文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)05-0065-04
智能變壓器作為電力電子變壓器PET（Power Elec-tronic Transformer）的一種，最早由Koosuke Harada等人于1996年提出，其“智能”主要體現(xiàn)在它不僅實(shí)現(xiàn)了電壓的變換和能量的傳遞，而且能靈活控制高頻變壓器原副邊的電壓幅值和相位。后來漸漸發(fā)展成電力電子變壓器體系，統(tǒng)稱為電力電子變壓器。在電力行業(yè)快速發(fā)展的今天，更應(yīng)加強(qiáng)對電力電子變壓器新型拓?fù)浜涂刂撇呗缘难芯俊?br/>
多電平智能變壓器不僅具備了傳統(tǒng)電力電子變壓器的特點(diǎn)，而且多電平技術(shù)的引入還帶來了許多新的優(yōu)勢。例如在交流電能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，與兩電平的電力電子變壓器相比，其輸出電壓的幅值與相位可靈活控制，且輸出電壓的諧波含量低。另外，高壓大功率場合也是多電平智能變壓器的重要應(yīng)用領(lǐng)域，有效解決了兩電平電力電子變壓器高開關(guān)應(yīng)力、高dv/dt等問題。多電平智能變壓器的靈活性和可控性使其在航空、航天、航海、制造業(yè)、冶金等軍事工業(yè)領(lǐng)域也能發(fā)揮重要作用。所以，對多電平智能變壓器的研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實(shí)意義。
1 工作原理
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作模態(tài)介紹
三電平智能變壓器拓?fù)淙鐖D1所示。Ct1和Ct2為兩個容值相等的儲能電容， Cf1、Cf2為兩個容值相等的輸出濾波電容；T為推挽全波式變壓器，且4個繞組的同名端均相同，拓?fù)渲械母哳l變壓器不僅起到了電氣隔離的作用，而且對電壓等級也可靈活控制；4組反向串聯(lián)的開關(guān)管S1a、S1b和S2a、S2b，S3a、S3b和S4a、S4b，構(gòu)成了交流環(huán)節(jié)雙向開關(guān)管，使能量可雙向傳遞。三電平智能變壓器可將輸入的劣質(zhì)交流電壓波形轉(zhuǎn)變成平滑可調(diào)的交流輸出波形。
根據(jù)輸出側(cè)交流電壓值大小的不同，SEPIC式三電平智能變壓器可以工作在D<0.5和D>0.5兩種情況下。
1.2 工作特性分析
1.2.1 主要電壓、電流之間的關(guān)系表達(dá)式
為了方便分析，以變壓器原副邊中間抽頭為分界線，將變壓器等效分為上下兩部分：T1和T2，且變比相等均為n。下列各式中uT1p、uT1s為T1原邊和副邊的繞組電壓，uT2p、uT2s為T2原邊和副邊的繞組電壓。
一個開關(guān)周期中，電感電流變化量及主要電量間的關(guān)系如下：
1.2.2 變壓器磁復(fù)位分析
推挽全波式變壓器結(jié)構(gòu)簡單且對稱，所以應(yīng)用較為廣泛，特別是中小功率場合。但是該變壓器在使用中容易產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象[1]，原因主要有兩點(diǎn)：(1)電路的工作原理導(dǎo)致變壓器無法完成磁復(fù)位；(2)功率開關(guān)管控制方式上的差異使得變壓器原邊伏秒積不平衡。
根據(jù)SEPIC式三電平智能變壓器的工作原理可知，開關(guān)管S1、S2的占空比相等，這樣保證了變壓器原邊繞組伏秒積相等，不會產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象。但是實(shí)際樣機(jī)制作中由于器件的差異、控制信號的偏差等不可能保證兩個開關(guān)管的占空比完全相同，這就是產(chǎn)生偏磁現(xiàn)象的主要原因。
抑制SEPIC式三電平智能變壓器中的推挽全波式變壓器偏磁現(xiàn)象主要從兩方面著手：功率電路元器件的選擇和控制策略的設(shè)計。一方面，繞制變壓器時要加氣隙，不至于因偏磁而導(dǎo)致迅速磁飽和；選擇型號相同的MOSFET作為功率開關(guān)管，且留有一定的電壓、電流裕量。另一方面采用均壓控制策略，即在控制中加入占空比修正電路，這種控制方法保證了S1和S2的占空比相等，也就保證了磁通在一個開關(guān)周期內(nèi)可以沿著磁滯回線回到起點(diǎn)以及伏秒積相等，從而保證了SEPIC式三電平智能變壓器的正常工作。
2 控制器設(shè)計
根據(jù)上述對SEPIC式三電平智能變壓器工作原理的分析可知，要使電路可靠穩(wěn)定運(yùn)行并且得到高質(zhì)量的輸出波形就必須保證電容Ct1和Ct2兩端電壓uCt1和uCt2相等，所以只采樣輸出電壓的單閉環(huán)控制策略不能滿足控制需求，必須加入電容電壓采樣閉環(huán)電路來修正S1a、S2a、S1b和S2b的占空比。圖4所示為控制策略原理框圖，其中uRAMP1、uRAMP2為兩路相位相差180°的三角波信號，uEA1、uEA2為經(jīng)占空比修正后的誤差信號。
控制原理：采樣電容電壓uCt1和uCt2經(jīng)誤差放大器1生成誤差信號uEA-cd，再反相得到-uEA-cd；采樣輸出電壓uo和基準(zhǔn)正弦波uref經(jīng)誤差放大器2生成誤差信號ue；將uEA-cd和-uEA-cd分別與ue疊加，得到誤差修正信號uEA1、uEA2，再與三角波信號經(jīng)比較器生成控制信號。其均壓原理[2-4]：如果uCt1大于uCt2，則uEA1減小，S1的占空比相應(yīng)減小，S2的占空比增大，使得uCt1和uCt2相等；反之，S2的占空比減小，S1的占空比增大。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證拓?fù)涔ぷ髟砗涂刂齐娐返恼_性，在實(shí)驗(yàn)室完成一臺500 W的單相原理樣機(jī)。主要參數(shù)：輸入ui=220 V AC/50 Hz，輸出uo=110 V AC/50 Hz；開關(guān)頻率fS=50 kHz；儲能電感L1=0.4 mH；變壓器變比n=1.4；儲能電容Ct1=Ct2=15 μF。開關(guān)管MOSFET選IRFP460。
圖5所示為樣機(jī)主要實(shí)驗(yàn)波形。圖5(a)為輸入電壓與輸出電壓波形圖，輸出電壓波形正弦度高；圖5(b)為輸入端儲能電容Ct1和Ct2兩端的電壓波形，可以看出波形質(zhì)量良好，幅值基本相等，達(dá)到了均壓的效果，這也間接說明雙閉環(huán)均壓控制策略對抑制變壓器偏磁起到了一定的效果，保證了變壓器的正常工作；圖5(c)~圖5(f)為各開關(guān)管電壓應(yīng)力波形（漏源端電壓），可以看出幅值與理論計算相近，電壓應(yīng)力相比兩電平時降低了一半，達(dá)到了三電平的效果。
本文研究了隔離式SEPIC AC-AC變換器的工作原理，推導(dǎo)了輸入輸出關(guān)系，并進(jìn)行了閉環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了拓?fù)涞恼_性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器的開關(guān)管電壓應(yīng)力比兩電平時降低了50%，使得變換器能夠工作在高壓大功率場合。同時由于三電平的引入，減小了輸出電壓諧波污染，電感值也比兩電平時減小了許多，這樣大大減小了變換器的體積，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，具有很高的理論價值和工程價值。
參考文獻(xiàn)
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