电力电子变压器的并网电流谐波抑制策略

高德祥

摘要：随着经济形势的发展，国家电力工业规划布局更注重环保和节能，为后经济时代注入可持续发展的动力。例如火电比例的降低，多形态清洁能源占比的提升，导致了当前配电网出现了以多系统并网、非线性负荷增加的新问题、新矛盾，这些问题与矛盾逐渐成为了当前我国电力事业发展中亟待解决的结构性问题。电力电子变压器技术能够有效避免传统变压器技术在面临这些新矛盾、新问题时所带来的系统性压力，该技术有助于在电压等级变换和隔离方面推陈出新，达到潮流控制的目的。大功率电子技术的发展对电力电子变压器技术的应用产生了强劲推动力，电力电子变压器在高压输变电及配电网系统中应用的前景是十分广阔的、光明的。

关键词：电力电子；变压器；并网电流

引言

目前，对ＰＥＴＷ的研究主要集中在拓扑结构设计、可靠性分析以及控制策略等方面。ＰＥＴ多由输入级、中间级与输出级３级式组成。ＰＥＴ作为能源的调节枢纽，其供能质量也得到了广泛关注吒当ＰＥＴ并入电网运行时，在电网电压畸变的情况下，ＰＥＴ的并网电流会由于电网电压畸变的影响而出现严重畸变，如果不采取电能质量控制算法，畸变的并网电流不仅会影响ＰＥＴ的正常运行，同时也会影响到大电网的运行。因此，在电网电压畸变下如何解决ＰＥＴ并网电流的畸变是目前亟需解决的问题。

1ＰＥＴ拓扑结构

图１为所提ＰＥＴ拓扑结构，由输入级、隔离级及输出级３部分组成。ＰＥＴ输入级可连接电网，由多个级联Ｈ桥模块组成，其中级联Ｈ桥模块采用电压电流双闭环控制，电压外环稳定总的直流电压，内环则实现对输入级交流侧电流波形的控制；ＰＥＴ隔离级由模块化双有源桥（ＤＡＢ）组成，该层级采用移相控制策略，用于稳定低压直流母线电压，并实现能量的双向流动和电气隔离；ＰＥＴ输出级采用多逆变器相并联的结构用于提升ＰＥＴ供Ｐｍ－Ｐ（ＣＯ＾－Ｏ））（２）式中为比例系数。有功频率控制框图如图３所不。－ｍ图３有功频率控制框图电可靠性。此处主要针对ＰＥＴ的输出级进行研宄，利用ＰＥＴ输出侧各逆变器实现微电网频率的无差控制及负荷功率在ＰＥＴ输出侧各逆变器的合理分配。将ＶＳＧ技术引入ＰＥＴ输出侧逆变器的控制算法中，以增强系统频率的抗扰动能力。

图１ＰＥＴ拓扑结构

2电力电子变压器的工作原理

电力电子变压技术是大功率电子技术在配电网变压技术中的移植与应用，其基本工作原理是通过电力电子变换来调整配电网系统中的电压并实现稳定的能量传递，主要移植技术有滤波器、断路器、电流限制器等等，这种电力电子变压技术的应用使新型变压器的功能得以扩展。例如，一种原边和副边都采用了电力电子变换器的新型变压器，其工作原理是在原、副边之间采用高频变压器进行电气隔离，原边的电力电子变换器将交流电转化为高频方波，高频变压器将之耦合到副边，副边的电力电子变换器再将高频方波转换为工频交流电，完成基本变压功能，同时通过控制电力电子变换器改变输出电压与频率，以此将多个不同并网单位不同频率的电能进行隔离、互联。这项技术除变压、隔离电流的基本功能，还对连续超高压输电、维持供电质量、潮流控制等扩大化功能提供先进的技术支持。

3所提ＰＥＴ并网电流谐波抑制策略

3.1电压环

其中电压环的控制框图如图2所示，电压环主要包括《个最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）模块单元、ｎ个比例积分（ＰＩ）控制器及ｒａ个１００Ｈｚ陷波器。其中为电压环的参考给定值，由ＭＰＰＴ单元经过计算得到。另外，由于交流系统的瞬时功率呈１００Ｈｚ波动，导致直流母线电压也会呈二倍频脉动，因此，需要在反馈通路中，加入１００Ｈｚ陷波器，以滤除这一干扰。／ｐｖ卩为光伏组件输出电流的参考给定值，可以由ＰＩ控制器的输出得到。桥模块直流侧电压经过陷波器滤波后所得到的Ｈ桥模块直流侧电压，将与相乘后即可得到Ｈ桥模块的功率参考给定值Ｐ。将所有Ｈ桥模块的／Ｖ进行求和后可作为电流环的参考给定值。

图2电压环控制框图

3.2电力电子变压器在多结构并网中的作用

由于火电在电力供应构成中的大幅度消退，光伏、风电等清洁能源在电力供应构成中的大幅度提高，配电网系统中也随之增添了大量的分布式电源，对配电网并网功能的要求进一步提高。当前的一个突出主要矛盾是并网单位中的电压、电频等参数并不是稳定一致的，不同的电源容易导致供电质量标准不同，在统一的配电网中产生大量谐波。除此之外，交流直流混网也是亟待解决的问题。电力电子变压器适应了分布式电源小容量、变频的系统特性，成本较低，占地面积较小，而且输出环节中对分布式电源交直流混并现象能够进行积极整流与电压控制，不需要配备额外的接头设备。

3.3同步频率的设定原则

各单元模块ＤＡＢ进行载波同步时，在消除同步信号的通信时延后，还需要考虑同步频率如何设定。当载波同步的时间间隔过长时，由于各单元晶振时钟存在偏差，会造成ＤＡＢ载波同步时载波计数器的实际值与同步点偏差较大，进而导致同步时ＤＡＢ的ＰＷＭ脉冲移相值与占空比发生变化，ＤＡＢ电感电流突变。因此理论上同步频率越高越好。然而，当同步频率过高时，对数字控制系统提出了更高的要求，可能会导致控制系统时钟与数据传输紊乱。因此，本文给出了如下的同步频率设定原则：（１）保证开关频率为同步频率的整数倍，进而保证同步时所有同步点位置一致。（２）保证控制频率为同步频率的整数倍，进而保证同步信号传输无需影响系统控制结构，且无需增加时钟，保证了控制系统可靠性。在本文中，开关频率为１６ｋＨｚ，控制频率为２ｋＨｚ，因此只需选择载波同步频率为２ｋＨｚ，即每８个开关周期对ＤＡＢ的载波进行同步，由于在８个开关周期内，分控ＦＰＧＡ晶振的误差很小，且由于消除了同步信号的通信时延，因此在对ＤＡＢ进行载波同步时载波计数器的实际值与同步点相差很小，ＰＷＭ脉冲的移相值与占空比基本不变，并且由于同步频率与控制频率一致，无需增加额外同步时钟，不会影响系统的控制结构，保证了数字控制系统的可靠性与稳定性。

3.4ＰＥＴ的频率控制

当负荷突然减小时，系统频率会缓慢增加最终趋于稳定，稳定后频率偏移额定值的程度即频率偏差由D,Kd两个参数决定，当D,Kd趋向于无穷大时，系统频率会恢复到额定值，但显然不符合实际情况。因此为实现频率的无差调节，对ＶＳＧ控制结构框图进行改进，引入Ｈ控制环节，则系统的频率在面对负荷扰动时可恢复到额定值，当在ＶＳＧ有功频率控制环中引入ＰＩ控制器后，以两台ＶＳＧ并联运行为例进行ＶＳＧ频率无差调节的理论分析。其中为简化分析，将ＶＳＧ等效为电压源,忽略线路阻抗，通过对ＶＳＧ输出功率和ＶＳＧ有功频率控制表达式联立求解，证明了在ＶＳＧ的有功频率控制环中加入Ｈ控制环节确实可实现负荷变化后频率的稳态无差调节。

结束语

这里提出一种改进的谐波补偿策略，所提策略将ＰＥＴ并网电流中基波电流和谐波电流进行分离，通过增加谐波电流环，将谐波电流反馈到系统中，达到消除并网电流中谐波成分的目的。所提控制策略并未改变原有ＰＥＴ控制策略，易于实现。仿真和实验相吻合，证明了所提策略的有效性。

参考文献

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