电力电子变压器的电路分析

udc* + udc PI
ωL id * + iq* =0 + PI PI + + uq + ωL ud dq/abc
-
did L dt di L q dt
-
Rid Liq ed s d U dc
（4）
Riq Lid eq s qU dc
2
(c)负载电压波形 图 2 交-交-交变换电力电子变压器仿真波形
网侧功率因数灵活控制；对副边三相 PWM 逆变电 路，采用电压闭环控制，实现输出恒压、恒频的交 流电压；对中间环节的单相逆变电路和单相整流电 路，用开环控制，分别实现单相高频逆变和单相高 频整流。 3.1.1 原边三相 PWM 整流电路的控制 三相 PWM 整流电路同步旋转坐标系下的数学 模型为：
vd 的给定值 vd 为负载正常工作所需的额定电压。 将 vd 、vq 和 vd 、vq 比较，产生误差信号经 PI 调节器，

器的额定工作频率 fn 1kHz ，原、副边的电压变比 为 3000V : 800V ； 副 边 三 相 逆 变 电 路 的 开 关 频 率
f s 9 kHz ，输出电压的频率 f 50 Hz ，输出线电压
iL
iq 是三相电压型整流电路交流侧电流矢量 I 的 d、q
eABC
R
L
uabc
负 C udc 载
分量； md 、 mq 是 d、q 变换后的开关函数； iL 为整
abc/dq ed
iabc
abc/dq abc/dq eq id iq
PWM
流电路负载电流； u dc 是整流电路输出的直流电压。 由（3）式可知：
1
[2]
1 电力电子变压器的基本原理
变压器的大小和容量有如下关系 ：
[2]
压耦合至副边；最后由副边与原边结构完全相同的 功率变换器反调制，输出高频电压，再经输出滤波 器滤波将其转换为所要求的电压。
S1 A S3 A
S1 A
'
这种电力电子变压器的优点以有：使变压器 的体积和重量明显减小，工作原理简单且易于实 现。但它包含的功率器件较多，结构复杂，而且 控制时必须保证原﹑副边电路同步。
通常 J 变化不大，由（2）式可知变压器的体积和 Bm 与 f 的乘积成反比，因此， 可以通过增加变压器 的工作频率来减小其体积和重量。利用现代电力电 子技术和适当的控制方案，将工频交流电调制为高 频交流电，然后经过高频变压器进行隔离和电压变 换，再把高频交流电变为工频交流电，从而实现变 压器的小型化﹑轻型化。
0
0.01
0.02 t/s
0.03
0.04
(b)变压器原边电压波形
1000
500
交-直-交-直-交双直流环电力电子变压器和 基于双 PWM 变换的电力电子变压器结构相同，本 文只分析后者的基本原理及其控制策略。图 3 为基 于双 PWM 变换的电力电子变压器电路，它由电压 型三相 PWM 整流电路，单相桥式高频逆变电路， 单相电力变压器，单相桥式高频整流电路，三相桥 式 PWM 逆变电路组成。工作过程为：在变压器的 原边，将工频高压交流电通过三相电压型 PWM 整 流电路变为直流电，然后经单相高频逆变电路将其 逆变为高频单相交流电，经变压器耦合至副边，再 经单相高频整流电路，将变压器副边的高频交流电 变为直流电，最后经三相 PWM 逆变电路和滤波电 路，得到工频交流电。这种电力电子变压器原边三 相整流电路和副边三相逆变电路都采用 PWM 控制， 基于双 PWM 变换电力电子变压器因此而得名。 3.1 基于双 PWM 变换电力电子变压器的控制策略
电压控制 电流控制
由 （4） 式可知， d、 q 轴电流除受控制量 sd U dc 、sqU dc 的影响外，还受耦合电压 Liq 、 Lid 和电网电压 d、q 分量 ed 、 eq 的影响，所以单纯地对 d、q 轴电 流作负反馈控制，并没有解除 d、q 轴之间的电流 耦合， 效果不是很理想。 为此设计一个解耦控制器， 令整流电路交流侧电压 u a、ub、uc 的 d、q 分量 u d 、
u q 为该控制器的输出，且电压﹑电流调节器均为
PI 调节器，如果满足：
K u e Liq ( K Ip Ii )(id id ) d d s u e Li ( K K Ii )(i i ) q q d Ip q q s
（5）
did R dt L diq R dt L dU 3sd 3sq dc dt 2C 2 C 1 L 0 0 e d 1 0 0 eq L 1 0 0 iL C
2 交－交－交变换型电力电子变压器
1999 年美国德州大学 Kang.M 等人提出了交— 交—交变换型电力电子变压器 ，如图 1 所示，它 可分为由将工频交流电变换为高频交流电的高频 调制电路部分、将高频交流电隔离的高频变压器部 分,以及将高频交流电解调为工频交流电的解调电 路部分，在两级功率变换电路中，每个桥臂由上、 下两个背对背的功率器件连接，这种连接方式可以 实现电能双向流动。其工作原理为：首先输人的工 频交流电经过原边变换器调制为高频交流电，调制 是通过 S1 A ，S1B ，S 2 A ，S 2 B ，S3 A ，S3 B ，S 4 A ，S 4 B 运行在开关状态实现的，其中 S1 A ， S1B ； S 2 A ， S 2 B 同时导通和关断， S3 A ， S3 B ； S 4 A ， S 4 B 同时导通和 关断，两组之间的控制信号是占空比为 50%互补导 通的高频信号；其次高频变压器原边的高频调制电
Ac Ae S Bm fJ
(2)
0 引言 变压器是一个十分重要的电气设备，因其结构 简单，可靠性高而得到广泛应用。但是，它也有一 些显著缺点：体积大﹑重量大；由于其励磁回路非 线性负载的剧烈变化等因素而引起谐波；带非线性 负载时，畸变电流通过变压器耦合进入电网，造成 [1] 对电网的污染 。而利用半导体电力开关器件组成 的开关电路，可以有效地实现开关模式的电力变换 和电力控制，包括电压、电流的大小、频率、相位 和波形的变换和控制。面对传统变压器的不足和日 趋严重的电能质量问题，人们借助电力电子技术快 速发展的契机，开始研制一种新型变压器——电力 电子变压器。根据文献，国内外对电力电子变压器 的研究还处于初级阶段，目前主要有交—交—交变 [2]、 [3] 换型电力电子变压器 、 交-直-交-直-交双直流环 [4]、[5] 结构电力电子变压器 和基于双 PWM 变换的电 [6] 力电子变压器 。 本文首先介绍电力电子变压器的基本原理，接 着分析交—交—交变换型电力电子变压器的工作 过程，进行仿真验证，在分析基于双 PWM 变换电 力电子变压器电路的工作过程基础上，提出相应的 控制策略，最后对其在不同负载的工作情况进行了 系统仿真。
'' 的给定为 380V ， 电压调节器的 KUp 0.1 ，KUi 180 ，

''
输出滤波器为Г型滤波器，滤波电感为 1mH，滤波 电容为 33μF；负载为三相对称感性负载，额定频 率 fn 50 Hz ， 额 定 线 电 压 为 380V ， 有 功 功 率
P 45kW ， 无功功率 Q 45 k var
图 4 原边整流电路的控制
由瞬时无功理论知：三相交流电路的瞬时无功 功率 q（瞬时有功功率 p）为电压矢量 e 的模和三 相电路瞬时无功电流 iq （三相电路瞬时有功电流
id ）的乘积[7]
即：
p q
3
e id e iq
（7）
对于三相对称正弦交流电网电压，认为电网电压矢 量的模恒定。 （7）式中 q 等于 0 表示电路工作在单 位功率因数状态，这可以在图 4 中令 iq =0 来实现， 用电压环 PI 调节器的输出作为 id 的给定，控制电 网有功电流。 3.1.2 副边三相 PWM 逆变电路的控制 电力电子变压器副边三相逆变电路的作用是 将副边单相整流电路输出的低压直流电转化为三 相工频交流电。 本文采用电压闭环控制方案（图 5） ，为了减少 控制变量，通过坐标变换把输出电压 u LA、u LB、u LC 经 d、q 变换，变为 vd 、vq ，再令 vq 的给定值 vq =0，
0 V o /
-500
-1000
0
0.01
0.02
0.03
0来自百度文库04
0.05 t/s
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
对于电力系统中的双 PWM 变换电力电子变压 器，要求电网单位功率因数运行，网侧电流正弦化 并灵活可控，负载输出恒压、恒频的交流电压， 对原边三相 PWM 整流电路，采用电压、电流 双闭环控制策略，实现原边整流电路的输出电压和
1000
三 相 负 载
LC 滤 波 器
C1
副边逆变
副边整流
图 3 基于双 PWM 变换的电力电子变压器
500 0 V n / i
-500
-1000 0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05 t/s
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
(a)电源电压波形
1000
500
0 V 1 / -500
-1000
电力电子变压器的电路分析
董德智，徐 杰，洪乃刚 （铜陵学院电气工程系，安徽 铜陵 244000）
摘 要：介绍了电力电子变压器的基本原理， 分析了交－交
－交变换型电力电子变压器的电路结构，通过仿真， 验证了 电路原理分析的正确性， 并阐明了这种结构电力电子变压器 的优缺点。阐述了基于双 PWM 变换电力电子变压器的电 路结构和工作过程，提出了相应的控制策略， 通过系统仿真 表明：在电力系统中， 这种结构的电力电子变压器可以使电 网接近单位功率因数运行，网侧电流正弦化，输出恒压、恒 频的交流电压，且有一定的抗干扰能力。基于双 PWM 变 换的电力电子变压器具有广阔的使用前景， 它将是解决电能 质量问题的关键装置。 关键词：电力电子变压器;电路分析;电力系统;仿真
[ R ( K Ip [ R ( K Ip
K Ii s K Ii s
)]id ( K Ip )]iq ( K Ip
K Ii s K Ii s
)id
)iq

（6）
由（6）式可看出实现了 id 、 iq 的解耦控制，控制 框图如图 4 所示。
其中：ed 、 eq 是电网电势矢量 E 的 d、q 分量；id 、
S 2.22 KfAc Ae JBm
(1)
其中：S 是变压器的容量（VA） ，K 是铜导线饱和 因数，f 为励磁频率（Hz） ，Ac 为铁芯面积(m2)， Ae 为绕组面积 （m2） ， J 为导线电流密度 （A/ mm2） ， Bm 为最大磁通密度（T） 。Ac 和 Ae 的乘积可反映 变压器的体积。由（1）式可推导出（2）式：

sd L sq L 0
id iq U dc
其中： K Ip、K Ii 为电流调节器的比例常数和积分常
数， i d 、 i q 为 id 、 iq 分量的给定。将（5）式代入

（3）式得： （3）
did L dt L diq dt
S 3A
'
3 基于双 PWM 变换的电力电子变压器
Ea
Lo
S1 B
S3 B
S1B
'
S 3B
'
R
L
Vin
C
T
V1
V2
Co
负 载
Vo
Eb
R
L
C
S4 A
S2 A
S 4A
'
S 2A
'
Ec
S4 B S2 B
S 4B
'
R
L
S 2B
'
图 1 交-交-交变换电力电子变压器
原边整流
原边逆变
为了验证电路原理分析的正确性, 用 MATLAB/Simulink 对交-交-交变换型电力电子变压 器进行了仿真，结果如图 2 所示,从仿真波形可以 看出，50Hz 电源电压(图 2(a))经过交-交-交变换 型电力电子变压器原边的交-交变换电路高频调 制，得到 1000Hz 高频电压(图 2(b))，再通过高频 变压器的副边交-交变换电路和输出滤波电路使高 频电压解调，得到 50Hz 工频电压(图 2(c))。