电子电力变压器与常规电力变压器的并联技术

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电子电力变压器与常规电力变压器的并联技术

2020-04-14

0 引言

电力变压器的并联运行是电网中的常见现象，无论是在提高运行效率和减少总的备用容量方面，还是在提高供电可靠性方面，都有着积极的意义[1]。常规电力变压器不可控，其并联运行需要满足一定条件[1]。短路阻抗不相等时会导致负荷分配不均和产生环流，因为并联运行时各台变压器所承担的负荷与各自的短路阻抗标幺值成反比;容量不匹配的变压器并联运行时，短路阻抗匹配比较麻烦;并联变压器变比不等会直接导致输出电压不等，从而产生环流。同时，当原方电源取自不同系统时，变压器的并列非常繁琐，需要通过其他设备对系统潮流进行控制，或者只有等待机会。

电子电力变压器(EPT)是一种新型电力变压器，已有不少文献在EPT的拓扑结构、控制策略方面开展了研究工作E2-9]。文献[10]提出了EPT的并联问题，并指出EPT并联需要解决的相关问题，其中，均流控制是EPT并联必须首先考虑的问题，并以2台EPT并联为例，采用主从式控制解决了EPT输出交流侧的并联均流问题。文献[11]以2台EPT并联为例，采用分散逻辑控制解决了EPT输出交流侧和输入直流侧的并联均流问题。文献[12]以2台EPT并联为例，采用无互联线控制解决了EPT输出交流侧的并联功率均分问题。

将EPT引入电力系统后，在并联方面首先应考虑EPT与常规电力变压器的并联问题。本文主要研究单台EPT与单台常规电力变压器的并联。

1 EPT与常规电力变压器并联模型和原理

1.1 单台EPT拓扑图

附录A图A1给出了单台EPT的拓扑图。该结构基于变换中存在直流环节[2]，由输入级、隔离级和输出级组成。其中，输入级为三相脉宽调制(PWM)整流，输出级由3个电压型单相逆变器组成，隔离级由3个单相逆变器、1个高频变压器和3个单相整流器组成。开关器件为带反并联二极管的全控型器件——绝缘栅双极晶体管(IGBT)。

1.2并联等效输出模型

图1为单台EPT与单台常规电力变压器并联系统结构图。U1和Uz既可以取自同一电源，也可以取自不同电源。

图2为一相并联等效输出电路。图中：V<0为并联母线电压;E1<δ1和E2<δ2分别为常规电力变压器和EPT空载输出电压;R1，R2和X1，X2分别为常规电力变压器和EPT相应的等效输出电阻和等效输出电抗;I01和I02分别为常规电力变压器和EPT的输出电流;I0为负载电流。

图1 EPT与常规电力变压器构成的并联系统

Fig.1 Parallel system of EPT and conventional transformer

图2并联系统一相等效电路

Fig.2 A phase equivalent circuit of parallel system

1.3并联原理

EPT与常规电力变压器并联系统中产生环流的直接原因是并联系统各部分输出电压不等。造成输出电压不等的原因主要有：①EPT模块的基准电压与常规电力变压器副边绕组电压的幅值、相位和频率有差异;②并联系统各模块等效输出阻抗不等。基准电压幅值、相位和频率的差异会体现在空载输出电压的幅值、相位和频率中，等效输出阻抗不等也可等效为空载输出电压幅值和相位不等。因此，为简化环流分析，可把并联系统各模块输出电压不等等效为空载输出电压的不等，同时令各模块等效输出阻抗相等，即R1=R2=R，X1=X2=X。

由式(3)和式(4)可知，单台EPT与单台常规电力变压器并联运行时，各模块输出电流包含了2个部分：供给负载的I0/2和环流Ic。由式(2)可知，环流由输出电压差值和等效输出阻抗决定。环流的存在必然造成EPT与常规电力变压器之间输出功率的不平衡，输出功率较大的模块有可能因超过其额定功率而烧毁，因此必须对环流加以控制。

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实际系统中，只要选择合适的并联系统连接点，便可满足系统等效输出阻抗尽可能相等这一条件。由式(2)可知，环流就只与输出电压差值有关。此差值大小可由基准电压幅值、相位和频率来控制，因此可通过控制基准电压抑制系统并联产生的环流。

2 EPT与常规电力变压器并联控制策略和性能分析

由1.3节分析可知，要抑制并联系统环流并最终实现功率均分这一目标，可以通过控制基准电压的幅值、相位和频率来实现。在EPT与常规电力变压器并联系统中，EPT的输出电压幅值、相位和频率均可控，而常规电力变压器则不可控(即使有分接开关，其调节也非常有限且不连续)。因此，可以考虑将常规电力变压器副边绕组电压作为EPT输出电压的参考基准电压，使EPT输出电压跟踪常规电力变压器的副边绕组电压，当EPT输出电压与常规电力变压器副边绕组电压趋于相等时，并联系统环流就会被很好地抑制。

2.1 控制策略

为实现并联系统各部分负荷的均匀分配，必须使并联系统各模块输出电压相同，要实现输出电压相同，EPT输出电压必须能快速准确地跟踪常规电力变压器的副边绕组电压。因而，好的并联控制策略要求控制系统的速度尽可能快，精度尽可能高。图3为EPT与常规电力变压器并联系统控制框图。图中：Z1和Z2分别为EPT模块和常规电力变压器模块与负荷间的连接线阻抗;常规电力变压器的输出电压e1作为EPT输出电压e2的参考电压。图4为EPT输出级一相结构图。图中：Cde为EPT隔离级输出滤波电容，用于为EPT输出级提供直流电压支撑;L，R，C分别为滤波器的电感、电阻和电容。

图3并联系统控制框图

Fig.3 Control block diagram of parallel system

因为EPT输出级变换器的开关频率远大于其输出电压频率，变换器的开关动态特性可被忽略，所以变换器可被看成是一个简单的比例模型，如图5所示，其中，M为比例系数(为简化分析，一般设为1)。图5为本文所提出的并联控制策略的线性化模

型，它包含多个回路，分别为输出电压反馈回路、电容电流反馈回路和常规电力变压器输出电压前馈回路。采用电容电流反馈回路可以提高系统对参数变化的适应性和系统的鲁棒性[1引。为了提高系统的动态响应速度，系统的反馈量和前馈量一律采用瞬时值;为了提高EPT输出电压对常规电力变压器输出电压的跟踪精度和速度，系统在传统比例积分(PI)控制基础上增加了参考电压前馈控制回路。

图4 EPT输出级一相结构

Fig.4 A phase block diagram of EPT output stage

图5并联控制策略的线性化模型

Fig.5 Linear model of parallel control strategy

2.2控制性能分析

为进一步分析本文所提出的并联控制策略的动态性能和稳态精度，在前述控制策略的基础上建立控制系统的闭环传递函数。

由图4可得描述变换器大信号动态行为的双线性微分方程如下：

式(6)中的可为控制变量，其值随变换器开关状态的改变而变化，可以为1，0，一1。

由非线性控制和反馈线性化理论'14]，系统输出电压为2阶相关度。因此，对式(7)求导并代入式(6)，可得系统开环输出电压的动态方程如下：

式中：上方有一横线的变量均表示对应的平均值。由图5的并联控制策略线性化模型可得变换器输出电压滤波前电压平均值的控制表达式为：

式中：kp1和ki1分别为电压调制比例系数和积分系数;kp2和k12分别为电流调制比例系数和积分系数;kf为参考电压前馈系数。由式(8)和式(9)可得，系统闭环输出电压的动态方程如下：

图6和图7比较了所提出的并联控制策略和常规PI控制策略的输出电压闭环传递函数的阶跃响应和伯德图。

图6闭环传递函数G(s)的阶跃响应

Fig.6 Step response diagrams of closed-looptransfer function G(j)

图7 闭环传递函数G（s）伯德图

Fig. Bode diagrams of closed-loop transfer function G(s)

图8为采用不同控制策略时EPT输出电压波形的比较。

图8采用不同控制策略时EPT输出电压波形比较

Fig.8 Comparison of EPT output voltage waveforms

G(s)中主电路参数和控制参数与下文仿真所采用的参数一致，列举如下：L=80uH，C=500uF，R=0.1 ，kP1=800，ki1=0.5，kP2=0.008，k12=5 kf=1.1。

由图7和图8可知，采用所提出的并联控制策略，系统输出电压极好地跟踪了参考电压。而采用常规PI控制的系统输出电压与参考电压相比，在相位上有所滞后，在幅值上也存在比较大的稳态偏差。由图6可知，采用所提出的并联控制策略的系统相比采用常规PI控制策略的系统，动态响应要快捷。

3仿真与试验

3.1 仿真

为验证所提出的并联控制方案的可行性，利用MATLAB/Simulink进行了实例仿真分析。并联系统主要参数如下：额定容量为1.5 MVA，额定输入、输出电压分别为10 kV和400 V，输入、输出电压频率为50 Hz，高频变压器工作频率为1 kHz，负载容量为1.5 MVA，功率因数为0.8(滞后)。针对投入负载、原方电源取自不同系统、EPT与常规电力变压器切换以及不同容量EPT与常规电力变压器并联运行这4种情况，在连接线阻抗相同的条件下进行仿真分析。

3.1.1 投入负载

图9为投入负载时的电压、电流、有功功率和无功功率仿真波形。由图9可知，EPT与常规电力变压器的输出电压、电流、有功功率、无功功率几乎完全吻合，且动态响应快捷。这说明，本文所提出的并联控制策略能够很好地解决EPT与常规电力变压器之间的并联功率均分问题，而且动态性能良好。

3.1.2原方电源取自不同系统

图10为EPT和常规电力变压器的原方电源取自不同系统时的仿真波形。常规电力变压器的原方电源的A相电压频率设为49.4 Hz，B相电压幅值跌落15%，C相电压相位设为145。。EPT的原方电源为理想的三相正弦波。

图9 投入负载时的仿真波形

Fig.9 Simulation results when loads are put into operation

图10原方电源取自不同系统时投入负载的波形

Fig.10 Simulation results when loads are put intooperation for different powers

由图10可知，即使原方电源差别较大，EPT输出电压仍然能快速准确地跟踪常规电力变压器输出电压，且环流几乎为0。这说明即使原方电源取自不同系统，EPT与常规电力变压器也可以很好地实现并联运行，同时也避免了常规电力变压器并联且原方电源取自不同系统时，变压器的并列非常繁琐这一问题。

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3.1.3 EPT与常规电力变压器切换

图11为EPT与常规电力变压器切换时的工作波形。具体工况为常规电力变压器独立满负荷运行，0.2 s时EPT并入系统，共同为负荷供电，0.3 S时常规电力变压器从系统解列，EPT实现独立满载运行。仿真波形表明，EPT与常规电力变压器可以互为备用，且均流性能良好。

图11EPT与常规电力变压器相互切换时的波形

Fig.1 1 Simulation results when EPT and conventionaltransformer are switched off each other

3.1.4不同容量EPT与常规电力变压器并联运行

图12给出了EPT容量为500 kVA、常规电力变压器容量为1 000 kVA的并联系统的负荷分配仿真曲线。在此工况下，控制系统中的电流指令信号应乘以合适的容量比例系数。从图中可以看出，EPT和常规电力变压器承担负荷的比例为1：2。这说明所提出的控制策略能实现不同容量EPT与常规电力变压器并联运行时的负荷合理分配。变压器经济运行是降低电力网损的有效措施之一，而负荷的合理分配对于变压器的经济运行至关重要Ds]。因此，在EPT与常规电力变压器并联系统中，通过引入合适的控制策略实现变压器的经济运行是完全可行的。

3.2试验

附录B图B1给出了单台EPT和单台常规电力变压器构成的试验系统外观。EPT结构与附录A图A1相同。控制芯片采用TI公司的数字信号处理器TMS320F2812。EPT主要参数如下：高频变压器的工作频率为1 kHz，输出滤波电感为4 mH，输出滤波电容为300扛F。EPT中开关器件的工作频率为1 200 Hz。常规电力变压器采用调压变压器，用以调整常规变压器的输出电压。