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配电网电力电子变压器仿真探究

摘要:作为一种新型智能变压器,电力电子变压器具备重量轻、体积小、可改善电能质量、输电方式灵活等多方面优势,近年来电力电子变压器的广泛应用也与其优势存在直接联系,基于此,本文简单分析了电力电子变压器,并详细论述了电力电子变压器仿真及分析,希望由此能够为相关业内人士带来一定启发。

关键字:配电网;电力电子变压器;仿真

电力电子变压器的发展离不开电力电子技术的进步支持,许多新型电力电子变压器拓扑结构也因此大量涌现。相较于存在体积重量大、无法有效隔离故障、空载损耗高等缺陷的传统变压器,电力电子变压器可更好服务于智能电网建设,而为了尽可能发挥电力电子变压器优势,正是本文围绕配电网电力电子变压器仿真开展具体研究的原因所在。

一、电力电子变压器

(一)基本原理

电力电子变压器存在AC/AC、AC/DC/AC两种拓扑结构,其中AC/DC/AC型拓扑结构具备单独解耦控制、存在两个直流环节的优势,高频变压器、一二次电力电子变换器属于AC/DC/AC拓扑结构电力电子变压器的主要构成,一二次电力电子变换器在其中主要负责工频交流电与高频方波的相互转化。值得注意的是,电力电子变压器的体积与自身频率成反比。

(二)拓扑结构

电力电子变压器属于配电网领域的重要配电设备,进行高压向低压转换以满足用电设备使用需要属于电力电子变压器的主要作用。为保证电力电子变压器较好服务于配电网运行,近年来业界围绕高压大功率场合的电力电子变压器应用开展了大量研究,但同时引发的控制复杂、超调量增大、延迟时间变长等问题开始成为研究的焦点。

(三)控制器设计

电力电子变压器的控制器主要包括输入级控制器、输出级控制器,本文研究的电力电子变压器控制器设计采用了定无功功率控制、定交流电压控制(输出级),定无功功率控制和定直流电压控制则用于电力电子变压器输入级,采用两个单相全桥变换器结构负责中间隔离级的控制,为电力电子变压器输出级控制。其中,输入级控制的目的是为了控制直流电压恒定并保证功率因素为1,输出级控制则是为了阻碍无功功率传播并保证输出电压恒定,因此前者采用了双闭环控制策略(电压外环电流内环),后者则采用了为负荷提供正弦工频电压设计。

二、电力电子变压器仿真及分析

(一)仿真设置

选择了本文研究的AC/DC/AC型拓扑结构电力电子变压器作为仿真研究对象。结合电力电子变压器实际,仿真分析将应用基于电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD实现,仿真设计如下所示:(1)输入级双环控制PI调节器。外环直流电压控制积分时间常数为0.008s、比例系数为5,无功控制积分时间常数为10s、比例系数为2,无功电流控制积分时间常数为0.5s、比例系数为1.5.(2)SPWM调制方式。为减少谐波污染,采用SPWM调制方式用于输入输出级,载波比取99、三角载波频率为4950Hz,输入级调制深度为0.87,输出级调制深度为0.8125,换流电感为7mH、直流电感为5600μF。(3)中间隔离级单相全桥变换器。调制波频率为1000Hz、载波频率为1000Hz,负荷有功为0.5MW、无功为0.4MVar。

(二)稳态运行仿真

开展稳态运行仿真,可发现电力电子变压器稳态运行下二次侧电压相位明显超前电流,而一次侧电压电流基本同相位,深入分析可发现,电力电子变压器一次侧功率因数接近1(>0.98),二次侧负载功率因数为0.78,由此可断定电源正输送有功功率至负载侧,这说明电力电气变压器的应用实现了负荷无功变动的有效隔离,电网受到的影响被降到最低。

(三)负荷投切仿真

在系统运行到1s时,三相负荷有功、三项负荷无功分别由500kW、400kVar突增至600kW与450kVar,而当系统运行到1.1s时,三相负荷有功、三项负荷无功则恢复到500kW、400kVar。由此围绕一二次侧三相参数变化开展分析不难发现,负荷投入后电力电子变压器二次侧电流有所增加,但这一增加会在负荷切除恢复,同时负荷投切还会带来持续时间较短的输出电压波动,约为0.02~0.03s,由此可直观了解电力电子变压器具备的优秀抗负荷扰动能力,电力电子变压器因此可较好服务于电能质量调节。

(四)暂态仿真以及谐波仿真

在系统运行到1s时,网侧、负荷侧分别发生持续时间为0.04s的三相对称接地短路,前者三项接地短路时负荷侧三相电压瞬间下降为0,且故障切除后负荷上增加了短路时的巨大能量,三相电压瞬时值因此出现了显著增加,这一增加于0.1s后恢复且网侧电压没有在暂态过程中发生变化,后者三项接地短路时负荷侧电压始终保持恒定,由此可发现电力电子变压器在故障传播隔离层面具备的优秀表现;分析负荷侧发生不对称短路时电力电子变压器两侧电压情况、含有谐波时电力电子变压器两侧电压情况,可发现网侧电压在两种状况下均为标准的正弦波电压,电力电子变压器的应用优势由此得到了更好证明。结合仿真可确定本文研究的电力电子变压器能够实现有功无功解耦控制,且能够满足网侧功率因数的灵活调节需要,网损降低、故障隔离、电能质量提升也将由此实现。

三、结论

综上所述,基于配电网电力电子变压器仿真具备较高现实意义,在此基础上,本文涉及的仿真设置、稳态运行仿真、负荷投切仿真、暂态仿真以及谐波仿真等内容,则提供了可行性较高的配电网电力电子变压器仿真路径,而为了保证仿真质量,电力电子变压器理论研究不完善现状必须得到重视。

参考文献:

[1]周廷冬,徐永海.基于MMC的配电网电力电子变压器故障特性分析[J].电工电能新技术,2017,36(05):34-41.

[2]张祥龙,周晖,肖智宏.电力电子变压器在有源配电网无功优化中的应用[J].电力系统保护与控制,2017,45(04):80-85.

作者:朱然 单位:深圳市中电电力技术股份有限公司(武汉研发中心)

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