莫詠衡，粟時(shí)平，劉桂英

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 引言

隨著現(xiàn)代電力技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)了許多新的特點(diǎn):一是大型、超大型電網(wǎng)發(fā)展迅速，而電網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱；二是非線性負(fù)荷增長(zhǎng)迅速，造成供電電能質(zhì)量不斷下降；三是分布式發(fā)電系統(tǒng)在整個(gè)能源結(jié)構(gòu)中的比重逐步上升，如何有效可靠地將其融入電力系統(tǒng)也是急需解決的問題之一。在這些新的挑戰(zhàn)下，電力變壓器作為最基本輸變電裝置，過于單一的功能使得其越來越難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求［1］。

固態(tài)變壓器SST是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)磁耦合的變電裝置，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的電壓變換、能量傳遞和隔離。其顯著特點(diǎn)在于它能實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器原副方電壓幅值和相位的靈活控制，同時(shí)可以滿足未來電力系統(tǒng)眾多的新要求，如:更高的穩(wěn)定性、更加靈活的輸電方式、整合各種交直流分布式電源、實(shí)現(xiàn)功率潮流的實(shí)時(shí)控制等。因此，這種新型變壓器具備解決電力系統(tǒng)中面臨的許多新課題的潛力，有廣闊的應(yīng)用前景［1，2］。

本文基于SST的基本工作原理，提出的一種新的SST實(shí)現(xiàn)方案，分析了該SST輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的控制策略，并利用Matlab/simulink進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，固態(tài)變壓器可以保證變壓器原副方良好的電壓、電流波形，具備良好的控制特性。

2 隔離型固態(tài)變壓器的基本原理與工作動(dòng)態(tài)模型

固態(tài)變壓器的主電路拓?fù)渲饕袃纱箢悾环N是中間不含直流環(huán)節(jié)的AC/AC型SST，另一種是含有直流環(huán)節(jié)的AC/DC/AC型SST。兩者相比較，后者變換環(huán)節(jié)較多，元器件數(shù)增加，但它具備良好的控制特性，通過PWM調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)變壓器原、副邊電壓，電流和功率的靈活控制，是今后的重要發(fā)展方向之一［3］。

圖1 SST基本原理

圖1是SST的基本原理框圖，其基本工作原理如下:從電網(wǎng)側(cè)輸入的電壓信號(hào)在高頻變壓器一次側(cè)進(jìn)行AC－AC或者AC－DC－AC變換，得到的高頻信號(hào)經(jīng)高頻變壓器耦合到二次側(cè)，然后再經(jīng)過AC－AC或者AC－DC－AC變換，得到所需要的形式的電能，向負(fù)載端供電。基于此工作原理，本文采用AC－DCAC工作動(dòng)態(tài)模型，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由整流模塊、中間隔離模塊和逆變模塊三大部分組成，其中整流模塊采用三相橋式PWM整流電路；中間隔離模塊則包括兩個(gè)簡(jiǎn)單的單相全橋變換電路和高頻變壓器；逆變模塊的主電路結(jié)構(gòu)為電壓型三相橋式逆變器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SST主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 隔離型固態(tài)變壓器的瞬時(shí)空間矢量PID控制的原理分析

本文中SST的輸入環(huán)節(jié)為三相橋式PWM整流電路，其作用是將電網(wǎng)側(cè)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，以實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓可控、單位功率因數(shù)運(yùn)行，因此PWM整流電路的控制方法采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)PID控制。電壓外環(huán)為實(shí)現(xiàn)對(duì)直流輸出電壓的控制，電流內(nèi)環(huán)是控制單位功率因數(shù)。為了在實(shí)現(xiàn)對(duì)有功電流和無(wú)功電流的解耦控制的同時(shí)獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，電流內(nèi)環(huán)采用基于同步旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)系的直接電流控制技術(shù)，電壓外環(huán)采用常規(guī)的PID控制。圖3為輸入級(jí)的控制策略原理圖。圖中T（θ）為三相靜止a－b－c坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)d－q坐標(biāo)系的變換陣，其定義為:

其中，θ=ωt，ω為同步旋轉(zhuǎn)角速度；T－1（θ）為其逆變換；Udc為直流母線電壓；Udc為參考值。

圖3 輸入級(jí)的控制策略原理圖

對(duì)于高頻隔離環(huán)節(jié)，在變壓器磁芯允許和開關(guān)損耗允許的范圍內(nèi)，高頻變壓器一次側(cè)的單相全橋逆變電路的輸出頻率越高，變壓器的體積和重量將越小，故其只須達(dá)到高頻逆變目的即可。同時(shí)，變壓器二次側(cè)的單相全橋整流電路只要能實(shí)現(xiàn)高頻整流即可。因此，高頻變壓器一次側(cè)的逆變電路和二次側(cè)的整流電路均可采用開環(huán)控制方式，將直流調(diào)制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合到高頻變壓器的二次側(cè)繞組后再經(jīng)過整流還原成直流。

輸出環(huán)節(jié)為電壓型三相橋式逆變器，為了使系統(tǒng)在并網(wǎng)工作時(shí)功率因數(shù)近似為1，要求逆變器輸出的并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓同頻率、同相位。本文采用固定載波頻率的SPWM強(qiáng)迫電流跟蹤方式?？刂瓶驁D如圖4所示。將實(shí)際并網(wǎng)電流瞬時(shí)反饋值ic與參考電流給定值i'c（與電網(wǎng)電壓同頻同相）進(jìn)行比較，差值Δi經(jīng)過PI調(diào)節(jié)與引入的系統(tǒng)電壓前饋補(bǔ)償值相加，經(jīng)SPWM調(diào)制，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)控制功率電子開關(guān)器件工作，從而輸出與電網(wǎng)同頻同相位的正弦波電流。

圖4 輸出級(jí)的控制策略原理圖

4 仿真及其結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述控制策略的正確性與可行性，利用Matlab/Simulink建立了SST的仿真模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證?；緟?shù)設(shè)置如下:

輸入級(jí)，三相電源峰值為Em=14.1kV，電網(wǎng)頻率f0=50Hz，開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率fs=6kHz，R=0.1Ω，L=1.5mH，C1=6800μF，參考電壓Um=15kV；

中間隔離環(huán)節(jié)單相全橋逆變電路，輸出頻率f=1kHz；開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率fs=6kHz；高頻變壓器，選定額定功率Pn=250MVA；頻率fn=1kHz；變壓器變比k=10:1；中間隔離環(huán)節(jié)單相全橋整流電路，開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)頻率fs=6kHz；C2=3800μF；

輸出級(jí)，開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)頻率fs=6kHz；輸出頻率f=50Hz，電感L0=10mH，電容C0=1100μF，負(fù)載為三相純阻性負(fù)載，R=3Ω，額定相電壓U=220V，參考電流i'c=15A，仿真時(shí)間0.2s。仿真結(jié)果如圖5～圖10所示。

圖5 三相電網(wǎng)輸入電壓

圖6 輸入級(jí)整流輸出直流電壓

圖7 高頻變壓器一次側(cè)方波電壓

圖8 高頻變壓器二次側(cè)方波電壓

圖9 中間隔離環(huán)節(jié)整流輸出直流電壓

圖10 三相負(fù)載電壓

以上結(jié)果表明，固態(tài)變壓器可以使變壓器原、副方保持良好的電壓、電流波形，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電子電力變壓器的一般性功能，而且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，充分說明了本文所分析的SST結(jié)構(gòu)、控制方法的正確性與可行性。

5 結(jié)論

本文首先介紹了SST的基本工作原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上分析了基于AC－DC－AC結(jié)構(gòu)的三相三線制高頻隔離型固態(tài)變壓器輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)的三級(jí)瞬時(shí)空間矢量PID控制方法。以10kV/380V電網(wǎng)為例，利用Matlab/Simulink建立了仿真模型，仿真結(jié)果證明，提出SST不僅能夠?qū)崿F(xiàn)典型電子電力變壓器的一般性功能，而且對(duì)電壓、功率、頻率控制效果良好，能有效的改善電網(wǎng)電壓特性，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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