多有源桥型电力电子变压器简化电磁暂态等效模型

电力电子变压器是柔性直流配电网的关键设备,其高频特征导致仿真步长小,在多有源桥等场合下其详细电磁暂态仿真效率依然较低,需要进行提速。文中提出了一种级联H桥型多有源桥电力电子变压器简化电磁暂态等效模型,分析了多有源桥的结构特征。对于级联H桥慢变电路,采用开关函数模型划分电路状态;对于多有源桥快变电路,以广义状态空间平均法为基础,实现傅里叶分解并保留关键次谐波特征的等效。此外,提出了不同级联方式下端口电气值处理方法,在保留精度的前提下提升仿真加速比。在PSCAD/EMTDC中实现了输入串联输出并联型多有源桥电力电子变压器的详细模型和简化等效模型建模。仿真结果表明,与详细模型相比,简化电磁暂态等效模型具有相似的精度和更高的效率。     

三电平单元电力电子变压器容错运行技术

基于三电平单元的电力电子变压器具有功率模块少、功率密度高等优点,在数据中心不间断电源、铁路配电系统、超级充电站等场景中应用前景广阔。然而,电力电子变压器中开关器件多,器件故障引发的故障模块切除动作将导致系统容量损失,易引发系统失稳、故障越界等问题。针对该问题,文中提出了一种基于故障模块、故障相与非故障相协同的三电平容错运行技术。首先,采用开关组合列举法分析了不同故障类型下三电平单元H桥的共性故障结果,并基于部分器件旁路实现了故障模块重构和容错运行。其次,提出了相内协同控制策略,实现了故障模块电容电压的稳定与均压控制,并通过相间协同控制实现线电压平衡,共同保障电路正常运行。最后,针对不同故障结果提出具体的容错控制方法,并通过仿真验证了所提容错方法的有效性。仿真结果证明了容错控制下电力电子变压器能稳定运行。     

级联H桥型电力电子变压器隔离级高频电流波动抑制策略

串联谐振型双有源桥变换器(DABSRC)由于具有控制简单及软开关范围宽的特点,可用在级联H桥型电力电子变压器隔离级DC-DC电能变换环节中。考虑电力电子变压器各相单元存在二倍电网工频瞬时功率波动,导致隔离级DABSRC高频电流幅值呈现相同波动,且过大波动将会增加隔离级开关器件导通损耗和电流应力。为解决该问题,文中以优化高频电流有效值为目标,提出一种零序电压注入控制策略,通过在交流侧级联H桥变换器中注入零序电压,降低了隔离级DABSRC开关器件电流应力。最后,利用苏州同里10 kV交流/750 V直流3 MVA级联H桥型电力电子变压器工程示范样机进行验证,仿真及样机测试结果证明了控制方法的有效性。     

三相级联H桥型电力电子变压器电容值设计方法

针对三相级联H桥型电力电子变压器(PET),分析了输入侧瞬时功率波动特性,建立了其直流侧电容电压及中间级高频变压器原、副边电流的时域解析模型,并基于该模型提出一种PET电容值设计方法。基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建三相级联H桥型PET仿真模型,并在功率模块测试平台进行实验验证。仿真及实验结果表明该解析模型可以准确地描述电容电压及变压器高频电流的波动特性,进而为主电路参数设计与控制系统设计提供研究基础。     

级联H桥型电力电子变压器的闭锁状态等效建模方法

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)是未来交直流混合配电网的关键设备,对其进行多工况高效仿真的一个关键难点为闭锁等效建模。该文提出一种适用于级联H桥型PET(cascaded H-bridge based PET,CHB-PET)闭锁状态的等效建模方法。首先,以一个实际算例说明闭锁状态的电路特征;其次,经过合理简化后,推导部分闭锁和完全闭锁状态下的戴维南-诺顿等效参数;然后,分析闭锁等效模型的3种实施方式,提出一种与非闭锁模型共用状态变量存储单元的集成方法;最后,在PSCAD/EMTDC软件中搭建典型的10kV/3kV三相CHB-PET系统,并进行启动、电压暂降及直流故障闭锁工况仿真。结果表明,与详细模型相比,所提闭锁等效模型具有足够的仿真精度。     

电力电子变压器的内部能量流动协调控制策略

在电力电子变压器(PET)中,当级联H桥(CHB)和双有源桥(DAB)变换器的动态响应特性差异较大时,高、低压直流母线电压容易出现大幅波动。为解决此问题,文中提出了一种基于PET内部能量流动的协调控制策略。该策略由基于直流母线能量总和调节的CHB控制和基于直流母线能量协调的DAB模型预测控制这2个部分组成,能够将PET直流母线储能总量的波动定量地分配给高、低压直流母线共同承担,以使所有直流母线能量的相对偏差的平方和达到最小。该策略简化了PET闭环控制系统和控制参数设计的复杂性,能够提升直流电压的动态响应性能,并且通过补偿控制的方法有效抑制了DAB中的二次功率传输。理论分析表明,所提控制策略对于电路参数的不一致有较强的鲁棒性。仿真结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。     

磁集成三端口电力电子变压器的改进控制方法

针对现有多端口电力电子变压器磁性元件体积大、功率变换单元多、成本高的问题,提出基于磁集成的三端口拓扑及控制策略。将传统拓扑的6个桥臂电感和大量的高频变压器集成为3个集成变压器,从而减小磁性元件体积。在变压器副边绕组接1个三相桥即可构建低压直流端口,极大地减少功率变换单元数目。利用桥臂电压的直流、工频和高频分量分别控制中压直流、中压交流和低压直流端口功率,实现多端口功率调控。为提高中压直流端口电能质量,将桥臂电压的高频分量设计为三相对称的六阶梯波,使其激发的电流分量在三相回路中相互抵消,从而实现中压直流端口高频电流纹波消除。最后,建立了4 MW仿真模型进行验证,结果证明了所提拓扑和控制策略的有效性。     

基于能量回馈的电力电子变压器软启动策略

电力电子变压器(PET)中存在大量初始能量为0的电容器,若直接启动PET通过常规闭环控制给这些电容充电以建立直流电压,则将导致PET内部各个变换器的电流过流,可能会导致器件的损坏。为解决此问题,提出了一种基于能量回馈的PET软启动策略。基于PET各部分变换器的电流和功率模型,该策略能够在软启动全过程中实时计算和控制峰值电流,达到了限制启动冲击电流的目的。该策略始终令双有源桥(DAB)变换器工作于峰值电流控制模式下,在保证安全的前提下最大化利用DAB变换器的功率传输能力以加快软启动速度。该策略将低压直流母线电容适度过充,并适时将其中部分能量回馈到高压侧,使得在级联H桥变换器即将进入闭环控制前其高压直流母线电压就已达到参考值,从而彻底消除交流侧的冲击电流。所提策略避免了复杂的参数设计过程,完全依靠理论模型而不是经验来指导软启动全过程的设计。仿真与实验结果验证了所提策略的正确性和有效性。     

大型电力变压器安全运行与主动保护技术探索

现有变压器内部故障防护方法仍有不足,大型电力变压器爆燃事故时有发生。针对变压器轻微缺陷发展为严重缺陷、最终发生电弧击穿的全过程,文中提出构建大型电力变压器安全运行三级防线：第一级为轻微缺陷的检测和预警,文中分析了各类缺陷检测方法的现状,并初步提出了基于多点温度的热缺陷辨识方法;第二级为严重放电缺陷阶段的主动保护,在发生贯穿性电弧故障之前动作跳闸,文中通过放电试验研究了严重放电缺陷的脉冲电流、特高频及声信号特征,提出了基于多参量的变压器主动保护方案和新型轻瓦斯保护方案;第三级针对电弧故障提升传统变压器保护技术的灵敏性和快速性,为此文中提出了估算变压器主磁链的铁芯饱和判别技术,构建了基于漏磁幅值及对称性差异的匝间故障高灵敏度保护方案。文中对变压器主动保护技术的探索和所提出的三级防线故障防护体系对于提升变压器安全运行水平具有重要意义。     

一种三相级联型电力电子变压器及其控制策略研究

针对直流微网的并网问题,设计一种三相级联型电力电子变压器,高压交流输入级采用星形级联型H桥拓扑,低压直流输出级使用输出并联的隔离式双向主动全桥结构。在直接接入交流配电网的同时,为分布式能源提供了一个稳定的直流接口。文中针对两级分别设计了闭环的控制方法,特别是对于高压级的星形级联型拓扑提出了一种简单的相间和相内直流侧平衡控制方法。通过仿真和实验验证了上述拓扑结构和控制策略的可行性和有效性。     

级联H桥Boost PFC电源建模及应用研究

针对电感电流断续导电模式(DCM)功率调节器固定占空比,输入电流纹波含量大导致功率因数降低的问题,提出了一种具有自动调节功能的级联H桥开关周期平均模型。给出了Boost PFC电路拓扑结构,并分析了该电路的工作原理。论证推导了在DCM模式下时均模型修正方程表达式。利用LTspice软件进行仿真分析并进行实验验证,其结果与传统固定占空比的DCM功率调节器相比,很大程度减少了低频输入电流纹波,有效降低了谐波含量。仿真结果和样机实验验证了所提出的模型和控制策略的有效性。     

多端口级联式电力电子变压器可靠性评估模型及其应用

多端口级联式电力电子变压器(Power Electronic Transformer, PET)是未来实现多电压等级、交直流混联形态配电网的核心设备,其可靠性对于配电网可靠性水平影响较大。首先分析了多端口级联式PET典型拓扑结构及工作原理。其次基于工程可靠性原理研究建立了考虑器件冗余的PET可靠性评估模型。然后分析了PET对交直流混合配电网可靠性的影响。最后针对某"手拉手"结构交直流混合配电网进行算例分析。计算了PET不同设计模式、冗余度下的可靠性水平。进行了PET对交直流混合配电系统可靠性的影响及其灵敏度分析,验证了所提算法的正确性和有效性。     

电力电子变压器公共冗余结构及容错控制策略

电力电子变压器(PET)包含大量电力电子器件,其子模块故障率相对较高,严重影响了供电可靠性.为提高级联H桥型PET的可靠性及容错能力,针对级联H桥的结构及运行特点,提出了 一种双子模块公共冗余结构.该结构通过双向开关切换阵列灵活切换2个冗余子模块之间的连接方式,能够在PET内部任意单子模块和双子模块故障情况下实现备用功...     

模块化电力电子变压器的设计与实现

基于级联H桥拓扑的模块化电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)具有最优的灵活性和功能扩展性,是PET中研究最为广泛的一种拓扑结构,但是其高压工程样机的实现具有一定的难度。本文研究了10k V/400V模块化电力电子变压器的设计与实现方法,考虑PET内部高低压隔离因素重新进行了三级结构划分,高压级联模块利用无锁相环控制消除电网电压波动引起的输入电流相位误差,研究了模块化的控制系统设计方法。研制的工程样机接入10k V配网进行了实验,各工况下的实验波形和数据分析验证了所提设计方法的正确性与有效性。     

CHB-SRDAB型电力电子变压器损耗分析及效率优化

电力电子变压器(PET)是实现交直流混合配电网电能变换与路由的关键设备,可极大增强电网的灵活性和可控性。现阶段,采用级联H桥(CHB)和串联谐振型双有源桥(SRDAB)的PET因具有模块化结构、效率高等优点而被广泛应用。首先,文中以1台应用于实际工程中的1.5 MW 10 kV AC-750 V DC PET为分析对象,结合实验波形阐述了PET正反向功率流向下开关时瞬态特性的不同,并分析了特性差异的原因;其次,SRDAB整流侧电流只流经二极管,因此通过闭锁其整流侧功率半导体器件,可降低SRDAB开关损耗,从而提高PET效率;最后,在PET工程现场进行实验测试,证明了损耗分析的正确性和效率优化方法的有效性。采用所提方法,PET运行效率可提高约0.2%。     

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.     

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。