柳軼彬 梁得亮 王宇珩 高亞晨 張立石

混合式配電變壓器的動(dòng)態(tài)模型與內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)

柳軼彬1,2梁得亮1,2王宇珩1,2高亞晨1,2張立石1,2

（1. 電力設(shè)備與電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院） 西安 710049 2. 陜西省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710049）

相比傳統(tǒng)配電變壓器，混合式配電變壓器（HDT）集成了脈沖寬度調(diào)制變換器，能夠?qū)Σ糠謧鬏敼β蔬M(jìn)行調(diào)控。因而不僅具有傳統(tǒng)配電變壓器電壓等級(jí)變換和電能傳輸?shù)幕竟δ?，而且能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)控制其負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)具有重要應(yīng)用價(jià)值。該文提出一種改進(jìn)型混合式配電變壓器配置方案及其三相電路拓?fù)?，其?yōu)勢(shì)在于變換器拓?fù)浜?jiǎn)單，各環(huán)節(jié)電壓等級(jí)的確定靈活方便?；诘刃щ娐窐?gòu)建HDT的傳遞函數(shù)框圖模型，并采用PI控制器構(gòu)建HDT的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。仿真及實(shí)驗(yàn)顯示，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載畸變工況下，HDT能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)電流的正弦單位功率因數(shù)控制及負(fù)載電壓的正弦穩(wěn)定控制，從而驗(yàn)證了建模分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

主動(dòng)配電網(wǎng) 等效電路 混合式配電變壓器 PI控制 傳遞函數(shù)

0 引言

混合式配電變壓器（Hybrid Distribution Transformer,HDT）是對(duì)傳統(tǒng)配電變壓器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并將脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）變換器接入其中的一類新型配電變壓器[1-4]。借助PWM變換器靈活的控制功能可以使配電變壓器不再僅限于電壓等級(jí)變換與電能傳輸。具體而言，通過PWM變換器對(duì)配電變壓器的部分傳輸功率進(jìn)行調(diào)控，HDT能夠?qū)﹄娋W(wǎng)電流及負(fù)載電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，這對(duì)于構(gòu)建未來主動(dòng)配電網(wǎng)[5-10]具有重要意義。

由于PWM變換器及變壓器的電路拓?fù)浜吐?lián)結(jié)方式種類有很多，因而HDT的種類也很豐富。文獻(xiàn)[11-13]采用AC-AC變換器提出無直流環(huán)節(jié)HDT，并對(duì)其基本原理、建模分析和功能驗(yàn)證進(jìn)行了詳細(xì)說明。此類HDT的主要優(yōu)點(diǎn)在于無需使用直流母線電容，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，經(jīng)濟(jì)性好。但此類HDT沒有電流補(bǔ)償能力，其功能主要在于電壓幅值的調(diào)節(jié)，而對(duì)于電壓相位控制則明顯不足。此外，相比具備直流環(huán)節(jié)的電壓源型變換器，AC-AC變換器難以通過續(xù)流二極管進(jìn)行自然換流，因而往往還需要附加一些比較復(fù)雜的輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)可靠換流，這會(huì)使HDT系統(tǒng)整體更為復(fù)雜，成本更高，進(jìn)而使得此類HDT大規(guī)模推廣應(yīng)用比較困難。

為此，文獻(xiàn)[14-18]提出了采用AC-DC-AC變換器的HDT方案，并指出AC-DC-AC型HDT功能強(qiáng)大，能方便實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓的實(shí)時(shí)調(diào)控，是構(gòu)建未來智能配電網(wǎng)的可選方案。文獻(xiàn)[14]給出了采用AC-DC-AC型變換器構(gòu)建的多種HDT配置方案，并給出了HDT樣機(jī)運(yùn)行效果。文獻(xiàn)[15]對(duì)于HDT相比傳統(tǒng)配電變壓器及電力電子變壓器的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行定性比較分析，并對(duì)于HDT的保護(hù)方案進(jìn)行討論說明。文獻(xiàn)[16]對(duì)配電變壓器未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了定性分析，并指出HDT用于近期智能配電網(wǎng)的巨大優(yōu)勢(shì)，但未對(duì)HDT的模型及控制策略進(jìn)行說明。文獻(xiàn)[17-18]針對(duì)一種將變換器配置在低壓側(cè)的HDT進(jìn)行研究，采用PI控制器分別對(duì)負(fù)載電壓及電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行控制，并仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，但文中的HDT配置方案將變換器置于低壓側(cè)，導(dǎo)致主變壓器設(shè)計(jì)時(shí)不得不考慮電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。文獻(xiàn)[19]提出一種三相HDT拓?fù)?，并給出系統(tǒng)模型及其復(fù)合控制框圖。但所設(shè)計(jì)的三相電路拓?fù)湓诰W(wǎng)側(cè)采用星形中性線引出接法，這其實(shí)并不完全符合實(shí)際配電網(wǎng)的應(yīng)用需求。

現(xiàn)有報(bào)道雖然給出了多種基于AC-DC-AC變換器的HDT的配置方案，并初步實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的控制功能。但總體來講，目前的方案存在以下缺陷：

（1）HDT的配置方案往往不含隔離變壓器，這導(dǎo)致三相場(chǎng)合的HDT中用于負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)淖儞Q器往往需要采用三個(gè)單相全橋變換器，這顯然會(huì)大大增加HDT變換器的復(fù)雜程度，并導(dǎo)致控制復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低。此外，因?yàn)闆]有隔離變壓器，HDT的AC-DC-AC變換器公共直流母線的額定電壓完全由所在配電網(wǎng)場(chǎng)景的補(bǔ)償深度決定，此時(shí)變換器功率器件的選型范圍往往很窄。具體來講，如果電壓控制變換器位于配電網(wǎng)高壓側(cè)，必然導(dǎo)致變換器直流母線額定電壓很高。而如果電壓控制變換器位于配電網(wǎng)低壓側(cè)，直流母線額定電壓很低，從而使得電流控制變換器的電流很大。這導(dǎo)致一大部分技術(shù)成熟、性價(jià)比很高的功率器件因電壓或電流等級(jí)不符合現(xiàn)場(chǎng)要求而無法被采用，此時(shí)不僅器件選型困難，而且HDT系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性及可靠性均很低。

（2）將用于控制負(fù)載電壓的變換器單元配置在配電網(wǎng)低壓側(cè)不利于充分發(fā)揮HDT的控制功能。由于配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)主要發(fā)生在高壓側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致二次側(cè)負(fù)載電壓發(fā)生波動(dòng)，若將變換器單元整體布置于配電網(wǎng)低壓側(cè)，只能抑制配電網(wǎng)電壓負(fù)載側(cè)的電壓波動(dòng)，而無法抑制HDT一次繞組及控制繞組電壓的波動(dòng)。此時(shí)，在設(shè)計(jì)HDT的變壓器本體時(shí)，必需增大鐵心面積以避免電網(wǎng)電壓變高而導(dǎo)致的鐵心飽和。而且當(dāng)電網(wǎng)電壓突變時(shí)，控制繞組也會(huì)發(fā)生電壓突變，這必然會(huì)影響HDT對(duì)電網(wǎng)電流的補(bǔ)償效果。

（3）能應(yīng)用于實(shí)際配電網(wǎng)場(chǎng)景的三相HDT電路拓?fù)溲芯枯^少，十分不利于HDT的產(chǎn)業(yè)化推廣。

（4）對(duì)于HDT的原理分析及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，缺乏比較直觀準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型，這導(dǎo)致目前關(guān)于HDT工作原理的分析大多局限于定性說明，給HDT控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來不便。

本文基于在傳統(tǒng)配電變壓器中增設(shè)第三控制繞組的報(bào)道[14]，設(shè)置隔離變壓器于配電網(wǎng)高壓側(cè)，將其高壓側(cè)與三繞組配電變壓器高壓側(cè)串聯(lián)，然后通過控制繞組及隔離變壓器低壓繞組將電容中點(diǎn)引出式背靠背半橋PWM變換器接入配電變壓器，從而給出一種新型HDT實(shí)用配置方案?；谶@一配置方案，提出一種實(shí)用的三相HDT拓?fù)?，該拓?fù)湓诟邏簜?cè)采用三角形聯(lián)結(jié)，而其余繞組均采用中性線引出的星形聯(lián)結(jié)。根據(jù)HDT的單相等效電路，建立HDT的微分方程，并導(dǎo)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖，基于框圖模型，指出HDT能夠控制電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓的根本原因，進(jìn)而采用PI控制器設(shè)計(jì)HDT的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。在電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載畸變工況下進(jìn)行仿真及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文提出的HDT電路拓?fù)浼八O(shè)計(jì)的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的正確性。

1 HDT的配置方案與三相電路拓?fù)?/h2>

本文提出的HDT配置方案如圖1所示。

圖1 HDT的配置方案

在圖1中，T1是HDT的主變壓器，共包含三個(gè)繞組（W1k，W2k，W3k，為三相的相序號(hào)，=a,b,c）。T1相當(dāng)于在傳統(tǒng)雙繞組配電變壓器的基礎(chǔ)上增設(shè)控制繞組W3k。T2是雙繞組的隔離變壓器(W4k，W5k)。CVp和CVt是共用直流母線的兩個(gè)電壓源型PWM變換器，二者分別與W3k和W4k相連。W1k與W5k串聯(lián)為一個(gè)整體后接入配電網(wǎng)10kV高壓側(cè)。W2k為配電網(wǎng)低壓側(cè)負(fù)載供電。1k~5k為繞組W1k~W5k的繞組電壓。

當(dāng)CVp和CVt退出時(shí)，HDT就相當(dāng)于傳統(tǒng)配電變壓器。而當(dāng)CVp和CVt投入運(yùn)行后，就可以對(duì)HDT的電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓進(jìn)行調(diào)控。具體來講，CVp可被控制成一個(gè)可控電流源，即圖1中的3k實(shí)時(shí)可控。借助變壓器的磁動(dòng)勢(shì)平衡原理，在T1中，當(dāng)負(fù)載電流2k出現(xiàn)諧波、無功、不對(duì)稱分量時(shí)，3k便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的反向補(bǔ)償分量，從而使電網(wǎng)電流sk始終被控制為對(duì)稱的正弦波，而且網(wǎng)側(cè)始終接近單位功率因數(shù)。CVt可被控制成一個(gè)可控電壓源，而通過T2則能將CVt產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓進(jìn)一步升高。在圖1中，當(dāng)電網(wǎng)電壓sk出現(xiàn)波動(dòng)和不對(duì)稱等工況時(shí)，CVt便可以實(shí)時(shí)控制T2高壓繞組W5k的電壓5k，進(jìn)而實(shí)時(shí)抵消sk中的波動(dòng)和不對(duì)稱分量，從而使T1各繞組電壓及負(fù)載電壓2k穩(wěn)定在額定值附近。

配電網(wǎng)為三相應(yīng)用場(chǎng)合，因而給出一種合理的三相電路拓?fù)涓邔?shí)用價(jià)值。圖2所示為本文基于圖1所示HDT的配置方案提出的一種高壓側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)的HDT三相電路拓?fù)洹?/p>

圖2 HDT的三相電路拓?fù)?/p>

與圖1對(duì)應(yīng)，圖2中的1k~5k為繞組W1k~W5k的繞組電壓。Psk為W1k與W5k的繞組電流，而2k、3k及4k分別為W2k、W3k、W4k繞組電流。f與f構(gòu)成RC濾波器。Lk為負(fù)載電流，fk為RC濾波支路的電流。

如圖2所示，本文提出的HDT三相電路拓?fù)鋵1k與W5k構(gòu)成的整體采用三角形聯(lián)結(jié)接入配電網(wǎng)高壓側(cè)。而W2k、W3k、W4k均采用星形中性線引出聯(lián)結(jié)。此外，CVt與CVp共用直流母線構(gòu)成背靠背PWM變換器，其直流母線采用分裂電容中點(diǎn)引出式結(jié)構(gòu)，電容中點(diǎn)n1引出后與W3k和W4k的中性線連在一起，構(gòu)成變換器零序通路，便于實(shí)現(xiàn)零序補(bǔ)償。tk、pk分別為CVt與CVp的橋臂中相對(duì)于n1的電壓。p、t為CVp和CVt的輸出連接電感。連同t及p一起能抑制變換器產(chǎn)生的高次諧波對(duì)于負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流的影響。

圖2所示方案具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）高壓側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)接入配電網(wǎng)高壓側(cè)，不僅能隔離配電網(wǎng)高壓側(cè)電源電壓Psk中的零序分量對(duì)HDT的影響，而且能阻斷HDT高壓側(cè)繞組W1k與W5k的電流Psk中的零序分量注入電網(wǎng)。

（2）配置隔離變壓器T2于配電網(wǎng)的高壓側(cè)，將CVt通過T2接入配電網(wǎng)，并利用CVt直接對(duì)高壓側(cè)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行抑制。這樣，一方面，CVt能夠避免使用無隔離變壓器時(shí)比較復(fù)雜的三個(gè)單相全橋結(jié)構(gòu)；另一方面，CVt直接在高壓側(cè)抑制電壓的波動(dòng)，從而在設(shè)計(jì)T1時(shí)無需再額外增加鐵心截面來防止高壓側(cè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引發(fā)的磁飽和。

（3）T2的電壓比及T1中W3k與W1k的電壓比均靈活可調(diào)，于是CVt及CVp直流母線的額定電壓也能靈活確定。這樣，將能選用目前最常用電壓等級(jí)及電流等級(jí)的功率器件來搭建CVt及CVp的主電路，方便了HDT的設(shè)計(jì)制造。

（4）采用的PWM變換器僅由六個(gè)半橋構(gòu)成，相比其他變換器拓?fù)洌疚牟捎玫呐渲梅桨覆粌H結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，而且兼?zhèn)淞阈蜓a(bǔ)償，功能全面。

2 等效電路與系統(tǒng)微分方程

為方便建立圖2所示HDT的數(shù)學(xué)模型，建立如圖3所示的HDT單相等效電路。

圖3 HDT的單相等效電路

圖3中，各電壓電流與圖2含義一致。T1o和T2o是理想變壓器，1k~5k是W1k~W5k的繞組電動(dòng)勢(shì)。忽略勵(lì)磁電流，T1可用T1o、電阻12、23及漏感12、23等效；而T2可用T2o、電阻45及漏感45等效；p和t為功率開關(guān)的等效電阻。

根據(jù)圖3所示等效電路，可分別針對(duì)CVp及CVt所在回路構(gòu)建各元件的微分方程。

首先對(duì)于CVp的p及23所在支路，有

式中，為微分算子。

在T1中，根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理可得

根據(jù)電壓比關(guān)系可得

式中，K為繞組W和W的匝數(shù)比，、為繞組序號(hào)，可取1、2、3、4、5。

由式（1）可知，通過控制CVp的橋臂輸出電壓pk，便完全能夠?qū)崟r(shí)控制W3k的電流3k。如果2k中含有諧波、無功和不對(duì)稱等分量，則只需控制pk使3k包含極性相反的電流分量來抵消2k中的諧波、無功和不對(duì)稱等分量，便能使Psk成為對(duì)稱的正弦波，而且功率因數(shù)為1。相應(yīng)的電網(wǎng)線電流sk也必然呈現(xiàn)對(duì)稱的正弦波。

顯然在式（1）和式（2）中，通過pk實(shí)現(xiàn)Psk單位功率因數(shù)正弦對(duì)稱控制，主要任務(wù)是克服2k和3k對(duì)系統(tǒng)造成的影響，其中，3k與1k呈線性關(guān)系。如果1k能被控制為近似不變，則來自3k的擾動(dòng)將對(duì)Psk影響很小。

而對(duì)于CVt的t及45所在回路，顯然有

在T2中，根據(jù)電壓比關(guān)系

在高壓側(cè)所在回路

在T1中，根據(jù)電壓比關(guān)系

在T1、T2中根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡原理

在W2k所在回路

而在RC濾波支路

由式（4）~式（7）可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓sk發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過控制tk，便能實(shí)時(shí)控制T2的電壓5k等于sk中的波動(dòng)部分，從而抵消電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，使1k近似穩(wěn)定在額定值附近，從而使2k也近似穩(wěn)定在額定值附近。2k與2k只相差了短路阻抗（12、12）上的壓降，因而2k也能近似穩(wěn)定。式（4）、式（8）~式（10）整體其實(shí)構(gòu)成了一個(gè)RLC低通濾波器，能夠減少2k中的高次諧波，這體現(xiàn)在后文化簡(jiǎn)后的傳遞函數(shù)框圖中。

式（4）~式（10）揭示了通過tk實(shí)現(xiàn)2k實(shí)時(shí)控制的可行性，其中，sk是系統(tǒng)中的最主要擾動(dòng)，而Psk及2k會(huì)在連接電感t、45、12上產(chǎn)生壓降，從而對(duì)2k產(chǎn)生影響，但相比sk，其幅值很小。因而在HDT中通過CVt控制2k主要需要克服來自sk的擾動(dòng)影響。

本文采用SPWM對(duì)CVp及CVt進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制時(shí)采用不對(duì)稱規(guī)則采樣法。設(shè)采樣周期為s，則s=0.5w，w為開關(guān)周期。本文仿真及實(shí)驗(yàn)均采用10kHz的開關(guān)頻率，則w=0.1ms，s=50ms。

綜合考慮調(diào)制、采樣、控制芯片計(jì)算的時(shí)間延遲，本文將CVp和CVt均近似等效為一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)。具體如下：設(shè)pk及tk分別為CVp和CVt的輸入調(diào)制信號(hào)，則在域中，pk()與pk()、tk()與tk()之間滿足

式中，D為D的額定值。

式（1）~式（10）描述的是HDT在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于揭示HDT的基本工作原理，說明其可行性具有重要意義。但是通常情況下，HDT往往需要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，因而在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下設(shè)計(jì)控制器更為方便。

為此本文采用坐標(biāo)變換，坐標(biāo)變換矩陣采用等長變換矩陣，以W4k的繞組電壓4k為例。

式中，4abc=[4a4b4c]T；4dq0=[4d4q40]T。本文中其他三相電壓電流的變換關(guān)系與4k一致。

式中，=2π0，0為電網(wǎng)頻率。

對(duì)式（1）~式（3）進(jìn)行坐標(biāo)變換，可導(dǎo)出CVp所在回路在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，在域表示為

同樣對(duì)式（4）~式（10）進(jìn)行坐標(biāo)變換，也在域表示，可得CVt所在回路在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型為

對(duì)式（11）進(jìn)行近似處理。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中

3 傳遞函數(shù)模型及控制系統(tǒng)

根據(jù)式（15）可給出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，從pdq0()到Psdq0()模型框圖，如圖4中點(diǎn)畫線框內(nèi)部分所示。

圖4 電網(wǎng)電流iPsk閉環(huán)控制系統(tǒng)

相比式（1）~式（3），圖4更能直觀反映影響Psk的擾動(dòng)量和控制量，從中可以看出，被控對(duì)象的主體是個(gè)慣性環(huán)節(jié)。因而本文采用PI控制器，讓Psk在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下直接對(duì)其參考信號(hào)（如圖4所示的Psdref、Psqref、Ps0ref）進(jìn)行跟蹤，從而形成圖4所示的HDT電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)Psk的正弦單位功率因數(shù)控制，一般需要Psdref為常數(shù)，而Psqref=0。對(duì)于Psdref及Ps0ref的計(jì)算，需要綜合考慮HDT變換器直流母線電壓的穩(wěn)定控制及上、下電容電壓的偏差抑制，這屬于HDT外環(huán)控制的研究范疇。由于內(nèi)環(huán)、外環(huán)時(shí)間常數(shù)相差很大，可以獨(dú)立分開設(shè)計(jì)。由于篇幅所限，本文只分析內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。

根據(jù)式（15）可給出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，從tdq0()到2dq0()模型框圖，只是原始框圖結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不利于直觀反映tdq0()對(duì)于2dq0()作用機(jī)理，因而本文對(duì)其進(jìn)行化簡(jiǎn)，化簡(jiǎn)后的框圖如圖5中點(diǎn)畫線框內(nèi)部分所示。

圖5 負(fù)載電壓u2k閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖5中

從圖5可以看出，負(fù)載電壓控制模型的主體為一個(gè)二階環(huán)節(jié)t2()。與電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制類似，必須在PI控制器的輸出之后乘以-1才能形成負(fù)反饋，進(jìn)而構(gòu)建負(fù)載電壓內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。通過調(diào)整f、f和t的值能夠改善2k中的高次諧波含量，同時(shí)也需要為系統(tǒng)保留足夠的穩(wěn)定裕度。

在圖4與圖5中，HDT負(fù)載電壓與電網(wǎng)電流控制環(huán)路之間存在耦合，但是由于e1的值并不是很大，因而Psk在e1上產(chǎn)生的壓降擾動(dòng)，相比電網(wǎng)電壓的擾動(dòng)而言往往很小。此外，CVt將負(fù)載電壓控制穩(wěn)定之后，W1k的繞組電壓基本不會(huì)發(fā)生大的變化，因而不會(huì)再對(duì)電網(wǎng)電流造成很大干擾。也就是說，HDT的負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流控制系統(tǒng)之間存在的耦合較弱，因而在實(shí)際中可將二者分開獨(dú)立研究。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文構(gòu)建的HDT電路拓?fù)浼翱刂葡到y(tǒng)的合理性，首先根據(jù)圖2所示HDT三相電路拓?fù)?，在Matlab的Simulink中搭建HDT的仿真模型，然后對(duì)HDT實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流的基本功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真時(shí)電網(wǎng)電壓模擬真實(shí)配電網(wǎng)場(chǎng)景，其他主要參數(shù)見表1。

表1 HDT仿真參數(shù)

Tab.1 The simulation parameters of HDT

圖6給出配電網(wǎng)中出現(xiàn)不正常工況時(shí)電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的波形。具體而言，HDT的負(fù)載側(cè)包含橋式不控整流電路，因而負(fù)載電流會(huì)發(fā)生明顯畸變。高壓側(cè)電網(wǎng)的電壓分別出現(xiàn)了驟降（=0.1s，電網(wǎng)電壓由120%的額定值驟降為80%的額定值）、突升（=0.16s，電網(wǎng)電壓由80%的額定值突升為120%的額定值）及不對(duì)稱（=0.22s，A、C相電壓由120%的額定值驟降為80%的額定值）。顯然，如果CVp和CVt均不投入運(yùn)行（CVp開路，而CVt被旁路），HDT就相當(dāng)于傳統(tǒng)配電變壓器，此時(shí)負(fù)載電壓也會(huì)相應(yīng)發(fā)生波動(dòng)，而電網(wǎng)電流也必然出現(xiàn)畸變。而當(dāng)CVp和CVt參與運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電壓和電網(wǎng)電流的波形如圖7所示。

圖6 不正常工況下電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的波形

圖7 HDT補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓波形

從圖7可以看出，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生突變時(shí)，負(fù)載電壓在經(jīng)過一個(gè)短暫的過程之后便能重新恢復(fù)到額定值。此外，HDT網(wǎng)側(cè)繞組的電流能被控制為三相對(duì)稱的正弦波，進(jìn)而電網(wǎng)電流也能被控制為正弦波，從而說明本文提出的HDT拓?fù)浼柏?fù)載電壓控制系統(tǒng)是合理的。

圖7顯示電網(wǎng)線電流sk明顯比相電流Psk的紋波要小。具體而言，sk中包含的與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波含量明顯低于Psk。這是因?yàn)?，本文?duì)CVp進(jìn)行PWM調(diào)制時(shí)，三相載波是同一個(gè)，這導(dǎo)致Psk中與開關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波的三相相位基本相同，因而這些高次諧波也屬于零序。當(dāng)采用三角形聯(lián)結(jié)時(shí)，這些高次零序電流無法注入到電網(wǎng)側(cè)，從而只能在高壓側(cè)繞組內(nèi)部流通。從這一點(diǎn)來看，HDT高壓側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)還能減小PWM調(diào)制引起的高次諧波。這也可以看成本文將HDT高壓側(cè)設(shè)計(jì)成三角形聯(lián)結(jié)的另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。

此外，從圖7可以看到，電網(wǎng)電壓發(fā)生突變，負(fù)載電流突變均會(huì)對(duì)負(fù)載電壓產(chǎn)生不同程度的影響，其中電網(wǎng)電壓造成的擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間明顯更長，因而是系統(tǒng)中的主要擾動(dòng)。對(duì)于電網(wǎng)電流控制來講，畸變負(fù)載導(dǎo)致的畸變電流擾動(dòng)則是影響電網(wǎng)電流控制效果的主要因素。從圖7可以看到，雖然電網(wǎng)電流整體上呈現(xiàn)正弦波，但在負(fù)載畸變電流突變的短暫瞬間，電網(wǎng)電流會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“尖刺”。這是因?yàn)樽儞Q器輸出電流的最大變化率是有限的，對(duì)于突變瞬間，變換器其實(shí)是飽和輸出狀態(tài)，無法完全抑制突變擾動(dòng)帶來的影響。此外，出現(xiàn)“尖刺”的時(shí)刻其實(shí)對(duì)應(yīng)的是負(fù)載電流發(fā)生突變。由于本例中的負(fù)載電流突變已經(jīng)十分接近理想階躍信號(hào)，而實(shí)際控制系統(tǒng)總存在慣性，需要一定的響應(yīng)時(shí)間才能夠消除突變擾動(dòng)帶來的影響，因而“尖刺”無法完全消除，在實(shí)際中，往往只能通過提高開關(guān)頻率和降低變換器連接電感等手段進(jìn)一步減小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的HDT電路拓?fù)浼皟?nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的合理性。本文構(gòu)建了一個(gè)低電壓等級(jí)的HDT小功率實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，具體包括信號(hào)采集和檢測(cè)調(diào)理電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、基于DSP(TMSF28335)的主控電路、HDT主變壓器和隔離變壓器本體以及由六個(gè)橋臂構(gòu)建的CVp和CVt主電路。用三相可編程電源模擬突變及不對(duì)稱電網(wǎng)、用整流器及功率電阻模擬畸變負(fù)載、而用大容量直流電源支撐直流母線電容。具體樣機(jī)實(shí)物如圖8所示，相關(guān)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的參數(shù)見表2。

圖8 HDT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

基于小功率樣機(jī)，開展電網(wǎng)電壓由80%額定電壓突升至120%額定電壓再突降回80%額定電壓的實(shí)驗(yàn)。負(fù)載仍包含三相不控整流負(fù)載。相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

表2 HDT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)

Tab.2 The experimental parameters of HDT

圖9 HDT電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓控制實(shí)驗(yàn)波形

圖9顯示，當(dāng)電網(wǎng)電壓突變時(shí)，在HDT的控制下，經(jīng)過很短時(shí)間，負(fù)載電壓便能夠恢復(fù)到額定值，從而驗(yàn)證了負(fù)載電壓控制功能的有效性。此外，從右邊的局部波形可以看出，當(dāng)負(fù)載電流畸變時(shí)，在HDT的補(bǔ)償作用下，電網(wǎng)電流能夠被控制為與電網(wǎng)電壓同相位的正弦波形，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了HDT對(duì)于畸變電流調(diào)控功能的有效性。

5 結(jié)論

本文提出一種改進(jìn)型的HDT電路拓?fù)洌⒔⑵鋭?dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，基于PI控制器設(shè)計(jì)HDT電網(wǎng)電流及負(fù)載電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1）將隔離變壓器布置于配電網(wǎng)高壓側(cè)，而高壓側(cè)采用三角形聯(lián)結(jié)方式，其余繞組采用星形中性線引出接法，PWM變換器采用半橋結(jié)構(gòu)的HDT電路拓?fù)涫呛侠淼摹?/p>

2）基于等效電路導(dǎo)出的HDT動(dòng)態(tài)模型能夠清晰揭示HDT的基本工作原理，客觀反映HDT運(yùn)行時(shí)遇到的各類擾動(dòng)。模型指出HDT的負(fù)載電壓控制系統(tǒng)與電網(wǎng)電流控制系統(tǒng)耦合很弱，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)。

3）采用PI控制器構(gòu)建HDT的內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)能滿足HDT的對(duì)于負(fù)載電壓及電網(wǎng)電流的基本功能。

[1]Szczeniak P, Kaniewski J. Hybrid transformer with matrix converter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(3): 1388-1396.

[2]Sastry J, Bala S. Considerations for the design of power electronic modules for hybrid distribution transformers[C]//IEEE Energy Conversion Congress & Exposition, Denver, CO, USA, IEEE, 2013: 1422-1428.

[3]Huber J E, Kolar J W. Applicability of solid-state transformers in today’s and future distribution grids[J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2019, 10(1): 317-326.

[4]Haj-Maharsi M Y, Tang L, Gutierrez R, et al. Hybrid distribution transformer with ac & dc power capabilities: US2010/0201338 A1[P]. 2010-08-12.

[5]巨云濤, 黃炎, 張若思. 基于二階錐規(guī)劃凸松弛的三相交直流混合主動(dòng)配電網(wǎng)最優(yōu)潮流[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào):1-11[2020-10-23]. https://doi.org/10.19595/ j.cnki.1000-6753.tces.200248. Ju Yuntao, Huang Yan, Zhang Ruosi. Optimal power flow of three-phase hybrid AC-DC in active distribution network based on second order cone programming[J/OL]. Transactions of China Electrotechnical Society, 1-11[2020-10-23].https:// doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200248.

[6]周念成, 谷飛強(qiáng), 雷超, 等. 考慮合環(huán)電流約束的主動(dòng)配電網(wǎng)轉(zhuǎn)供優(yōu)化模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(15): 3281-3291. Zhou Niancheng, Gu Feiqiang, Lei Chao, et al. A power transfer optimization model of active distribution networks in consideration of loop closing current constraints[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(15): 3281-3291.

[7]葉暢, 苗世洪, 劉昊, 等. 聯(lián)盟鏈框架下主動(dòng)配電網(wǎng)電力交易主體合作演化策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(8): 1739-1753. Ye Chang, Miao Shihong, Liu Hao et al. Cooperative evolutionary game strategy for electricity trading stakeholders in active distribution network under consortium blockchain framework[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(8): 1739-1753.

[8]顏湘武, 徐韻, 李若瑾, 等. 基于模型預(yù)測(cè)控制含可再生分布式電源參與調(diào)控的配電網(wǎng)多時(shí)間尺度無功動(dòng)態(tài)優(yōu)化[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 2022-2037. Yan Xiangwu, Xu Yun, Li Ruojin, et al. Multi-time scale reactive power optimization of distribution grid based on model predictive control and including RDG regulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2022-2037.

[9]范士雄, 蒲天驕, 劉廣一, 等. 主動(dòng)配電網(wǎng)中分布式發(fā)電系統(tǒng)接入技術(shù)及其進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(增刊2): 92-101. Fan Shixiong, Pu Tianjiao, Liu Guangyi, et al. Technologies and its trends of grid integration of distributed generation in active distribution network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(S2): 92-101.

[10]孔順飛, 胡志堅(jiān), 謝仕煒, 等. 含電動(dòng)汽車充電站的主動(dòng)配電網(wǎng)二階段魯棒規(guī)劃模型及其求解方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 1093-1105. Kong Shunfei, Hu Zhijian, Xie Shiwei, et al. Two-stage robust planning model and its solution algorithm of active distribution network containing electric vehicle charging stations[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 1093-1105.

[11]Kaniewski J. Hybrid distribution transformer based on a bipolar direct AC/AC converter[J]. IET Electric Power Applications, 2018, 12(7): 1034-1039.

[12]Kaniewski J, Szczesniak P, Jarnut M, et al. Hybrid voltage sag/swell compensators: a review of hybrid AC/AC converters[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2015, 9(4): 37-48.

[13]Kaniewski J, Fedyczak Z, Benysek G. AC voltage sag/swell compensator based on three-phase hybrid transformer with buck-boost matrix-reactance chopper[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(8): 3835-3846.

[14]Bala S, Das D, Aeloiza E, et al. Hybrid distribution transformer: concept development and field demonstration[C]//2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Raleigh, NC, USA, 2012: 4061-4068.

[15]Burkard J, Biela J. Protection of hybrid transformers in the distribution grid[C]//2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications, Karlsruhe, Germany, 2016: 1-10.

[16]梁得亮, 柳軼彬, 寇鵬, 等. 智能配電變壓器發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2020, 44(7): 1-18. Liang Deliang, Liu Yibin, Kou Peng, et al. Analysis of development trend for intelligent distribution transformer[J]. Automation of Electric Power Systems, 2020, 44(7): 1-18.

[17]Radi M A, Darwish M. Var control considerations for the design of hybrid distribution transformers[C]// 11th IET International Conference on AC and DC Power Transmission, Birmingham, UK, 2015:1-9.

[18]Radi M A, Darwish M, Alqarni M. Voltage regulation considerations for the design of hybrid distribution transformers [C]//2014 49th International Universities Power Engineering Conference (UPEC), Cluj-Napoca, Romania, 2014: 1-6.

[19]Liu Yibin, Liang Deliang, Liang Yang, et al. Design and analysis of the compounded control system of hybrid distribution transformer[C]//2018 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Portland, OR, USA, 2018: 3664-3668.

Dynamic Model and Inner Loop Control System of Hybrid Distribution Transformer

Liu Yibin1,2Liang Deliang1,2Wang Yuheng1,2Gao Yachen1,2Zhang Lishi1,2

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Shaanxi Key Laboratory of Smart Grid Xi’an 710049 China）

Comparing with the traditional distribution transformer, hybrid distribution transformer (HDT) can regulate the partial load power by the integrated PWM converters. Therefore, HDT can not only change the voltage rate and transfer the load power just as the traditional transformer, but also can control the grid current and load voltage in real time. Hence, HDT is a promising equipment for the intelligence of the active distribution network. In this paper, an improved HDT configuration and the three-phase circuit scheme of HDT is presented. In this scheme, the converter with sample topology can be applied and the rated voltages of all the units can be easily determined. Based on the equivalent circuit of the present HDT, the transfer function model is established, then the PI controller is adopted to construct the inner control system of HDT. Both the simulation and experiment are performed in the condition of nonlinear load and fluctuated grid voltage. The results shows that the grid side current can be regulated to be sinusoidal, symmetrical and unit power factor, the load voltage can be controlled to be stable. Which verifies the correctness of the established dynamic model and the presented control strategy.

Active distribution network, equivalent circuit, hybrid distribution transformer, PI controller, transfer function

TM421

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90170

陜西省2018年重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2018ZDCXL-GY-07-05)。

2020-06-30

2020-10-29

柳軼彬 男，1988 年生，博士研究生，研究方向?yàn)榛旌鲜脚潆娮儔浩鞔偶膳c優(yōu)化控制。E-mail：yanerwuming@126.com

梁得亮 男，1967年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄芘潆娋W(wǎng)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)及冗余高效控制。E-mail：dlliang@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）