配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真探究

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摘要：作為一種新型智能變壓器，電力電子變壓器具備重量輕、體積小、可改善電能質(zhì)量、輸電方式靈活等多方面優(yōu)勢，近年來電力電子變壓器的廣泛應(yīng)用也與其優(yōu)勢存在直接聯(lián)系，基于此，本文簡單分析了電力電子變壓器，并詳細(xì)論述了電力電子變壓器仿真及分析，希望由此能夠?yàn)橄嚓P(guān)業(yè)內(nèi)人士帶來一定啟發(fā)。

關(guān)鍵字：配電網(wǎng)；電力電子變壓器；仿真

電力電子變壓器的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)的進(jìn)步支持，許多新型電力電子變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也因此大量涌現(xiàn)。相較于存在體積重量大、無法有效隔離故障、空載損耗高等缺陷的傳統(tǒng)變壓器，電力電子變壓器可更好服務(wù)于智能電網(wǎng)建設(shè)，而為了盡可能發(fā)揮電力電子變壓器優(yōu)勢，正是本文圍繞配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真開展具體研究的原因所在。

一、電力電子變壓器

（一）基本原理

電力電子變壓器存在AC/AC、AC/DC/AC兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中AC/DC/AC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備單獨(dú)解耦控制、存在兩個直流環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，高頻變壓器、一二次電力電子變換器屬于AC/DC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力電子變壓器的主要構(gòu)成，一二次電力電子變換器在其中主要負(fù)責(zé)工頻交流電與高頻方波的相互轉(zhuǎn)化。值得注意的是，電力電子變壓器的體積與自身頻率成反比。

（二）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電力電子變壓器屬于配電網(wǎng)領(lǐng)域的重要配電設(shè)備，進(jìn)行高壓向低壓轉(zhuǎn)換以滿足用電設(shè)備使用需要屬于電力電子變壓器的主要作用。為保證電力電子變壓器較好服務(wù)于配電網(wǎng)運(yùn)行，近年來業(yè)界圍繞高壓大功率場合的電力電子變壓器應(yīng)用開展了大量研究，但同時引發(fā)的控制復(fù)雜、超調(diào)量增大、延遲時間變長等問題開始成為研究的焦點(diǎn)。

（三）控制器設(shè)計(jì)

電力電子變壓器的控制器主要包括輸入級控制器、輸出級控制器，本文研究的電力電子變壓器控制器設(shè)計(jì)采用了定無功功率控制、定交流電壓控制（輸出級），定無功功率控制和定直流電壓控制則用于電力電子變壓器輸入級，采用兩個單相全橋變換器結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)中間隔離級的控制，為電力電子變壓器輸出級控制。其中，輸入級控制的目的是為了控制直流電壓恒定并保證功率因素為1，輸出級控制則是為了阻礙無功功率傳播并保證輸出電壓恒定，因此前者采用了雙閉環(huán)控制策略（電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)），后者則采用了為負(fù)荷提供正弦工頻電壓設(shè)計(jì)。

二、電力電子變壓器仿真及分析

（一）仿真設(shè)置

選擇了本文研究的AC/DC/AC型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力電子變壓器作為仿真研究對象。結(jié)合電力電子變壓器實(shí)際，仿真分析將應(yīng)用基于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD實(shí)現(xiàn)，仿真設(shè)計(jì)如下所示：（1）輸入級雙環(huán)控制PI調(diào)節(jié)器。外環(huán)直流電壓控制積分時間常數(shù)為0.008s、比例系數(shù)為5，無功控制積分時間常數(shù)為10s、比例系數(shù)為2，無功電流控制積分時間常數(shù)為0.5s、比例系數(shù)為1.5.（2）SPWM調(diào)制方式。為減少諧波污染，采用SPWM調(diào)制方式用于輸入輸出級，載波比取99、三角載波頻率為4950Hz，輸入級調(diào)制深度為0.87，輸出級調(diào)制深度為0.8125，換流電感為7mH、直流電感為5600μF。（3）中間隔離級單相全橋變換器。調(diào)制波頻率為1000Hz、載波頻率為1000Hz，負(fù)荷有功為0.5MW、無功為0.4MVar。

（二）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真

開展穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真，可發(fā)現(xiàn)電力電子變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下二次側(cè)電壓相位明顯超前電流，而一次側(cè)電壓電流基本同相位，深入分析可發(fā)現(xiàn)，電力電子變壓器一次側(cè)功率因數(shù)接近1（＞0.98），二次側(cè)負(fù)載功率因數(shù)為0.78，由此可斷定電源正輸送有功功率至負(fù)載側(cè)，這說明電力電氣變壓器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷無功變動的有效隔離，電網(wǎng)受到的影響被降到最低。

（三）負(fù)荷投切仿真

在系統(tǒng)運(yùn)行到1s時，三相負(fù)荷有功、三項(xiàng)負(fù)荷無功分別由500kW、400kVar突增至600kW與450kVar，而當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到1.1s時，三相負(fù)荷有功、三項(xiàng)負(fù)荷無功則恢復(fù)到500kW、400kVar。由此圍繞一二次側(cè)三相參數(shù)變化開展分析不難發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷投入后電力電子變壓器二次側(cè)電流有所增加，但這一增加會在負(fù)荷切除恢復(fù)，同時負(fù)荷投切還會帶來持續(xù)時間較短的輸出電壓波動，約為0.02~0.03s，由此可直觀了解電力電子變壓器具備的優(yōu)秀抗負(fù)荷擾動能力，電力電子變壓器因此可較好服務(wù)于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。

（四）暫態(tài)仿真以及諧波仿真

在系統(tǒng)運(yùn)行到1s時，網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)分別發(fā)生持續(xù)時間為0.04s的三相對稱接地短路，前者三項(xiàng)接地短路時負(fù)荷側(cè)三相電壓瞬間下降為0，且故障切除后負(fù)荷上增加了短路時的巨大能量，三相電壓瞬時值因此出現(xiàn)了顯著增加，這一增加于0.1s后恢復(fù)且網(wǎng)側(cè)電壓沒有在暫態(tài)過程中發(fā)生變化，后者三項(xiàng)接地短路時負(fù)荷側(cè)電壓始終保持恒定，由此可發(fā)現(xiàn)電力電子變壓器在故障傳播隔離層面具備的優(yōu)秀表現(xiàn)；分析負(fù)荷側(cè)發(fā)生不對稱短路時電力電子變壓器兩側(cè)電壓情況、含有諧波時電力電子變壓器兩側(cè)電壓情況，可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓在兩種狀況下均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓，電力電子變壓器的應(yīng)用優(yōu)勢由此得到了更好證明。結(jié)合仿真可確定本文研究的電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)有功無功解耦控制，且能夠滿足網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的靈活調(diào)節(jié)需要，網(wǎng)損降低、故障隔離、電能質(zhì)量提升也將由此實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)論

綜上所述，基于配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真具備較高現(xiàn)實(shí)意義，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的仿真設(shè)置、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行仿真、負(fù)荷投切仿真、暫態(tài)仿真以及諧波仿真等內(nèi)容，則提供了可行性較高的配電網(wǎng)電力電子變壓器仿真路徑，而為了保證仿真質(zhì)量，電力電子變壓器理論研究不完善現(xiàn)狀必須得到重視。

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作者:朱然 單位:深圳市中電電力技術(shù)股份有限公司（武漢研發(fā)中心）