（上海电气集团股份有限公司 上海 200042）
摘要：近些年来，电力电子变压器(也有称为固态变压器，电子电力变压器等)的研制，得到了业界的关注与重视。这是由于其具有功率传输、电压和电流变换、高压侧和低压侧的电气绝缘以及变压器两侧的潮流控制、节点电压控制、线路的功率因数控制等多种功能，是下一代智能电网中的关键设备。基于此，本文针对电力电子变压器引入到有源配电网，需要分析其对电网运行指标的控制性能与效果问题，首先分析了有源配电网中分布式电源、储能元件以及电力电子变压器的特性，然后构建了含电力电子变压器在内的有源配电网无功优化数学模型，并采用粒子群算法进行求解，最后用算例说明电力电子变压器对有源配电网电压控制指标以及网损指标的改善。
关键词：电力电子变压器；有源配电网；无功优化；节点电压
尽可能地降低配电网中节点电压的偏差，是配电网运行的基本要求。为实现对节点电压的有效控制，提出利用电力电子变压器通过对其一次侧和二次侧电力电子变换器的脉宽调制控制(Pulse Width Moderation，PWM)，改变其一次侧和二次侧潮流的方法加以解决。为此，构建了含分布式电源、储能元件和电力电子变压器在内的有源配电网无功优化模型，并运用粒子群优化算法进行求解。仿真结果表明，含电力电子变压器的有源配电网无功优化后的网损，低于采用有载调压变压器(On-Load Tap Changer，OLTC)对应网络无功优化后的网损；且其节点电压与额定值的相对偏差也优于后者，从而说明了在有源配电网中应用电力电子变压器，利用其灵活的无功调节功能，能提高配电网的运行水平。
1、电力电子变压器的发展
1.1、电力电子变压器拓扑
1980年，美国海军研究员BrooksJL提出了一种BUCK型AC-AC变换器[11]，如图1所示，该拓扑的意义的在于真正开启了“PET”这一概念。根据此拓扑研制的实验样机可以实现了PET最基本的升降压功能。这种拓扑采用开关器件串联的方法应对高电压应力，以实现中高压电压场合的应用。同时为使功率能够顺利的双向流动而采用了双向开关(以普通开关器件反向串联构成)，如此可实现基本的双向AC-AC变换功能，并使输出电压为可控正弦交流。虽有有效的减轻了重量与体积的优点，但也存在一些缺点：由于没有采用隔离变压器，所以安全性方面得不到较高的保障；这种拓扑在电能质量方面也没有明显的改善作用，无法滤除谐波、补偿无功。虽然这些缺陷使得该拓扑无法产业化，但是它对于PET的发展起到了很大的促进推动作用。此外，考虑到开关器件与磁性元件的容量，PET在中高压大功率应用场合可能需采取串并联的方式。
图1BUCK型AC-AC变换器
1.2、电力电子变压器的应用
1.2.1、智能电网
PET在智能电网中的应用，国内外诸多机构相继展开了深入研究，近年来具有代表性的智能电网用PET研究计划或机构有：UNIFLEX，FREEDM，以及ETH-Zurich等。
1.2.2、机车牵引
传统机车牵引变压器由传统电力变压器与四象限AC-DC-AC变换器组成，电力变压器体积大，使得其越来越不适合现代化的新型高速列车的发展，研制轻型高效的新一代机车牵引变压器对轨道交通的发展非常迫切。电力电子器件耐压与电流等级的提升，使得PET在电力机车牵引这一领域的应用得到了高度关注。因PET体积小、重量轻、无需绝缘油、清洁的优点。新型电力电子牵引变压器拓扑结构，相对于传统牵引变压器利用低频变压器变压，新型的电力电子牵引变压器先经过AC-AC(或AC-DC-AC)变换将低频交流转化为高频交流，再通过高频变压器进行电压等级变换，可大大削减整个牵引系统的体积与重量。
1.2.3、模块组合型电力电子变压器
整流级采用级联H桥变换器，不仅可实现高功率因数整流，同时兼具无功补偿、有源滤波的功能；多模块串联分压，可使用耐压较低的器件实现较高等级电压的变换；由于采取相同的单相H桥模块串联，所以系统具有高度模块化与冗余性的优点，制造、维修与升级更简单。
2、粒子群算法及其应用
2.1、粒子群算法
优化算法，其参照群体中目前处于最优位置的个体和自身曾经到达的最优位置调整下一步的搜索方向和位置。在基本粒子群算法中，粒子群由m个粒子组成，每一个粒子的位置Xi代表优化问题在D维搜索空间中潜在的解。每个解都可以想象为搜索空间上的一个点，称之为粒子。
进一步理解可以将其分为3个部分。第一部分，反映粒子当前速度对更新速度向量的影响，联系粒子当前的状态，起到了平衡全局和局部搜索的能力。第二部分，反映粒子自身信息对速度向量的影响，即粒子本身的记忆的影响，体现搜索的深度。第三部分，反映群体信息的影响，体现粒子之间的信息共享的全局性。
2.2、粒子群优化的步骤
粒子群优化计算的步骤如下所述。(1)初始化：给出粒子群计算的初始参数，包括给出D维中m个粒子的随机初始速度和位置。(2)评价粒子：计算m个粒子的目标值(适应度值)。(3)更新最优：对每个粒子，将其当前目标值与其历史最佳位置(BestP)对应的目标值比较，如果当前的目标值更高，则将当前位置更新历史最佳位置(BestP)。对每个粒子，将其当前目标值与其全局最佳位置(BestG)对应的目标值比较，如果当前的目标值更高，则将当前位置更新历史最佳位置(BestG)。(4)更新粒子：按照式(11)和式(12)，修正第i个粒子的速度和位置。(5)停止条件：检查一下迭代计算条件是否满足，假如达到了允许的迭代次数，或者是得到了最优解，或者是粒子的速度或位置都不再发生变化，则停止迭代，否则返回步骤(2)继续迭代。
3、仿真结果分析
3.1、无无功优化时
基于上述提到的变压器变比和内部损耗的假设，在正常负荷情况下，含有载调压变压器配电网的潮流计算结果和电力电子变压器是相同的。
3.2、含有载变压器的配电网无功优化仿真结果
优化后所有节点的电压偏差要小于优化前，两者之间的最大偏差减少达23%。此时，系统投入无功补偿的电容器容量为320kvar。由潮流计算结果知网损减少到30.4394kW，无功功率减少了26%。
3.3、含电力电子变压器的配电网无功优化仿真结果
所有节点的电压偏差与未优化的情况相比变小了，最大的减少了41%.，这说明电力电子变压器具有更好的电压调节性能。此外，由潮流计算结果得到，此时的网损为25.9833kW，与未优化前相比减少了近37%。电力电子变压器提供了303.6kvar的无功功率。由于不需要电容器组，在系统无功装置配置时，还可以减少这部分的投资。
结束语
总之，在正常负荷情况下，分别针对电力电子变压器和有载调压变压器两种情况进行仿真。仿真结果表明，在正常负载情况下，含电力电子变压器的有源配电网的网损要低于含有载调压变压器的有源配电网，且所有节点电压偏差要小于后者。因此电力电子变压器具有更好的电压控制性能。由于电力电子变压器能够产生和吸收无功功率，故在有源配电网中不需要配备无功补偿用电容器组，且通过控制PWM的调制参数来控制无功控制，这种控制方式更为灵活且方便。
参考文献：
[1] 肖志勇.模块组合型电力电子变压器及其电压平衡控制策略研究[D].湘潭大学,2016.
[2] 牛任恺.基于电力电子器件的配电变压器无触点有载调压开关研究[D].重庆大学,2015.
论文作者:蒋晓风
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/26
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