一种多模块高电压固态变压器的研制

固态变压器(SST)作为一种基于电力电子技术的新型电力变压器,可以对初级和次级的电压、电流进行主动补偿和控制,因此很适合应用在发电、输变电和配电等多个电力系统场景。提出一种由10个子模块并联输出组成的高电压SST设计方案,每个子模块由一个三电平功率因数校正(PFC)转换器和一个隔离型LLC谐振转换器构成,10个子模块并联输出端连接至负载逆变器,最终由逆变器输出向负载供电。首先分析了PFC转换器和LLC转换器的工作原理,然后介绍了功率级的控制策略,最后搭建实验样机对所提方案进行了验证。实验结果表明,所提方案可以实现10 kV～220 V的功率转换,且保持较高的功率因数和较低的电流谐波率。     

基于电压前馈的输入串联输出并联型直流变压器反下垂控制策略

以双有源全桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器为基本功率单元的输入串联输出并联(inputseries-output-parallel,ISOP)型直流变压器(DC solid state transformer,DCSST)十分适用于直流电网互联或大规模新能源汇集等高压大容量应用场合。文中针对现有的反下垂控制方法无法兼顾均压/均流特性与输出电压调整率的缺点,提出了一种电压前馈的反下垂控制方法。通过引入输入电压均值前馈实现了直流变压器输入电压与输出电压的解耦,使得直流变压器在实现均压/均流运行的同时,具有较好的稳压性能。最后,于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建了以DAB变换器为基本功率单元的三单元ISOP型直流变压器仿真模型,对所提出的算法进行了对比实验验证。实验结果表明:该方法可以实现直流变压器各模块的传输功率平衡,同时具有较好的稳压性能。     

级联型电力电子变压器分级解耦控制

应用于交直流混合配电网的级联型电力电子变压器(PET)能够实现柔性互联、电压变换、电气隔离和功率控制等多种功能.由于级联型PET内部的级联H桥级和双有源桥级之间电气耦合程度高且控制目标不同,提出一种分级解耦控制方案,在简化控制架构的同时可实现各级的独立灵活控制.此外,针对级联型PET采用多个功率单元输入串联输出并联的拓扑结构,提出一种基于分级解耦控制的串联均压并联均流控制策略,以降低参数差异的影响.研制了一台额定交流电压为10 kV、额定直流电压为750 V、额定容量为500 kVA的级联型PET.实验结果验证了该控制方案工程应用的可行性及有效性.     

IGBT串联的三电平风电变流器拓扑研究

三电平拓扑结构简单可靠,但由于开关器件的耐压水平限制,低压单管IGBT拓扑的交流侧输出电压、功率水平均较低。提出一种新型IGBT串联的三电平风电变流器。首先,采用了T型三电平结构,并在正负母线回路中使用两管1.7kV的IGBT串联,即可输出3kV的交流侧电压;其次,给出了IGBT串联提高开关频率的原理、IGBT串联的保护与均压方案。最后,建立了3kV电压等级的实验平台,验证了IGBT串联型三电平拓扑的有效性。     

新型L-BOOSTDC-DC多电平拓扑研究

提出一种新型的L-Boost多电平拓扑结构。与传统的拓扑电路相比,本拓扑的优势在于采用单电感输入结构构成多电平结构。基于输入并联输出串联（inputparalleloutputseries,IPOS）的结构,可以减小开关器件的电流应力和电压应力。该拓扑通过增加功率单元的级数,可以很容易实现扩展。以四电平为例,详细介绍L-Boost拓扑电路的原理和工作过程,采用交错控制的均压控制策略,实现了输出端电容的均压问题。通过四电平试验样机的实验验证了该拓扑的正确性和优越性。     

组合式交流变换器研究

输入串联、输出并联变换器,能降低变压器输入侧开关管的电压应力和输出侧开关管的电流应力,适用于高输入电压、低输出电压电能变换场合.基于模块化思想,提出了一种输入串联、输出并联组合式电流源高频环节交流变换器,研究了其工作原理和控制策略,此控制策略实现了该变换器的均压均流控制.通过样机实验验证了输入串联、输出并联电流源高频环...     

基于LLC谐振变换器的电力电子变压器

提出了一种基于LLC谐振变换器的三级型降压式电力电子变压器(PET)拓扑结构。所述结构的输入侧高压级为二极管钳位三电平整流电路,以降低开关器件耐压等级;隔离级采用了三电平LLC串联谐振型DC/DC变换器,其每个主开关电压应力是输入电压的一半,并且在全负载范围内工作在软开关状态,可降低PET的损耗,提高其效率;输出侧低压级为两电平三相四桥臂逆变电路,以应对大量存在的不平衡和非线性负载。对所述的PET结构进行了控制方案设计,并做了仿真研究。仿真结果表明:该PET结构在实现了传统变压器隔离、变压和能量传递等功能的基础上,还具备电能质量调节功能,可有效避免系统与负载之间因不平衡或畸变而对彼此产生的影响。     

输入并联输出串联AC/AC变换器的研究

传统两电平AC/AC变换器的开关管电压应力高,输出电压和输入电流谐波含量较高。针对此问题,基于多模块串并联组合变换器的相关技术,提出了一种输入并联输出串联(IPOS)电流源高频交流环节AC/AC变换器。为保证该变换器的正常工作,研究并提出了一种均压控制策略。此控制策略实现了该变换器在4种工作模式下的输出均压和输入均流。实验结果验证了该变换器的工作原理和控制策略的正确性,该变换器适用于较低输入电压和较高输出电压交流电能变换场合。     

三相模块级联型固态变压器均压/均功率控制策略研究

三相固态变压器是适用于智能电网的一种新型的智能电力电子设备,一般包括整流输入级、双有源桥DAB(dual active bridge)直流级和逆变输出级。为解决固态变压器在大功率传输和高输入交流电压工作条件下的高频功率开关管电压电流应力问题,一般采用多模块级联的拓扑结构,但这种拓扑给固态变压器带来了模块间的电压和功率不平衡问题和导致开关管过压过流及电网电流谐波增加等问题。为解决三相模块级联型固态变压器电压、功率的不平衡问题,提出一种新颖的控制策略。输入整流级采用一种基于共同占空比的三相dq0控制策略以保证输入交流电流三相对称,DAB级采用一种基于电压跟随的移相控制方法以实现模块间电压平衡,两级控制策略相配合以实现各模块间电压、功率平衡。仿真和实验均验证了所提控制策略的可行性和有效性。     

一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器

针对车载DC-DC变换器输入电压变化范围大的问题,提出一种组合式宽输入高效率DC-DC变换器。该变换器包括飞跨电容(FC)型三电平Buck电路和LLC谐振电路两部分,FC三电平Buck电路输出端口与LLC谐振电路输入端口串联,通过控制FC三电平Buck电路占空比实现输出电压调节以适应宽输入电压范围,同时三电平结构降低了开关管电压应力、减小了损耗;LLC谐振电路传输负载所需全部功率,采用定频开环控制以获得高效率和稳定增益,同时实现了电气隔离。详细分析了组合式变换器的拓扑结构、直流增益以及工作效率,并与相同电路构成的级联式变换器进行了效率特性对比,根据组合式变换器的拓扑结构和工作特性,提出一种解耦控制策略,实现输出电压稳定和飞跨电容电压平衡,最后搭建了一个200～400 V输入、12 V/20 A输出的实验电路进行验证,实验结果表明所提组合式变换器的正确性和可行性。     

基于电流平衡单元的输入并联输出并联型LLC谐振变换器模块

输入并联输出并联(IPOP)型直流变换器广泛适用于低电压大电流工作场合,难点在于如何实现各子模块之间的输入电流均流(ICS)和输出电流均流(OCS)问题,现有解决方法均为闭环控制策略。提出了基于电流平衡单元的IPOP型LLC谐振变换器模块,通过电流平衡单元电磁耦合作用可以开环实现LLC谐振变换器模块间ICS和OCS,使整体IPOP型直流变换器稳定工作。LLC谐振变换器工作在近似谐振频率下可实现高频隔离直流变压器功能,保证逆变侧零电压开关(ZVS)及整流侧零电流开关(ZCS),同时具备高功率密度和高效率。采用电流平衡单元代替传统闭环控制策略解决IPOP系统模块间电流不平衡问题,省去采样和控制电路,提高系统稳定性,降低系统成本。通过对电流平衡单元的电磁模型分析,导出等效电路模型,并通过其工作暂态电流与稳态电流仿真说明电流平衡原理。最后搭建基于电流平衡单元的IPOP型LLC直流变换器实验系统,验证所提出电流平衡方案的有效性和正确性。     

三角形级联固态变压器的多直流电压平衡控制

级联固态变压器可以直接接入高压配电网,但其存在的直流电压不平衡和功率不均衡问题,将严重影响装置可靠运行。针对三角形级联固态变压器提出了一种多直流电压平衡控制方法,并在建立装置的平均功率模型的基础上,对比分析了其在不同控制方法下的相内和相间功率特性。所提出的方法在满足直流电压平衡和功率均衡调节的同时消除了传统方法中直流变换环节的电流传感器。通过仿真和实验对所提方法的有效性进行了验证,结果表明该方法大幅简化了控制系统,并给装置带来了更好的不平衡无功补偿能力。     

T型三电平VSC-HVDC系统模型预测灵活功率控制策略

建立了基于T型三电平基于电压源型换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)系统功率模型,并据此提出了基于两步预测的有限控制集模型预测直接功率控制策略,其可实现功率指令值的精确跟踪、直流侧电容电压平衡和降低平均开关频率3个控制目标。但该控制策略在电网电压不对称时会产生谐波电流,为了解决该问题,通常增加功率补偿策略。然而当采用传统的功率补偿策略时,只有3种可选的控制目标:抑制负序电流、抑制有功波动和抑制无功波动。上述3种控制目标难以在各种类型的交流故障下同时满足换流器自身的限制条件和电网对换流器故障穿越的要求。为此,提出了灵活功率控制方法,其可在各控制目标之间实现折中控制,控制方式灵活。搭建了T型三电平VSC-HVDC系统仿真模型,仿真结果验证了所提策略的正确性。     

基于LLC变换器的多路LED自动均流策略研究

针对大功率LEDSg动电源需要实现多路均流输出的特点,提出1种新型的具有多路LED均流功能的磁集成LLC变换器,将LLC变换器中的变压器与均流耦合电感集成在1个磁芯上,并通过加入均流电容实现多路输LED自动均流。详细分析磁集成LLC变换器的集成方案及均流原理。设计1台80W4路均流输出的LED-~动电源,实验结果验证了所提方案是可行的。     

一种并联输入并联输出的宽范围双向隔离DC/DC变换器

目前,DC/DC变换器广泛应用于新能源发电、电动汽车以及锂电池化成分容等领域。针对低压大电流双向功率传输应用场合,提出了一种输入并联输出并联的宽范围双向隔离DC/DC变换器。该变换器由2个相同的两级式DC/DC变换器组成,前级采用高效率LLC谐振变换器作为直流变压器,以实现电气隔离;后级采用交错式Buck/Boost变换器,保证宽范围电压输出和高动态性能。所提变换器能够实现功率的双向传输,且采用了一种功率方向改变时,无需进行功率流向判断与开关逻辑切换的调制策略,简化了系统的控制策略并提高可靠性。设计了1台3 kW的实验装置,实验结果验证了所提变换器及其控制方法的可行性和有效性。     

基于单载波调制的链式STATCOM电容电压均衡控制方法研究

为解决链式STATCOM电容电压均衡问题,探讨了一种单载波调制电压均衡方法。针对单载波调制的链式STATCOM,采用电压解耦控制实现其总体有功功率控制,在均压控制方面,采用能量交换法和循环换位法相结合的均衡控制策略,在实现电压动态平衡的同时提高了稳态平衡精度。为使工作模式可靠切换,提出了一种切换控制方法。最后,仿真实验结果验证了该控制方法的有效性和可行性。     

基于三电平拓扑的电力电子变压器研究

提出一种改进的基于三电平拓扑的电力电子变压器(PET).输入级、隔离级与输出级结构分别采用二极管箝位式三电平PWM整流器、零电压开关半桥三电平DC/DC变换器和两电平逆变器.与两电平PET相比,可在有效提高输入电压等级的同时降低开关损耗.针对变压器各环节结构特点设计了控制方案,并在配电系统环境下对其进行了建模和仿真.仿...     

异步电机模型预测三电平直接电流控制

三电平逆变器为控制系统提供了更多的电压矢量,相对于传统两电平逆变器能够使得直接电流跟踪控制变得更加精确,能进一步减小电流纹波。但是三电平逆变器存在中点电压平衡问题,如果不对中点电压进行控制会使得电机无法正常工作,同时在大容量三电平逆变器中一般需要其降低开关频率。因此,提出一种具有中点电压平衡和降低开关频率功能的模型预测直接电流控制方案:通过对中点电压进行预测控制,在模型预测直接电流控制的价值函数中加入开关切换次数的约束,能将中点电压有效控制在给定的范围内,并同时实现逆变器开关频率的降低;针对控制延时导致定子电流在参考值附近振荡并增加电流纹波和转矩脉动,采用延时补偿提高控制系统性能。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和可行性。     

基于GaN器件的模块化多电平包络跟踪电源

包络消除与恢复（EER）技术是一种提高变包络幅值调制的射频功放效率的有效手段,其核心装置是高跟踪精度、高带宽、高效率的包络跟踪电源。为提高其带宽、效率和跟踪精度,提出了一种结构模块化的多电平包络跟踪电源电路,首先由两个半桥单元层叠构成一个三电平子模块并由一路独立直流电源供电,再将多个三电平子模块的输出串联后采用载波移相PWM进行调制,从而可得到多电平的输出电压。由于通过增加输出电压电平数提高了等效开关频率,并减小了阶梯电压,因此可有效提高带宽和跟踪精度。针对每个三电平子模块内部两个直流电容的电压不平衡问题,提出了一种微调PWM信号占空比的平衡控制方法。采用氮化镓（GaN）器件搭建了一台最大功率500W、开关频率1MHz、带宽400kHz的五电平包络跟踪电源样机,实验结果验证了该电路拓扑及控制方法的有效性和可行性。