电力电子干式变压器并联运行动力学的Matlab仿真

作为一种新型的电力干式变压器，电力电子变压器越来越受到内外研究者的关注。它是一种含有电力电子变换器，通过高频干式变压器实现磁耦合的电力变换装置。PET是一种新型多功能干式变压器，它不仅完成常规变换、隔离和能量转移，还起到电能质量控制器的作用。在配电系统中使用，不仅可以降低电压，还可以保证电能质量。两个或多个并联运行是干式变压器的一种重要运行方式，具有重要的研究价值。然而，目前内外对聚酯的研究主要集中在它的拓扑结构和控制策略上，而对它在电力系统中的应用及其运行特性的研究相对薄弱。采用主从控制方案，解决并联PET输出交流侧并联均流问题。模拟了阶跃载荷和非线性载荷作用下并联聚酯载荷的动态过程。本文研究了并行聚酯负荷分配的控制策略，并对典型运行进行了动态仿真。

1 pet的基本结构和控制策略

PET的基本拓扑分为交流-交流-交流变换器和交流-DC-交流-DC变换器。前者结构简单，但可控性不高；后者结构复杂，控制策略完善，实用性强。典型的交流-DC-交流-DC-DC拓扑如图1所示。

PET一次侧电压源PWM整流电路采用解耦电压电流双闭环控制，只要干式变压器负载在一定范围内为感性或容性，电网的功率因数即可接近1；初级单相逆变电路实现高频逆变，采用开环控制。为了减小干式变压器的体积和重量，干式变压器的导磁材料是铁氧体和其他导磁磁芯。干式变压器的二次整流电路用于实现高频整流，配电干式变压器不考虑能量的双向流动，因此采用无控整流电路。PET二次逆变电路为了输出恒压恒频交流电压，采用电压闭环控制。

2聚酯并联运行控制原理

两台或多台聚酯装置并联运行是提高系统可靠性和扩大系统容量的有效途径，但对聚酯装置并联运行的研究还不够深入。PET二次逆变器的工作原理与美逆变器相同，在多个UPS并联运行方面有丰富的成果[5-7]，在研究PET并联运行时可以借鉴。目前提出的PET并行控制方式主要有集中控制方式、主从控制方式、分布式逻辑控制方式和非互联控制方式[2]。本文研究了两个不互连的聚酯装置的并联运行。图2是两个正电子发射断层扫描并行系统的结构图，它们的初级侧连接到同一公共总线。

为了避免并联干式变压器中的环流，每个PET的二次侧电压的频率、幅值和相位必须一致；为了实现并联干式变压器之间有功负荷和无功负荷的稳定分配，每个聚酯都应具有有功和无功功率差调节的特点。图3为具有误差调节特性的PET二次逆变器控制结构图。

PET二次侧电压的频率、幅值和相位取决于逆变器PWM脉冲的正弦调制信号，正弦调制信号的特性与频率给定值f0、相位给定值0和幅值给定值有关。取F0=50 Hz，保证额定频率。0对应于有功负荷P0的初始电压相角(一般取0，引入有功补偿系数KP > 0)，那么有功差动调节特性=0-KpP(1) U0对应于无功负荷Q=0的电压幅值，引入无功补偿系数KQ > 0，由于引入了有功和无功功率补偿，可以对每个并联运行的PET形成无功差动调节特性U=U0-KQQ(2)， 当负载变化时，并联运行的各台PET会自动调整其输出电压的相角和幅值，自动实现干式变压器之间的稳定配电； 为了根据干式变压器的容量合理分配负荷，各聚酯基于自身容量的Kp和KQ标准值应相等，一般取0.01 ~ 0.05。并联PET和逆变电源的有功功率分配是通过频差调节来实现的。显然，在这种控制模式下，供电频率无法维持在50Hz在不同载荷下；但为了保证频率质量，频差系数的值必须很小，不利于并联PET之间有功负荷的稳定分配。与此不同，本文采用了初相角差调节的特点，既能保持恒频供电，又能根据需要选择合理的差调节系数，从而实现有功负荷的稳定合理分配。每个参与并联的PET的输出电压频率必须等于50Hz，以保证正常运行。在图3中，这是可以做到的，因为频率采用闭环PI控制。并联运行的PET的参数可能不完全一致，但较常见的是限流电抗器或连接线的电感参数不同。图3中的电压测量点刻意设置在公共母线上，即使PET参数不一致，也能保证并联PET之间稳定合理的功率分配。如果电压测量点位于每个聚酯输出端，这是无法保证的。 #p#分页标题#e#

3模拟分析

本文利用Matlab6.5/Simulink建立仿真模型，模拟两台参数相同的聚酯装置的并联运行。系统主要参数为：PET额定容量10kVA，额定电压240/110v；PET2额定容量10kVA，额定电压240/110V，系统频率50Hz，高频干式变压器频率1000Hz，IGBT开关频率9000Hz。KP和KQ硒含量为0.01，频率f0为50Hz，相位0为0，振幅U0为1.0。

3.1

1.0s时，两台PET在低压侧由空载投入并联运行，承担功率因数为0.8的综合性负载。有关变量波形如图4-图6所示。由图可以看出，两台PET对应变量的波形一致。并联运行后所承担的负载电流相等，实现了均流控制以及有功、无功负荷的稳定分配，且频率保持恒定值不变。

3.2  PET2加入并联运行（情况2）

PET1 带载运行，1.0s时PET2由空载状态投入，两台PET并联运行。有关波形如图7和图8所示。由图可见，PET1由单机运行状态切换至并联运行状态后，其承担的负载电流、有功和无功负荷均有所下降，下降部分由PET2来承担，较终两台并联PET之间实现了均流控制以及有功、无功负荷的稳定分配且具有良好的动态响应性能。

4  结  论

本文基于有功和无功调差特性方程建立了PET控制策略及模型，基于该模型对PET并联运行动态过程进行仿真研究。仿真结果表明，该控制策略可以在保持额定供电频率的前提下，实现有功、 无功负荷的稳定分配，且动态特性良好。