电力电子变压器并联运行的控制方法

电力电子变压器并联运行的控制方法

陈波

佛山市顺德区伊戈尔电力科技有限公司   528000

摘要：本文介绍了一种并联式电力电子变压器并联的控制方案，采用虚电阻和PI环节的下垂控制，解决了由于分支阻抗不同而造成的并联式无功功率分配不均匀的问题，并进行了Matlab模拟和实验，对此进行了验证。

关键词：并联；电力；方法；电子；控制；变压器；运行

PET并联运能有效地增加输电能力、提高供电可靠性、降低成本，同时还可以通过更为灵活的控制模式来实现负荷的平均分配，减少环流。该方法可以有效地解决系统中的环流、功率分布不均匀等问题。但是，在PET系统中采用了直接加载方式，由于分支阻抗不匹配，使得传统的下行控制方式无法实现功率分配，从而产生更大的环流。因此PET并联控制需要考虑分支阻抗的匹配，从而导致了对下垂控制的改善，例如：自适应下垂控制、根据额定容量调节下垂系数、增加虚拟阻抗等。

目前PET并联操作过程中存在的问题是：操作复杂，改善效果不明显，成本高。在本论文中，作者在输出级逆变过程中，采用了一种虚电阻控制方式，通过对并联运行PET输出端的输出功率和标准功率的对比，对并联变压器的虚电阻进行调节，实现功率均分，抑制环流，降低不必要的损失。为提高系统的动态特性，将PI环节加入到下垂控制中，并对其进行了仿真，结果表明这种控制策略是有效的。

一、PET并联运行分析

本文采用了在控制输出阶段对无功进行平均分配的方法，主要讨论了在输入级的控制条件下，输入级的控制是等效的，也就是说，通过对高频变压器的输出进行整流，与DC功率相当。

并联支路Xi>>Ri、i=1、2，二次侧换流器的输出电压为Ui∠δi、交流母线有效值E。

因为角速度是这一相角对时间的差值，所以当输出电压和负载共用电压相同时，可以由有功功率 Pi进行控制。再由其输出和负载电压决定无功功率 Qi。由此，P-f、Q-V的降低计算公式为：

二、PET的功率分配与环流

1.功率分配

在公式（2）引入公式（4）中，可以得出PET无功输出的另一公式是：

由（5）式可知，PET输出功率与负载电压、空载PET输出电压、支路阻抗之间的关系是：

其中，下标号i、j代表两个并联的PET变压器，在垂直系数不变的情况下，可以将其简化为：

在负载电压、空载 PET输出电压、下垂系数不变的情况下，用等效阻抗来求取各个 PET的无功偏差。采用常规的方法，由于输出阻抗不匹配， PET的无功功率会出现较大的偏差。

2.环流的产生

通过分支阻抗流动的电流可以得出：

若当量阻抗及 PET的输出端电压振幅与相位不同，那么，通过公式（8）和（9）可以得到的对应的线电流的相位和幅度也不同，就会在并联系统中生成有效值的环流，表示为：

因为并联线路的长度和材质的差异，导致了不同的分支阻抗不匹配，从而在并联逆变器中形成了环流。随着等效支路阻抗匹配差的增大，输出电压的变化也随之增大，这样就形成了一个更大的循环。

三、改进控制策略

1.基于双闭环的虚电阻控制

把虚阻抗加到双闭环电压和电流上，虚电阻法就是把比它的传输阻抗大得多的虚电阻加到逆变电路上，从而用常规的下降算法获得的基准电压减去虚阻抗引起的电压下降，从而获得一个新的基准电压，从而实现对逆变器系统的控制。

图1

图1中的Gi（s）是电流控制链路的传输函数，而Gv（s）是电压控制链路的传输函数。其中Uref是输入基准电压的电压环路；R（s）是所添加的虚电阻器；KPWM是PWM信号的等价增益；i0是通过负载流动的电流；控制系统的输出电压为u0。在外回路的控制中，采用比例积分（PI)，并按比例系数K进行控制。

在引入虚电阻之后，逆变器的基准电压表示如下：

在实际应用中，每一台逆变器对母线的阻抗难以测定，通常采用大的虚电阻，从而使其在电源分布中起主要的作用，但是，由于增加了虚电阻环节，会对输出电压下降产生直接的影响，故不宜选择过大的电阻值。

2.引入PI控制环节

在并联逆变器的下降控制环节中，增加了差动控制环节，以进一步增强逆变器并将其与之相连接，假设两个PET具有同样的下垂体系，即m和n。

改进后的Pf和Q-U控制方程如下：

从公式（14）和（15）可以看出，差分控制器能够在PET并联期间改善瞬间功率的改变，并且改进并连接统的动力学特性。同时，在功率运算环节后面加上一个低通滤波器，能有效地过滤掉更多的干扰。通过对系统的综合分析，得出了控制参数md为1x10-5，而控制参数nd为1x10-5。

四、仿真试验

为了检验所提出的改进的下垂控制方法的正确性，在Matlab/Simulink的基础上，建立了一个用于PET输出级逆变器并联机的模拟模型。

采用并联方式对传统的下垂控制产生一定的影响，将第2个PET在0.2秒开始操作，并给出了二次侧换流器的模拟结果。

当PET进入并联状态时，当t=0.2s时，两个PET的有功功率相差34W左右，而无功功率相差46.7Var

左右。可以看出，在常规的下垂控制模式下，并联系统的动态特性很差。

通过引入差动控制环节，两个PET输出端的有功和无功功率曲线大致一致，但是它们的有功功率到达平均功率的时间比不加时早0.05秒，无功功率达到平均功率的时间比不加时早了0.02秒。由此可以看出，在并联系统中引入了微分环节，可以有效地改善并联系统的动态响应，从而弥补了传统的下垂控制方法的缺陷。

模拟比较了这两种方法的循环抑制作用（在0.2秒时将第二种PET合并到该系统）。

在第2台PET0.2s开始使用时，常规的下降控制模式的循环流量达到-6.6A，随后在1.6s左右趋于稳定，在-1.34-1.23A之间波动；在第2次PET投入0.2s后，改善了下垂控制模式的循环流量基本趋于平稳，在-1.2~1.1A范围内。因此，改进后的下降控制方法虽不能有效地抑制循环，但是其动力学特性得到了极大的改善，在新PET装置投入使用后，系统循环能够保持稳定。

结论：本文分析了 PI控制的传统原理，并分析了问题的成因，并在此基础上增设了虚电阻和 PI环节，改善了PET并联系统的有功、无功功率，使得PET并联系统的有功、无功功率都能平均分配，而且环流有较大的稳定性。与传统的下垂控制相比，本文提出的改进方案既能改善分支阻抗的差异，又能实现功率的均匀分布，又能提高系统的动态性能。模拟实验显示：所提出的算法是有效的。

参考文献

[1]白维,李苏丹,李政,张志辉,卿启维,曾成碧.光伏电站变压器寿命损失评估研究[J].变压器,2021,58(2):52-56.

[2]赵金鑫,苗虹,曾成碧.基于改进虚拟同步发电机控制技术的低压微电网功率分配策略[J].电力建设,2020,41(7):42-48.

[3]李春华,孟鑫,王燕,胡敏,宋人杰,胡海敏.智能变压器压力监测与流速保护的试验研究[J].变压器,2021(1):64-67.

[4]谢佳,孙韬.电网电压谐波对并网逆变器输出电流质量的影响及改进控制策略研究[J].电力电容器与无功补偿,2019,40(3):148-152.

[5]魏斌,王薇,边庆超,王加祥.应用自适应下垂控制及补偿环节提高微网暂态性能研究[J].电力电容器与无功补偿,2020,41(5):125-130.

[6]白小丹,苗虹,曾成碧,莫思特.适用于低压微网中逆变器无功均分的改进下垂控制策略[J].高电压技术,2020,46(4):1310-1318.