含中间直流的三相电力电子变压器PET仿真模型附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

本报告聚焦含中间直流的三相电力电子变压器（PET），详细阐述其拓扑结构与工作原理，基于 MATLAB/Simulink 软件构建仿真模型。通过设置不同工况与参数，对模型的输入输出特性、功率传输性能等进行仿真分析。结果表明，该仿真模型能够有效模拟含中间直流的三相 PET 的运行过程，为 PET 在智能电网、新能源接入等领域的研究与应用提供理论依据和技术支持。

一、引言

随着电力系统向智能化、高效化方向发展，电力电子变压器（PET）凭借其体积小、重量轻、电能质量调节能力强等优势，成为电力领域的研究热点。含中间直流环节的三相 PET 在实现电压等级变换的同时，还能灵活控制功率流向、进行电能质量调节，可满足分布式电源接入、微电网运行等多种需求 。构建精确的仿真模型，有助于深入研究其工作特性与运行规律，加快 PET 技术的工程应用进程。

二、含中间直流的三相 PET 拓扑结构与工作原理

2.1 拓扑结构

含中间直流的三相 PET 典型拓扑结构主要由输入级、中间直流环节和输出级三部分组成。输入级通常采用三相 PWM 整流器，其作用是将三相交流输入电压转换为稳定的直流电压，并实现单位功率因数运行，减少对电网的谐波污染；中间直流环节作为能量传输与存储的枢纽，能够平滑输入输出功率的波动，稳定直流电压；输出级可根据实际需求，采用三相 PWM 逆变器将直流电压转换为三相交流电压输出，或通过 DC-DC 变换器输出稳定的直流电压。

2.2 工作原理

在输入级，三相 PWM 整流器通过控制开关器件的通断，调节输入电流的相位和幅值，使其与输入电压同相位，实现功率因数校正。同时，将三相交流电压整流为直流电压，并通过控制策略稳定直流输出电压。中间直流环节储存输入级转换后的电能，并为输出级提供稳定的直流电源。输出级根据负载需求，通过相应的控制算法，将中间直流电压转换为合适的交流或直流输出，实现电能的灵活分配与传输。在整个过程中，通过对各部分的协调控制，实现三相 PET 的高效运行与多种功能。

三、仿真模型构建

3.1 仿真软件选择

本研究选用 MATLAB/Simulink 作为仿真平台，该软件具有强大的电力电子模块库和仿真功能，能够方便地搭建电力电子系统模型，并对系统进行动态仿真分析。其可视化的建模环境和丰富的分析工具，有助于直观地观察模型运行过程和输出结果，提高仿真效率和准确性。

3.2 模型搭建

在 Simulink 中，从电力电子模块库中选取三相电压源、三相 PWM 整流器、直流电容、三相 PWM 逆变器、DC-DC 变换器、负载等模块，按照含中间直流的三相 PET 拓扑结构进行连接。其中，三相 PWM 整流器和逆变器采用基于 SVPWM（空间矢量脉宽调制）的控制策略，通过编写 S - Function 函数实现控制算法；DC-DC 变换器采用移相控制策略，设置合适的移相角参数。对各模块的参数进行详细设置，如三相电压源的幅值、频率，直流电容的容量，开关器件的开关频率等，以符合实际运行工况。

3.3 控制策略实现

输入级三相 PWM 整流器采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略。电压外环用于稳定中间直流环节的电压，将直流电压实际值与给定值的偏差经过 PI 调节器后，作为电流内环的给定值；电流内环根据电压外环输出的给定值，调节输入电流的相位和幅值，实现单位功率因数运行和直流电压稳定。输出级三相 PWM 逆变器同样采用双闭环控制，电压外环控制输出交流电压的幅值和频率，电流内环用于快速跟踪电流给定值，提高系统的动态响应性能。DC-DC 变换器通过调节移相角，实现输出直流电压的稳定调节。

四、仿真结果与分析

4.1 稳态运行特性

在设定的额定工况下，对仿真模型进行稳态运行仿真。观察输入侧三相电压、电流波形，可见电流与电压同相位，功率因数接近 1，验证了输入级 PWM 整流器的功率因数校正功能。中间直流环节电压稳定在设定值，波动较小，为输出级提供了稳定的电源。输出级三相交流电压幅值和频率稳定，波形质量良好，谐波含量较低；若输出为直流电压，DC-DC 变换器能够将中间直流电压稳定转换为所需的直流输出电压，满足负载需求。

4.2 动态响应特性

对仿真模型进行动态测试，如改变负载大小、调整输入电压等工况。当负载突然增加时，输出电压能够在短时间内恢复稳定，动态响应速度较快，体现了系统良好的负载适应性；在输入电压发生波动时，系统通过控制策略及时调整，保持中间直流电压和输出电压的稳定，有效抑制了电压波动对系统运行的影响，展示了较强的抗干扰能力。

4.3 功率传输性能

分析仿真过程中的功率传输情况，计算输入功率、输出功率和中间直流环节的功率损耗。结果表明，在不同工况下，系统的功率传输效率较高，能量损耗主要集中在开关器件的导通损耗和线路电阻损耗等方面。通过优化拓扑结构和控制策略，可进一步降低功率损耗，提高系统的整体效率。

五、结论

本报告成功构建了含中间直流的三相电力电子变压器 PET 仿真模型，详细介绍了其拓扑结构、工作原理和控制策略，并通过 MATLAB/Simulink 进行仿真分析。仿真结果表明，该模型能够准确模拟 PET 的稳态运行特性、动态响应特性和功率传输性能，为深入研究 PET 的工作机制、优化设计和工程应用提供了有效的工具和方法。未来可进一步拓展仿真模型的功能，研究不同拓扑结构和控制策略对 PET 性能的影响，探索其在更多实际场景中的应用。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 林霖.基于电力电子变压器的柔性直流互联配电网协调控制研究[D].东北电力大学,2021.

[2] 莫咏衡.三相固态变压器拓扑与控制研究[D].长沙理工大学,2013.

[3] 张航,李耀华,高范强,等.单相电力电子变压器中串联谐振型双有源桥电流特性分析简[J].电工电能新技术, 2019, 38(2):9.DOI:10.12067/ATEEE1712033.

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