文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182154
中文引用格式： 黨存祿，慈航樂，黨媛. 具有儲能環(huán)節(jié)的電力電子變壓器電能質(zhì)量研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：118-121，126.
英文引用格式： Dang Cunlu，Ci Hangle，Dang Yuan. Research on power quality of power electronic transformer with energy storage link[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：118-121，126.
0 引言
電力電子變壓器(Power Electronic Transformer，PET)是基于電力電子變換技術(shù)從而把某一特定電力屬性能量轉(zhuǎn)化為另一種電力屬性能量的新型電力裝置[1]。電力電子變壓器在完成傳統(tǒng)電力變壓器電力的經(jīng)濟(jì)輸送、分配和安全升高或降低電壓等主要功能之外，還可以實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化、提高電能質(zhì)量等附加功能[2]。但是電力電子變壓器本身不具備儲能環(huán)節(jié)，無法解決電網(wǎng)中的電壓中斷等問題。
超級電容是從二十世紀(jì)末期發(fā)展起來的通過電極與電解質(zhì)之間形成的界面雙層來儲能的一種電化學(xué)元件[3]。它具有容量范圍廣、便于模塊化設(shè)計、可重復(fù)利用、無污染、易維修等優(yōu)點(diǎn)。超級電容作為電力儲能環(huán)節(jié)可用于電網(wǎng)的電能質(zhì)量優(yōu)化[4]。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓中斷等故障情況時，超級電容中儲存的電能通過雙向逆變器對電網(wǎng)發(fā)出，第一時間進(jìn)行功率補(bǔ)償，在一段時間內(nèi)保持電網(wǎng)的電壓恒定，從而保證各用電設(shè)備能安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。
為了使PET具備跨越電網(wǎng)電壓中斷的能力，本文對具有儲能環(huán)節(jié)的PET進(jìn)行研究，其中，儲能環(huán)節(jié)由超級電容和雙向DC/DC變換器組成，通過控制超級電容的充放電狀態(tài)，保障當(dāng)電網(wǎng)中斷時用電設(shè)備的功率需求。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明該結(jié)構(gòu)及其控制策略的合理性。
1 具有儲能環(huán)節(jié)的PET系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 在PET中應(yīng)用超級電容的可行性
超級電容作為一種前沿的電能儲存元件，具備產(chǎn)品制造過程無污染、高穩(wěn)定性等技術(shù)特性。隨著制造水平的提高，超級電容的能量密度和功率密度還有很大的上升空間，制造成本也會大幅降低[5]。在電網(wǎng)中，絕大部分電壓中斷的時間都小于1 s[6]，所以，在這個時間跨度中，雖然用電設(shè)備所需的功率較大，但其中的總電能卻相對較小，這恰好可以適用于超級電容功率密度高的特性。因此，將超級電容用于電力電子變壓器中以維持其直流母線的電壓并改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量是有廣泛前景的。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性
本文研究對象為電網(wǎng)中的電力電子變壓器，為保證單相負(fù)荷的需求，文中所使用的是一種較經(jīng)典的AC/DC/AC型3階式PET結(jié)構(gòu)，如圖1所示[7-8]。它主要由輸入級、中間隔離級和輸出級所構(gòu)成。
具有儲能環(huán)節(jié)的PET系統(tǒng)包含電力電子變壓器和儲能環(huán)節(jié)，其中儲能環(huán)節(jié)由一個雙向DC/DC變換器和一個超級電容構(gòu)成，如圖2所示。圖中的超級電容可以等效建模為一個電阻RSC和一個電容CSC，超級電容通過雙向DC/DC變換器所連接的為電力電子變壓器的直流側(cè)[9]。這種儲能環(huán)節(jié)的連接方式與直接將超級電容和PET直流側(cè)相連進(jìn)行對比，只是多一個直流變換器，卻對整個系統(tǒng)有很大的改善。
2 控制策略
2.1 儲能環(huán)節(jié)的設(shè)計
2.1.1 超級電容的設(shè)計
電網(wǎng)中電壓中斷持續(xù)時間為0.5周期～3 s，當(dāng)斷電持續(xù)時間大于60 s時稱作長期電壓中斷，長期電壓中斷持續(xù)時間具有不確定性，無法對補(bǔ)償?shù)哪芰窟M(jìn)行計算，也無法對儲存的能量進(jìn)行設(shè)計。因此，在對儲能環(huán)節(jié)容量進(jìn)行設(shè)計時只考慮中斷時間在60 s以內(nèi)的情況。考慮到超級電容本身的特點(diǎn)，本文使用超級電容作為儲能環(huán)節(jié)的能量存儲介質(zhì)，如圖3所示。該模型結(jié)構(gòu)簡便，可以清晰地表示超級電容在充放電過程中所具有的電氣特性。
理想超級電容其釋放的能量公式可以表述為：
2.1.2 電感L的設(shè)計
電感L在雙向DC/DC變換器運(yùn)行過程中起到的功能是動態(tài)能量存儲。設(shè)計電感L時，電感L所產(chǎn)生的紋波電流是不能忽視的因素。因?yàn)槿绻y波電流過大，超出了電容的最大容許紋波電流值，會使電容擊穿甚至損壞。故電流紋波的計算公式為：
由上式可知，電流紋波與直流側(cè)電容電壓UDC的關(guān)系為正相關(guān)，與開關(guān)頻率fPWM和電感值L為反相關(guān)。所以，當(dāng)其他參數(shù)不變的情況下，占空比D為0.5，則電感電流紋波達(dá)到最大值。綜上所述，在本文中的電感L取值為3 mH。
2.1.3 雙向DC/DC變換器的設(shè)計
在儲能環(huán)節(jié)中，雙向DC/DC變換器作為儲能環(huán)節(jié)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的核心。本文所采用的半橋型雙向DC/DC變換器包括升壓和降壓兩種模式。假定一個開關(guān)周期內(nèi)超級電容端電壓不變，圖3為雙向DC/DC變換器等效電路。該變換器有兩種運(yùn)行模式：降壓（Buck）模式和升壓（Boost）模式。
2.1.4 電容CDC的設(shè)計
在雙向DC/DC變換器運(yùn)行過程中，電容CDC能在一個開關(guān)周期內(nèi)給系統(tǒng)提供足夠的無功支撐。電容CDC的大小將會影響到輸出電壓紋波、電流紋波以及系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。故電壓紋波的計算公式為：
由上式可知，直流側(cè)電容容量與電壓紋波的關(guān)系成反比。因此，在本文中的電容CDC取值為0.1 F。
2.2 儲能環(huán)節(jié)的控制
在PET的儲能環(huán)節(jié)中，雙向DC/DC變換器存在的工作模式有：Buck模式、Boost模式和備用模式。但降壓模式或升壓模式的電路結(jié)構(gòu)不完全一致，因而對應(yīng)變換器建立的數(shù)學(xué)模型也存在差異。
(1)降壓模式控制
處在Buck模式下的雙向DC/DC變換器，其目的是調(diào)節(jié)充電電流的值并保證充電電壓不能大于超級電容所能承受的閾值。設(shè)變換器狀態(tài)變量為超級電容電壓USC和電感電流iL，開關(guān)VT1的占空比是D。根據(jù)所建立的大信號模型，通過狀態(tài)空間平均法對其信號施加弱干擾信號，能夠得到運(yùn)行點(diǎn)周邊的小信號模型[10]。故降壓模式下的小信號模型為：
由上式可得，控制到電壓、電流的小信號傳遞函數(shù)中不包含占空比D，所以占空比D無法改變傳遞函數(shù)所對應(yīng)的零極點(diǎn)，故雙向DC/DC變換器在該模式下的功能相當(dāng)于一個線性變換器。因此選擇恒流方式對超級電容進(jìn)行充電，當(dāng)雙向DC/DC變換器處于該模式時，將持續(xù)觀察充電電流以及超級電容的端電壓，一旦其端電壓達(dá)到所需要的值時，將立刻對超級電容進(jìn)行斷電。圖4為雙向DC/DC變換器處于Buck模式下的控制框圖。
(2)升壓模式控制
處在Boost模式下的雙向DC/DC變換器，主要通過超級電容放電來維持低壓直流母線側(cè)電壓，使其電壓保持穩(wěn)定[11]。與降壓模式相同，對增加擾動后的狀態(tài)平均方程進(jìn)行解析，即可知該模式所對應(yīng)的電壓、電流的小信號傳遞函數(shù)為：
由上式可得，變換器在工作于Boost模式時，輸出的電壓會出現(xiàn)先下降再升高的非最小相位系統(tǒng)傳遞延遲或者停歇的特性，所以當(dāng)設(shè)計其控制器時，本文將選用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。其中，電壓外環(huán)的功能是通過直流側(cè)輸出電壓的偏差，保證輸出電壓Udc的恒定；電流內(nèi)環(huán)的功能是提升輸出電壓的放電速度同時產(chǎn)生與之相匹配的補(bǔ)償電流，圖5為其控制框圖。
3 具有儲能環(huán)節(jié)的PET仿真研究
3.1 仿真方案
3.1.1 仿真模型及系統(tǒng)參數(shù)
為了驗(yàn)證具有儲能環(huán)節(jié)的PET對于抵抗電網(wǎng)電壓中斷的有效性，在Simulink中搭建其仿真模型。設(shè)置仿真步長為1×10-6 s，PET系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示，并針對PET滿載運(yùn)行和電網(wǎng)電壓中斷工況運(yùn)行進(jìn)行仿真。
3.2 仿真結(jié)果
3.2.1 無儲能環(huán)節(jié)PET滿載運(yùn)行仿真
PET在滿載情況下的仿真波形圖如圖6所示。觀察波形圖可得，PET在滿載情況下，電網(wǎng)輸入端相電壓正弦度較好，能夠維持高功率因數(shù)。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時，低壓側(cè)直流電壓保持恒定，為輸出及逆變器的正常工作提供了保證。同時，輸出相電壓有效值維持恒定且相位對稱，輸出特性良好。
3.2.2 無儲能環(huán)節(jié)PET在電網(wǎng)電壓中斷仿真
無儲能環(huán)節(jié)PET的電網(wǎng)輸入電壓出現(xiàn)持續(xù)0.2 s的電壓中斷時的仿真結(jié)果如圖7所示。觀察波形圖可得，輸入線電壓在0.2 s時發(fā)生電壓中斷，低壓直流母線的電壓迅速跌落至0 V；電路失去恒定的直流電壓，輸出電壓隨之下降至零，負(fù)載斷電。
3.2.3 含儲能環(huán)節(jié)PET在電網(wǎng)電壓中斷仿真
含儲能環(huán)節(jié)PET的電網(wǎng)輸入電壓出現(xiàn)持續(xù)0.2 s的電壓中斷時的仿真波形圖如圖8所示。觀察波形圖可得，輸入線電壓在0.2 s時發(fā)生電壓中斷，此時超級電容儲能環(huán)節(jié)對PET進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使得低壓側(cè)直流母線電壓仍維持在400 V。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，PET高壓直流側(cè)電壓恢復(fù)至15 kV并維持恒定，PET恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)載始終沒有受到電壓中斷的影響。
4 結(jié)論
現(xiàn)代電力系統(tǒng)中存在電網(wǎng)電壓中斷的潛在風(fēng)險，針對PET無法有效抵抗電網(wǎng)電壓中斷的問題，本文對具有儲能環(huán)節(jié)的電力電子變壓器系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了儲能環(huán)節(jié)的工作原理，設(shè)計了儲能環(huán)節(jié)的主要參數(shù)以及控制策略。最后通過對PET滿載運(yùn)行、電壓中斷狀態(tài)下無儲能環(huán)節(jié)補(bǔ)償和含儲能環(huán)節(jié)補(bǔ)償共三種情況的MATLAB/Simulink仿真，證明了采用超級電容儲能環(huán)節(jié)的PET能夠在電壓中斷的情況下，仍保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而使具有超級電容作為儲能環(huán)節(jié)的電力電子變壓器具備跨越電壓中斷的能力，提高了供電可靠性。
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作者信息:
黨存祿1，2，3，慈航樂1，2，3，黨 媛1，2，3
（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050；
2.甘肅省先進(jìn)工業(yè)過程控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730050；
3.蘭州理工大學(xué) 國家級電氣與控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，甘肅 蘭州730050）