中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 电力电子变压器控制策略的仿真分析# 龚浩1，田丁1，别士光1，冯雪2* （1. 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责公司； 2. 郑州轻工业学院） 摘要：电力电子变压器（PET）是一种新型的电能转换工具，它利用电力电子变换技术来实 现传统变压器的功能。介绍了单相和三相电力电子变压器，阐述了它们的优点以及工作原理。 根据电力电子变压器本身的特点，采用分级控制它的运行，输入侧采用网测电流跟随的方法， 并且采用了锁相环技术保证电流和电压严格同相；输出侧采用重复 PI 控制策略。根据以上 的控制方法可以使电力电子变压器在达到传统变压器功能的基础上，还能改变电网的质量。 最后通过 MATLAB/SIMULINK 的仿真实验，验证这种方法是可行的。 关键词：电力电子变压器； 分级控制； MATLAB 仿真 中图分类号：TM406 The control strategy research of Power Electronic Transformer GONG Hao1, TIAN Ding1, BIE Shiguang1, FENG Xue2 (1. State Grid Electric Power Reserach Institute Wuhan Nan-Rui Limited Liability Company; 2. Zhengzhou University of light Industry) Abstract: Power Electronic Transformer(PET) is a new type of power converter, it uses power electronic conversion technique to realize the function of traditional transformer. This paper introduces the PET,explains its advantages and working principle.According to the characteristics of the PET,using hierarchical control its operation,the input stage elaborates a simple method which is following the net side current,adopts the phase lock loop technique guarantee strictly in phase current and voltage;The repeat PI control strategy is used in output side.According to the above control method can make the PET on the basis of transformer function,also can change the quality of the grid.The MATLAB/SIMULINK results show that ,the controller has a good performance. Key words: PET, Hierarchical control ,MATLAB simulation 5 10 15 20 25 30 0 引言 35 40 随着经济的快速发展，人们对电能质量的要求越来越高，像谐波、闪变、电压跌落等问 题都会降低电能质量和供电的可靠性，给用户造成了很大的经济损失。如何解决这些问题来 改善电能质量，就是现在学者们研究的焦点。 变压器作为输变电的重要设备之一，它的性能直接影响着电能质量，传统的变压器多采 用铁芯式和油浸式，不但体积大而且污染环境[1]。随着 GTO、IGBT 等大功率电力电子器件 发展，电力电子技术应用的范围越来越广，一种基于电力电子变换技术的新型变压器——电 力电子变压器 PET（Power Electronic Transformer）备受关注。电力电子变压器又称为固态 变压器，它将工频交流电转换为直流电，然后经过高频变压器进行隔离，最后将直流电逆变 成工频交流电，供用户使用。与传统变压器相比，PET 具有以下优点[2]： 1）.体积小，重量轻，无环境污染； 2）.具有高度可控性，变压器原方电流、副方电压、电流以及功率均可控； 基金项目：国家重点基础研究发展计划（“973”计划）（2009CB724507-3） 作者简介：龚浩（1982-），男，工程师，主要研究电力运行，电力安全，电力安检等方面. E-mail: 562856043@qq.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 3）.运行时可保持副方输出电压幅值恒定，不随负载变化； 4）.始终保证原方电流和副方电压为正弦波，且原方功率因数任意可调； 5）.兼有断路器的功能，大功率电力电子器件可以瞬时关断故障大电流，也无需常规变 45 压器的复杂继电保护装置； 6）.含有智能控制单元，一方面可以实现装置的自检测、自诊断、自保护和自恢复等功 能，另一方面可以实现联网通信。 本文介绍了电力电子变压器的拓扑结构，根据输入侧和输出侧的不同，采用了不同的控 制策略来实现变压器的功能，最后由通过 MATLAB[3~7]软件验证了这种方案的可行性。 50 1 工作原理 根据电力电子变压器原理图 1 可以看出，交流电经过电力电子变压器后输出高频信号， 再经过高频变压器进行变压和电气隔离输出高频信号，最后经过电力电子变压器输出交流信 号供给负载或电网使用。然而，对电力电子变压器采用合适的控制，才可以提高电能质量。 55 图 1 电力电子变压器工作原理图 电力电子变压器根据中间是否含有直流环节，分为 AC/AC 型电力电子变压器和 AC/DC/AC 型变压器。本文赘述的是单相和三相 AC/DC/AC 型电力电子变压器，它的拓扑 结构如图 2、3 所示，包括输入级、高频变压器、输出级。 60 输入级即为一个整流电路，它由 IGBT 组成的，采用的是 PWM 整流方式。传统的整流 电路多为晶闸管相控整流，晶闸管相控整流由于移相出发，电路的输入电流滞后于电压，其 滞后角随着控制角的增大而增大，从而基波位移因数也随之降低；同时输入电流波形畸变， 低次谐波含量大，因此输入功率因数低，PWM 整流器与传统的相控整流器相比还具有体积 小、重量轻和响应速度快等优点。 65 高频变压器主要实现的是变压和电气隔离。它将输入的高压直流调制成中频方波信号， 经过中频变压器变压并耦合到副边后再转换成低压直流。输出级是个逆变电路，同输入级一 样，是由 IGBT 组成，采用重复 PI 控制，来达到改变电能质量的作用。 SL SU Si 1V 2V 3V 1VD 4V 2VD R 3VD OU 4VD 5V 6V 7V 5VD 8V 6VD 7VD 8VD OU i 1E a i 1E b i 1E c sL sL sL au bu cu 1E au 1E bu 1dcU 1dcC 1E cu 2dcU 2E cu 2E au 2E bu 70 2 仿真分析 2.1 输入侧的控制策略 图 2 单相/三相电力电子变压器拓扑图 i 2E a i 2E b i 2E c 由变压器的拓扑图可以看出，通过电路交流侧的控制就可以控制其直流侧，反之亦然。 - 2 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 要想使电路处于整流状态，必须要使网侧电流正弦化，即它的相位要和网测电压同相位。为 了使网侧电流和网侧电压达到同相位，本文提出了一种网侧电流跟随的方法。 按照图 3，可以看出它的基本原理。UC 为参考电压，参考电压 UC 和直流侧输出电压 UO 经比较器后送入 PI 调节器，PI 调节器输出电压信号与网侧电压 US 经过积分器，得到的 电流信号与网侧电流 iS 再次经过比较器，比较过的信号和锯齿波信号同时经过 PWM 后，控 制 V1~V4 的关断。 Si SU Si SU SU CU OU OU OU Oi OU Oi 80 图 3 输入侧控制原理框图 图 4 输出侧控制原理框图 PWM 整流电路在到达到稳态时，UO=UC，此时输入比较器 PI 的信号值为 0，经过积分 器后得到的电流信号和网侧电压达到同相，网侧电流的幅值和相位与积分器输出的电流信号 的幅值和相位相对应，这样网侧电流和网测电压就达到了同相。当流过电阻 R 的电流增大 时，电容 C 放电，电压 UO 随之下降，比较器输出的电压信号会出现正偏差，经过积分器输 出的电流信号幅值会变大，导致 iS 增大，这样就又会使直流输出电压 UO 增大，重新使 UO=UC， 比较器 PI 输出恢复为 0，达到新的平衡，这种变化不会改变网侧电流相位，只是使它的幅 值变大了。当流过电阻 R 的电流减小时，系统的调节过程与电流增大时相反，这里不做更 多赘述。 此外，为了保证网侧电流和电压严格同相同频，使用了锁相技术，锁相环的存在会改善 电流的质量。锁相环（PLL--Phase Locked Loop）是指能够自动追踪输入信号频率与相位的 闭环反馈控制系统。它主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）、压控振荡器（VCO）组 成。鉴相器（PD）是一个相位比较装置，用来检测输入信号和输出信号的相位差，并输入 一个与相位误差近似成比例的信号。环路滤波器（LF）具有低通特性，用来抑制 PD 输出的 噪声和高频部分，并向压控振荡器（VCO）输出直流控制信号，LF 对环路参数的调整起到 决定性作用。 2.2 输出侧控制策略 直接来说，输出侧就是一个典型的逆变电路。一般来说逆变电路的控制策略有很多，如 模糊控制，无差拍控制，PI 控制等，它们都是通过提高系统的动态性能的方法抑制干扰， 改善波形输出的。但是由于直流侧电压会有扰动存在，前面提到的方法均不能使逆变输出的 波形得到改善，采用重复 PI 控制就可以很好的解决这种问题。 重复 PI 控制的原理框图图 4 所示，逆变器得到的电流 iO 经过零阶保持器，得到的信号 和正弦波相比较，比较结果经过 PID 模块，再和逆变器输出的电压信号相比较，最后经过 PWM Generator 来控制 IGBT 的 g 端。 2.3 仿真结果图 为了验证本文方案的可行性，进行了基于 Matlab/Simulink 软件仿真。 仿真参数设置如下： 85 90 95 100 105 - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 输入侧：网侧电压 US=220V，频率为 50HZ，交流侧电感 LS=3mH，直流侧电容 C=3mF， 对于 PI 模块，KP=0.8，Ki=0.75。 输出侧：电感 L=3mH，KP=6，Ki=256。 110 115 120 图 5 单相 PET 网侧电压和电流波形和输出电压波形 图 6 三相 PET 网侧电压、电流（a 相）和输出电压波形 3 结论 本文以电力电子变压器作为研究对象，对它的工作原理进行了简单的分析，而对它的 控制策略做了重点分析。根据电力电子变压器本身的结构特点，把此电力电子变压器分了三 个部分，输入侧、高频变压器、输出侧。输入侧采用的网侧电流跟随的控制策略，输出侧采 用的是重复 PI 控制策略。 仿真结果显示，输入侧可以使直流侧输出电压快速稳定并且网测电流和电压同相，使所提出 的控制策略有了理论依据；输出侧的电压稳定并且还能够和输入侧的电压同相。 [参考文献] [1] 杨存祥，冯雪，金楠等.单相电力电子变压器控制策略的研究[J].科学技术与工程，2013，13（26）:243-246. Yang Cunxiang,Feng Xue,Jin Nan etc.The control strategy research of single phase Power Electronic Transformer[J].Science technology and engineering,2013,13(26):243-246. [2] 金海明，郑安平.电力电子技术（第 1 版）[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2006. Jin Haiming, Zheng Anping.Power Electronics Technology (First Edition)[M].Beijing:Beijing University of posts and - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Telecommunications press,2006. [3] 毛承雄，陆继明.电子电力变压器[M].北京：中国电力出版社，2010. Mao Chengxiong,Lu Jiming. Electronic Power Transformer[M].Beijing:China power press,2010. [4] 黄忠霖，黄京.控制系统 MATLAB 计算及仿真[M].北京：国防工业出版社，2009. Huang Zhonglin,Huang Jing.Control and simulation system MATLAB[M].Beijing:National Defence Industry Press,2009. [5] J Bauer.Single-Phase Pulse Width Modulated Rectifi-er[J]. Acta Polytechnica ,2008,48(3): 84-87. [6] 李中奇.三电平整流器 PWM 控制技术[J].电力系统及其自动化学报，2008,16(7):114-118. Li Zhongqi. Control technology of three level PWM rectifier[J].Electric power system and automation, 2008, 16(7):114-118. [7] 李传 琦，盛义发， 邹其洪.电力电 子技术计算机 仿真实验[M].北京：电子 工业出版社，2006. Li Chuanqi,Sheng Yifa,Zou Qihong.Power electronic technology of computer simulation experiment[M]. Beijing:Publishing House of electronics industry,2006. - 5 -