基于三電平拓撲的電力電子變壓器研究

1、前言
近年來，一種基于電力電子變換技術的新型電網配電變壓裝置，即PET，受到國內外學者的廣泛關注。它不僅體積小、重量輕，而且具有交直流轉換能力，可靈活地將各種分布式發電系統接入電網，比傳統變壓器更能適應智能電網環境下用戶對電能的個性化需求。
??? 在三電平結構中，開關管承受的電壓應力僅為兩電平拓撲的一半，因此可以成倍提升輸入級的電壓，解決PET在配電系統中的實用化問題，且不存在開關管直接串聯電路中的器件均壓問題。與模塊串并聯拓撲相比，可以減少所用器件的數量，提高PET的可靠性并降低成本。但目前國內還未見公開發表的有關三電平結構PET的相關文獻。這里在上述文獻的基礎上提出改進的三電平PET，設計了三相系統中各環節的控制策略，并通過仿真驗證了其拓撲和控制策略的有效性。

2 三電平PET電路介紹
??? 圖1為三電平PET的拓撲結構。其工作原理為：輸入級將高壓工頻交流電經整流后變成直流電，在隔離級被調制成高頻方波加載到高頻變壓器，降壓后在次級又還原成直流電，最后經輸出級逆變成三相低壓工頻交流電。由于中間隔離級的存在，在電源發生電壓波動、頻率閃變、諧波注入或負載投切時，三電平PET能避免系統側與負載側的相互影響，維持初、次級良好的電壓電流波形，且輸出恒定的電壓。

2．1 輸入級
??? 系統的輸入級采用二極管箝位式三電平PWM整流器，每一個橋臂由4個功率開關構成，因此每一個主功率開關所承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，而且三電平PWM整流器有27個開關矢量，因此其在開關頻率不是很高的情況下也能保證網側良好的電流波形，其諧波和畸變率大大小于兩電平PWM整流器。高頻的PWM整流器可以保證網側電流與電源之間功率因數為1。
2．2 中間隔離級
??? 系統的中間隔離級在原有三電平PET基礎上作了改進，采用零電壓開關半橋三電平DC／DC變換器，對配電變壓器不考慮能量的雙向流動，故在變壓器次級采用全橋不控整流電路，開關管兩端并聯電容為其自身結電容。與兩電平PET中的DC／DC變換器相比，通過變換器初級2只中點箝位二極管使得4只開關管電壓應力僅為輸入直流電壓的一半，且通過諧振電感Lk對4只開關管上的并聯結電容進行充放電，使相應的結電容兩端電壓達到零，實現零電壓開關，飛躍電容Cs用來將2對開關管開關過程連接起來，這樣能有效減小開關損耗，提高變換器效率。
2．3 輸出級
??? 由于隔離級已將高壓直流電變換為約600 V的低壓直流電，且PET輸出目標也是380 V低壓用電，在此電壓等級下，目前的IGBT器件已足夠成熟可靠，因此輸出級采用兩電平PWM逆變器，并輔以LC濾波器。
3 控制策略
3．1 輸入級控制
??? 輸入級的控制策略需要實現整流輸出直流電壓可控及網側電流與電源之間單位功率因數運行等，因此采用在d，q坐標系下的電壓電流雙閉環控制策略，圖2為輸入級的控制原理。

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??? 為保證三電平PET各環節間的電壓平衡，必須對三電平PWM整流器的中點電壓進行控制。設中點處上電容電壓為udc1，下電容電壓為udc 2，由文獻可知一對小矢量對中點電壓的影響正好相反，定義使udc1增大、udc2減小的為正小矢量，反之為負小矢量。當采用變比例因子精確中點電壓控制方法時，定義比例因子：
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??? 式中：U為中點電壓偏差期望值。
??? 除上式外，還需將ρ限制在±1以內。這里對該方法進行進一步改進，結合網側電流方向來先判斷小矢量的正負屬性。
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??? 式中：t正為正小矢量的作用時間；t負為負小矢量作用時間；t1為該小矢量原作用時間。
??? 利用此方法，根據中點電壓偏差實時調整正負小矢量的作用時間，達到更精確的中點電壓控制，提高了系統穩定性。