探讨电力电子变压器在电网故障中的控制策略

探讨电力电子变压器在电网故障中的控制策略

张倩倩

国网江苏省电力公司徐州市铜山区供电公司221009

摘要：电力电子变压器在电网正常运行工作中，起到了非常重要的控制作用，但是电力电子变压器的控制效果需要不断地改善，因此需要探索出一些新的控制策略，本文主要探讨电力电子变压器在电网故障中的控制策略，以供同行参考。

关键词：：电力电子变压器；配电网；单相接地故障；控制策略；电能质量

前言

随着电力系统的不断发展，传统电力变压器的缺点日益突出，如体积、重量及空载损耗过大等。另外，变压器过载时容易导致输出电压下降，产生谐波，从而影响电能质量。当电源侧故障导致电压异常时，传统电力变压器不能对输出电压进行控制，只能将故障传递到负荷侧，这使敏感负荷受到严重影响。而产生于20世纪70年代的电力电子变压器PET（powerelectronictransformer）能对输出电压进行有效控制，有望解决传统变压器存在的一些问题。

电力电子变压器又叫电子电力变压器EPT（electronicpowertransformer），是一种基于大功率电力电子变换技术实现电压变换及控制和能量传递的新型智能电力变压器，通过大功率电力电子器件及电力电子整流、逆变技术，实现电能在电网中的传输。

本文在分析了PET基本原理和实现方案的基础上，为了简化控制算法，提出了简化的PET稳态分析物理模型。鉴于传统PI控制的一些缺点，在其中加入复数积分和微分环节之后，提出了比例-复数积分-微分控制策略，并将其应用于PET控制中，使PET输出电压在波形质量和动态响应速度方面有了一定地提高。针对目前PET在短路故障条件下的应用文献比较少，将设计的PET应用于配电系统，针对电力系统中发生次数最多的单相接地短路，在Matlab/Simulink环境中进行了仿真研究。结果表明，所设计PET在发生单相接地短路故障的情况下，二次侧输出电压仍控制在理想的范围内，保证良好的供电质量，对负载不间断地供电。

1、PET的基本结构和简化模型

1.1PET基本结构

根据电压变换过程中有无直流环节，PET有2种基本拓扑结构，第1种为交-交-交变换，第2种为交-直-交-直-交变换。前者变换过程中无直流环节，使用的功率电子器件比较少，可控性不高，在一些对二次侧输出电压要求较高的场合，一般不适用。而后者在变换过程中存在直流环节，使用的功率器件较多，可控性高，并且控制策略完善，应用范围广。本文采用第2种方案，交-直-交-直-交型PET典型拓扑结构如图1所示。

PET基本工作原理为：三相工频交流母线高压经过PWM整流变成直流，再经过高频逆变电路将直流电压变成高频方波，接着经过高频变压器变压，高频方波电压再经过高频整流电路变成直流电压，最后直流电压经过三相脉冲宽度调制PWM（pulsewidthmodulation）逆变成三相工频低压输出，经三相LC无源滤波器滤波后给三相负载供电。由于电力电压器的体积和重量均与其工作电压的频率成反比，所以高频变压器的使用能极大地减小传统电力变压器的体积和重量。

1.2PET简化稳态物理模型

图1中单相高频逆变电路产生高频方波，以降低PET的体积，为简化控制算法，本文对这一级逆变电路和PET副边的单相高频整流电路均采用不控方式处理，同时考虑中间高频变压器的作用，将图1所示的拓扑结构简化为稳态物理模型，如图2所示。

图2中，将单相高频逆变、中间高频隔离变压器及单相高频整流等效为一直流环节Udc。VSC1为PET输入侧三相工频整流环节，U1为该环节的输入电压；VSC2为PET输出侧三相工频逆变环节，U2为该环节的输出电压。通过采取合理的控制措施，使VSC1和VSC2两部分相互配合，再经过LC低通滤波器的作用，得到稳定的三相工频输出电压。

2、单相接地故障下的PET控制策略

2.1输入整流侧控制策略

一次侧三相高压整流环节采用传统的电压外环、电流内环双PWM控制。通过坐标变换将三相坐标系下的各电网变量转换到电网基频同步旋转的两相d、q坐标系下，以电网侧三相输入电压US为例，变换公式为

式中：Usd、Usq为PET三相输入电压d、q轴分量；kip、kii为电流内环PI控制参数；ω为电网电压基波角频率；L、R为PET输入级无源滤波器等效电感和电阻，U1d、U1q为PET整流环节的输入电压d、q轴分量；i*d、i*q、id、id分别为PET输入侧基准电流和实际反馈电流。电流基准值i*d、i*q分别为

式中：kup、kui为PI控制器电压外环的控制参数；u*dc为整流侧直流电压基准值；udc直流电压实际输出反馈值。

输出逆变侧控制策略

由于占电网接地故障的百分比最高的单相接地故障属于不对称故障，而传统的双闭环控制策略在电网不对称情况下，输出直流电压出现倍频分量，从而不能得到一个稳定直流输出电压，而如果在逆变侧仍然使用传统的双闭环控制器，将不能得到理想的三相交流逆变电压，所以对PET二次侧的逆变器控制算法进行改进，使逆变器具有较好的稳态输出特性和较快的动态响应。

逆变器输出电压闭环控制结构如图3所示。

控制原理为：经电压互感器采集输出三相交流电压信号Uo（s）与三相基准电压信号U（rs）进行比较，误差信号经过控制器G（s）的作用后，控制PWM信号发生器，产生PWM开关控制信号，该控制信号控制逆变侧的主电路功率器件-绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulatedgatebipolartransistor）的通断，实现逆变的目的。合理的控制器G（s）的选择，可以使PET输出电压与基准电压的误差较小，达到控制输出电压的目的。

在图3中，K为PWM调制等效增益，L、C、R分别为滤波器等效电感、电容和电阻，UO（s）出电压。若控制器G（s）=kp+ki/s，则该控制器为传统的PI控制。本文将复数积分和微分环节加入PI控制器中，以代替其中的常数积分环节，得到比例-复数积分-微分PCID（proportioncomplex-integrationdifferentiation）控制器。该控制器闭环传递函数为

将式（4）、式（5）代入式（6）、式（7），波特（Bode）图如图4所示。

由图4可以看出，该控制方法输出电压能较好地跟踪给定的三相基准电压，稳态误差非常小，同时其抗扰动特性也非常好。

结束语

本文通过分析PET的拓扑结构，针对电网中发生频率比较高的单相接地短路故障，指出整流侧采用传统的电压、电流双环控制方案时，直流输出电压将发生较大的波动，因此在逆变侧不宜再采用传统的PI控制器。本文采用PCID控制器，设计了稳态输出效果良好的PET，并将其应用于配电网中，对敏感负载进行供电。

参考文献

[1]王丹，毛承雄，陆继明（WangDan，MaoChengxiong，LuJiming）.自平衡电子电力变压器（Auto-balancingelectronicpowertransformer）[J].中国电机工程学报（Proceedings

oftheCSEE），2007，27（6）：77-83.

[2]王丹，毛承雄，陆继明（WangDan，MaoChengxiong，LuJiming）.基于电子电力变压器的自平衡牵引变压器（Auto-balancingtractiontransformerwithelectronicpowertransformer）[J].高电压技术（HighVoltageEngineering），2008，34（1）：176-181.

[3]成建鹏，毛承雄，范澍，等（ChengJianpeng，MaoChengxiong，FanShu，etal）.电子电力变压器原理和仿真研究（Principleofelectronicpowertransformeranditssimulationstudy）[J].电力自动化设备（ElectricPowerAutomation