引言

相比于傳統(tǒng)電力變壓器,電力電子變壓器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)重量輕,體積小,沒(méi)有環(huán)境污染:(2)功率因數(shù)可調(diào)節(jié):(3)工作狀態(tài)下可保持副邊或用戶端幅值恒定,不受負(fù)載干擾:(4)變壓器高度可控,原副邊的電壓/電流可控,幅值/相位均可調(diào):(5)變壓器添加了智能控制單元,可對(duì)其本身進(jìn)行自檢測(cè)、自診斷、自保護(hù)、自恢復(fù),提高了安全可靠性,同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)變壓器狀態(tài)變壓或控制聯(lián)網(wǎng)通信:(6)添入斷路器,大功率的電力電子器件故障時(shí)可以瞬時(shí)關(guān)斷故障電流,省去了常規(guī)變壓器的繼電保護(hù)裝置。電力電子變壓器不僅具備傳統(tǒng)變壓器的功能,實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換和電氣隔離,更能實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié),靈活變換相序和相數(shù),在供電類型上能夠同時(shí)輸出交流電和直流電,因而得到了廣泛研究。

本文基于交一直一交型電力電子變壓器,在了解其基本結(jié)構(gòu)和工作原理之后,建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。為實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入電壓,設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)和各級(jí)控制策略,并在Simu1ink仿真環(huán)境中搭建了仿真模型,通過(guò)仿真研究電力電子變壓器的電壓輸入范圍。

1電力電子變壓器的數(shù)學(xué)建模

本文研究的是交一直一交型電力電子變壓器,如圖1所示,其三級(jí)結(jié)構(gòu)從左往右分別為輸入級(jí)、隔離級(jí)、輸出級(jí)。原方三相交流電經(jīng)輸入級(jí)整流后進(jìn)入隔離級(jí),經(jīng)隔離級(jí)高頻調(diào)制再由高頻變壓器耦合到副方,解調(diào)后進(jìn)入輸出級(jí),經(jīng)輸出級(jí)逆變調(diào)制供給負(fù)載。

若高頻變壓器漏感可以忽略,并在建立電力電子變壓器數(shù)學(xué)模型時(shí)做如下假設(shè):

(1)輸出三相正弦電壓且電壓對(duì)稱:

(2)電力電子變換器和高頻變壓器的損耗很小,可以忽略:

(3)電力電子變換器動(dòng)態(tài)特性足夠快。

簡(jiǎn)化電力電子變壓器電路,如圖2所示。

由圖2可以列出電力電子變壓器的動(dòng)態(tài)微分方程,過(guò)程如下:

設(shè)us和u1之間的電阻為R,則電感L和電阻R兩端電壓滿足:

同理:

與us和u1類似,uo和uL滿足:

對(duì)于中間電容建立基爾霍夫電流方程可得:

電路中輸入電容的功率為電容消耗功率與輸出功率之和:

其中,

式中,C2為輸入級(jí)的濾波電容:C2為輸出級(jí)的濾波電容。若輸入電壓為:

設(shè)電力電子變壓器輸入級(jí)電壓源變換器正弦波的調(diào)制比與調(diào)制角為m+、9+,則α+處電壓為:

對(duì)應(yīng)的m2、92為輸出級(jí)變換器正弦波的調(diào)制比與調(diào)制角,則α+處電壓為:

2寬范圍電力電子變壓器各級(jí)控制策略

2.1輸入環(huán)節(jié)控制分析

圖3所示為三相全控oPM整流電路。交流電經(jīng)阻感元件進(jìn)入三相橋,T+~T6為六個(gè)反并聯(lián)二極管的全控型器件,三相電經(jīng)其整流后由電容C進(jìn)行濾波以得到平穩(wěn)的直流電。

若三相交流電源輸入電壓為:

式中,Vs為交流電源相電壓的有效值。

設(shè)。為Is滯后Vs的角度,即功率因數(shù)角,o為Vi滯后于Vs的角度,則交流電流表達(dá)式為:

式中,Is為交流電源輸入三相橋電流的有效值。

同樣,三相橋交流輸入側(cè)的相電壓表達(dá)式為:

式中,Vi為交流側(cè)相電壓有效值。

由圖3可以列出電壓Vs和Vi之間的電壓、電流矢量方程:

其中,電抗X=?L。

根據(jù)式(++)~(+4)和圖3可以得到電壓一電流矢量關(guān)系圖如圖4所示,圖中橫軸為d軸,縱軸為g軸。

對(duì)Vi矢量分解到d、g軸上可得兩軸分量用Ia、Iq表示的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

為了簡(jiǎn)化模型,可以忽略電阻R,則上述Vi的d、g軸分量表達(dá)式變?yōu)?

電流Is在d軸的分量為有功電流,在g軸的分量為無(wú)功電流,Ia、Iq的表達(dá)式為:

因?yàn)閺?fù)功率s=Vs·Is,故:Is=Ia-jIq,那么Is*=IadjIq。因此:

根據(jù)以上各式,也可得出有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式:

由上可知,當(dāng)。為正時(shí),即Is滯后于Vs,Iq為正,從而可以得到無(wú)功功率0為正,0>0表示交流電源向三相橋輸入滯后的無(wú)功功率,也可以稱為感性無(wú)功功率:反之。為負(fù),Is超前于Vs,Iq和0均為負(fù),電源輸出超前的無(wú)功功率或稱容性無(wú)功功率。

而當(dāng)r為正時(shí),即Vi滯后于Vs,由式(22)可知Ia為正,則有功功率P為正,P>0表示交流電源向負(fù)載提供功率,電路此時(shí)處于整流狀態(tài):反之r為負(fù),同樣可推得Ia和P均為負(fù),P<0表示三相橋向交流電源輸入功率,此時(shí)電路工作在逆變狀態(tài)。這就是能量的雙向流動(dòng)。

綜上可知,為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓V+,需控制電源有功功率輸入P,而P的控制則是需要控制三相橋交流側(cè)電壓Vi的大小和Vi相對(duì)三相電源電壓Vs的相位r。因此,如果保持三相交流電壓Vs的三相為相位互差2o/3的正弦波,那么只要控制Vi的大小和相位就能控制輸出電壓Vo,此電力電子變換器就是一個(gè)理想的交直雙向功率變換器。

2.2隔離環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)變壓器投入使用時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的變換和電氣隔離,電力電子變壓器的隔離環(huán)節(jié)在一定程度上就是傳統(tǒng)變壓器的體現(xiàn)。

三相交流電在輸入級(jí)經(jīng)電力電子變換器(本文采用的是電壓源變換器)整流后變?yōu)橹绷麟?而直流電無(wú)法直接通過(guò)高頻變壓器,這里必須先用高頻變換器對(duì)直流電進(jìn)行調(diào)制,將其變?yōu)楦哳l交流電,然后由變壓器耦合到副方后再還原為直流電,作為下一環(huán)節(jié)的輸入。

圖5是電力電子變壓器隔離環(huán)節(jié)的電路結(jié)構(gòu),進(jìn)入的輸入級(jí)直流電經(jīng)單相全橋變換器變?yōu)楦哳l信號(hào),中間變壓器環(huán)節(jié)采用的是高頻變壓器,電路左側(cè)依然是單相全橋變換器,負(fù)責(zé)將耦合到副方的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)。

在這里,單相全橋變換器的作用是高頻調(diào)制(左側(cè))和同步解調(diào)(右側(cè))。如果讓左右側(cè)的單相全橋變換器的控制信號(hào)相同,都是頻率為l0000Hz、占空比為50%的高頻方波,交叉相對(duì)的兩個(gè)全控器件觸發(fā)信號(hào)應(yīng)該相同,而且其中一組必須滯后另一組半個(gè)周期。那這里的高頻方波便可實(shí)現(xiàn)載波功能,將直流電由原方耦合到副方,且在這個(gè)過(guò)程中,電壓的等級(jí)也因?yàn)楦哳l變壓器的存在而改變了。

圖6為單相全橋變換器的高頻方波信號(hào)。

圖6單相全橋變換器控制信號(hào)

2.3輸出環(huán)節(jié)

電力電子變壓器的輸出環(huán)節(jié)需要將隔離環(huán)節(jié)輸入的直流電變換為所需電力特征的三相交流電,因此這里的輸出環(huán)節(jié)也就是一個(gè)逆變器的功能。輸出級(jí)的三相全橋逆變電路、濾波電路如圖7所示。

電路左側(cè)電容為濾波電容,逆變橋輸出接的是r型LC濾波電路,R表示負(fù)載。直流電經(jīng)過(guò)兩電平三相逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)檎曳讲?近似為交流電),由LC濾波器濾除高次諧波得到正弦輸出電壓,之后再接至負(fù)載供電。

三相全橋逆變電路的基本工作方式為l80o導(dǎo)電方式,即可獲得如圖8所示的電壓波形?？刂屏鶚虮垩h(huán)通斷,便可得到近似的三相交流電。

圖8電壓型三相橋式逆變器輸出電壓波形

逆變器采用sVPwM控制,實(shí)現(xiàn)寬輸入電壓的方法就在于輸出環(huán)節(jié)的控制策略。但這里為使負(fù)載側(cè)得到恒壓、恒頻的交流電壓,需要對(duì)負(fù)載側(cè)實(shí)行閉環(huán)控制,輸出電壓跟隨給定,減小前面兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)輸出環(huán)節(jié)的影響。這種閉環(huán)控制策略間接提高了輸入級(jí)的電壓輸入范圍,如圖9所示。隔離級(jí)的直流電經(jīng)電容濾波后輸入到逆變器中,由此得到目標(biāo)電壓、電流供給負(fù)載。這里采用電壓閉環(huán)控制,檢測(cè)逆變器的輸出電壓,經(jīng)過(guò)一個(gè)dg變換將三相靜止坐標(biāo)系下的電壓變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓,得到Ud、Uq:給定值經(jīng)過(guò)同樣的dg變換器得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓給定值Ud*和Uq*。反饋值與參考值進(jìn)行比較,得到兩個(gè)偏差量AUd、AUq,經(jīng)過(guò)比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后再進(jìn)行一個(gè)2r/2s的變換,得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓,控制sVPwM產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,即控制信號(hào),通過(guò)控制逆變器中電力電子器件的關(guān)斷實(shí)現(xiàn)逆變功能。這里因?yàn)殡妷旱拈]環(huán)控制,可以使輸出跟隨給定,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3寬輸入電壓范圍電力電子變壓器仿真研究與分析

仿真的基本參數(shù)設(shè)置:整流環(huán)節(jié),原邊交流電壓幅值為3l0V,頻率為50Hz:升降壓斬波電路占空比為0.2,電感L=0.lH,電容C=500uF,開關(guān)頻率為lkHz:原邊單相全橋逆變輸出頻率為l0kHz:高頻變壓器變比為2:副邊單相全橋整流開關(guān)頻率為10kHz:逆變器輸出頻率為50Hz,負(fù)載為三相對(duì)稱阻感負(fù)載,濾波電容為700μF,濾波電感為5mH。

三相整流橋與單相整流橋的開關(guān)器件通過(guò)的最大電壓為電源電壓的幅值,選擇額定電壓時(shí)需要是電源電壓的2~3倍:逆變電路開關(guān)器件承受的最大電壓為輸入直流電壓的一半:斬波電路的電感值根據(jù)電感電流連續(xù)時(shí)電感量臨界值條件選取,電容值根據(jù)紋波電壓公式選取:濾波時(shí)電感的增大可以減小超調(diào),電容的增大可以減小波動(dòng)。

如圖10所示,波形1為電壓波形,波形2為電流波形,因電感影響,電流值逐漸增大至穩(wěn)定。電壓、電流相位相同,系統(tǒng)做單位功率因數(shù)運(yùn)行。

如圖11所示,因電壓閉環(huán)控制,輸出電壓最終穩(wěn)定在320V左右。但紋波太大,應(yīng)盡可能減小電壓的波動(dòng)。

圖11整流器輸出電壓

整流器的輸出電壓為320V,經(jīng)升降壓斬波電路降壓,占空比為0.2,隔離級(jí)輸入電壓理論值為80V,高頻變壓器變比為2,隔離級(jí)的輸出電壓理論值為40V。圖12中上面波形是輸入直流電壓波形,因斬波電路的降壓,穩(wěn)定值為80V:下面是輸出整流電壓波形,穩(wěn)定值為40V,均與理論值一致。

圖12隔離級(jí)輸入/輸出電壓

圖13上方的高頻方波為原邊電壓,幅值為80V:下方的高頻方波為副邊電壓,幅值為40V。仿真結(jié)果與理論一致。

圖13高頻變壓器輸入/輸出電壓

圖14中,波形1為逆變器的輸出電壓,幅值約為26V:波形2為輸出電流,幅值為0.8A左右。

圖14逆變器輸出電壓、電流

圖15中,波形1為電阻電壓,幅值為15V左右,波形2為電流,與圖14的電流波形相同。

圖15輸出級(jí)電阻上電壓、電流

由仿真圖可知,輸入電壓幅值為310V,最終輸出為26 V ,整個(gè)電力電子變壓器系統(tǒng)的變比為12左右。

4    結(jié)語(yǔ)

為測(cè)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電力電子變壓器的輸入電壓范圍 ,本文在 其他參數(shù)保持不變的情況下 ,分別令交流電源電壓為不同值 , 測(cè)量輸出電壓的幅值并進(jìn)行比較。在其他參數(shù)不變時(shí) , 電力電 子變壓器的變比應(yīng)保持恒定 ,通過(guò)分析可知變比約為12 ,取誤 差為±0. 1 , 即取11.9~12. 1 , 因此電力電子變壓器的輸入電壓 范圍為15~650 V。