關鍵詞：大功率高頻電源;整流級;均壓控制;電源拓撲結構;輔助電源

作者：劉芬;徐光輝

作者單位：荊州職業技術學院;湖北工業大學

　　摘要:大功率高頻輔助電源分布不平衡會極大影響電網運行電壓的穩定性,提出一種大功率高頻輔助電源整流級均壓控制技術。根據單級性二值邏輯開關函數以及基爾霍夫電壓定律,獲取電源電壓的狀態。利用Clarke變換獲取大功率高頻輔助電源之間的拓撲關系,生成電源整流級別電壓控制規律。確定電源離散化直接功率的控制方案，對電源各個模塊的功率實時重新分配,獲取不平衡電壓的補償結果,實現大功率高頻輔助電源整流級均壓控制。實驗結果表明:所提技術均壓控制效果較好且適用范圍廣。

　　電源是電網的主要設備之一，固態的電源因自身具有質量輕以及體積小的特性，所以電源整流級電壓控制能力至關重要。各模塊所用電源之間的延時不同，導致整流級模塊的主流電壓均壓不平衡。為了控制整流級均壓，則需要對電壓進行補償，從而有效控制均壓。

　　楊亮等分析電網電壓的不平衡現象，在電壓 - 光伏有功的基礎上，得出不同初始相負載對線路配置靈敏度的影響，從而得出均壓策略的關鍵，最后通過加強負載配置實現整流級均壓控制。羅遠峰等首先依據投入 / 切出劃分電網狀態，并對電壓按從大到小的順序排列；其次將設定的均壓效果閾值和實際均壓進行對比，得出電壓控制器的輸入，從而生成實際均壓效果閾值，根據電流方向得出子模塊投入差值，生成均壓效果閾值關系式，以此計算出電壓最小交換值，實現整流級均壓控制。以上兩種方法對電源整流級進行均壓控制過程中，受大功率高頻輔助電源自身功率等因素的影響，不能有效地掌握電源電壓的變化規律，導致均壓適用范圍較小和均壓控制效果不理想。

　　為了解決以上存在的問題，提出一種大功率高頻輔助電源整流級均壓控制技術。采用單級性二值邏輯開關函數以及基爾霍夫電壓定律獲取電源電壓狀態，基于 Clarke 變換獲取大功率高頻輔助電源拓撲關系，生成電源整流級別電壓控制規律，對電源各個模塊的功率實時重新分配，獲取不平衡電壓的補償結果，實現大功率高頻輔助電源整流級均壓控制。

　　1 計算大功率高頻輔助電源拓撲關系

　　在對大功率高頻輔助電源的均壓進行控制前，應提前對電源的拓撲結構進行分析，為了簡便分析過程，設定電源中的三相電路的等效電阻表達式：

　　實際上，在級聯方式下的各個電源模塊間的直流側電壓出現的不平衡情況是因為每個模塊自身得到的有功功率出現差異導致的，電源整流級均壓在控制過程中因占空比的作用導致模塊之間的電壓不平衡。因此在對電源整流級均壓控制過程中，需要對電源中的模塊輸入功率重新進行分配，保證電壓的均衡，整流級均壓控制均是使用電壓電流雙閉環，因此若含大功率高頻輔助電源的電網運行穩定時，電壓矢量的相角以及輸入電流矢量的相位均是一樣的。

　　基于含大功率高頻輔助電源的電網整流器線性調制定理，得出電源的交流側輸入電壓以及調制功率波矢量相位之間是線性聯系，所以在均壓控制過程中僅僅調節 d 軸上調制功率波矢量的分量，就可以完成電源有功功率的均衡分配，進而實現大功率高頻輔助電源整流級的均壓控制。

　　根據以上分析得出，對電源整流級進行均壓控制就是對有功功率進行重新分配，因此需要根據參考值對其中的功率進行補償，在保證總電壓不變的原則下，得出第 n 個模塊的均壓控制補償值(Delta d_{n})，其計算公式為：

　　3實驗結果與分析

　　為了驗證大功率高頻輔助電源整流級均壓控制技術的整體有效性，對其均壓控制效果進行相關測試，并對所提方法、不平衡配電網均壓控制策略方法 (文獻 [4] 方法) 和全橋型子模塊優化均壓控制方法 (文獻 [5] 方法) 進行比較。

　　3.1 實驗環境

　　為了有效驗證所提方法的能力，在 10kV/10Mvar 鏈式 STATCOM 的 PSCAD 仿真模型中進行相關試驗，圖 1 為實驗模型的 PSCAD 仿真模型圖。

　　實驗接入的大功率高頻輔助電源為采用納米晶材料的主高頻變壓器。該電源的電路采用全橋全波輸出，PWM 控制，閉環采樣，軟啟動、過壓、過流、過熱保護，使電源得以穩定、可靠、安全地工作。均壓控制的固定頻率為 8kHz，STATCOM 與電源連接的電抗器結果為 4mH，電源的功率單元直流側電容為 6000mF，直流電壓標準值為 9.1kV，在理想狀態下各個模塊的功率直流電壓是 958V。

　　實驗主要從兩個方面入手，分別是均壓控制效果以及適用范圍分析，在兩種指標下對比三種方法的最終實驗結果，根據實驗結果詳細證明所提方法的整流級均壓控制能力。

　　3.2均壓控制效果以及適用范圍分析

　　通常情況下電源中各個模塊的有功損耗在 2kW - 4kW 之間，為了確保所提方法的適用范圍較廣，選取因不同有功損耗而導致的電壓失衡情況。

　　將 STATCOM 模型內 A 相第一個功率模塊的直流側位置并聯 200Ω 電阻，其中的功耗為 3kW，模型中的其他模塊均并聯 5000Ω 的電阻，此電阻下的功耗為 120kW，獲得進行均壓控制的 A 相暫態電壓，如圖 2 所示。

　　由圖 2 可知，在未對 A 相電壓進行控制前，A 相的第一個功率模塊因其功耗過大，導致直流電壓偏離平均值，實驗進行到 0.025s 時，A 相的功率與其余功率之間的直流電壓偏差已經大于 100V。

　　利用上述三種方法分別得出暫態均壓控制結果，實驗結果如圖 3 - 圖 5 所示。

　　由圖 3 可知，所提方法在 0.045s 內將所有發生不平衡的電壓在短時間內拉回平均值，因此，運用所提方法控制電壓均壓效果明顯；由圖 4 和圖 5 可知，不平衡配電網均壓控制法和全橋型子模塊優化均壓控制法的暫態電壓均壓結果不理想，僅能將其中一部分不平衡的電壓恢復成均壓，在 0.045s 內未形成有效控制。由此證明所提方法的暫態均壓能力更強。

　　為了進一步探究所提方法的使用范圍，設定穩態控制實驗時間為 9min，將所提方法運用到直流電壓中進行測試，并與未測試前的直流穩態電壓結果進行對比。其中，控制前的直流穩態電壓如圖 6 所示。

　　由圖 6、圖 7 的實驗結果可知，未控制前的直流電壓表現狀態不平衡，偏差較大。根據圖 7 的實驗結果可知，經過所提方法均壓控制后，電源電壓在 9min 內一直處于電壓平均值，因此證明所提方法能夠實現暫態和穩態控制，且實用性更高，均壓控制效果更好，使用范圍廣。

　　4 結束語

　　大功率電壓補償器經常因整流級電壓不均勻出現閉鎖以及跳閘現象，為此提出大功率高頻輔助電源整流級均壓控制技術，該技術首先對電源的拓撲結構進行分析；其次，生成離散化直接功率控制策略，最后得出不平衡電壓補償值，實現大功率高頻輔助電源整流級均壓控制，提高了均壓適用范圍以及均壓控制效果，從而保證電源的穩定運行。