电力电子变压器在输电系统中的控制策略研究黄贻煜，毛承雄，陆继明，范　澍（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北　武汉430074）
　　摘　要：电力电子变压器（PowerElectronicTransformer,PET）是一种新型的电能转换设备，它通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递。本文研究了PET在电力系统中的控制问题，提出了在单机无穷大系统中与发电机相连的PET的控制策略，并在MATLAB环境中进行了时域仿真研究。仿真结果表明，在系统中出现扰动的条件下，PET能有效的提高系统阻尼，改善系统电压特性，提高了电力系统的稳定性。
　　关键词：电力电子变压器控制策略电力系统稳定性
StudyofControlStrategyofPowerElectronicTransformerinPowerSystemHUANGYi-yu,MAOCheng-xiong,LUJi-ming,FANShu(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)
　　Abstract:Powerelectronictransformer(PET)isanewtypeofpowertransmissiondevice,whichrealizesvoltagetransformationandpowerdeliverythroughpowerelectronicconversion.Inthispaper,anewPETcontrolstrategybasedonsinglemachineinfinitesystemispresented.SimulationsbasedonMATLAB/Simulinkarecarriedout,andtheresultsshowthattheproposedcontrollercanimprovethesystemstabilityeffectivelyunderdifferentdisturbance.
　　Keywords:powerelectronictransformer,controlstrategy,powersystemstability
1前言
　　电力变压器是输电系统中最基本的组成设备，目前其结构通常为铁芯油浸式，体积较大，且损耗较高，使用的矿物油会带来环境问题，当变压器铁芯出现磁饱和时，还会造成电力系统中的电压电流波形畸变，产生谐波污染；同时这种变压器控制功能有限，不具备对电压、电流的连续调节和综合控制功能，难以对系统稳定性的提高做出贡献。
　　电力电子变压器（PowerElectronicTransformer,PET）是一种新型的电能转换设备，它通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递，其突出特点在于通过电压源换流器对其交流侧电压的幅值和相位进行实时控制，实现变压器原副方电压，电流和功率的灵活调节[1],[2]。因此，PET可以满足未来电力系统很多新的要求，包括：更高的稳定性，实现更加灵活的输电方式，整合各种交直流分布式电源，以及实现电力市场条件下对功率潮流的实时控制等[3]。作为输配电系统最基本的组成设备，这种新型变压器具备解决电力系统中面临的许多新课题的潜力，有广阔的应用前景。
　　本文尝试将PET应用于电力系统中，通过对PET原副方电压源变换器调制度和相角的控制可灵活调节PET原副方的电压电流和功率。仿真研究表明，本文所提出的控制方案可以有效抑制系统中的扰动，提高系统的稳定性。2电力电子变压器的基本原理
　　PET基本工作原理如下图所示。在原方，将输入的工频交流通过电力电子换流器转化为高频信号，即升频，然后通过高频变压器耦合到副方，再经电力电子换流器还原成工频交流输出，即降频。　　目前，PET的具体实现方式大体分为两类，一种是在变换过程中不存在直流环节，即在高频变压器原方将输入信号高频调制，在副方同步解调[4]。该方案结构较为简单，功率器件数少，但可控性不高，副方波形基本上只和原方波形有幅值上的差别，无法有效控制流经电力电子变压器的潮流；另外一种是在变换过程中含有直流环节，通常是在高频变压器原副方均采用AC/DC/AC变换[5]，本文对此结构进行仿真研究。其原理框图如图2所示。　　与传统变压器相比，PET具有如下优点：
　　首先，PET的核心部件——电力电子换流器一般由绝缘门级双极型晶体管（IGBT），或集成门极换流晶闸管（IGCT）等大功率开关器件组成，这些器件的开关时间已经达到微秒级，通过控制这些器件的开通和关断，可以极为方便迅捷的控制流经变压器的电压，电流，进而控制系统潮流，在发生故障时可以迅速做出响应，有效抑制扰动，提高系统稳定性。
　　其次，当容量一定时，变压器的体积与通过其中电流的频率成反比[6]。因此，与电力变压器相比，PET中实现电压幅值变换的主要元件——高频变压器的体积和占地面积大为减小，采用非晶合晶材料制作高频变压器的铁芯时，还可以避免变压器油的使用，减少环境污染。3电力电子变压器的控制策略
　　考虑如图3所示的含PET的单机无穷大系统　　由于图2中的PET运行时，换流器2的作用为将直流信号调制为高频信号，换流器3的作用为将高频信号还原为直流信号，高频变压器实现电压幅值变换，对PET原副方电压电流的控制依靠控制换流器1和4来实现。因此，PET在单机无穷大系统中的等效物理模型可表示如下。　　研究中认为发电机励磁可以维持励磁电动势Eq不变，图中Xd为发电机同步电抗，为机端电压，X为换流电抗值，UC1和UC2分别为电力电子变压器的输入和输出电压，和为直流母线上的电压，电流，XL为输电线电抗值，US为无穷大系统电压，PG,QG为电机发出的有功和无功，PC2,QC2为电力电子变压器送出的有功和无功。
3.1原方控制策略
　　在原方，以Eq相位为基准，则Eq，UG，UC1之间的向量关系如图5所示。　　其中α为UG与Eq之间夹角，δ1为UC1与UG之间夹角，当换流器采用SPWM方式控制时，δ1即为调制波的相角，令M1为调制度，则Ud与UC1之间有如下关系[7]：
　　
　　由向量图可以得到：　　
　　　　在稳态时，励磁电压恒定，且发电机发出的电磁功率与原动机的机械功率相等，即Eq与PG为常数，则由式（7）和（8）可知，在原方，换流器输出的直流电压Ud与发电机发出的无功QG均为M1和δ1的函数，即可以通过控制M1和δ1来控制和QG的大小。
　　在换流器安全稳定运行范围内，有δ1小于45°，在此条件下令Ud和QG分别对M1和δ1求偏导可知：∂Ud/∂M1<0；∂QG/∂δ1>0，即Ud与M1之间存在单调的函数关系，QG与δ1之间存在单调的函数关系，同时由式（7）可知Ud与1/M1接近线性关系,故应采用M1来控制Ud，用δ1来控制QG。由此可以设计如下的原方控制策略：3.2副方的控制策略
　　PET副方电压UC2与直流电压Ud的关系为：
　　
　　当系统发生故障时，副方电压受到扰动，在原方换流器通过有效的控制使得直流电压Ud维持稳定的基础上，由式（9）可知能够通过调整M2的大小来控制副方电压Uc2的稳定。扰动时，发电机的转速波动是由于转子上功率不平衡所造成，有效抑制发电机输出有功波动就可以使得发电机转速保持稳定。不考虑系统损耗时，电磁功率与变压器送至无穷大系统的功率相等，可用以下公式描述
　　
当Uc2可以通过控制换流器4而逐渐达到稳态值时，通过控制换流器4的调制角δ2则可以使Pc2尽快达到稳态值与机械功率平衡，从而提高系统阻尼。
由此可以设计如下的副方控制策略4仿真研究
　　为了验证所设计的控制策略的有效性，使用MATLAB的Simulink组件[5]分别对图4所示的电机接PET单机无穷大系统和电机接常规铁芯式变压器的单机无穷大系统进行仿真研究。
　　含PET系统仿真参数为（标幺值）：Xd为0.97，XT为0.28，XL为0.46，输入机械功率PM为0.6；常规变压器系统仿真参数（标幺值）为：Xd为0.97，XT为0.11，XL为0.46。
4.1断路故障
　　仿真模拟了系统双回线运行时在时刻1秒一回线断线，3秒后切除故障的情况。
　　机端输出有功和发电机转速波形如图8-11所示。
　　仿真结果表明，用PET代替常规铁芯变压器接入系统中，当发生一回线断路故障时，发电机输出有功和转速的振荡幅值，时间和次数等特性都有明显的改善。
4.2短路故障
　　仿真模拟了系统稳态运行时在时刻1秒于变压器出口侧发生3相对地短路，0.1秒后切除故障的状况。
　　机端输出有功和发电机转速波形如图12~15所示。
　　从仿真结果可以看出，当系统中出现短路故障时，通过文中所述的控制策略来控制电力电子变压器，能够使系统获得对扰动的良好的阻尼特性，有效地抑制了扰动时发电机输出的功率以及转速的振荡。5结论
　　本文阐述了电力电子变压器的基本工作原理，提出了将电力电子变压器应用于电力系统中时应采取的控制策略。在原方，通过控制PWM技术中的调制比M来控制换流器的直流侧电压，通过控制调制角δ来控制PET吸收的无功；在副方，通过控制调制比M来控制换流器输出的交流电压，通过控制δ来控制换流器输出有功。仿真结果表明，在电力系统发生故障时，使用文中所述控制器来控制PET可以有效提高扰动时的系统阻尼，使得系统能够快速恢复稳态运行。
　　本文首次尝试将PET用于电力系统以提高电力系统的稳定性，研究成果显示了PET应用于电力系统的良好前景。今后若能将其它先进控制理论应用于PET的控制并实现PET与电力系统中其他控制装置如励磁调节器等的综合协调控制，将能更充分地发挥PET的潜力，更有效的保证电力系统的安全稳定运行。
参考文献
[1]M.Kang,B.O.Woo,P.N.Enjeti,IraJ.Pitel.Auto-ConnectedElectronicTransformer(ACET)BasedMulti-PulseRectifiersforUtilityInterfaceofPowerElectronicSystems[C].IEEEISA98Conf.Proc,1998:1554-1561
[2]M[1][2]下一页