配電網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、可改善電能質量、輸電方式靈活等多方面優勢，近年來電力電子變壓器的廣泛應用也與其優勢存在直接聯系，基于此，本文簡單分析了電力電子變壓器，并詳細論述了電力電子變壓器仿真及分析，希望由此能夠為相關業內人士帶來一定啟發。

關鍵字：配電網；電力電子變壓器；仿真

電力電子變壓器的發展離不開電力電子技術的進步支持，許多新型電力電子變壓器拓撲結構也因此大量涌現。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變壓器，電力電子變壓器可更好服務于智能電網建設，而為了盡可能發揮電力電子變壓器優勢，正是本文圍繞配電網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兩種拓撲結構，其中AC/DC/AC型拓撲結構具備單獨解耦控制、存在兩個直流環節的優勢，高頻變壓器、一二次電力電子變換器屬于AC/DC/AC拓撲結構電力電子變壓器的主要構成，一二次電力電子變換器在其中主要負責工頻交流電與高頻方波的相互轉化。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）拓撲結構

電力電子變壓器屬于配電網領域的重要配電設備，進行高壓向低壓轉換以滿足用電設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于配電網運行，近年來業界圍繞高壓大功率場合的電力電子變壓器應用開展了大量研究，但同時引發的控制復雜、超調量增大、延遲時間變長等問題開始成為研究的焦點。

（三）控制器設計

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計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構負責中間隔離級的控制，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控制策略（電壓外環電流內環），后者則采用了為負荷提供正弦工頻電壓設計。

二、電力電子變壓器仿真及分析

（一）仿真設置

選擇了本文研究的AC/DC/AC型拓撲結構電力電子變壓器作為仿真研究對象。結合電力電子變壓器實際，仿真分析將應用基于電力系統電磁暫態仿真軟件PSCAD實現，仿真設計如下所示：（1）輸入級雙環控制PI調節器。外環直流電壓控制積分時間常數為0.008s、比例系數為5，無功控制積分時間常數為10s、比例系數為2，無功電流控制積分時間常數為0.5s、比例系數為1.5.（2）SPWM調制方式。為減少諧波污染，采用SPWM調制方式用于輸入輸出級，載波比取99、三角載波頻率為4950Hz，輸入級調制深度為0.87，輸出級調制深度為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。調制波頻率為1000Hz、載波頻率為1000Hz，負荷有功為0.5MW、無功為0.4MVar。

（二）穩態運行仿真

開展穩態運行仿真，可發現電力電子變壓器穩態運行下二次側電壓相位明顯超前電流，而一次側電壓電流基本同相位，深入分析可發現，電力電子變壓器一次側功率因數接近1（＞0.98），二次側負載功率因數為0.78，由此可斷定電源正輸送有功功率至負載側，這說明電力電氣變壓器的應用實現了負荷無功變動的有效隔離，電網受到的影響被降到最低。

（三）負荷投切仿真

在系統運行到1s時，三相負荷有功、三項負荷無功分別由500kW、400kVar突增至600kW與450kVar，而當系統運行到1.1s時，三相負荷有功、三項負荷無功則恢復到500kW、400kVar。由此圍繞一二次側三相參數變化開展分析不難發現，負荷投入后電力電子變壓器二次側電流有所增加，但這一增加會在負荷切除恢復，同時負荷投切還會帶來持續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秀抗負荷擾動能力，電力電子變壓器因此可較好服務于電能質量調節。

（四）暫態仿真以及諧波仿真

在系統運行到1s時，網側、負荷側分別發生持續時間為0.04s的三相對稱接地短路，前者三項接地短路時負荷側三相電壓瞬間下降為0，且故障切除后負荷上增加了短路時的巨大能量，三相電壓瞬時值因此出現了顯著增加，這一增加于0.1s后恢復且網側電壓沒有在暫態過程中發生變化，后者三項接地短路時負荷側電壓始終保持恒定，由此可發現電力電子變壓器在故障傳播隔離層面具備的優秀表現；分析負荷側發生不對稱短路時電力電子變壓器兩側電壓情況、含有諧波時電力電子變壓器兩側電壓情況，可發現網側電壓在兩種狀況下均為標準的正弦波電壓，電力電子變壓器的應用優勢由此得到了更好證明。結合仿真可確定本文研究的電力電子變壓器能夠實現有功無功解耦控制，且能夠滿足網側功率因數的靈活調節需要，網損降低、故障隔離、電能質量提升也將由此實現。

三、結論

綜上所述，基于配電網電力電子變壓器仿真具備較高現實意義，在此基礎上，本文涉及的仿真設置、穩態運行仿真、負荷投切仿真、暫態仿真以及諧波仿真等內容，則提供了可行性較高的配電網電力電子變壓器仿真路徑，而為了保證仿真質量，電力電子變壓器理論研究不完善現狀必須得到重視。

參考文獻：

[1]周廷冬,徐永海.基于MMC的配電網電力電子變壓器故障特性分析[J].電工電能新技術,2017,36(05):34-41.

[2]張祥龍,周暉,肖智宏.電力電子變壓器在有源配電網無功優化中的應用[J].電力系統保護與控制,2017,45(04):80-85.

作者:朱然 單位:深圳市中電電力技術股份有限公司（武漢研發中心）