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(huì)對(duì)整個(gè)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(shí)，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(shí)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(dòng)調(diào)控和多向流動(dòng)[3-5]。因此，對(duì)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(jí)式AD/DC/AC型PET為研究對(duì)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(jí)采用SVPWM雙閉環(huán)控制，隔離級(jí)采用開環(huán)控制，輸出級(jí)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(duì)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(jí)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(jí)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(hào)，并將高頻方波信號(hào)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(jí)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(jí)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(jí)將交流信號(hào)通過三相整流橋整流為直流信號(hào)；之后再通過隔離級(jí)的單相全橋逆變器將直流信號(hào)逆變?yōu)楦哳l方波信號(hào)再經(jīng)過高頻變壓器調(diào)制為電壓等級(jí)較低的高頻方波信號(hào)，最后通過整流器整流為直流電輸入到輸出級(jí)，經(jīng)過輸出級(jí)逆變?yōu)樨?fù)荷所需的工頻交流電輸出，這種三級(jí)式PET即擁有兩個(gè)直流環(huán)節(jié)，能夠?qū)π盘?hào)進(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(jì)

3.1 輸入級(jí)控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的輸入級(jí)是將頻交流信號(hào)整流為直流信號(hào)，起整流作用，由于早期整流級(jí)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(dòng)、可控性較低、諧波污染較大[11]。因此在輸入級(jí)中對(duì)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(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于在工作時(shí)每組橋臂的上下橋臂只有一個(gè)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(duì)應(yīng)八個(gè)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(jí)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(jí)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(shí)，對(duì)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(jí)PWM整流器數(shù)學(xué)模型。

輸入級(jí)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(jí)的輸入電壓空間矢量圓

根據(jù)圖 4，結(jié)合式（2）、（3）對(duì)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(gè)系統(tǒng)是一個(gè)三相對(duì)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(jí)控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的隔離級(jí)是采用兩組H橋變換器和一個(gè)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(jí)輸出的直流信號(hào)逆變?yōu)楦哳l方波信號(hào)，再經(jīng)過高頻變壓器耦合到副邊，再整流逆變?yōu)橹绷餍盘?hào)給輸出側(cè)，主要起電氣隔離和電壓等級(jí)變換的作用。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，對(duì)于隔離級(jí)采用開環(huán)控制。

3.3 兩種輸出級(jí)控制策略及數(shù)學(xué)模型

PET的輸出級(jí)是將從隔離級(jí)得到的直流信號(hào)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(jí)，輸出級(jí)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(shí)，保證輸出電壓的穩(wěn)定，能夠給微電網(wǎng)提供一個(gè)穩(wěn)定高效的電能，提高電能質(zhì)量，根據(jù)PET輸出級(jí)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(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 AC-DC-AC型PET輸出級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.3.1 電壓閉環(huán)控制策略

PET輸出級(jí)主要是給負(fù)載側(cè)提供一個(gè)恒定的交流電壓，并且能夠在負(fù)載側(cè)出現(xiàn)電壓波動(dòng)和變化的時(shí)候依然能夠使輸出電壓保持穩(wěn)定，輸出級(jí)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(dòng)信號(hào)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(jí)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(jí)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(jí)采用的是三相逆變器，其開關(guān)元件開斷時(shí)間較短，能量轉(zhuǎn)換速度過快，由于三相逆變器缺乏轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼特征所以當(dāng)負(fù)載側(cè)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，電壓和頻率波動(dòng)劇烈，會(huì)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(dòng)慣量和阻尼特性[14-15]，其控制原理如圖9所示?？刂七^程為：基于該技術(shù)下的PET輸出級(jí)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(lì)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(hào)，并采用PR控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)控制原理

通過對(duì)控制原理圖的分析可得到PET輸出級(jí)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(jí)對(duì)電網(wǎng)控制的有效性。

4.1 PET輸入級(jí)仿真

PET輸入級(jí)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(shí)，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(jí)對(duì)電壓電流控制效果較好。

表1 輸入級(jí)電路主要參數(shù)

圖10 輸入級(jí)交流側(cè)電壓、電流波形

圖11 輸入級(jí)高壓直流側(cè)電壓波形

4.2 PET隔離級(jí)仿真

PET隔離級(jí)是由兩個(gè)H橋和一個(gè)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(shí)均為方波電壓，電壓值也較為穩(wěn)定，因此隔離級(jí)采用開環(huán)控制可以給PET輸出級(jí)輸送穩(wěn)定的直流電壓。

表2 隔離級(jí)電路主要參數(shù)

圖12 隔離級(jí)高頻變壓器一次側(cè)電壓

圖13 隔離級(jí)高頻變壓器二次側(cè)電壓

圖14 隔離級(jí)輸出直流電壓

4.3 兩種不同控制策略下的PET輸出級(jí)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(duì)PET輸出級(jí)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(jí)采用電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制策略時(shí)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(jí)采用基于虛擬電機(jī)原理的控制策略時(shí)由于虛擬電機(jī)原理會(huì)使輸出級(jí)具有轉(zhuǎn)動(dòng)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(jí)的作用是將隔離級(jí)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(jí)采用電壓?jiǎn)伍]環(huán)控制策略時(shí)，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(jí)電路主要參數(shù)

圖15 輸出級(jí)三相輸出電壓

圖16 輸出級(jí)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(jí)電路主要參數(shù)

PET輸出級(jí)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(dòng)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(jí)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(jí)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(duì)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(duì)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(huì)越來越迅速。本文在典型的ACDC-AC型三級(jí)式電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，針對(duì)PET的輸出級(jí)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(dòng)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(shí)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。