[论文解读] Modeling and Control of Hybrid Distribution Transformers for Simultaneous Grid Services

Martin Doff-Sotta, Florian Cech+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2026

Microgrid Control and Optimization被引用 0

一句话总结

该论文提出了一种带有两个背靠背电压源变流器、串并联拓扑的混合配电变压器（HDT）的三相平均模型，并演示基于PI的内外环控制实现同时提供电网服务，包括电压调节、功率因数校正、频率调节和负载相位平衡。用Python仿真验证多服务能力，控制环路简单、易实现。

ABSTRACT

Hybrid distribution transformers (HDTs) integrate conventional transformers with partially rated power electronic converters to improve power quality, enable advanced ancillary services and increase penetration of renewable energy sources in the national power grid. In this paper, we present an averaged mathematical model of a three-phase HDT equipped with two back-to-back voltage source converters connected in a series-shunt configuration. Cascaded PI controllers are designed in the synchronously rotating dq0 reference frame to regulate load voltage, compensate reactive power, achieve grid frequency regulation, and perform load phase balancing. Simulation results implemented in Python confirm that these simple yet effective control mechanisms allow HDTs to offer simultaneous grid services without introducing complexity. The complete model, control architecture, and implementation steps are detailed, enabling further validation and adoption.

研究动机与目标

• 提升混合配电变压器的应用以增强电网稳定性并在配电网中提供辅助服务的动机。
• 开发一个两台背靠背VSC的三相HDT平均模型，采用串联-并联配置。
• 设计简单的基于PI的内环和外环控制，实现电压调节、无功补偿、频率调节与相位平衡。
• 通过仿真表明HDT能够以最小的耦合和不高的控制复杂度同时提供多项服务。

提出的方法

• 利用基尔霍夫定律推导具有两台背靠背VSC的三相HDTopology的平均动态模型（串联-并联拓扑）。
• 实现内环PI控制器，以从dq0参考框架计算VSC1（电网端）和VSC2（负载端）的占空比。
• 为直流链路电压调节、功率因数校正、通过下垂法实现的频率调节以及dq0框架下的相位平衡设计外环。
• 将频率偏差转化为有功功率参考，再转化为负载电压设定值，由内环跟踪。
• 在Python仿真中对多种场景进行验证：电压调节、功率因数校正、频率响应、相位平衡以及同时服务的实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 带简单PI控制器的平均HDT模型是否能够同时提供多种电网服务？
• RQ2 在提供电压调节、无功支持、频率调节与相位平衡时，内环和外环控制如何相互作用？
• RQ3 在不平衡负载和电网扰动下，HDT的性能特征（响应时间、稳定性）如何？
• RQ4 多服务之间是否存在显著的耦合，可能限制同时运行？
• RQ5 在实际电网情境下，采用所提HDT控制架构的频率响应是否可以有效实现？

主要发现

• 具有背靠背两台VSC的HDT模型能够通过PI控制实现负载电压的调节与无功补偿。
• 外环实现直流链路电压控制、通过下垂法的频率调节和功率因数校正，均基于dq0参考。
• HDT在大约一个周期内对电网扰动做出电压调节响应，并以快速的dq0电流跟踪实现单位功率因数。
• 通过注入校正的并联电流实现相位平衡，同时保持直流链路稳定，且存在可量化的参数γ作为权衡。
• 在仿真中实现电压调节、功率因数校正、频率调节和相位平衡的同时性，服务之间的耦合很小。
• 该框架类似于UPQC，提示可将其迁移至类似的电力质量设备。