新能源與電力電子設備電力系統管理研究

中國能源建設集團湖南省電力設計有限公司 楊 超

新能源的發展對傳統發電帶來較大的市場沖擊，其需要確保穩定的電力供應和可靠電力系統。在此背景下，電力系統將會遇到更多的挑戰和困難，傳統的電力變壓器已無法滿足現狀，其自身功能單一性和較多條件限制性都是被淘汰的原因。對此，設計新型的電力電子變壓器是當前國際電力領域中的重要目標，將現有的電力電子設備功能進行技術改革，實現變壓技術的變革性跨越是一個重要的手段。

1 電力電子變壓器運行原理

電力電子變壓器（EPT）最早在20世紀七十年代提出來的，美國通用公司的W.McMurray 提出了高頻鏈接AC/AC 變換電路，奠定了基發展基礎[1]。電力電子變壓器不僅具備電氣變換、電氣隔離、能量傳遞等基本功能，同時還能對電能的質量進行控制，從而實現調節電能質量的目的。電力電子變壓器的基本運行原理，是利用電子電力變換技術和電磁感應原理完成電能的供應，是將高頻變壓器當作工頻變壓器來使用[2]，如圖1所示。

圖1 三級式電子電力變壓器

圖1是美國在1999年研發的電子電力變壓器，其具有三級結構，即輸出級、輸入級和中間隔離級，其中在輸入側使用了多級模塊串聯分壓的拓撲結構，從而實現輸入側的單位功率因數整流。此結構只能實現功率的單向流動，無法調節。

2 準Z 源逆變器的電氣模型

2.1 準Z 源逆變器的數學模型

準Z 源逆變器的橋臂前后開關，處于開啟狀態時，此種狀態在學術上被稱之為直通，同時準Z 源逆變器內部含帶逆變橋前端的準Z 源網絡，如圖2所示。傳統逆變器中的橋臂直通易導致開關管損壞，從而此種工作狀態被禁止?！霸撏負浣Y構為單級，QZSI中添加直通狀態后，通過在傳統調制策略下的逆變器部分零狀態的時間中插入直通時間或者將整個零狀態替換為直通狀態，從而實現輸入側電壓的升降”。

圖2 準Z 源三相逆變器拓撲

準Z 源逆變器在實際運行過程中，可以同時進行兩種工作模式，如圖3所示，當準Z 源逆變器處于直通狀態時，通常情況下容易引發三相橋臂短路；而當準Z 源逆變器中的網絡電感與電容開展交換流程時，電感與電容呈現出釋放和吸收的狀態，并且負載或網兩側不會出現能量的吸收。所以，在準Z源逆變器的非直通的工作狀態，與VSI 工作原理一致，同時電源能量呈現出負載或網兩側的傳輸，電感與電容的交換流程的電量呈現為吸收和釋放。

圖3 準Z 源逆變器等效電路

圖4 準Z 源并網逆變器風力發電系統

此外，在工作狀態下準Z 源逆變器網和直流電源的功率傳輸，呈現為同時刻同網側，從而使所有環節當中的電源能量發揮出最大作用，并利用準Z源逆變器網開展電能的吸收與釋放，達到提高準Z源逆變器電壓的效果。據此，在一個開關周期當中，直通工作狀態的時間比值，公式表示為：

式中，vin為直流輸入電壓，vc1、vc2分別代表電容、電壓，vdc表示直流母線電壓。同時非直通狀態所用時間占比，同樣按照基爾霍夫定律進行計算，公式表示為：

已知處于穩定狀態時，一個開關周期內的電感平均電壓為零，則：

式中，T 為時間周期，Tsh直通工作狀態的時間比；T1為非直通狀態所用時間比；進而根據公式（3）可將電容電壓進行推導，如下：

式中，ds為直通工作狀態下的占空比，該比值等于直通工作狀態的時間周期比；Vc1為準Z 源逆變器網穩態電容；Vc2為準Z 源逆變器網穩態電壓；進而可推導出逆變器的直流母線電壓與交流輸出電壓，如下：

式中，B 為升壓因子；M 為調制比例，G 為增益電壓值。進而Z 源逆變器網處于直通狀態，該網的開關器件中的電流數據為0，逆變器電流與電感之和公式表示為：

電感電流始終處于穩定狀態下時，電容、電壓在同一周期內部的開關變化統一無效，皆為“0”，對此，則可以根據此性質，推導出電感電流如下：

2.2 準Z 源并網逆變器的控制模型

發電機、整流橋、三相逆變橋、輸入電容、準Z 源逆變器是風電系統重要組成部分。輸入電容是作為DC 電源用來與準Z 源網絡連接使用的。在不同風力下，發電機變化會因為端電壓通過二極管整流電路連接準Z 源逆變器。其輸入電壓如下：

式中，VLL為發電機線電壓。

準Z 源并網系統使用雙閉環矢量控制策略。電流內環對并網dq 軸電流進行解耦控制，內環將使用PI 控制器與狀態反饋解耦進行控制，同時電網與電動勢前反饋補償如下：

圖5 SVM 調制方法

由圖4可知，電壓呈現為外化狀態時，所控的電壓元件為C1，前輸出元件的電流由PI 進行控制，進而在該控制過程當中，需要在保證準Z 源逆變器內部電壓和電容的基礎上，同時內部電壓和電容必須穩定，如此才可以讓電壓和電流回到穩定。

3 調制策略

由于準Z 源逆變器存在直通與非直通兩種工作狀態，所以在兩種工作狀態下，逆變器所發揮的作用與工作的模式存在一定差異性，如直通狀態下可以利用部分VSI 零狀態時間段，通過在其中增加直通時間或直接使用直通模式的方式，對整體的狀態進行零狀態調整，但是此種操作容易致使三相橋臂中的其中一相出現短路問題。因此，從上文的裝置設備運行狀態能夠知曉，在每一個開關周期內都有直通與非直通狀態。對此，針對QZSI 進行調制需要完善原有的調制途徑與方式，才能夠保障直通狀態完美融入零狀態中。

空間矢量調制（SVM）的開關信號如圖5所示，開關切換時間如下：

式中，i 為自然數，最大值為6；T1和T2為作用時間；V1和V2為有效電壓矢量；θ 為電壓矢量之間的角度；T0為零狀態作用時間；m 為調制度。

按照SVM 調制方法進行匯總，可知零狀態矢量的實際作用，在一定時間內會出現變化，并且此種變化呈現周期性特點，約為π/3的值。零狀態矢量的平均占空比為：

升壓最大化能將出現的零矢量全體替換為直通量，且直通量占據比例會不斷發生變化。固定升壓比控制的直通占空比不變，且其中包括直接插入法升壓、分段插入法升壓兩類控制方法。相比較于后者升壓法來說，前者的直通矢量為固定值，位置也固定，一般情況下，位于傳統矢量000與111正中間，能夠代替一小部分零矢量狀態，記作為ZSVM1。使用直接升壓方式，能夠為其在一個開關周期內增加開關次數，且開關頻率比傳統調制方法高出兩倍以上一個開關周期之內的直通損耗超過兩次，但能夠將損耗平均分配到三個橋臂上，損耗降低。

如圖6所示，是另一種升壓方式，該方式通過在開關周期發生變化時，在裝置切換過程中，通過加入直通電流的方式完成，同時當中出現紅色陰影，表示直通運行所需要的時間。進而本文將直通消耗時間，按照公式（11）進行劃分，同時保證單個開關可以在有效狀態下運行過程中，完成直通狀態的插入，且使得單個橋臂均有直通的電流流過，便可確保三相橋臂開關頻率可以長期在同一水平，且呈現較高的穩定性。此外，前段準Z 源網絡內部結構中的二極管的開關頻率為三相逆變器的6倍。

圖6 六段插入直通升壓調制方法

此外，在直通升壓方式當中利用分段的方式完成添加后，單個橋臂均會承擔部分直通電流，同時所承擔的直通電流應力，相較于常規情況呈現出超過的狀態，為降低單個橋臂承擔的直通電流應力，可通過開啟三相橋臂總開關的方式，保證三相橋臂直通電流相同。

本文主要概述了EPT 的拓撲和控制策略，對其進行了類比分析和選擇，對EPT 的三個部分的常用拓撲進行了簡要概述，且對其出現的優缺點進行分析，最后對綜合數據討論選取適合于國內現階段的拓撲結構，并且以此結構作為數學模型建立的基礎進行合適的控制策略選擇，從而利用MATLAB 進行系統的整體性仿真，并將得到仿真結果、拓撲結構、控制策略等進行高效性和有效性的驗證與評價。

本文對于EPT 輸出側進行了簡要的分析介紹，但依然存在著較多的問題需要改善和更深層次的研究，本文研究只是簡單的原理分析和軟件仿真，實際的可行性并未通過試驗平臺進行驗證，最后對ETP 在使用過程中的能量損耗進行了拓撲結構的研究。