0 引言

電力變壓器的并聯(lián)運(yùn)行是電網(wǎng)中的常見現(xiàn)象，無論是在提高運(yùn)行效率和減少總的備用容量方面，還是在提高供電可靠性方面，都有著積極的意義[1]。常規(guī)電力變壓器不可控，其并聯(lián)運(yùn)行需要滿足一定條件[1]。短路阻抗不相等時(shí)會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷分配不均和產(chǎn)生環(huán)流，因?yàn)椴⒙?lián)運(yùn)行時(shí)各臺(tái)變壓器所承擔(dān)的負(fù)荷與各自的短路阻抗標(biāo)幺值成反比;容量不匹配的變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，短路阻抗匹配比較麻煩;并聯(lián)變壓器變比不等會(huì)直接導(dǎo)致輸出電壓不等，從而產(chǎn)生環(huán)流。同時(shí)，當(dāng)原方電源取自不同系統(tǒng)時(shí)，變壓器的并列非常繁瑣，需要通過其他設(shè)備對(duì)系統(tǒng)潮流進(jìn)行控制，或者只有等待機(jī)會(huì)。

電子電力變壓器(EPT)是一種新型電力變壓器，已有不少文獻(xiàn)在EPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略方面開展了研究工作E2-9]。文獻(xiàn)[10]提出了EPT的并聯(lián)問題，并指出EPT并聯(lián)需要解決的相關(guān)問題，其中，均流控制是EPT并聯(lián)必須首先考慮的問題，并以2臺(tái)EPT并聯(lián)為例，采用主從式控制解決了EPT輸出交流側(cè)的并聯(lián)均流問題。文獻(xiàn)[11]以2臺(tái)EPT并聯(lián)為例，采用分散邏輯控制解決了EPT輸出交流側(cè)和輸入直流側(cè)的并聯(lián)均流問題。文獻(xiàn)[12]以2臺(tái)EPT并聯(lián)為例，采用無互聯(lián)線控制解決了EPT輸出交流側(cè)的并聯(lián)功率均分問題。

將EPT引入電力系統(tǒng)后，在并聯(lián)方面首先應(yīng)考慮EPT與常規(guī)電力變壓器的并聯(lián)問題。本文主要研究單臺(tái)EPT與單臺(tái)常規(guī)電力變壓器的并聯(lián)。

1 EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)模型和原理

1.1 單臺(tái)EPT拓?fù)鋱D

附錄A圖A1給出了單臺(tái)EPT的拓?fù)鋱D。該結(jié)構(gòu)基于變換中存在直流環(huán)節(jié)[2]，由輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)組成。其中，輸入級(jí)為三相脈寬調(diào)制(PWM)整流，輸出級(jí)由3個(gè)電壓型單相逆變器組成，隔離級(jí)由3個(gè)單相逆變器、1個(gè)高頻變壓器和3個(gè)單相整流器組成。開關(guān)器件為帶反并聯(lián)二極管的全控型器件——絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

1.2并聯(lián)等效輸出模型

圖1為單臺(tái)EPT與單臺(tái)常規(guī)電力變壓器并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。U1和Uz既可以取自同一電源，也可以取自不同電源。

圖2為一相并聯(lián)等效輸出電路。圖中：V<0為并聯(lián)母線電壓;E1<&delta;1和E2<&delta;2分別為常規(guī)電力變壓器和EPT空載輸出電壓;R1，R2和X1，X2分別為常規(guī)電力變壓器和EPT相應(yīng)的等效輸出電阻和等效輸出電抗;I01和I02分別為常規(guī)電力變壓器和EPT的輸出電流;I0為負(fù)載電流。

圖1 EPT與常規(guī)電力變壓器構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)

Fig.1 Parallel system of EPT and conventional transformer

圖2并聯(lián)系統(tǒng)一相等效電路

Fig.2 A phase equivalent circuit of parallel system

1.3并聯(lián)原理

EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流的直接原因是并聯(lián)系統(tǒng)各部分輸出電壓不等。造成輸出電壓不等的原因主要有：①EPT模塊的基準(zhǔn)電壓與常規(guī)電力變壓器副邊繞組電壓的幅值、相位和頻率有差異;②并聯(lián)系統(tǒng)各模塊等效輸出阻抗不等。基準(zhǔn)電壓幅值、相位和頻率的差異會(huì)體現(xiàn)在空載輸出電壓的幅值、相位和頻率中，等效輸出阻抗不等也可等效為空載輸出電壓幅值和相位不等。因此，為簡化環(huán)流分析，可把并聯(lián)系統(tǒng)各模塊輸出電壓不等等效為空載輸出電壓的不等，同時(shí)令各模塊等效輸出阻抗相等，即R1=R2=R，X1=X2=X。

由式(3)和式(4)可知，單臺(tái)EPT與單臺(tái)常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各模塊輸出電流包含了2個(gè)部分：供給負(fù)載的I0/2和環(huán)流Ic。由式(2)可知，環(huán)流由輸出電壓差值和等效輸出阻抗決定。環(huán)流的存在必然造成EPT與常規(guī)電力變壓器之間輸出功率的不平衡，輸出功率較大的模塊有可能因超過其額定功率而燒毀，因此必須對(duì)環(huán)流加以控制。

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實(shí)際系統(tǒng)中，只要選擇合適的并聯(lián)系統(tǒng)連接點(diǎn)，便可滿足系統(tǒng)等效輸出阻抗盡可能相等這一條件。由式(2)可知，環(huán)流就只與輸出電壓差值有關(guān)。此差值大小可由基準(zhǔn)電壓幅值、相位和頻率來控制，因此可通過控制基準(zhǔn)電壓抑制系統(tǒng)并聯(lián)產(chǎn)生的環(huán)流。

2 EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)控制策略和性能分析

由1.3節(jié)分析可知，要抑制并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流并最終實(shí)現(xiàn)功率均分這一目標(biāo)，可以通過控制基準(zhǔn)電壓的幅值、相位和頻率來實(shí)現(xiàn)。在EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)系統(tǒng)中，EPT的輸出電壓幅值、相位和頻率均可控，而常規(guī)電力變壓器則不可控(即使有分接開關(guān)，其調(diào)節(jié)也非常有限且不連續(xù))。因此，可以考慮將常規(guī)電力變壓器副邊繞組電壓作為EPT輸出電壓的參考基準(zhǔn)電壓，使EPT輸出電壓跟蹤常規(guī)電力變壓器的副邊繞組電壓，當(dāng)EPT輸出電壓與常規(guī)電力變壓器副邊繞組電壓趨于相等時(shí)，并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流就會(huì)被很好地抑制。

2.1 控制策略

為實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)各部分負(fù)荷的均勻分配，必須使并聯(lián)系統(tǒng)各模塊輸出電壓相同，要實(shí)現(xiàn)輸出電壓相同，EPT輸出電壓必須能快速準(zhǔn)確地跟蹤常規(guī)電力變壓器的副邊繞組電壓。因而，好的并聯(lián)控制策略要求控制系統(tǒng)的速度盡可能快，精度盡可能高。圖3為EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖。圖中：Z1和Z2分別為EPT模塊和常規(guī)電力變壓器模塊與負(fù)荷間的連接線阻抗;常規(guī)電力變壓器的輸出電壓e1作為EPT輸出電壓e2的參考電壓。圖4為EPT輸出級(jí)一相結(jié)構(gòu)圖。圖中：Cde為EPT隔離級(jí)輸出濾波電容，用于為EPT輸出級(jí)提供直流電壓支撐;L，R，C分別為濾波器的電感、電阻和電容。

圖3并聯(lián)系統(tǒng)控制框圖

Fig.3 Control block diagram of parallel system

因?yàn)镋PT輸出級(jí)變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于其輸出電壓頻率，變換器的開關(guān)動(dòng)態(tài)特性可被忽略，所以變換器可被看成是一個(gè)簡單的比例模型，如圖5所示，其中，M為比例系數(shù)(為簡化分析，一般設(shè)為1)。圖5為本文所提出的并聯(lián)控制策略的線性化模

型，它包含多個(gè)回路，分別為輸出電壓反饋回路、電容電流反饋回路和常規(guī)電力變壓器輸出電壓前饋回路。采用電容電流反饋回路可以提高系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)性和系統(tǒng)的魯棒性[1引。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，系統(tǒng)的反饋量和前饋量一律采用瞬時(shí)值;為了提高EPT輸出電壓對(duì)常規(guī)電力變壓器輸出電壓的跟蹤精度和速度，系統(tǒng)在傳統(tǒng)比例積分(PI)控制基礎(chǔ)上增加了參考電壓前饋控制回路。

圖4 EPT輸出級(jí)一相結(jié)構(gòu)

Fig.4 A phase block diagram of EPT output stage

圖5并聯(lián)控制策略的線性化模型

Fig.5 Linear model of parallel control strategy

2.2控制性能分析

為進(jìn)一步分析本文所提出的并聯(lián)控制策略的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，在前述控制策略的基礎(chǔ)上建立控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

由圖4可得描述變換器大信號(hào)動(dòng)態(tài)行為的雙線性微分方程如下：

式(6)中的可為控制變量，其值隨變換器開關(guān)狀態(tài)的改變而變化，可以為1，0，一1。

由非線性控制和反饋線性化理論'14]，系統(tǒng)輸出電壓為2階相關(guān)度。因此，對(duì)式(7)求導(dǎo)并代入式(6)，可得系統(tǒng)開環(huán)輸出電壓的動(dòng)態(tài)方程如下：

式中：上方有一橫線的變量均表示對(duì)應(yīng)的平均值。由圖5的并聯(lián)控制策略線性化模型可得變換器輸出電壓濾波前電壓平均值的控制表達(dá)式為：

式中：kp1和ki1分別為電壓調(diào)制比例系數(shù)和積分系數(shù);kp2和k12分別為電流調(diào)制比例系數(shù)和積分系數(shù);kf為參考電壓前饋系數(shù)。由式(8)和式(9)可得，系統(tǒng)閉環(huán)輸出電壓的動(dòng)態(tài)方程如下：

圖6和圖7比較了所提出的并聯(lián)控制策略和常規(guī)PI控制策略的輸出電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)的階躍響應(yīng)和伯德圖。

圖6閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)的階躍響應(yīng)

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

圖7 閉環(huán)傳遞函數(shù)G（s）伯德圖

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

圖8為采用不同控制策略時(shí)EPT輸出電壓波形的比較。

圖8采用不同控制策略時(shí)EPT輸出電壓波形比較

Fig.8 Comparison of EPT output voltage waveforms

G(s)中主電路參數(shù)和控制參數(shù)與下文仿真所采用的參數(shù)一致，列舉如下：L=80uH，C=500uF，R=0.1 ，kP1=800，ki1=0.5，kP2=0.008，k12=5 kf=1.1。

由圖7和圖8可知，采用所提出的并聯(lián)控制策略，系統(tǒng)輸出電壓極好地跟蹤了參考電壓。而采用常規(guī)PI控制的系統(tǒng)輸出電壓與參考電壓相比，在相位上有所滯后，在幅值上也存在比較大的穩(wěn)態(tài)偏差。由圖6可知，采用所提出的并聯(lián)控制策略的系統(tǒng)相比采用常規(guī)PI控制策略的系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)要快捷。

3仿真與試驗(yàn)

3.1 仿真

為驗(yàn)證所提出的并聯(lián)控制方案的可行性，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行了實(shí)例仿真分析。并聯(lián)系統(tǒng)主要參數(shù)如下：額定容量為1.5 MVA，額定輸入、輸出電壓分別為10 kV和400 V，輸入、輸出電壓頻率為50 Hz，高頻變壓器工作頻率為1 kHz，負(fù)載容量為1.5 MVA，功率因數(shù)為0.8(滯后)。針對(duì)投入負(fù)載、原方電源取自不同系統(tǒng)、EPT與常規(guī)電力變壓器切換以及不同容量EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行這4種情況，在連接線阻抗相同的條件下進(jìn)行仿真分析。

3.1.1 投入負(fù)載

圖9為投入負(fù)載時(shí)的電壓、電流、有功功率和無功功率仿真波形。由圖9可知，EPT與常規(guī)電力變壓器的輸出電壓、電流、有功功率、無功功率幾乎完全吻合，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快捷。這說明，本文所提出的并聯(lián)控制策略能夠很好地解決EPT與常規(guī)電力變壓器之間的并聯(lián)功率均分問題，而且動(dòng)態(tài)性能良好。

3.1.2原方電源取自不同系統(tǒng)

圖10為EPT和常規(guī)電力變壓器的原方電源取自不同系統(tǒng)時(shí)的仿真波形。常規(guī)電力變壓器的原方電源的A相電壓頻率設(shè)為49.4 Hz，B相電壓幅值跌落15%，C相電壓相位設(shè)為145。。EPT的原方電源為理想的三相正弦波。

圖9 投入負(fù)載時(shí)的仿真波形

Fig.9 Simulation results when loads are put into operation

圖10原方電源取自不同系統(tǒng)時(shí)投入負(fù)載的波形

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

由圖10可知，即使原方電源差別較大，EPT輸出電壓仍然能快速準(zhǔn)確地跟蹤常規(guī)電力變壓器輸出電壓，且環(huán)流幾乎為0。這說明即使原方電源取自不同系統(tǒng)，EPT與常規(guī)電力變壓器也可以很好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)也避免了常規(guī)電力變壓器并聯(lián)且原方電源取自不同系統(tǒng)時(shí)，變壓器的并列非常繁瑣這一問題。

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3.1.3 EPT與常規(guī)電力變壓器切換

圖11為EPT與常規(guī)電力變壓器切換時(shí)的工作波形。具體工況為常規(guī)電力變壓器獨(dú)立滿負(fù)荷運(yùn)行，0.2 s時(shí)EPT并入系統(tǒng)，共同為負(fù)荷供電，0.3 S時(shí)常規(guī)電力變壓器從系統(tǒng)解列，EPT實(shí)現(xiàn)獨(dú)立滿載運(yùn)行。仿真波形表明，EPT與常規(guī)電力變壓器可以互為備用，且均流性能良好。

圖11EPT與常規(guī)電力變壓器相互切換時(shí)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與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行

圖12給出了EPT容量為500 kVA、常規(guī)電力變壓器容量為1 000 kVA的并聯(lián)系統(tǒng)的負(fù)荷分配仿真曲線。在此工況下，控制系統(tǒng)中的電流指令信號(hào)應(yīng)乘以合適的容量比例系數(shù)。從圖中可以看出，EPT和常規(guī)電力變壓器承擔(dān)負(fù)荷的比例為1：2。這說明所提出的控制策略能實(shí)現(xiàn)不同容量EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷合理分配。變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是降低電力網(wǎng)損的有效措施之一，而負(fù)荷的合理分配對(duì)于變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行至關(guān)重要Ds]。因此，在EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)系統(tǒng)中，通過引入合適的控制策略實(shí)現(xiàn)變壓器的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是完全可行的。

3.2試驗(yàn)

附錄B圖B1給出了單臺(tái)EPT和單臺(tái)常規(guī)電力變壓器構(gòu)成的試驗(yàn)系統(tǒng)外觀。EPT結(jié)構(gòu)與附錄A圖A1相同?？刂菩酒捎肨I公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812。EPT主要參數(shù)如下：高頻變壓器的工作頻率為1 kHz，輸出濾波電感為4 mH，輸出濾波電容為300扛F。EPT中開關(guān)器件的工作頻率為1 200 Hz。常規(guī)電力變壓器采用調(diào)壓變壓器，用以調(diào)整常規(guī)變壓器的輸出電壓。

圖12不同容量EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行的波形

Fig.12 Simulation results for the proposed system withdifferent ratings

附錄B圖B2和圖B3分別給出了所提出的并聯(lián)系統(tǒng)采用所提出的控制策略的輸出電壓和輸出電流的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，圖B4為不同容量EPT與常規(guī)變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。為方便起見，附錄B中僅給出了一相試驗(yàn)結(jié)果。

圖B2(a)、圖B2(b)和圖B3(b)表明，無論是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行還是動(dòng)態(tài)運(yùn)行，EPT輸出電壓均能很好地跟蹤常規(guī)電力變壓器的副方電壓。由圖B2(c)和

圖B3(a)可看出所提出的控制策略對(duì)并聯(lián)系統(tǒng)均流的影響，無論是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行還是動(dòng)態(tài)運(yùn)行，EPT輸出電流與常規(guī)電力變壓器輸出電流基本吻合，且動(dòng)態(tài)

響應(yīng)快捷。圖B4說明所提出的并聯(lián)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)不同容量EPT與常規(guī)電力變壓器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷合理分配，且EPT與常規(guī)變壓器承擔(dān)負(fù)荷的比例為1：2，與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文提出將常規(guī)電力變壓器的副方電壓作為EPT輸出電壓的參考電壓，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新穎的并聯(lián)控制策略。理論分析、仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的控制策略與常規(guī)PI控制策略相比，穩(wěn)態(tài)精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快捷;即使并聯(lián)系統(tǒng)各模塊的原方電源取自不同系統(tǒng)，EPT與常規(guī)電力變壓器也可以很好地實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行。

附錄見本刊《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》網(wǎng)絡(luò)版(http：/www.aeps—info.eom/aeps/ch/index.aspx)。

參考文獻(xiàn)

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