候会出现带线负载运行的情况，如单相电焊机、路灯等。对于三相对称的线负载运行，总可以等效为对称相负荷运行。因此，本文只分析不对称线负荷情况下电子电力变压器的运行状况。表2和图9是电子电力变压器分别在(1)A、B相间纯电阻负载430kW；(2)A、B相间和A、C相间分别带相等的纯电阻负载各200kW等2种工况下的仿真结果。从表2和图9可以看出，在2种情况下，电子电力变压器的副方输出电压有效值都维持在231V恒定，且具有良好的正弦度。表2不对称线负荷下仿真结果a)A、B相接电阻负载b)A、B相间和A、C相间接电阻负载图9不对称线负荷时的电流曲线在工况1时，A相电流与A、B相间电压同相,故超前A相电压30度A相呈容性负载特性，相应的相电压THD会减小；B相电流与A、B相间电压反相，故滞后B相电压30度，B相呈现感性负载特性，相应的相电压THD会增大。在工况2时，B相电流与工况1时相同，C相电流则超前C相电压30度，C相呈容性负载特性，而A相电流则由与B相电流方向和与C相电流反相的2支电流合成，使A相呈阻性负载特性。4结语本文针对一种三相四线制配电系统电子电力变压器，分析了其工作原理，并针对原方系统和副方负载的要求，提出了相应的控制策略：输入级采用直流电压外环和交流电流内环的双闭环控制，中间隔离级采用开环PWM调制，输出级采用三相独立的相电压有效值外环和瞬时值内环的双环控制。负载特性仿真分析表明：三相四线制配电系统电子电力变压器在适当的控制策略下，不仅能保证输入电流的正弦和功率因数可控，而且可以在从空载到满载的任意负载条件下很好地维持副方用户侧电压恒定和三相电压平衡。即使在不对称相负载或相间负载的情况下，该电子电力变压器仍然可以良好地工作，具有很好的负载适应性。