一种改进的基于三电平拓扑的电力电子变压器设计

4 仿真研究

为验证该三电平PET电路的合理性和控制策略的有效性，针对10 kV／380 V配电系统环境下PET的稳态运行及输入电压波动、频率闪变、含有谐波、负载投切等特殊情况进行了仿真研究，采用PSCAD／EMTDC软件仿真。其参数如下：输入级，输入电感Lr=15 mH，输入电阻R=0．5 Ω，输出稳压电容Ci=4．8 mF；隔离级，Cs=10μF，Lk=50 μH，并联结电容C=10 nF，输出滤波电感Lg=0．2 mH；输出级，滤波电感Lv=0．3 mH，滤波电容Cv=300 μF。输入级、隔离级、输出级及高频变压器工作频率均为5 kHz，高频变压器变比8．6 kV：1．5 kV。

4．1 稳态运行

图5为三电平PET稳态运行时的仿真波形。它在保证输出级输出电压恒定的同时，使输入电流及输出电压均为正弦波，且实现了网侧单位功率因数控制。由图5c可见，在VT1承受电压降为零时对其进行了开通与关断，实现了零电压开关。经快速傅里叶变换分析，其单相输入电流总谐波畸变率约为1．04％，单相输出电压THD≈0．93％。


4．2 输入电压波动±20％

图6为输入电压波动时的仿真波形。在0．505 s处，初级10 kV系统输入电压出现20％的电压上升，持续2个周期后恢复正常，在0．565 s处输入电压又出现20％的电压跌落，持续2个周期后恢复正常。从仿真结果可见，输出电压几乎不受影响，有效抑制了输入电压的波动。


4．3 输入电压发生频率闪变

图7为输入电压发生频率闪变时的仿真波形。在0．505 s处，输入电压出现10 Hz的频率跌落，持续2个周期后恢复正常，在0．565 s处输入电压又出现10 Hz的频率上升，持续2个周期后恢复正常。由仿真结果可见，输出电压几乎不受影响，能够有效抑制输入电压频率的闪变。


4．4 输入电压含基波幅值20％的5次、7次谐波

图8为输入电压含有基波幅值20％的5次、7次谐波时的仿真结果。由FFT分析可知，单相输出电压的THD≈0．97％，可见PET输出仍维持了较好的正弦度。可见即使输入电压中有较多的谐波，由于隔离级的存在阻碍了谐波扩散，因此输出电压基本不受影响。


4．5 负载投切

图9为突加负载时的仿真波形，0．45 s时突加66．7％的负载。由仿真可见，在突加负载后输入电流变大，但仍维持正弦波且与输入电压之间功率因数为1。输出电压在突加负载时发生一定的波动，但马上又恢复正常。说明负载投切对输出电压衡，在负载突加后略微变大，但始终保持在2 V以内，说明中点电压控制达到了很好的效果。


5 结论

所提出的三电平PET在稳态运行时能够保持初级可控且良好的电压电流波形，在输入电压波动、频率闪变、含有谐波及负载投切等动态过程中都能保持输出电压的恒定，有效地抑制了可能出现的扰动，实现了良好的电能质量调节。在结构特点上三电平PET可在有效提高输入电压等级的同时降低开关损耗，使得PET的实用化变为可能。另外，PET电路中的直流环节也为光伏发电等新能源系统以及储能系统的直接接入提供了接口。目前，所提出的三电平PET的实验样机尚处在研制中，待样机完成后可以直接应用在6 kV的配电系统中。