学术简报｜级联型电力电子变压器直流电压二次纹波抑制策略

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摘要

湖南大学国家电能变换与控制工程技术研究中心、国网扬州供电公司的研究人员涂春鸣、肖凡、袁靖兵、周达，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文指出，直流纹波电压的存在将影响电力电子变压器（PET）的可靠性，制约其体积的优化与能量密度的提升。

针对这一问题，提出一种PET直流电压纹波抑制策略。首先，分析PET的拓扑结构与控制策略，从能量传输角度分析PET直流纹波电压的产生机理，提出基于纹波功率传递通路构建的直流纹波电压抑制策略；然后，对所提控制策略进行建模分析，并通过线性拟合的方法对控制系统的非线性环节进行解耦，实现控制系统中直流环节与交流环节性能的独立分析；最后，仿真与实验验证了理论分析的正确性与所提控制策略的有效性。

电力电子变压器（Power Electronic Transformer, PET）作为一种新型的电能转换设备，近年来，得到国内外众多学者的关注和研究。相比于传统电力变压器，PET不仅具有变压、电气隔离等功能，还兼具电能质量隔离、故障隔离、主动交直流能量管理等诸多优点。PET的诸多优势使其成为智能电网、能源互联网中的重要电能变换设备，并在输配电系统与机车牵引系统中具有较大的应用前景。

目前，针对电力电子变压器拓扑结构与基础控制策略的研究已较为全面。在拓扑结构方面：电力电子变压器以三级式结构居多，如图1所示，包括输入级、隔离级和输出级。PET输入级采用的模块化级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）结构使其具备在中、高压交流系统的直接接入能力，同时具备较好的冗余设计优势；隔离级多采用基于中（高）频变压器的双主动桥变换器（Dual Active Bridge, DAB），多DAB输出并联可提供公共的低压直流母线；输出级由逆变器提供交流接口来连接低压配网和负荷。

在基础控制策略方面：现有控制目标主要包括各端口间的电压变换、各端口间能量供需的平衡、相内模块的均压与均功率、相间传输功率的均衡四个方面，相应的控制策略可以分为采用输入级均压、隔离级均功率和采用隔离级均压、输入级均功率两大类。电力电子变压器作为电能变换枢纽，其多个端口间的能量平衡是实现能量调度的前提，也是其与光伏、储能等协调运行的基础，相关的控制策略均得到了重视与研究。

图1  三相级联型电力电子变压器电路拓扑

电力电子变压器作为一种新型的电力变压器和大容量电力电子变流器，体积与可靠性是评价其性能的重要指标。而制约大容量电力电子变流系统体积优化的主要原因之一是其直流侧二次纹波电压的存在。直流侧二次纹波电压迫使电容器容值选型增大，导致体积较难优化，进而间接提高了装置整体成本。

同时，较大的二次纹波电压将劣化交流输入与输出电压质量，对功率器件造成附加耐压，使得系统稳定运行面临挑战。对PET而言，二次纹波抑制的意义不仅体现在部分能量交换元件空间尺寸的缩小，同时也体现在装备成本的降低、功率密度的提高、稳定性与输入输出性能的提升。

目前，直流侧二次纹波的抑制已得到学术界的广泛关注，大量文献针对不同类型的电力电子变流系统开展了纹波电压抑制的研究。

现有的抑制方法可分为硬件方法与软件控制方法。硬件方法包括并联LC二次谐振滤波器、增加支撑电容、增加吸收装置等。这类纹波抑制方法简单有效，可移植性与适应性好，但应用时均会增加装置体积和提高投入成本，同时对控制系统的动态响应性能也存在影响，因此硬件方法多处在早期研究阶段。

软件控制方法多基于电力电子系统本身拓扑结构特点，经过合理的控制实现，不会带来体积与成本优化问题。目前软件控制方法已在风电变流器与模块化多电平型换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）中得到应用。

对电力电子变压器而言，其拓扑结构存在一定的特殊性，二次纹波的抑制也具有特殊性。文献[20]提出了一种基于直流陷波及输出扰动前馈控制的PET直流电压二次纹波抑制策略，该方法可降低直流纹波电压对PET系统的影响。

文献[21]提出采用同步功率控制器来实现高、低压直流侧纹波的相互中和，从而达到降低直流纹波电压的效果。所提方法仅适合输入输出均为单相交流系统的结构，且其隔离级采用比例积分（PI）控制器，对纹波功率跟随效果并不完善，因此最终治理效果并不理想。文献[23]与文献[21]相似，采用PI控制器对纹波电压直接进行控制，其相位跟随能力不能得到保障，因此纹波抑制效果也将受到影响。

本文首先分析了三相级联型PET的电路拓扑，从能量传递的角度分析了直流侧纹波电压产生的机理，指出通过控制相内各级DAB来传输网侧脉动功率与电感脉动功率，可实现对输入级电压纹波的抑制。

根据这一特性，本文对传统控制策略的控制器特性进行改进，即隔离级采用比例积分-谐振（PI-R）控制器来控制纹波电压，并对比指出采用PI控制器对直流电压纹波抑制存在的不足。仿真和实验验证了本文所提控制策略的正确性和有效性。

图5  本文所提的三相级联型PET隔离级控制框图

图12  采用优化控制策略PET仿真波形

总结

本文针对PET的直流纹波电压抑制问题，从功率角度分析了纹波电压生成的机理，并基于所分析的机理提出了纹波抑制策略。针对隔离级DAB的强耦合非线性特性，建立了控制系统模型，提出采用线性拟合的方法对隔离级进行线性拟合实现直流环节与交流环节的解耦，解耦后可以明晰控制系统各环节的影响。理论分析与实验结果得出以下结论：

• 1）电力电子变压器直流侧纹波电压由其功率交换导致，且随着PET传输功率的提升，脉动功率逐渐增大。

• 2）对电力电子变压器隔离级加入合适的脉动功率控制环节能够有效抑制高压直流侧纹波电压，在面对输入不对称或DAB传输效率不一致时，采用合理的权重取舍即可优化高低压侧纹波电压值。

• 3）本文所提的线性拟合方法能够有效地对PET隔离级进行解耦，对于脉动功率环控制器参数的选取具有较好的指导意义。

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