新型四象限电子宜宾干式变压器的研究

　　智能电网的研究与应用正逐渐成为各国行业争相研究的主要课题。在我国“十二五”规划纲要中，对发展智能电网，推动能源生产和利用方式变革，构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系，已经提出明确要求。到2015年，将基本建成坚强智能电网，智能化程度达到国际先进水平。作为智能电网重要组成部分的电子宜宾干式变压器，较传统铁芯式宜宾干式变压器，具有体积小、重量轻、成本低、供电质量高、四象限工作能力、智能化控制等优点，符合智能电网的发展要求。因此，电子宜宾干式变压器必将受到广泛和深入的研究。电子宜宾干式变压器一般是指高压输入-低压输出的电子变换器，目前为止，出现了多种功率电路。鉴于电子宜宾干式变压器需要采用降压宜宾干式变压器，实现降压和电气隔离，可以根据宜宾干式变压器前级和后级不同的电路组成进行分类。宜宾干式变压器前级电路主要包括交直交型和交交型，宜宾干式变压器后级电路主要包基金项目：本文得到自然科学基金项目的支持（60934005）括不可控整流型和PWM可控整流型。宜宾干式变压器前级交交型电路具体包括单相-单相矩阵变换器和三相-单相矩阵变换器等，与交直交型电路相比，它是单级变换器，省去了中间储能环节，具有结构紧凑、效率高等优点。宜宾干式变压器后级电路具体包括工频或输入的单相二极管不控整流器或单相PWM整流器等，其中后者能够实现单位输入功率和能量双向流动45.基于以上考虑，本文提出一类宜宾干式变压器前级电路为交交变换器、宜宾干式变压器后级电路为单相PWM整流器或单相PFC的新型四象限电子宜宾干式变压器，目的是获得简化的前级变换器结构与控制难度，并获得四象限变换能力。

　　1电子宜宾干式变压器的工作原理1.1电路拓扑提出的电子宜宾干式变压器的功率拓扑与控制原理如所示，主要包括降压部分和阻性变换部分。前者包括高压端的LC滤波器与单相-单相交交变换器M1、开关宜宾干式变压器T1、低压端的单相-单相交交变换器M2与LC滤波器。后者主要包括阻性变换器，此处为单相PWM整流器。其中高压端单相-单相交交变换器M1、开关宜宾干式变压器T1、低压端的单相-单相交交变换器M2如所示。

　　网侧功率因数。其优势为：高压端与低压端变换器的拓扑与控制简化，换流更安全，网侧功率因数校正环节设置到低压端。这是现有其他各类PET所不能具备的。显然通过改变M1与M2的工作原理可以进步简化降压部分电路，M2也可以消除，阻性变换部分电路也可以由各种单相有源功率因数校正电路代替，由此可以演化出多种PET.本文只关注所示PET. 1.2工作原理高压端单相-单相交交变换器工作在斩波状态。双向可控开关BS1与BS4为第一组，BS与BS3为第二组。可以采取两种工作模式：（1）第一组与第二组交替导通，占空比为50%，则在宜宾干式变压器初级得到两电平交流电压。（2）第组与第二组移相触发，则在宜宾干式变压器初级得到可调的三电平交流电压。这两种情况下，宜宾干式变压器均不会出现饱和现象。本文考虑第种工作模式，个电网周期内的工作原理示意图如所示。

　　宜宾干式变压器T1的作用为将输入的高压交变脉冲变换为低压交变脉冲。

　　低压端单相-单相交交变换器同样工作在斩波状态。

　　双向可控开关BS5与BS8为第一组，BS6与BS7为第二组。可以采取与高压端单相-单相交交变换器完全相同的工作模式，且驱动信号完全同步。一个电网周期内的工作原理示意图如所示。

　　和完成了PET降压电路的电压变换。显而易见，只为纯阻性。

　　中的阻性变换器为单相电压源PWM整流器，可以采用三相电压源整流器以及单相有源PFC的全部控制策略，如传统双闭环控制、单周期控制以及DQ轴同步PI电流控制等。

　　本文采用电压外环-电流内环的双环控制和连续导通模式，如所示。通过两个控制环来实现功率因数校正，电流编程信号用来为宽带宽、快速响应的电流环设定基准，其幅值由窄带宽的输出电压误差信号的幅值和经过低通滤波器的相电压有效值来调制，以确保输入和输出功率平衡。为了能在负载和电源电压变化时保证功率平衡，还需要一个输入电压有效值的平方-除法-乘法器。如果电流编程信号不从相电压取样，即无输入电压检测的平均电流功率因数校正，就可以省掉平方-除法-乘法器，还可以减少外部无源元件的数量，大大简化电路。

　　在这种单相VSR的控制方法中，采用了电流环和电压环控制。其中电流环使输入电流更接近正弦波，电压环使单相VSR的输出电压更稳定。输出电压经电阻分压取样，并送经电压误差放大器放大后，与单相VSR的输入电压经分压取样后的信号相乘后送至电流误差放大器（CA），作为基准电流去控制输入电流。

　　采用电流互感器得到取样电流，然后送到CA的反相输入端。CA的输出直接加到PWM比较器的同相输入端，比较器的反相输入端接到锯齿波信号发生器的输出端，这样电流误差放大器CA的输出可直接控制PWM比较器的占空比，进而使电感电流无限接近基准电流。采用双极性调制模式。比较器同相输出的PWM对应功率开关S2和S3.比较器反相输出的PWM对应功率开关S1和S4.当电感电流上升时，PWM比较器的输出占空比下降，从而减小电感电流；反之，则加大电感电流。当输出电压上升时，电压误差放大器VA的输出下降，导致乘法器输出的基准电流减小，使电感电流减小，从而使输出电压下降。反之，电感电流增大，使输出电压上升。

　　2仿真分析利用MATLAB/Simulink建立新型四象限电子宜宾干式变压器功率电路与控制电路的仿真电路，其中低压端整流器的控制电路的仿真电路如所示。

　　新型PET低压端整流器的控制电路的仿真电路0kV，期望输出电压为380V，输出功率为8kW.两个单相-单相矩阵变换器的开关占空比为50%，开关频率为10kHz，可以分别采用基于输入电压极性的两步换流策略和基于输出电流极性的四步换流策略，仿真中暂不考虑换流问题。降压宜宾干式变压器的电压变比为30：1.侧滤波电解电容为2200xF，所带负载为电阻负载。单相VSR的开关频率为1mH，C2容值为2（F.负载电阻的阻值为24ft仿真完全实现了新型PET的全部功能，空载输出平均值为380V，满载输出平均值为376V，电压纹波峰峰值为10V.在供电状态下，网侧输入电压与电流波形如所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如所示。在发电状态下，网侧输入电压与电流波形如所示，单相PWM整流器输入电压与电流波形如所示。其中1为电压波形，2为电流波形。

　　为便于观察，网侧电压降幅500倍。

　　3实验结果分析图发电时整流器输入侧电压与电流的仿真波形出电压为380V.局频开关宜宾干式变压器的变比为1：开关频率35kH和满载下单相VSR的升压电压取值为250IH.滤波器参数：L1感值为0. 5mH，C1容值为1 xF，L2感值为为了验证新型PET的理论分析与仿真分析，利用现有装置，在实验室建立了新型PET的功率电路和控制电路，控制器采用DSPTMS320F28335.网侧电压采用市电220V交流电压，期望输0输入功率2.91kW时输入电压与电流波形0.5mH，C2容值为1F.负载电阻的阻值为24flH.滤波电容降压电路首先起动工作，阻性变换器随后软起动。0和11分别给出了网侧的输入电压和电流在不同负载时的实测波形，输入功率分别为2.91kW和6.61kW. 4结束语给出了种新型PET的拓扑和调制策略。特点是：宜宾干式变压器前端只有级单相-单相交交变换器，得到交变电压。宜宾干式变压器后级再经过级单相-单相交交变换器和滤波得到低压工频电压。最后再通过阻性变换器，得到输出电压和纯阻性变换。结果这种阻性反射到网侧，获得单位输入功率因数。这种PET具有结构简单、控制容易、换流安全、单位输入功率因数、双向功率流动以及便于级联等特征，具有定的应用价值。