中科院电工所 李耀华，李子欣，高范强等：级联H桥型PET隔离级高频电流应力优化

研究背景

电力电子变压器（power electronic transformer，PET）是一种新型电气设备，可实现谐波消除、电压补偿、装置自我保护和不同交直流电压等级之间的电能变换。以串联谐振型双有源桥变换器(dual active bridge series resonant converter，DABSRC)为基本单元构建的级联H桥(cascaded H-bridge, CHB) 型PET如图1所示，具有高度模块化、可扩展和易冗余设计等特点。然而, 由于输入级CHB变换器与隔离级DABSRC通过中间直流储能电容相互耦合，PET各相单元中存在二倍电网工频瞬时功率波动，直接影响隔离级DABSRC的高频电流，使其呈现相同频率波动，如图2所示。但是，过大的电流波动将会增加开关器件应力及导通损耗。

图1  CHB型PET

图2  隔离级DABSRC内部高频电流

技术路线

基于CHB型PET各功率变换器单元内部功率耦合特性，本文提出一种输入级CHB变换器零序电压注入（zero sequence voltage injection, ZVSI）策略，降低各相输入侧中的二倍频瞬时功率波动，从而实现电流波动抑制。当采用ZSVI策略时，所注入的零序电压实际由各相折算后的参考电压组成，如图3所示。为便于分析，首先对所注入的零序电压进行傅里叶分解，并依据CHB型PET功率模块等效平均值模型，建立RLC二阶电路方程，从而分析注入零序电压后DABSRC内部高频电流特性。图4为CHB变换器在采用ZVSI策略时，隔离级DABDAC电流包络曲面。从图4中可以看出，当注入零序电压后，高频电流波动得到抑制，当经折算后注入的零序电压幅值与调制比乘积等于0.8时，电流应力最大可降低21%，且有效值可降低6.4%。

图3  注入和未采用ZSVI策略时CHB变换器相单元调制电压

图4  在不同幅值ZVSI下高频电流包络曲面和电流有效值曲线

其次，通过分析基于频率正反馈的主动式孤岛检测对下垂控制并网逆变器的适应性，发现这种方法在并网逆变器输出有功功率和负载功率匹配时存在较大检测盲区，而且频率正反馈环节改变了下垂控制特性，影响正常并网功能。为了解决上述问题，本文提出了基于阻抗辨识的下垂控制并网逆变器孤岛检测算法。

实验验证

在国家重点研发计划“基于电力电子变压器的交直流混合可再生能源技术研究”（2017YFB0903300）的支持下以及国网江苏省电力有限公司电力科学研究院鼎力合作下，在苏州同里新能源示范园区3 MVA 10 kV AC /750 V DC多端口交直流PET工程示范样机上进行了实验验证。该样机由中国科学院电工研究所研制，可实现示范园区内部多类型源、储、荷的灵活配置与电能高效利用。该PET样机实物如图5所示，其中图5（a）为PET示范工程样机外观，图5（b）为PET示范工程样机内部结构。图6为现场实测DABSRC在采用ZVSI策略后，高频电流实测波形。当采用ZSVI策略后，高频电流峰值将会降低，当经折算后注入的零序电压幅值与调制比乘积等于0.8时，高频电流峰值为300 A，与未采用ZSVI策略时相比降低了21%。

图5  苏州同里CHB型PET工程示范样机

图6  注入与未注入零序电压时DABSRC实测高频电流

结语

本文针对CHB型PET隔离级高频电流波动的问题，结合苏州同里10 kV-3 MVA PET工程样机，通过建立CHB型PET单功率模块等效模型，分析了在不同幅值的ZVSI且DABSRC在开环不可控工作方式时的隔离级高频电流特性。研究结果表明，通过在CHB变换器调制中注入零序电压，可以有效降低变换器中的高频电流应力，主要表现在采用ZSVI策略后高频电流峰值及有效值均会下降。分析表明，当注入的零序电压幅值与调制比乘积等于0.8时，可使该电流有效值最大降低6.4%，电流峰值降低21%。计算机仿真和实验结果验证了分析的正确性。