混合式隔离型模块化多电平变换器

基于模块化多电平变换器(MMC)的电力电子变压器(PET)因其多端口接入、模块化结构、易实现电压拓展、输出波形质量高等优点受到广泛关注.但由于该PET中压交流侧电压由中压直流母线产生,使其中压交流端口电压始终限制在中压直流端口电压以下.该文结合模块化拓扑结构与单级式功率变换思想,提出一种混合式隔离型模块化多电平变换器(HI-MMC).首先,分析HI-MMC结构以及组成HI-MMC两种隔离型子模块的拓扑结构及调制策略,通过不同子模块的组合配置可使HI-MMC突破交/直流电压比的限制,实现各端口电压等级的灵活设计;同时,所提出的HI-MMC还具有单级式功率变换、控制系统简单、节约电容等优点;其次,研究不同电压比下各类子模块相应的配置方案,并建立单相HI-MMC系统平均等效模型;最后,通过搭建的一套10kW实验室HI-MMC样机验证了所提拓扑结构的有效性.     

基于MMC的紧凑型能量路由器方案

该文提出一种控制简单的基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)结构的多端口能量路由器(energyrouter,ER)方案,所提ER包含有中压直流、中压交流、低压直流和低压交流4个外接功率端口以及1个内部储能端口,通过隔离级高频链将各子模块(sub-module,SM)进行内部互联,建立模块间的耦合关系。利用开关电容变换及三相波动功率抵消分别实现SM电压的自主均衡和电容需求最小化,从而大幅简化控制方案设计,同时提升系统的功率密度。考虑ER所具备的惯性能力与电容值密切相关,设计一种基于蓄电池储能的惯性优化方案。最后,通过仿真及实验验证所提拓扑及能量调控策略的正确性和有效性。     

适用于直流配电网的直流变压器技术研究

采用基于模块化输入串联输出并联拓扑的直流变压器,实现了柔性中压直流配电网和低压直流微电网之间的电压等级变换和功率双向传输。直流变压器的子单元基于LC串联谐振原理,采用定频不移相控制策略。此外,为了抑制较大的启动冲击电流,提出了一种软启动控制策略:通过脉冲占空比切换的方式控制输入端全桥电路的占空比,从小占空比缓慢切换到额定占空比。设计并生产了一台500 kW,±10 kV/750 V直流变压器,实验结果验证了所提方案的正确性和可行性。     

基于模块化多电平换流器的多端口谐振型电力电子变压器

适用于直流配电网的电力电子变压器(PET)需要中压直流端口,而现有基于模块化多电平换流器(MMC)结构的PET拓扑可同时提供中压交流、中压直流、低压直流和低压交流端口,但这类PET需要四级电能变换,使得电路结构复杂,体积和重量较大。文中提出了一种适用于直流配电网的多端口MMC谐振型PET拓扑。该拓扑采用混频调制策略,同时在MMC桥臂支路中并联一组LC谐振支路、中频变压器和全桥电路实现中压直流和低压直流端口的功率解耦输出。该PET拓扑仅使用三级电能变换即可提供所需的多端口特性,具有电路结构简单、体积重量较小等优势。针对该PET拓扑,提供了等效电路分析、控制策略和参数设计方法。最后,通过仿真和实验结果验证了该PET拓扑的可行性。     

基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析

为了克服柔性中压直流配电网工频方案中变压器体积大、重量大、噪音大、控制不够灵活等问题,提出一种基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统。该系统中直流配电母线不仅包括中压直流母线,还包括低压直流母线;中低压直流母线之间通过直流变压器进行连接;低压直流母线用于接入各类分布式电源。该系统中高频链直流变压器的使用不仅实现了不同电压等级直流母线间的电压变换、能量管理,还可以有效提高系统功率密度。介绍了中压柔性直流配电系统架构,给出了高频链直流变压器以及其它典型换流器的设计和分析,并对直流配电系统的工作模式和控制器进行了设计。最后,搭建了仿真平台,验证了系统的有效性。     

一种中压直流短路故障下不间断运行的MMC-SST拓扑及控制

多端口固态变压器是多电压形态多电压等级的交直流混合电网的核心设备,模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型固态变压器(solid state transformer,SST)具有中压直流端口,可接入中压直流配电网,构成多区域交流配电网的柔性互联,提升区域网络间功率灵活调节能力。而采用传统的MMC-SST拓扑及控制,中压直流线路短路故障会引起低压端口供电中断。文中提出一种混合型MMC-SST的拓扑及控制,其具备中压交流、中压直流和低压交直流端口,通过控制使其具有中压直流短路故障耐受能力,同时故障期间保持中压交流和低压端口的不间断功率交互,从而提升低压用户供电可靠性。分析MMC-SST在正常运行和中压直流故障不间断运行控制下内部能量平衡机理,提出中压直流短路故障下电容电压平衡及不间断运行控制策略,实现MMC-SST中压直流短路故障时不间断稳定运行。通过理论分析,仿真与物理动模实验,验证了所提拓扑及控制的可行性及有效性。     

拓扑优化中压级联多电平变换器及MPC设计

级联H桥多电平变换器在中压大功率应用场景需配合使用具有多个二次绕组的移相变压器为每个H桥模块提供独立的直流源,从而存在系统成本较高的问题,对此,提出了一种拓扑优化中压级联多电平变换器及其模型预测控制(MPC)。新型级联多电平变换拓扑每相只需一个独立直流源,故所需二次绕组数量大为减少,同时每相使用中点箝位(NPC)三电平模块,可将整个系统的复杂度和成本降至最低。进一步,建立了新变换器的离散时间域数学模型,并引入了MPC完成了直流侧电容电压和输出电流的多目标控制。利用小功率变换器样机进行了实际测试,实验结果验证了新型级联多电平变换拓扑的优势以及MPC的效果。     

非隔离双向四端口直流变换器及其控制策略研究

针对多端直流输电系统中的潮流汇集、分配以及电压变换需求,提出了一种基于双向buck+boost变换器的非隔离双向四端口直流变换器。所提出的直流变换器只需经过DC-DC单级升降压变换,提高了变换器的效率和功率密度;相对于传统多端口变换器通过公共交流母线或公共直流母线连接的方案,该变换器无需采用母线电容和交流变压器,降低了变换器体积和成本,提高了系统可靠性;该变换器中任意一个输入到输出端口之间均构成一个双向buck+boost变换器单元,各个单元在功率回路不存在相互耦合,控制更易实现。在PSCAD/EMTDC平台中搭建了四端双极柔性直流输电系统仿真模型,对直流变换器潮流分配和电压变换功能进行了仿真分析,并研制了双极四端口直流变换器原理样机,进行了相应的动模实验验证。仿真和动模实验结果表明,该直流变换器能够有效实现直流潮流分配和电压变换功能。     

高性能双向直流变换技术及其应用专辑主编评述

双向直流变换技术,是一种基于双向直流变换装置接口高低压直流能量源或直流母线进行高低压侧电压匹配和功率双向流动控制的技术。近年来,随着高性能半导体器件、高效率磁性元件、先进热管理等技术和高性能控制技术的发展,双向直流变换器及其控制系统的设计成了工业界和学术界研究和发展的热点。基于当前双向直流变换技术的研究热点问题,《电源学报》特别推出"高性能双向直流变换技术及其应用"专辑,以期推进双向直流变换技术难点和热点问题的讨论。     

小母线电容电动汽车集成充电系统控制研究

研究了一种电动汽车电机驱动与车载充电集成系统的充电控制策略.该集成系统通过共用电机驱动和车载充电的功率变换电路,并将电机绕组用作充电电感,可减小电动汽车功率变换电路的空间占用和成本.此外,该集成系统直流母线采用小容值薄膜电容取代传统大电解电容,不仅可进一步减小系统体积,还可提高系统可靠性.该系统在充电状态下,电网侧变换器工作于二极管整流模式,母线呈现直流半波脉动电压.针对该工作特点,研究了基于Boost电路工作原理的电池侧双有源隔离型直流变换器正弦功率充电控制策略,在直流半波脉动母线电压条件下实现了电池有效充电,同时保证了电网电流具有良好的谐波性能和功率因数性能.最后通过实验样机对该控制策略的有效性进行了验证.     

宽输出LLC谐振变换器的定频PWM控制策略

传统频率控制的LLC谐振变换器不适用于宽电压范围的应用场合,且存在较大的循环电流而难以实现高转换效率。为了解决这些问题,提出一种简单的定频PWM控制策略,谐振变换器的后桥臂通过固定的开关频率控制,开关频率等于谐振频率;前桥臂采用PWM控制,将谐振网络的输入电压转换成多电平电压,谐振变换器实现2倍的电压增益调节范围。在这种控制方式中,增益范围独立于负载和励磁电感,可以简化谐振参数设计,通过设计较大的励磁电感减小电路的传导损耗和开关关断损耗,提升转换效率。仿真结果表明：谐振变换器可以实现宽输出电压,该控制策略降低了循环电流和关断电流。最后,通过实验验证了所提控制策略的可行性。     

基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统稳定性分析

中压直流柔性互联配电系统作为连接高压输电网和低压直流配电网的纽带,可实现源-网-荷-储的灵活接入,适用于未来城市能源互联网。建立了基于隔离型模块化多电平换流器的中压直流柔性互联配电系统小信号等效电路,推导了中压直流端口的阻抗模型,通过对比仿真测量与解析计算结果验证所建模型的准确性,并利用所建精确模型进一步研究电路参数和控制参数变化对系统稳定性的影响。在MATLAB/Simulink仿真平台搭建中压直流柔性互联配电系统的仿真模型,验证了所提小信号阻抗模型的准确性。     

单相MMC变流器及其在新型牵引供电系统中应用的研究

为解决传统牵引供电系统中所存在着电能质量和过分相问题,首先介绍了一种基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统。新型牵引供电系统中需要单相变流器向牵引网提供稳定的电压和频率,据此对单相H桥型模块化多电平换流器MMC(modular multilevel converter)进行了研究。介绍了该变流器的拓扑特性,建立了相应的数学模型。将牵引网络认为成无源网络,设计一种基于虚拟同步坐标系下外环定交流电压、内环电流的单相H桥MMC型逆变器向单相无源网络供电的双闭环控制策略;为了抑制桥臂电流所含的二次分量,使用准比例谐振器设计了环流抑制器。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。仿真结果验证了系统控制策略的可行性和环流抑制器的有效性,变流器能够向牵引网络提供稳定的电压和频率。     

非隔离型模块化多电平DC/DC变换器的最小化桥臂环流控制

用于中高压直流电压转换和直流电网互联的高压大功率直流变压器一般采用中间交流变压器,存在损耗高和体积大等不足。对一种非隔离型的模块化多电平DC/DC变换器进行了研究,与普通双有源桥式DC/DC变换器相比,避免了交流变压器的存在。首先分析了此变换器的工作原理,建立了变换器的等效数学模型。考虑子模块电容电压存在特殊的不平衡,变换器需要引入交流循环电流,提出了一种保证桥臂功率均衡的最小化桥臂环流的控制策略,减小了桥臂电流的交流分量,降低了变换器的损耗。在Matlab/Simulink中仿真验证了变换器的性能和最小环流控制策略的有效性。最后搭建实验平台进行了实验验证。     

基于线性最优的MMC子模块电容电压均衡控制策略

为进一步优化模块化多电平换流器(MMC)子模块控制策略,尤其是能够兼顾子模块电容电压波动、桥臂环流二次谐波含量、子模块绝缘栅双极型晶体管(IGBT)投切次数和算法计算量四方面的性能,提出一种基于线性最优解的MMC子模块电容电压均衡控制策略。首先,阐述了子模块电容电压波动和子模块IGBT投切次数之间的相悖性,通过理论分析证明子模块电容电压波动与桥臂环流二次谐波含量之间也存在非线性关系,需寻找适当算法使其三者同时达到最优情况。然后,针对此目标,对传统算法进行优化,增加附加调节子模块功能,并结合子模块电容电压均衡控制策略,详细阐述了所述算法的控制流程及其优越性。最后,通过动模试验对传统控制策略、子模块电容电压均衡控制策略、所提控制策略及其他采用不同数量的附加调节子模块的控制策略进行对比。试验数据表明,所提策略可以在子模块电压波动、桥臂环流中的二次谐波含量和子模块IGBT投切次数三方面达到线性最优。     

一端稳压一端稳流型软开关双向DC/DC变换器(Ⅰ)——电路原理和控制策略

提出了一种适合于高低压变换的软开关双向DC/DC变换器,该变换器为隔离Boost变换器和全桥变换器组合而成的电流-电压型拓扑.详细分析了能量双向流动和实现软开关的原理.提出一端稳压和一端稳流的控制策略,可实现能量双向流动的自由转换.采用一种启动电路,可抑制Boost模式启动时的冲击电流.     

DC/DC/AC混合型MMC变换器控制策略分析与设计

研究了一种可以实现电能不同形式综合利用的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器(MMC),该结构的变换器实现了电压变换功能的多样化。首先,分析了该种可以同时实现DC/DC与DC/AC混合电压变换的模块化多电平变换器拓扑结构;然后,利用功率正交原理,设计了DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器的闭环控制策略;最后,在给定交流负载侧交流电流的前提下,实现了各个桥臂子模块电容电压的均衡控制。仿真结果验证了所提出的DC/DC/AC混合型模块化多电平变换器电压变换功能的可行性以及控制策略的有效性。     

基于滞环区间自适应控制的 MMC 环流抑制方法

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)是一种可替代传统电压源型换流设备的新型拓扑换流装备,但随着应用电压等级的提升,MMC子模块级联数目大幅增长,相单元中二倍频环流问题尤为明显。通过阐述桥臂内环流与电感压降相互影响机制,在滞环控制的基础上引入区间自适应控制,有效平衡环流抑制效益与开关损耗两者的矛盾,提出滞环区间自适应控制MMC环流的动态抑制法。该方法能够灵活控制桥臂电感压降,控制环流在越限前改变流向,从而将其控制在允许范围内,且无需额外的硬件装置。最后在多电平双端背靠背互联系统Simulink仿真模型中验证该方法对MMC桥臂内环流的抑制效果。