- 頭條級聯型電力電子變壓器直流電壓二次紋波抑制策略2020-08-12 作者：涂春鳴、肖凡、袁靖兵、周達 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南大學國家電能變換與控制工程技術研究中心、國網揚州供電公司的研究人員涂春鳴、肖凡、袁靖兵、周達，在2019年第14期《電工技術學報》上撰文指出，直流紋波電壓的存在將影響電力電子變壓器（PET）的可靠性，制約其體積的優化與能量密度的提升。 針對這一問題，提出一種PET直流電壓紋波抑制策略。首先，分析PET的拓撲結構與控制策略，從能量傳輸角度分析PET直流紋波電壓的產生機理，提出基于紋波功率傳遞通路構建的直流紋波電壓抑制策略；然后，對所提控制策略進行建模分析，并通過線性擬合的方法對控制系統的非線性環節進行解耦，實現控制系統中直流環節與交流環節性能的獨立分析；最后，仿真與實驗驗證了理論分析的正確性與所提控制策略的有效性。
電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）作為一種新型的電能轉換設備，近年來，得到國內外眾多學者的關注和研究。相比于傳統電力變壓器，PET不僅具有變壓、電氣隔離等功能，還兼具電能質量隔離、故障隔離、主動交直流能量管理等諸多優點。PET的諸多優勢使其成為智能電網、能源互聯網中的重要電能變換設備，并在輸配電系統與機車牽引系統中具有較大的應用前景。
目前，針對電力電子變壓器拓撲結構與基礎控制策略的研究已較為全面。在拓撲結構方面：電力電子變壓器以三級式結構居多，如圖1所示，包括輸入級、隔離級和輸出級。PET輸入級采用的模塊化級聯H橋（Cascaded H-Bridge, CHB）結構使其具備在中、高壓交流系統的直接接入能力，同時具備較好的冗余設計優勢；隔離級多采用基于中（高）頻變壓器的雙主動橋變換器（Dual Active Bridge, DAB），多DAB輸出并聯可提供公共的低壓直流母線；輸出級由逆變器提供交流接口來連接低壓配網和負荷。
在基礎控制策略方面：現有控制目標主要包括各端口間的電壓變換、各端口間能量供需的平衡、相內模塊的均壓與均功率、相間傳輸功率的均衡四個方面，相應的控制策略可以分為采用輸入級均壓、隔離級均功率和采用隔離級均壓、輸入級均功率兩大類。電力電子變壓器作為電能變換樞紐，其多個端口間的能量平衡是實現能量調度的前提，也是其與光伏、儲能等協調運行的基礎，相關的控制策略均得到了重視與研究。
圖1 三相級聯型電力電子變壓器電路拓撲
電力電子變壓器作為一種新型的電力變壓器和大容量電力電子變流器，體積與可靠性是評價其性能的重要指標。而制約大容量電力電子變流系統體積優化的主要原因之一是其直流側二次紋波電壓的存在。直流側二次紋波電壓迫使電容器容值選型增大，導致體積較難優化，進而間接提高了裝置整體成本。
同時，較大的二次紋波電壓將劣化交流輸入與輸出電壓質量，對功率器件造成附加耐壓，使得系統穩定運行面臨挑戰。對PET而言，二次紋波抑制的意義不僅體現在部分能量交換元件空間尺寸的縮小，同時也體現在裝備成本的降低、功率密度的提高、穩定性與輸入輸出性能的提升。
目前，直流側二次紋波的抑制已得到學術界的廣泛關注，大量文獻針對不同類型的電力電子變流系統開展了紋波電壓抑制的研究。
現有的抑制方法可分為硬件方法與軟件控制方法。硬件方法包括并聯LC二次諧振濾波器、增加支撐電容、增加吸收裝置等。這類紋波抑制方法簡單有效，可移植性與適應性好，但應用時均會增加裝置體積和提高投入成本，同時對控制系統的動態響應性能也存在影響，因此硬件方法多處在早期研究階段。
軟件控制方法多基于電力電子系統本身拓撲結構特點，經過合理的控制實現，不會帶來體積與成本優化問題。目前軟件控制方法已在風電變流器與模塊化多電平型換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）中得到應用。
對電力電子變壓器而言，其拓撲結構存在一定的特殊性，二次紋波的抑制也具有特殊性。文獻[20]提出了一種基于直流陷波及輸出擾動前饋控制的PET直流電壓二次紋波抑制策略，該方法可降低直流紋波電壓對PET系統的影響。
文獻[21]提出采用同步功率控制器來實現高、低壓直流側紋波的相互中和，從而達到降低直流紋波電壓的效果。所提方法僅適合輸入輸出均為單相交流系統的結構，且其隔離級采用比例積分（PI）控制器，對紋波功率跟隨效果并不完善，因此最終治理效果并不理想。文獻[23]與文獻[21]相似，采用PI控制器對紋波電壓直接進行控制，其相位跟隨能力不能得到保障，因此紋波抑制效果也將受到影響。
本文首先分析了三相級聯型PET的電路拓撲，從能量傳遞的角度分析了直流側紋波電壓產生的機理，指出通過控制相內各級DAB來傳輸網側脈動功率與電感脈動功率，可實現對輸入級電壓紋波的抑制。
根據這一特性，本文對傳統控制策略的控制器特性進行改進，即隔離級采用比例積分-諧振（PI-R）控制器來控制紋波電壓，并對比指出采用PI控制器對直流電壓紋波抑制存在的不足。仿真和實驗驗證了本文所提控制策略的正確性和有效性。
圖5 本文所提的三相級聯型PET隔離級控制框圖
圖12 采用優化控制策略PET仿真波形
總結
本文針對PET的直流紋波電壓抑制問題，從功率角度分析了紋波電壓生成的機理，并基于所分析的機理提出了紋波抑制策略。針對隔離級DAB的強耦合非線性特性，建立了控制系統模型，提出采用線性擬合的方法對隔離級進行線性擬合實現直流環節與交流環節的解耦，解耦后可以明晰控制系統各環節的影響。理論分析與實驗結果得出以下結論：
- 1）電力電子變壓器直流側紋波電壓由其功率交換導致，且隨著PET傳輸功率的提升，脈動功率逐漸增大。
- 2）對電力電子變壓器隔離級加入合適的脈動功率控制環節能夠有效抑制高壓直流側紋波電壓，在面對輸入不對稱或DAB傳輸效率不一致時，采用合理的權重取舍即可優化高低壓側紋波電壓值。
- 3）本文所提的線性擬合方法能夠有效地對PET隔離級進行解耦，對于脈動功率環控制器參數的選取具有較好的指導意義。
