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。     

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

三级式电力电子变压器(PET)因其良好的控制特性,受到了广泛关注和应用。三级式PET由输入级、隔离级和输出级构成,各级之间通过储能电容相连。由于功率半导体器件的耐压水平有限,一般此类PET由多个功率模块级联构成。各功率模块的中间环节通常采用串联谐振型双有源桥(DAB)变换器来实现不同直流电压等级之间的电能变换与电气隔离。本文在考虑PET交流输入侧、直流输出侧瞬时功率分布规律的基础上,建立了单相PET功率模块的动态等效电路模型,推导了其中串联谐振型DAB的电流时域解析表达式及其简化模型。通过所搭建的Matlab/Simulink仿真模型和电力电子变压器功率模块测试平台验证了该模型的正确性。     

一种三相线电压级联单位功率因数整流器负载不均衡特性分析及电压均衡控制策略

该文对一种由三个三相单开关整流器线电压级联构成的三相单位功率因数整流器的负载不均衡特性和输出电压均衡控制策略进行分析和研究,首先详细阐述此类整流器在三个直流侧负载不均衡时,交流输入端电流能自动保持均衡的独特特性及相应工作机理;然后研究系统整体分层控制策略。在传统的基于电压外环PI控制、电流内环PR控制的上层控制基础上,针对各整流模块参数不一致及负载功率不一致引起的各模块输出电压不均衡问题,通过加入偏差因子调制波补偿的底层控制,实现了对每个模块输出功率的独立调节,进而实现了各整流模块输出电压的均衡控制。仿真和实验结果验证了所研究拓扑结构的优越性和控制策略的可行性。     

级联型电力电子变压器控制策略研究

针对模块级联型电力电子变压器(PET)高压级输出电压和隔离级功率传输不均衡问题,提出高压级采用电压均衡控制,隔离级采用功率均衡控制来解决,低压级采用电压重复控制,以减小逆变器输出谐波,提高PET输出的电能质量。隔离级和低压级输出采用并联的连接方式,避免了低压级不平衡对高压级产生影响。仿真结果验证了上述控制策略与连接方式的正确性与有效性。     

三相AC/DC型电力电子变压器高频直流环节回流功率优化控制研究

级联H桥AC/DC型电力电子变压器中的高频直流环节通常采用双有源桥电路DAB(dual-active bridge),并通过移相控制方式进行能量传递。单移相控制会在DAB中引入回流功率,增加系统损耗。在由理想直流电压源供电的DAB中,通过改进的移相控制可以显著抑制回流功率。然而在电力电子变压器PET(power electronic transformer)中,交流电网侧的PWM整流环节会引入二次脉动功率,导致其高频直流环节的输入/输出电压变比存在低频脉动,使得现有的回流功率抑制方法难以获得期望效果。针对这一问题,分析了在PET模块电容电压存在低频脉动的情况下,采用单移相和扩展移相两种控制方式下的回流功率分布特征;同时,结合功率通道型三相AC/DC电力电子变压器,提出了功率解耦和扩展移相协同控制的回流功率抑制方法;通过功率解耦控制,抑制模块电容电压中的低频脉动,维持高频直流环节输入/输出电压变比恒定,并结合扩展移相控制,抑制PET中的回流功率。仿真和实验结果验证了所提方案可以有效抑制三相AC/DC型PET中高频直流环节内的低频脉动功率及回流功率。     

输出并联双有源全桥DC-DC变换器虚拟功率均衡控制方法

针对电力电子变压器(PET)中输出并联双有源全桥(DAB)DC-DC变换器,分析了前级级联多电平整流器(CHB)控制策略对于DAB变换器的影响,提出一种同时适用于等效输入串联输出并联(ISOP)和等效输入独立输出并联(IIOP)DAB变换器的虚拟功率均衡控制方法,并分析了该控制策略的作用机理。搭建了以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为控制器的三单元输出并联DAB变换器的实验平台,对所提出的虚拟功率均衡控制方法与输入电容电压平衡控制算法进行了对比验证。实验结果表明,所提方法在实现各个模块传输功率均分的基础上,可以显著提高变换器对于负载突变和输入电压突变时的响应速度。同时,也可有效地抑制变换器传输功率的暂态波动。     

三相固态变压器功率平衡控制策略研究

固态变压器作为现代智能电网的关键设备之一,得到国内外电力电子与电力系统等领域学者的广泛关注与研究。低电压/功率等级的模块级联型结构减小了在高电压/功率的传输时开关管电压电流应力。然而,这种拓扑结构引入模块之间电压/功率不平衡问题,可能产生开关管过压、过流及电网电流谐波增加等影响。分析了一种新颖的整流级共同占空比控制、中间级电压跟随控制、逆变级PR控制的三相固态变压器均压均功率系统控制策略以及可能影响电压及功率平衡的模块参数,理论与仿真验证该系统控制策略有效性。三相15 kW原理样机验证控制策略可实现输入侧单位功率因数、电压功率平衡及能量双向传输功能。     

用于电池储能系统的级联式电力电子变压器均衡及协调控制

针对用于电池储能系统的级联式电力电子变压器,提出基于混合脉宽多电平调制的电池均衡及协调控制策略。级联H桥采用混合脉宽调制可实现子模块功率双向独立调节,该策略利用这一特性对各电池单元进行差异化充放电及荷电状态均衡控制,同时保证系统总功率指令要求及网侧低谐波。为抑制混合脉宽调制时各H桥开关函数非线性时变及网侧功率指令变化引起的直流链电压波动,将整流级开关函数及功率指令作为前馈,提出了隔离双向DC/DC变换器的直流链电压协调控制方法。仿真和实验结果表明,所提控制策略可实现电池荷电状态曲线快速收敛及均衡、双向功率高性能控制以及直流链电压纹波有效抑制。     

一种星接H桥级联型SVG直流侧电压均衡控制方法研究

对星接H桥级联型静止无功发生器(SVG)直流侧电压均衡控制进行了深入研究,建立了三层直流侧电压均衡控制系统。第一层为总直流侧电压控制,通过产生基波正序有功电流维持三相所有H桥模块直流侧电压之和恒定。第二层为三相之间均衡控制,通过在变流器指令电压中注入零序电压实现三相功率的再分配,从而实现三相均衡;在该方法中,通过对H桥级联型SVG的输出电压和输出电流产生的功率进行前馈,以达到快速地动态调节。第三层为每相内部各模块均衡控制,通过沿电流方向微调每相各模块指令电压,使各H桥模块吸收的功率重新分配,进而保证相内所有H桥模块直流侧电压值等于给定值。最后通过实验验证了该控制方法的正确性和可靠性。     

电力电子变压器的双有源全桥DC-DC变换器模型预测控制及其功率均衡方法

该文以电力电子变压器中的输出端并联双有源(dual active bridge,DAB)全桥DC-DC变换器为研究对象,针对其动态响应慢及传输功率不均衡问题,提出一种模型预测控制策略及其功率均衡方法。同时,为了增强控制算法的灵活性,借鉴于直接电流控制的思想,提出无负载电流传感器的模型预测控制策略。最后,搭建以TMS320F28335+FPGA_6SLX45为核心控制器三单元输出并联DAB的实验样机,对所提出的模型预测控制及其功率均衡方法和传统闭环电压制以及负载电流前馈控制进行对比实验验证。实验结果表明:该方法不仅可实现各个DAB模块的传输功率均衡,同时可显著地提高变换器对于输入电压突变和负载突变时的动态特性。此外,当负载电流传感器损坏或缺省时,变换器仍然可以保持良好的动态特性并实现传输功率均衡。     

基于整体能量分配的级联整流级电压平衡控制的研究

本文介绍了新一代无工频变压器大功率变换器的结构及特点,分析简化了该变换器级联整流级的电路模型。引入单相坐标变换的理论,对级联整流级在该坐标变换下的数学模型进行了详细的推导。提出了一种系统整体有功能量分配的控制方法,用于平衡级联整流级各模块直流侧的电压。仿真结果表明,该平衡策略能够较好平衡级联整流级各模块直流侧的电压,有效控制系统的有功和无功,实现整流系统单位功率因数的要求。     

阶梯波合成技术级联多电平变换器功率均衡策略

针对采用阶梯波合成策略级联型多电平逆变器存在的功率均衡问题,该文提出有功功率均衡法和循环脉冲功率均衡法两种功率均衡策略,前者的优点是不论级联单元个数多少,逆变器实现功率均衡所需时间仅为一个输出周期,缺点是会影响输出电压波形质量;后者的优点是不影响输出电压的波形质量,缺点是随着级联单元个数的增多,逆变器实现功率均衡的时间变长。该文详细分析两种均衡策略的工作原理及特点,并进行实验验证,实验结果表明两种功率均衡策略是可行的。     

H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略

H桥级联多电平变流器是一个非线性、多变量、强耦合系统,其中单个功率模块的直流母线电压平衡问题严重影响该类型装置的输出性能,并限制其应用范围。对变流器与系统之间的功率交换模型进行详细的数学推导,得出可以通过控制变流器负序电流、零序电压或负序电压的方式达到控制单相直流电压平衡的控制规律。结合全局平均直流电压控制策略和单模块直流电压控制策略,提出基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压控制方法,解决了H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡问题,并提高了装置的输出性能。仿真和实验验证了所提直流电压控制策略的有效性和可行性。     

基于调制波重构的级联H桥型变流器直流电压均衡控制原理分析

为了抑制级联H桥型变流器直流电压的不均衡,分析变流器交流侧和直流侧的功率传输,然后以调制波重构的思想详细分析直流电压均衡控制的原理。提出基于单位化的变流器输出电流构造调制波微调量的改进直流电压均衡方法。根据分析结果,给出在整流、无功补偿、谐波补偿等应用场合直流电压均衡控制策略的构成方法及建议。仿真和实验结果表明直流电压均衡控制策略的有效性。     

A modular power electronic transformer based on a cascaded H-bridge multilevel converter

In this paper a modular power electronic transformer (PET) for feeding critical loads is presented. The PE-based transformer is a multi-cellular step-down converter that can directly connect to medium voltage levels on the primary side and provide a low voltage, highly stable interface for consumer applications. The presented structure consists of three stages: a cascaded H-bridge (CHB) rectifier, an isolation stage, and an output stage. The CHB rectifier serves as an active rectifier to ensure that the input current is sinusoidal, and it converts the high AC input voltage to low DC voltages. The isolated DC/DC converters are then connected to the DC links and provide galvanic isolation between the HV and LV sides. Finally, a three-phase inverter generates the AC output with the desired amplitude and frequency. This paper introduces a new control strategy to maintain DC voltage balance among the CHB converter cells, even if the attached loads are different. The effects of voltage offsets and device mismatches on the equal load-current sharing are investigated, and an active load-current sharing method is presented to balance the load power among the parallel-output cells. The validity of the proposed controllers and the PET performance are verified by simulation and experimental results.     

级联式电力电子变压器的主动非均衡功率控制

电力电子变压器是交直流混合配电网的关键设备,为提高级联式电力电子变压器轻载运行效率,文中结合混合脉宽调制技术的非均衡特性,提出一种基于功率主动非均衡控制的效率优化策略。通过输入级级联H桥变换器在混合脉宽调制下的损耗分析以及隔离双向DC/DC变换器的损耗分析,建立了级联式电力电子变压器运行效率模型,据此分析各单元功率非均衡分配以提升整体运行效率的可行性。对混合脉宽调制下各单元功率稳定运行范围进行了推导,并提出适用于系统轻载效率优化的功率主动非均衡控制策略。最后,通过实验对所提控制策略与传统功率均衡控制进行了对比验证,结果表明所提功率非均衡控制可降低轻载条件下的系统损耗,提高电力电子变压器的整体效率。