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變壓器動態

基于三電平拓撲的電力電子韶關變壓器研究

  近年來,一種基于電力電子變換技術的新型電網配電變壓裝置,即PET,受到國內外學者的廣泛關注。它不僅體積小、重量輕,而且具有交直流轉換能力,可靈活地將各種分布式發電系統接入電網,比傳統韶關變壓器更能適應智能電網環境下用戶對電能的個性化需求。

  在三電平結構中,開關管承受的電壓應力僅為兩電平拓撲的一半,因此可以成倍提升輸入級的電壓,解決PET在配電系統中的實用化問題,且不存在開關管直接串聯電路中的器件均壓問電力系統及其自動化。

  題。與模塊串并聯拓撲相比,可以減少所用器件的數量,提高PET的可靠性并降低成本。但目前國內還未見公開發表的有關三電平結構PET的相關。這里在上述的基礎上提出改進的三電平PET,設計了三相系統中各環節的控制策略,并通過仿真驗證了其拓撲和控制策略的有效性。

  2三電平PET電路介紹為三電平PET的拓撲結構。其工作原理為:輸入級將高壓工頻交流電經整流后變成直流電,在隔離級被調制成高頻方波加載到高頻韶關變壓器,降壓后在次級又還原成直流電,后經輸出級逆變成三相低壓工頻交流電。由于中間隔離級的存在,在電源發生電壓波動、頻率閃變、諧波注入或負載投切時,三電平PET能避免系統側與負載側的相互影響,維持初、次級良好的電壓電流波形,且輸出恒定的電壓。

  2.1輸入級系統的輸入級采用二極管箝位式三電平PWM整流器,每一個橋臂由4個功率開關構成,因此每一個主功率開關所承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半,而且三電平PWM整流器有27個開關矢量,因此其在開關頻率不是很高的情況下也能保證網側良好的電流波形,其諧波和畸變率大大小于兩電平PWM整流器。高頻的PWM整流器可以保證網側電流與電源之間功率因數為1. 2.2中間隔離級系統的中間隔離級在原有三電平PET基礎上作了改進,采用零電壓開關半橋三電平DC/DC變換器,對配電韶關變壓器不考慮能量的雙向流動,故在韶關變壓器次級采用全橋不控整流電路,開關管兩端并聯電容為其自身結電容。與兩電平PET中的DC/DC變換器相比,通過變換器初級2只中點箝位二極管使得4只開關管電壓應力僅為輸入直流電壓的一半,且通過諧振電感Lk對4只開關管上的并聯結電容進行充放電,使相應的結電容兩端電壓達到零,實現零電壓開關,飛躍電容Cs用來將2對開關管開關過程連接起來,這樣能有效減小開關損耗,提高變換器效率。

  2.3輸出級由于隔離級己將高壓直流電變換為約600V的低壓直流電,且PET輸出目標也是380V低壓用電,在此電壓等級下,目前的IGBT器件己足夠成熟可靠,因此輸出級采用兩電平PWM逆變器,并輔以LC濾波器。

  3控制策略3.1輸入級控制輸入級的控制策略需要實現整流輸出直流電壓可控及網側電流與電源之間單位功率因數運行等,因此采用在d,坐標系下的電壓電流雙閉環控制策略,為輸入級的控制原理。

  為保證三電平PET各環節間的電壓平衡,必須對三電平PWM整流器的中點電壓進行控制。

  設中點處上電容電壓為Um,下電容電壓為Um,由可知一對小矢量對中點電壓的影響正好相反,定義使ud(!1大、Um減小的為正小矢量,反之為負小矢量。當采用變比例因子中點電壓控制方法時,定義比例因子::U為中點電壓偏差期望值。

  除上式外,還需將p限制在1以內。這里對該方法進行進一步改進,結合網側電流方向來先判斷小矢量的正負屬性。

  利用此方法,根據中點電壓偏差實時調整正負小矢量的作用時間,達到更的中點電壓控制,提高了系統穩定性。

  3.2中間隔離級控制為抑制網側電源波動及負載突變等對隔離級輸出直流電壓的影響,隔離級控制策略需實現隔離級輸出電壓可控及恒定。考慮到控制方案的簡化,這里設計了一種電壓單閉環PI調節方法。

  在的隔離級框圖中,定義VTi,VT4為超前管,VT2,VT3為滯后管,對開關管驅動信號采用移相控制的方法,VTi和VT4,VT2和VT3分別成180.互補導通,VTi,VT4分別超前VT2,VT3―個相位,稱為移相角。在控制方案設計中通過調節移相角的大小即可控制輸出電壓的大小。因此將輸出直流電壓實際值U.與設定值U.之間的偏差通過PI調節器,其輸出為移相角,作用到移相PWM控制器上得到4個開關管的控制脈沖,從而實現對輸出電壓的調節。為隔離級的控制原理。

  3.3輸出級控制輸出級控制需要實現輸出恒壓恒頻的低壓三相交流電,當網側電源波動或者負載投切時保持輸出電壓恒定。通常配電系統的負載為無源性質,因此采用在d,坐標系下基于瞬時值反饋的定交流電壓控制,為輸出級控制原理圖。將三相負載電壓的d,分量分別與各自值比較后的偏差量經各自PI調節器,得到指令空間電壓矢量Ud,Uq,后經過SVPWM得到開關管的驅動脈沖。d軸電壓值為負載相電壓幅值,q軸電壓4仿真研究為驗證該三電平PET電路的合理性和控制策略的有效性,針對10kV/380V配電系統環境下PET的穩態運行及輸入電壓波動、頻率閃變、含有諧波、負載投切等特殊情況進行了仿真研究,采用PSCAD/EMTDC軟件仿真。其參數如下:輸入級,輸入電感Lr=15mH,輸入電阻R=0.5ft,輸出穩壓聯結電容C=10nF,輸出濾波電感Lg=0.2mH;輸出級,濾波電感Lv=0.3mH,濾波電容Cv=300輸入級、隔離級、輸出級及高頻韶關變壓器工作頻率均為5kHz,高頻韶關變壓器變比8.6kV:1.5kV.穩態運行為三電平PET穩態運行時的仿真波形。

  它在保證輸出級輸出電壓恒定的同時,使輸入電流及輸出電壓均為正弦波,且實現了網側單位功率因數控制。由c可見,在VI承受電壓降為零時對其進行了開通與關斷,實現了零電壓開關。

  經快速傅里葉變換分析,其單相輸入電流總諧波畸變率約為1.04%,單相輸出電壓7HD0.93%.輸入電壓波動20%為輸入電壓波動時的仿真波形。在0.505s處,初級10kV系統輸入電壓出現20%的電壓上升,持續2個周期后恢復正常,在0.565s處輸入電壓又出現20%的電壓跌落,持續2個周期后恢復正常。從仿真結果可見,輸出電壓幾乎不受影響,有效抑制了輸入電壓的波動。

  4.3輸入電壓發生頻率閃變為輸入電壓發生頻率閃變時的仿真波形。在0.505s處,輸入電壓出現10Hz的頻率跌落,持續2個周期后恢復正常,在0.565s處輸入電壓又出現10Hz的頻率上升,持續2個周期后恢復正常。由仿真結果可見,輸出電壓幾乎不受影響,能夠有效抑制輸入電壓頻率的閃變。

  輸入電壓頻率閃變時的仿真波形4.4輸入電壓含基波幅值20%的5次、7次諧波為輸入電壓含有基波幅值20%的5次、7次諧波時的仿真結果。由FFT分析可知,單相輸出電壓的7HD0.97%,可見PET輸出仍維持了較好的正弦度。可見即使輸入電壓中有較多的諧波,由于隔離級的存在阻礙了諧波擴散,因此輸出電壓基本不受影響。

  (a)輸入電PR)輸+電壓輸入電壓含5,7次諧波時的仿真波形4.5負載投切為突加負載時的仿真波形,0.45s時突加66.7%的負載。由仿真可見,在突加負載后輸入電流變大,但仍維持正弦波且與輸入電壓之間功率因數為1.輸出電壓在突加負載時發生一定的波動,但馬上又恢復正常。說明負載投切對輸出電壓的影響能被有效抑制。中點電壓偏差始終保持平衡,在負載突加后略微變大,但始終保持在2V以內,說明中點電壓控制達到了很好的效果。

  5結論所提出的三電平PET在穩態運行時能夠保持初級可控且良好的電壓電流波形,在輸入電壓波動、頻率閃變、含有諧波及負載投切等動態過程中上接第103頁)可見,Cuk電路拓撲實現了對蓄電池的脈沖式充電,與Boost變換器、Buck變換器相比,極大地提高了光伏電池效率。脈沖式充電法是一種新型充電方法,它米用充電與放電結合的方式,在充電一段時間后加一個放電瞬間,這樣能減少析氣的產生,從而解決快速充電過程中的極化問題。

  不同變換器下的蓄電池充電電量波形此過程還可以減小電池內阻、壓力、溫度,以及能量損耗,使電能更有效地轉化為化學能儲存起來。脈沖充電法符合蓄電池的電能接受特性,在都能保持輸出電壓的恒定,有效地抑制了可能出現的擾動,實現了良好的電能質量調節。在結構特點上三電平PET可在有效提高輸入電壓等級的同時降低開關損耗,使得PET的實用化變為可能。另外,PET電路中的直流環節也為光伏發電等新能源系統以及儲能系統的直接接入提供了接口。目前,所提出的三電平PET的實驗樣機尚處在研制中,待樣機完成后可以直接應用在6kV的配電系統中。

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