级联H桥型电力电子变压器原理及参数设计仿真研究

级联H桥型电力电子变压器原理及参数设计仿
真研究
近些年来，随着我国经济和科技的迅速发展，对于新型能源的需求也不断增加。

于是与新能源供电相关的分布式发电技术和微电网技术获得了快速发展。

而在系统中承担重要作用的传统的电力变压器自身所具有的体积重量大、功能单一等缺点一直未得到改善，已无法满足现今的供电需求。

因此提高电能质量成为当前电力系统中极其重要的课题。

由此结合电力电子技术与信息技术的电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)得到了广泛的研究。

本文针对一种级联H桥型电力电子变压器的工作原理进行研究，这种电力电子变压器除了具备变压器本身的一些基本的电能传输功能之外，还具备了体积重量小、电能质量可控、故障自隔离、交直流系统共存等特点。

另外，此种变压器的级联结构有效解决了电力电子器件耐压等级较低的问题。

本文通过对H桥型电力电子变压器的输入级、隔离级以及输出级三个部分进行拓扑分析和建立等效电路等研究来了解其工作特性。

为了验证级联H桥型电力电子变压器系统在主网稳态和动态情况下，系统的稳定性以及相关参数的设计的可行性，本文运用Matlab/Simulink仿真平台搭建了仿真模型，并在最后通过对仿真波形进行分析，验证了本文所提的级联H桥型电力电子变压器的基本功能的工作特性。

关键词：电力电子变压器；级联H桥变换器；虚拟同步机控制；建模仿真
第1章绪论
1.1电力电子变压器研究背景
近些年来，随着我国经济和科技的快速发展，对于新型能源的需求也不断增加。

与此同时，由于国家对建设配电网的相关工程投入了大量资源，我国的电力供应能力获得了极大地发展，由此开始大型和超大型电网在我国开始陆续出现，电网的升级虽然实现了电力资源传输与配置的优化，但同时也给电网的安全稳定运行带来了极大的考验。

同时，由于非线性负载的大量增加，导致电力系统的供电质量不断下降。

但是现今的科技和经济的高速发展对电能质量的要求却越来越高，传统的供电设备电能质量远不能达到目前的需求，因此会给工农业的生产和人们的日常生活带来许多不便，甚至可能造成不可避免的损失。

如何保证电网供应稳定且满足用户需求的电能，并确保用户电气设备的安全经济运行己经成为目前研究的重点问题之一。

面对煤炭、石油、天然气等传统能源逐渐枯竭引发的能源危机，新能源技术的研究引起了各国的关注。

中国的煤炭资源储量十分丰富，但是相对而言我国的石油和天然气资源就相对匮乏。

目前我国己探明的煤炭储量是石油储量的60余倍。

在2014年中国的能源消费结构中，煤炭的比例占到了70%左右，包括油气、水电和核能在内的其它能源只占到了约30%左右。

煤炭能源的大量使用造成了严重的空气污染和对生态环境的破坏，因此发展可再生能源是摆脱对化石能源依赖的重要途径之一。

为了改善我国能源消费的不合理结构，促进可再生能源的开发利用，实现社会的可持续发展，我国政府颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，鼓励发展包括太阳能、水能、风能、海洋能、地热能在内的多种形式的可再生能源[1]。

到了2018年，根据国家能源局数据显示，天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的22.1%，生产量达到24%；煤炭消费比重下降到59.0%，生产比重下降到69.0%。

由这些数据可知可再生能源的利用率在近几年中获得了一定提升。

但可再生能源不同于传统能源，其存在地理上分散、生产间歇性、随机性、波动性和不可控性等特点，传统电力网络的集中统一管理方式无法满足可再生能源大规模利用的要求。

这些可再生能源的发电形式，都是使用分布式发电系统，与大型中心式发电站相比，这些新能源的传输需要涉及到一系列的大功率、高效率以及高质量的能量转换和控制。

同时分布式发电系统具有容量小、分布广、交直流共存、电压或频率波动大等特点，因此如何实现将
可再生能源高效可靠地并网己成为目前研究的重点问题之一[2]。

此外，随着电力改革和市场化的推进，电能交易的方式也越来越灵活。

如果未来配电网中出现新能源发电站、民间小型发电站等新型的能源提供者，用户将在电能交易方面拥有更多的选择余地，不再仅仅是选择传统的国有控股发电站。

另外，由于配电终端接入了新能源发电，终端用户将不仅是电力消耗者，也是电力供给者，因此可以在负荷和电源之间切换。

例如，如果家庭用的光伏发电装置产生能量过剩，那么剩余的能源就可以卖给电网和其他电力用户。

因此，未来配电网的电能流向不仅是以往的单向流动，还可能产生功率的双向流动，进而产生多方向流动的情况[3]，电力系统的配电形式也将从“一对多”的形式逐渐转变为“多对多”的形式，并且每个输出端的用户可以根据自己能量的盈余情况，在用电方和发电方之间随时切换，在需要使用电能时从电网获得电能，在能量盈余较多时可以反向向电网输出电能，以这种方法大大增加了电能流动的多样性，也减少了电能的浪费。

因此为了能够准确地实现将电能定点、定量、定时调度，电网中各个终端和节点均需要满足能量的主动调度管理以及能量流的准确可控。

而传统的电力系统和相关设备只能对功率消耗进行被动响应，无法主动对电网中的分布式电源和新型负载的功率消耗进行主动的管理和控制，也无法实现电网中电能的双向流动，因此也就无法满足未来市场化的需求。

与此同时，以电动车为代表的各类不可控型负载的加入，使得未来配电网能量的流动与管理将会变得越发复杂化，传统的电力系统配电装置以及运行方式已经难以胜任这样复杂的要求。

于是，近年来，随着大功率开关器件技术的不断进步，电力电子技术己经在电力系统中得到了大量的应用，新技术的应用有机会解决传统的供电系统所无法解决的问题。

现有的研究表明，在电力系统中应用电力电子技术可有效改善电能质量、实现无功补偿、提高供电可靠性、输电能力和电网运行稳定性，同时分布式发电系统及其并网的实现都需要借助电力电子技术才能实现[4]。

1.2传统变压器的缺点
变压器的主要功能是实现电压等级的变换和电气隔离，作为是电力系统中的最基本且重要的组成设备之一，它可以将一种形式的交流电能变换成另一种形式的交流电能[5]。

变压器自19世纪末被发明以来，就在电力系统之中被广泛地应用，是电力系统中应用数量最多的输变电设备[6]。

传统的变压器具稳定性强、传输效率高等优点，但与此相对的，传统的变压器也有具有一下这些缺点：
(1)传统的电力变压器因为体积大，重量大，制造传统需要消耗大量的铜、硅一类的原材料，因此传统变压器的生产成本也较高。

(2)若在输入侧和输出侧发生扰动和故障，传统的变压器无法进行故障隔离，变压器的稳定性无法满足电网需求。

输入电压发生扰动时，也会对输出电压产生影响；输入侧电压也会在负载侧出现故障时受到一定影响。

(3)传统变压器对于谐波污染比较敏感，也就是说无论一次侧还是二次侧产生谐波都会对另一侧产生影响。

(4)传统变压器可能会发生变压器油泄漏的情况，会对环境造成较大污染。

(5)无法产生直流输出，对于多种新型负载和新能源发电都可能需要用到直流电的传输功能，而传统变压器若需要实现此种功能则需在输出侧加装整流设备，增加了设备体积和制造成本。

由于需要使用大量的硅钢和铜来制造变压器庞大的铁芯和绕组，因此目前传统变压器是配电系统中重量最大的设备。

变压器的尺寸和重量由两个因素确定，即铁芯和绕组的饱和磁通密度以及两者所允许的最大的温升。

饱和状态下的磁通密度与频率成反比，因此可以看出，增加频率可以将变压器磁芯的利用率提高到一定水平，并可以有效减小变压器的尺寸。

众所周知，对于传统的变压器，电磁能的传输频率是确定的（在我国为50Hz），因此不可能通过这种方法来大幅度减小其体积和重量。

除此以外，现在铜、硅、不锈钢等制造传统变压器的基本材料成本越来越高，传统变压器的制造成本越来越高，愈发凸显出其弊端[7][8][9]。

1.3电力电子变压器拓扑结构国内外研究现状
随着科学技术的飞速发展，电力系统发生了翻天覆地的变化。

特别是在最近几十年的发展中，电力系统中出现了许多新功能和特征，具有功能过于单一、高昂的造价、巨大的体积重量等缺点的传统变压器已逐渐无法满足现代电力系统的需求。

为了满足新能源、新负载的要求，电力电子变压器（Power Electronic Transformers, PET）的研究得到了广泛的关注。

针对适合配电网系统的电力电子变压器，国内外学者几十年以来已经对其进行过深入的研究，并开发出了几种PET拓扑。

一般认为电力电子变压器起源于美国通用电气的工程师William McMurray于1970年在专利中提出的一种含有高频链接的AC-AC变换器(Power converter circuits having a high-frequency link)[10]。

图1-1所示为该变换器的主体结构，各个开关由开关
器件与续流二极管反并联构成。

变压器原边开关S1、S2的导通与副边S3、S4同步，副边开关与相对应的原边开关存在移相角θ。

当所有开关工作在高频状态时，原边的输入信号就被调制成高频方波，再经过高频变压器耦合到副边。

通过控制移相角θ即可控制输出电压的幅值。

虽然仍存在存在串联开关元件控制困难，无法实现电气隔离和对无功率因数的校正等缺点，但也为未来电力电子变压器的发展指明了方向。

图1-1含有高频链接的AC-AC变换电路
1980年，一种由Buck变换器构成的AC/AC电力电子变压器(PET)由美国研究人员J. L. Brooks提出。

1988年，来自日本九州大学的学者Koosuke Harada提出了一种高频变换的方式，并对相控DC-AC高频变换器进行了研究分析[11]。

通过将此变换器应用于UPS系统，不仅减小了UPS系统的体积，而且实现了通过变换器直接给电池充电。

1995年，美国电力科学研究院研发了一种电力电子变压器，此种变压器使用了AC-AC Buck变换器[12]，其基本结构如图1-2所示。

该拓扑有效提高了开关管的耐压等级，并且可以实现变压器基本的交交变换功能。

但除此以外，在该拓扑结构中，容易产生谐波危害，且由于输入端口和输出端口并没有通过变压器进行电气隔离，故无法保证用电的安全性，因此研究人员并未对该结构进行深入研究。

S1
S2L
C
图1-2 Buck型变换器的电力电子变压器
1996年，日本学者Koosuke Harada等人再次提出了一种智能变压器的概念[13]，并制作了样机。

这种变压器实现了减小变压器体积、对恒压恒流控制和功率因数校正等目标，但仍存在着转换效率较低的问题。

1997年，一种基于直接AC-AC变换和高频隔离环节的电力电子变压器结构（如图1-3所示）由美国德克萨斯州A&M大学的学者Moonshik Kang和Enjeti等人共同提出[14]。

此种结构达成了缩减变压器的体积和重量的目的，且有效地提高了变压器的电能转换效率。

此种拓扑的工作原理为：来自主电网的工频交流信号从变压器的原边输入后，经调制成为高频交流信号，高频交流信号通过高频变压器隔离并将电能传递到副边，副边接收到隔离级信号后，再将高频交流电还原为工频交流信号。

实验表明这种变压器的体积和重量分别降低为传统的变压器的1/3和1/13，然而传输电能容量则提高了近3倍，传输电能的效率也有所提高。

但这种结构仍存在副边的交流结构容易受到原边输入的影响以致稳定性不足，且可控性不够强等问题。

图1-3直接AC-AC变换的电力电子变压器
2000年，ABB公司的科研人员M.D.Manjrekar和R.Kiefermdorf根据Buck-Boost 结构明确提出了一种AC-AC型电力工程电子变压器。

其结构如图1-4所示。

该结构具有易于操作，电力电子设备数量少，成本低等优点，但是仍然存在一些困难，例如电流会在整个工作过程中产生断流，进而导致变压器两侧的出现尖锋电压，并导致输出电压中出现大量谐波，因此这种类型的结构只能应用于输出功率较小的情况下[15]。

图1-4基于Buck-Boost变换器的电力电子变压器
上述的几种AC/AC电力电子变压器的主要研究内容是变压器的拓扑结构，控制方法和基本功能，研究目的是通过高频交流环节完成电气隔离和电压转换的功能。

除这些功能外，研究者们还着眼于减小变压器的体积和重量。

在接下来的几十年中，来自世界各地的科研人员继续进行了大量的科学研究，并获得了一系列的理论研究成果。

美国学者Edward R.Ronan和Scott D. Sudhoff等人于2002年提出了一种多级型的电力电子变压器[16]，该种变压器的输入级和输出级均带有直流环节。

其结构如图1-5所示，这种电力电子变压器可分为三个部分：高压输入级、中间隔离级和低压逆变输出级。

其高压输入级为AC/DC整流级联型全桥结构，中间隔离级由DC-DC高频隔离结构组成，低压逆变输出级为DC/AC全桥输出结构。

这种新提出的AC/DC/DC/AC 三级形式的电子电力变压器结构，既具备了传统变压器电压转换的功能，而且还可以完成对电压波形、交流输入侧功率因数进行调节与控制等功能。

电力电子变压器的开关管主要由IGBT组成，现阶段商用IGBT的最大耐压值为6500V，因此受电力电子变压器的应用受到电力电子器件的技术限制，此类电力电子变压器无法在10kV的电压下工作，并且以上额定电压在自然环境下使用。

Rick Kieferndorf等学者同样在2002年提出了一种采用这种三级结构的全桥级联型电力电子变压器，这种方案有效提升了电力电子变压器的耐压等级，成功解决了电力电子变压器无法在高压大功率工作环境下正常工作的问题。

经过来自全世界的学者几十年来对电力电子变压器相关拓扑结构的不断研究，为了实现对电力电子变压器的控制、改善传输电能质量和使PET能够工作在高压大功率场合等目标，如今各场合电力电子变压器多采用这种由高压整流级、直流隔离级和低压逆变级三部分组成的三级型拓扑结构，并且在输入级采用级联多电
平结构以使电力电子变压器可以应用于高压大功率的供电环境。

另外，此种结构成功在电力电子变压器的输出级中引入了直流环节，因此能够起到良好的隔离作用，而且也可以更加灵活地实现对电力电子变压器的控制，也为分布式发电的并网提供了新的解决方案。

图1-5 AC-DC-AC电子电力变压器
ABB公司于2007年成功研发了一台应用于铁路牵引领域的电力电子变压器[17]，此种电力电子变压器容量为1.2MV A，交流输入15kV，频率为16.7Hz，直流输出为800V。

这种电力电子变压器的输入级采用了一种运用了矩阵变换器的级联型结构，但这种级联结构会引起换流困难等问题。

此外，此种结构输入级和输出级变换器的开关状态会对交流侧的开关器件两端的电压产生一定影响。

2007年，庞巴迪公司研制出一台主要应用于铁路牵引方面的电力电子变压器(3kV/75KW )，该电力电子变压器的输入级可通过增加H桥整流器单元的数量来增大电力电子变压器的耐压等级，以使其可以适应高电压的场合，此外该种变压器原边串联，副边并联的结构也可使原副边并联电容具有自动平衡的能力，以此保证系统在运行时保持稳定可靠。

图1-6级联型AC-DC-AC电力电子变压器
2010年，美国北卡莱罗纳州州立大学研制了一台单相电力电子变压器[18]，此电力电子变压器输入电压为7.2kV，输出电压为120V/240V。

其拓扑结构如图1-6所示，该种电力电子变压器的拓扑结构具有模块集成度高，开关器件数量少等优点，且在输出级设有直流母线端口，通过此端口该种拓扑结构可实现给直流负载供电的功能。

1.4级联H桥型电力电子变压器的优点
级联H桥型电力电子变压器具有一些传统变压器所没有的特性。

这种变压器可以通过电力电子变换器对输入级和输出级的电压幅值和相位进行实时调控。

此外，与传统变压器相比，级联H桥型电力电子变压器还具有以下几个优点[19]：
(1)体积小，重量轻，制造不需消耗大量原材料，因此制造成本较低。

(2)级联H桥型变压器不需要变压器油，不会因变压器泄露而对环境造成污染。

(3)在级联H桥型变压器运行过程中，可以保证电网侧的电压幅值稳定，不随负载侧电压的变化而变化。

因为变压器的一次侧和二次侧之间实现了解耦，所以电网侧电压信号的扰动（包括电网电压幅值的变化，频率的波动等）均不会对负载侧产生影响。

相对的，用户侧产生的无功功率和谐波均不会影响系统的可靠性。

(4)此种电力电子变压器具有高度的可控性，它的的一次侧和二次侧的电压和电流均是可控的。

(5)级联H桥型电力电子变压器输出级设有直流环节，可以直接为直流负载供电。

这一特点有助于直流入户概念的实现，无需另外安装整流设备，降低了用户的用电成本。

(6)级联H桥型电力电子变压器可配合智能控制单元进行调控，可实现两种功能：一是可以实现变压器自身的自检测、自诊断、自保护和自恢复等功能，二是可以实现变压器状态或控制的联网通信，为未来智能电网的实现打下基础。

由此可见，级联H桥型电力电子变压器在能够实现传统变压器的电压转换、电气隔离和电能传递等基本功能的同时，还可以实现潮流控制和电能质量控制等功能，这是电力电子变压器最突出的优点。

本文以级联H桥电力电子变压器为研究对象。

与一般的传统电力电子变压器相比，级联H桥型电力电子变压器可以在配电网中充当新型能量媒介的角色。

它具有功率密度高、灵活可控等诸多优点，且对于改善电网质量，建设新型智能电网具有重要的意义。

其次它除了具有电气隔离、变换电压等级和传递能量等基本功能之外，由于
它的多端口结构以及各接口变换器灵活可控等特点，级联H桥电力电子变压器还能够满足未来交直流混合配电网多种形式负荷、电源及储能设备的接入要求，以此能够实现接口潮流定量、综合高效利用多类型能源以及对电能质量的控制等许多额外功能。

由以上这些优点可知，研究级联H桥电力电子变压器及其在配电网控制中的应用具有极其重要的理论意义和应用价值。

本文对H桥电力电子变压器各部分的工作原理进行分析研究，并通过分析级联H 型电力电子变压器的工作原理，引入虚拟同步机控制方案，并进行相关参数的设计。

最后通过Matlab/Simulink仿真软件验证H桥型电力电子变压器的相关特性以及工作原理。

1.5本文主要工作
级联H桥型电力电子变压器作为一种新型的电力电子变压器，在新能源运用和新型智能电网的建设等方面都有重大意义。

本文在学习了大量文献书籍的基础上，针对级联H桥型电力电子变压器的拓扑结构与部分特性展开研究，对H桥电力电子变压器输入级、隔离级和输出级三部分的工作原理进行分析研究，并通过分析级联H型电力电子变压器的工作原理，引入虚拟同步机控制方案并进行相关参数的设计，使得电力电子变压器能够参与电网电压和频率的调节，以提高系统的稳定性。

最后通过Matlab/Simulink仿真软件验证H桥型电力电子变压器的工作原理。

全文具体章节安排如下：
第一章主要介绍了电力电子变压器的研究背景和发展现状，通过与传统变压器的对比，说明电力电子变压器的优点和对于新型电网的适应性，以说明电力电子变压器具有极其重要的理论意义和应用价值。

另外本章还介绍了在电力电子变压器发展的几十年里，国内外研究者提出过的几种具有不同拓扑结构的电力电子变压器，并分别对它们的工作原理和优缺点进行了简单的讲解。

本章最后提出了一种具有级联结构的三级型电力电子变压器，并明确了本文的研究对象。

第二章重点介绍了本文采用的级联H桥型电力电子变压器拓扑与数学模型。

级联H桥型电力电子变压器的输入级采用级联H桥型整流器，可以显著提高变压器的耐压等级。

隔离级采用双向有源桥式DC-DC变换器（DAB），可有效对变压器的功率流动方向与大小进行控制。

输出级采用了一种常用的三相逆变器结构。

此章节主要介绍了级联H桥型电力电子变压器的主电路拓扑及其数学模型的建立并对变压器的输入
级级联H桥整流器、隔离级DC-DC变换器和输出级三相逆变器三个部分分别的拓扑结构和工作状态进行说明，并在此基础上对级联H桥型电力电子变压器的三个部分的工作原理进行深入分析，明确了不同工作状态下的状态方程，功率分析，并建立等效电路。

为后续对电力电子变压器的参数计算提供了必要的前提条件。

第三章是级联H桥型电力电子变压器控制策略。

本文针对电力电子变压器的输入级和输出级，引入了一种虚拟同步机控制策略。

该种方案可根据微电网电压及频率的变化自动对有功、无功功率进行调节，从而使得PET能够参与电网电压和频率的调节。

本文仅适用此种控制策略来提高系统的稳定性，不对该策略的控制原理进行深入研究。

第四章中，本文对级联H桥型电力电子变压器的主电路进行参数设计。

主要介绍了级联H桥型电力电子变压器的主电路中部分器件选型及相关推导和计算。

主要设计目标是输入级和输出级的两种滤波器相关参数，包含输入级的L型滤波器和输出级的LCL型滤波器以及输入级各H桥整流器单元直流侧并联电容值的选择等。

第五章是对级联H桥型电力电子变压器的仿真验证。

根据第四章的计算结果，进行级联H桥型电力电子变压器主电路器件参数选定，并利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了容量为200kV A的级联H桥电力电子变压器的仿真模型。

针对高压电网侧输入电压稳定状态以及电压幅值和频率发生扰动的情况分别进行变压器系统的仿真，根据所得波形对级联H桥型电力电子变压器的工作特性以及部分特点进行验证分析。