87基于移相变换器的电力电子变压器研究.doc

基于移相变换器的电力电子变压器研究 车嘉1，毕长生2，马宁3，许磊4 （沈阳电力勘测设计院） 摘要：传统变压器以其突出的稳定性和极高的工作效率在电力系统中得到了广泛的应用，但传统变压器的重量和体积较大，近年来在应对电能质量问题上的不足也逐渐突显出来；另外，电力电子器件的性能逐步提高，电力电子技术飞速发展，在电力系统中的应用范围也越来越大，因此，能否将电力电子技术应用于变压器领域进而改进传统变压器存在的问题成为了研究热点，电力电子变压器的概念应运而生。电力电子变压器中的高频直流环节是提高其工作效率和降低装置体积的关键部分，本文采用可以实现零电压开关(ZVS)的移相全桥直流变换器，通过仿真实验验证了将其应用在电力电子变压器中的可实现性以及电力电子变压器在改进电能质量方面的作用。 关键词：变压器；变换器；电能质量 0引言 随着电力电子技术在电力系统中的应用越来越广泛，一种用于配电网变压的电力电子装置逐渐引起研究者的关注，由于其基本功能同传统变压器一致，均是实现能量的传递和电压等级的变换，因此被称为电力电子变压器(PET)。对于包含直流环节的电力电子变压器，直流环节是影响其工作效率和重量体积的重要部分，研究电力电子变压器的目标之一便是降低变压器的重量体积，最有效的方式是提升直流环节开关器件的工作频率，而开关频率的升高势必会引起开关器件带来的损耗的增加，进而降低电力电子变压器的工作效率。移相全桥直流变换器利用开关器件的结电容和电路中的谐振电感可以实现零电压开关(ZVS)，减小高频状态下开关器件的损耗，达到在降低装置重量体积的同时，提升其工作效率的目标。 1拓扑结构和工作原理 电力电子变压器的拓扑结构如图1所示，它的工作原理是在整流环节中将输入的高压交流电变成高压直流电，然后经过移相全桥调制成高频的交流方波，利用高频的变压器耦合到副边，再利用全波整流为直流的低压，最后利用逆变环节变为所需要的工频交流电。 图1 基于零电压移相全桥变换器的电力电子变压器 1.1整流环节 在整流环节利用了两电平的形式，其主要功能为：(1)将直流输入电压提供给移相全桥变压器；(2)确保网侧的电流和电压的相位相同，进而实现功率因数的校正功能。在以上两点的基础上，整流环节的控制策略如图2所示，由图中可看出其控制系统为双闭环情况，直流电压的控制环处于外环，交流电流的控制环处于内环，并通过直接电流进行控制，与间接电流的控制相比较，可以明显提高系统的动态响应速度。 图2 整流环节的控制策略 1.2逆变环节 电力电子变压的输出部分处于逆变环节，输出部分的作用是将直流环节中输出的直流电压逆变为需要的恒频恒压的交流电，当网侧电压波动或负荷突变时能够确保输出的电压保持不变，并且保证输出电压符合国家规定的电能质量标准。在配电系统中的负荷多数属于无源性质，所以在控制方式上利用在d、q和，再经过SVPWM得到开关管的触发信号，其控制策略如图3所示。 图3逆变环节控制策略 2移相全桥实现零电压开关的条件 由于开关器件结电容的存在，器件两端电压不能突变，因此可以实现零电压关断，而若要实现零电压开通，须保证有足够的能量抽走将要开通的开关的结电容上的电荷，并给同一桥臂将要关断的开关的结电容充电。在不考虑原边绕组的寄生电容和MOSFET结电容非线性的情况下，超前臂实现零电压开关需要满足式(1)和(2)，滞后臂需要满足式(3)和为谐振电感，为滤波电感，为原边电流，为直流输入电压，为高频变压器变比，为超前臂电容值，为滞后臂电容值，为死区时间。 (1) (2) (3) (4) 3仿真研究 为验证文中所提方法的可行性以及电力电子变压器的功能，利用Matlab软件并在Simulink环境下建立模型进行仿真研究，该仿真研究基于10kV/0.38kV配电系统，具体的仿真参数为：输入的电感为10mH，直流稳压电容为100uF，谐振电感为40uH，并联结电容为10nF，输出的滤波电感为1mH，滤波电容为33uF，直流环节的开关频率为100kHz，负荷有功功率为40kW，无功功率为10kvar。 图4为网侧电流电压的波形，由图4可知网侧电压与电流均为相位相同的正弦波，这说明整流环节能够实现单位功率因数控制的目标。 图4 网侧电流电压 由图5和图6能够看出网侧电压变动时候PET所输出的电压状况。由图5可看出在0.4s至0.5s之间网侧电压分别出现了15%的电压跌落和15%的电压上升。对输出的电压进行傅立叶分析，可知输出电压的THD变化非常小