電力數顯高壓試驗變壓器并聯運行動態的Matlab仿真

電力電子變壓器PET（Power－Electronic Transformer）作為一種新型的電力變壓器，得到了國內外研究人員越來越多的關注。它是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實現磁耦合的變電裝置。PET在完成常規的變壓、隔離和傳遞能量的同時，還可起到電能質量控制器的作用，是一種多功能的新型變壓器。將其用于配電系統既可實現降壓又可保證電能質量。
兩臺或數臺PET并聯運行是變壓器的一種重要運行方式，具有重要的研究價值。但當前國內外對于PET的研究主要集中于其拓撲結構和控制策略上，對其在電力系統中的應用及其運行特性的研究相對薄弱。采用主從式控制方案解決并聯PET輸出交流側的并聯均流問題；對并聯PET負載發生階躍變化以及帶非線性負載的動態過程進行了仿真研究。本文對配電用并聯PET負荷分配的控制策略進行研究，并對典型操作進行動態仿真。

1 PET的基本結構和控制策略

PET的基本拓撲結構分為交-交-交變換器和交-直-交-直-交雙直流變換器。前者結構簡單，但可控性不高：后者結構復雜，控制策略完善，實用性較強。典型的交-直-交-直-交雙直流拓撲結構如圖1所示。

PET 原邊的電壓型PWM整流電路采用解耦的電壓、電流雙閉環控制，無論變壓器的負載是感性還是容性，只要在一定的范圍內，都可使電網的功率因數接近1；原邊的單相逆變電路實現高頻逆變，采用開環控制即可。為減小變壓器的體積和重量，變壓器導磁材料采用鐵氧體等高導磁磁芯。變壓器副邊整流電路用于實現高頻整流，對配電變壓器不考慮能量的雙向流動，故其采用不控整流電路。為輸出恒壓、恒頻的交流電壓，PET副邊逆變電路采用電壓閉環控制。

2 PET并聯運行控制原理

兩臺或數臺PET并聯運行是提高系統可靠性和擴大容量的一種有效途徑，有關PET并聯運行的研究尚不夠深入。PET副邊逆變器與US的逆變器工作原理一致，而多臺UPS的并聯運行方面的成果比較豐富[5-7],在研究PET的并聯問題時可以借鑒。
目前提出的PET并聯控制方法主要有：集中控制方式、主從控制方式、分布邏輯控制方式和無互連線控制方式[2]。本文主要針對兩臺無互連線的PET的并聯運行問題進行研究。圖2是兩臺PET并統結構圖，其原方接于同一公共母線。

為了避免并聯變壓器出現環流，各臺PET的二次側電壓的頻率、幅值、相位必須保持一致；為實現并聯變壓器之間有功負荷和無功負荷的穩定分配，各臺PET應具有有功調差特性和無功調差特性。具有調差特性的PET副邊逆變器控制結構圖如圖3所示。

PET二次側電壓的頻率、幅值和相位取決于逆變器的PWM脈沖的正弦調制信號，正弦調制信號的特征與頻率給定值f0、相位給定值ρ0和幅值給定值有關。取f0＝50Hz以保證額定頻率。ρ0對應于有功負荷P0時的電壓初相角（一般取為0，引入有功補償系數Kp＞0），則可形成有功調差特性
　　ρ=ρ0-KpP（1）
　　U0對應于無功負荷Q=0時的電壓幅值，引入無功補償系數KQ＞0，則可形成無功調差特性
　　U=U0-K（2）
　　對并聯運行的各PET，ρ0和U0的值應相同，由于引入有功和無功補償，當負荷變動時，并聯運行的各PET將自動調節其輸出電壓的相位角和幅值，自動實現變壓器間的功率穩定分配；為按變壓器容量大小合理分配負荷，各PET以自身容量為基準的Kp和KQ的標幺值應該相等，一般取0.01～0.05。
　　采用頻率調差特性進行并聯PET以及逆變電源的有功功率分配。顯然，在這種控制方式下，不同負荷時供電頻率不能保持為50Hz；而若為了保證頻率質量，頻率調差系數取值必須很小，這又不利于穩定分配并聯PET間的有功負載。與其不同，本文采用的初相角調差特性，即可保持恒頻供電，又可根據需要選合理的調差系數，實現有功負荷的穩定合理分配。參與并聯的各PET的輸出電壓頻率必須都等于50Hz才能保證正常運行。在圖3 中，由于對頻率采用閉環PI控制，可以做到這一點。
　　并聯運行PET的參數可能不*一致，zui常見的是限流電抗器或連接線電感參數不同。圖3中的電壓測量點特意設置于公共母線，即使對于PET參數不一致的情況，也可以保證并聯PET間的功率穩定合理分配。如電壓測量點位于各PET輸出端，則不能保證這一點。

3 仿真分析

　　本文利用Matlab6.5/Simulink搭建了仿真模型，對兩臺同參數PET的并聯運行進行了仿真。系統主要參數為：PET額定容量10kVA，額定電壓240/110V；PET2額定容量10kVA，額定電壓240/110V系統頻率50Hz，高頻變壓器頻率1000Hz，IGBT開關頻率 9000Hz；KP、KQ硒均取標幺值0.01，頻率給定值f0取50Hz，相位給定值ρ0取0，幅值給定值U0取標幺值為1.0。

3.1 兩臺PET同時投入并聯運行（情況1）

　　1.0s時，兩臺PET在低壓側由空載投入并聯運行，承擔功率因數為0.8的綜合性負載。有關變量波形如圖4-圖6所示。由圖可以看出，兩臺PET對應變量的波形一致。并聯運行后所承擔的負載電流相等，實現了均流控制以及有功、無功負荷的穩定分配，且頻率保持恒定值不變。

3.2 PET2加入并聯運行（情況2）

PET1 帶載運行，1.0s時PET2由空載狀態投入，兩臺PET并聯運行。有關波形如圖7和圖8所示。由圖可見，PET1由單機運行狀態切換至并聯運行狀態后，其承擔的負載電流、有功和無功負荷均有所下降，下降部分由PET2來承擔，zui終兩臺并聯PET之間實現了均流控制以及有功、無功負荷的穩定分配且具有良好的動態響應性能。

4 結 論

　　本文基于有功和無功調差特性方程建立了PET控制策略及模型，基于該模型對PET并聯運行動態過程進行仿真研究。仿真結果表明，該控制策略可以在保持額定供電頻率的前提下，實現有功、 無功負荷的穩定分配，且動態特性良好。