【学术论文】具有储能环节的电力电子变压器电能质量研究

电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)是基于电力电子变换技术从而把某一特定电力属性能量转化为另一种电力属性能量的新型电力装置[1]。电力电子变压器在完成传统电力变压器电力的经济输送、分配和安全升高或降低电压等主要功能之外，还可以实现无功优化、提高电能质量等附加功能[2]。但是电力电子变压器本身不具备储能环节，无法解决电网中的电压中断等问题。
超级电容是从二十世纪末期发展起来的通过电极与电解质之间形成的界面双层来储能的一种电化学元件[3]。它具有容量范围广、便于模块化设计、可重复利用、无污染、易维修等优点。超级电容作为电力储能环节可用于电网的电能质量优化[4]。当电网出现电压中断等故障情况时，超级电容中储存的电能通过双向逆变器对电网发出，第一时间进行功率补偿，在一段时间内保持电网的电压恒定，从而保证各用电设备能安全、稳定地运行。
为了使PET具备跨越电网电压中断的能力，本文对具有储能环节的PET进行研究，其中，储能环节由超级电容和双向DC/DC变换器组成，通过控制超级电容的充放电状态，保障当电网中断时用电设备的功率需求。最后，通过仿真实验证明该结构及其控制策略的合理性。

1.1 在PET中应用超级电容的可行性
超级电容作为一种前沿的电能储存元件，具备产品制造过程无污染、高稳定性等技术特性。随着制造水平的提高，超级电容的能量密度和功率密度还有很大的上升空间，制造成本也会大幅降低[5]。在电网中，绝大部分电压中断的时间都小于1s[6]，所以，在这个时间跨度中，虽然用电设备所需的功率较大，但其中的总电能却相对较小，这恰好可以适用于超级电容功率密度高的特性。因此，将超级电容用于电力电子变压器中以维持其直流母线的电压并改善电网的电能质量是有广泛前景的。
1.2 系统结构和特性
本文研究对象为电网中的电力电子变压器，为保证单相负荷的需求，文中所使用的是一种较经典的AC/DC/AC型3阶式PET结构，如图1所示[7-8]。它主要由输入级、中间隔离级和输出级所构成。
具有储能环节的PET系统包含电力电子变压器和储能环节，其中储能环节由一个双向DC/DC变换器和一个超级电容构成，如图2所示。图中的超级电容可以等效建模为一个电阻RSC和一个电容CSC，超级电容通过双向DC/DC变换器所连接的为电力电子变压器的直流侧[9]。这种储能环节的连接方式与直接将超级电容和PET直流侧相连进行对比，只是多一个直流变换器，却对整个系统有很大的改善。

2.1 储能环节的设计
2.1.1 超级电容的设计
电网中电压中断持续时间为0.5周期～3s，当断电持续时间大于60s时称作长期电压中断，长期电压中断持续时间具有不确定性，无法对补偿的能量进行计算，也无法对储存的能量进行设计。因此，在对储能环节容量进行设计时只考虑中断时间在60s以内的情况。考虑到超级电容本身的特点，本文使用超级电容作为储能环节的能量存储介质，如图3所示。该模型结构简便，可以清晰地表示超级电容在充放电过程中所具有的电气特性。
理想超级电容其释放的能量公式可以表述为：
2.1.2 电感L的设计
电感L在双向DC/DC变换器运行过程中起到的功能是动态能量存储。设计电感L时，电感L所产生的纹波电流是不能忽视的因素。因为如果纹波电流过大，超出了电容的最大容许纹波电流值，会使电容击穿甚至损坏。故电流纹波的计算公式为：
由上式可知，电流纹波与直流侧电容电压UDC的关系为正相关，与开关频率fPWM和电感值L为反相关。所以，当其他参数不变的情况下，占空比D为0.5，则电感电流纹波达到最大值。综上所述，在本文中的电感L取值为3mH。
2.1.3 双向DC/DC变换器的设计
在储能环节中，双向DC/DC变换器作为储能环节进行电能转换的核心。本文所采用的半桥型双向DC/DC变换器包括升压和降压两种模式。假定一个开关周期内超级电容端电压不变，图3为双向DC/DC变换器等效电路。该变换器有两种运行模式：降压（Buck）模式和升压（Boost）模式。
2.1.4 电容CDC的设计
在双向DC/DC变换器运行过程中，电容CDC能在一个开关周期内给系统提供足够的无功支撑。电容CDC的大小将会影响到输出电压纹波、电流纹波以及系统的动态响应。故电压纹波的计算公式为：
由上式可知，直流侧电容容量与电压纹波的关系成反比。因此，在本文中的电容CDC取值为0.1F。
2.2 储能环节的控制
在PET的储能环节中，双向DC/DC变换器存在的工作模式有：Buck模式、Boost模式和备用模式。但降压模式或升压模式的电路结构不完全一致，因而对应变换器建立的数学模型也存在差异。
(1)降压模式控制
处在Buck模式下的双向DC/DC变换器，其目的是调节充电电流的值并保证充电电压不能大于超级电容所能承受的阈值。设变换器状态变量为超级电容电压USC和电感电流iL，开关VT1的占空比是D。根据所建立的大信号模型，通过状态空间平均法对其信号施加弱干扰信号，能够得到运行点周边的小信号模型[10]。故降压模式下的小信号模型为：

由上式可得，控制到电压、电流的小信号传递函数中不包含占空比D，所以占空比D无法改变传递函数所对应的零极点，故双向DC/DC变换器在该模式下的功能相当于一个线性变换器。因此选择恒流方式对超级电容进行充电，当双向DC/DC变换器处于该模式时，将持续观察充电电流以及超级电容的端电压，一旦其端电压达到所需要的值时，将立刻对超级电容进行断电。图4为双向DC/DC变换器处于Buck模式下的控制框图。
(2)升压模式控制
处在Boost模式下的双向DC/DC变换器，主要通过超级电容放电来维持低压直流母线侧电压，使其电压保持稳定[11]。与降压模式相同，对增加扰动后的状态平均方程进行解析，即可知该模式所对应的电压、电流的小信号传递函数为：

由上式可得，变换器在工作于Boost模式时，输出的电压会出现先下降再升高的非最小相位系统传递延迟或者停歇的特性，所以当设计其控制器时，本文将选用电压外环、电流内环的双环控制策略。其中，电压外环的功能是通过直流侧输出电压的偏差，保证输出电压Udc的恒定；电流内环的功能是提升输出电压的放电速度同时产生与之相匹配的补偿电流，图5为其控制框图。

3.1 仿真方案
3.1.1 仿真模型及系统参数
为了验证具有储能环节的PET对于抵抗电网电压中断的有效性，在Simulink中搭建其仿真模型。设置仿真步长为1×10-6s，PET系统的主要参数如表1所示，并针对PET满载运行和电网电压中断工况运行进行仿真。
3.2 仿真结果
3.2.1 无储能环节PET满载运行仿真
PET在满载情况下的仿真波形图如图6所示。观察波形图可得，PET在满载情况下，电网输入端相电压正弦度较好，能够维持高功率因数。系统稳定运行时，低压侧直流电压保持恒定，为输出及逆变器的正常工作提供了保证。同时，输出相电压有效值维持恒定且相位对称，输出特性良好。
3.2.2 无储能环节PET在电网电压中断仿真
无储能环节PET的电网输入电压出现持续0.2s的电压中断时的仿真结果如图7所示。观察波形图可得，输入线电压在0.2s时发生电压中断，低压直流母线的电压迅速跌落至0V；电路失去恒定的直流电压，输出电压随之下降至零，负载断电。
3.2.3 含储能环节PET在电网电压中断仿真
含储能环节PET的电网输入电压出现持续0.2s的电压中断时的仿真波形图如图8所示。观察波形图可得，输入线电压在0.2s时发生电压中断，此时超级电容储能环节对PET进行电压补偿，使得低压侧直流母线电压仍维持在400V。电网电压恢复后，PET高压直流侧电压恢复至15kV并维持恒定，PET恢复稳定运行，负载始终没有受到电压中断的影响。

现代电力系统中存在电网电压中断的潜在风险，针对PET无法有效抵抗电网电压中断的问题，本文对具有储能环节的电力电子变压器系统进行了研究，分析了储能环节的工作原理，设计了储能环节的主要参数以及控制策略。最后通过对PET满载运行、电压中断状态下无储能环节补偿和含储能环节补偿共三种情况的MATLAB/Simulink仿真，证明了采用超级电容储能环节的PET能够在电压中断的情况下，仍保证电网的正常运行，从而使具有超级电容作为储能环节的电力电子变压器具备跨越电压中断的能力，提高了供电可靠性。参考文献
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作者信息:
党存禄1，2，3，慈航乐1，2，3，党 媛1，2，3
（1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州730050；
2.甘肃省先进工业过程控制重点实验室，甘肃兰州730050；
3.兰州理工大学 国家级电气与控制工程实验教学中心，甘肃 兰州730050）