固态变压器中隔离双向DC/DC变换器扩展移相下虚拟电流控制策略

该文以固态变压器后级隔离双向DC/DC变换器为重点研究对象,提出一种扩展移相下虚拟电流控制策略。通过分析后级变换器在扩展移相传输功率下相移量关系以获得最小电流应力最优解来提高变换器的传输效率,减少器件损耗。同时通过虚拟电流控制思想在线估算传输功率来提高系统动态响应性能,减少电流传感器使用。最后,对该文所提出的扩展移相下虚拟电流控制与扩展移相控制进行实验对比分析,验证了扩展移相下虚拟电流控制策略具有降低电流应力,显著提高变换器的动态响应的优点。

源荷波动时含固态变压器的有源配电网动态无功优化方法

针对分布式电源并网引起的双向潮流导致网损增大以及分布式电源、负荷的波动导致节点电压波动等问题,文章基于固态变压器(Solid State Transformer,SST)两侧电力电子变换器的脉冲宽度调制技术,提出了一种控制潮流的方法。该方法首先建立了含SST的有源配电网动态无功优化模型;然后以多时刻的有功网损和电压波动为优化目标,采用改进多目标粒子群算法对SST的一、二次侧的电力电子变换器的调制角和调制系数等多个控制变量进行求解;最后建立仿真模型并与基于有载调压变压器的有源配电网动态无功优化方法进行比较。结果证明了所提方法在降低配电网网损和维持节点电压稳定方面的优越性。

基于脉冲变压器的快前沿固态触发器

结合理论求解、仿真分析与实验验证,确定了影响脉冲变压器型触发器输出前沿的主要因素,并研制了一台能可靠触发真空沿面闪络开关导通的快前沿固态触发器。研究结果表明:影响触发器输出脉冲前沿的关键因素为脉冲变压器漏感、匝数比和半导体开关开通速度;不同绕制方式的脉冲变压器漏感差异很大,最小漏感绕法的变压器漏感值低1个数量级;选用开通速度优于15 ns的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)、绕制低漏感(小于0.5μH)的脉冲变压器,实现了前沿为20.4 ns(10%~90%)、幅值为16.5 kV的快前沿输出;控制SiC MOSFET的驱动脉宽在35~55 ns变化可以控制触发电流峰值在35~55 A范围内变化。

具备直流短路故障阻断能力的子模块桥臂复用型模块化多电平固态变压器

模块化多电平换流器的固态变压器(modular multilevel converter based solid state transformer,MMC-SST)由于具备多电压等级、多电压形态的端口,在交直流混合配电网中得到广泛关注。传统的输入串联输出并联(inputseriesoutput parallel,ISOP)型MMC-SST具有较高的功率密度,但是在中压直流(medium voltage DC,MVDC)端口短路故障情况下无法持续向低压侧供电;双向有源全桥变换器(dualactive bridge,DAB)型MMC-SST则存在功率密度低、成本高等问题,并且传统的半桥结构的DAB型MMC-SST在MVDC端口短路故障情况下同样无法持续向低压侧供电。文章提出了一种子模块桥臂复用(arm integrated submodule,AISM)型MMC-SST拓扑,在不改变MMC-SST端口电气特性的情况下,在有效减少开关器件数量的同时,还使得SST具备中压直流端口短路故障下的不间断运行能力,进而提升SST的功率密度和供电可靠性。针对文中提出的AISM型MMCSST拓扑,该文还提出了一种针对输入级MMC的混频调制方法,基于共模、差模解耦原理,实现输入级MMC桥臂电压的高频分量和低频分量的解耦。通过理论分析与仿真模拟,验证了所提拓扑及控制方法的可行性。

SiC MOSFET实现高频大功率变换——固态变压器应用案例剖析

在传统的配电网结构中,工频变压器是实现电能分配和电压等级变换的主要电气设备。工频变压器的主要组成部件为铁芯和绕组,常采用油浸式或者干式,具有可靠性高,效率高,成本低廉等优点。但是随着新能源的发展,智能电网概念的大范围推广,传统变压器的缺点也逐渐显现。除了变压器本身笨重,绝缘油对环境造成污染之外,传统变压器在电网发生故障或者需要支撑的情况下,不能提供合适的功能支持,只能增加额外的配电设备来实现电网的正常运行。

基于固态变压器的有源配电网自适应模式切换与功率管理

为实现高压电网和交直流混合微网的系统集成与优化,固态变压器(solid-state transformer, SST)成为研究热点。然而,目前较少考虑线路或通信故障条件下系统运行模式的协调控制以及即插即用单元的功率优化分配。为此,提出一种基于SST的有源配电网自适应模式切换与功率管理策略。首先,基于SST的系统架构实现高压并网、微网互联、微网孤岛的平滑模式切换,保证母线电压稳定在额定值附近。同时,采用分布式一致性算法和改进下垂控制,根据运行成本、储能荷电状态(state of charge, SOC)实现经济均衡的功率分配。最后,基于RT-LAB实时仿真平台验证所提模式切换与功率管理策略。

基于虚拟同步发电机的固态变压器交流端口柔性控制策略研究

固态变压器(solid state transformer, SST)能实现传统电力变压器的变压、隔离作用,还可实现灵活的电能调控作用,但不具备传统同步发电机的机械特性及同步运行机制。当分布式电源经SST接入电网时,由于其出力的随机性和波动性,将对上级电网造成冲击,导致电网电压/频率波动。提出一种基于虚拟同步发电机的SST交流端口控制策略。首先,建立模块化多电平型输入级和同步发电机等效模型,将虚拟同步发电机原理融入输入级控制策略,以提高SST并网端口的电能质量、惯性及阻尼特性,并使其具备参与电网调频、调压能力。其次,提出储能装置辅助调频控制,保障SST参与一次调频时低压系统负载功率消耗平衡。最后,确立了输出级虚拟同步发电机控制策略,以提高低压交流端口负荷功率响应特性,实现SST对上级电网的友好性。在Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,验证了所提SST拓扑结构及其控制策略的正确性和有效性。

考虑材料影响的双向直流固态变压器绕组 损耗计算方法

为提高双向直流固态变压器的整体效率和功率密度,研究双向直流固态变压器绕组损耗的计算方法。建立双向直流固态变压器绕组损耗基本计算模型,分别从铜箔绕组、利兹线绕组与实心圆导线绕组三方面研究适合不同导体绕组损耗的计算方法,其中采用有限元与傅里叶分解计算方法求得铜箔绕组损耗,通过修正Ferreria算法求得实心圆导线绕组的交流电阻,将其代入双向直流固态变压器绕组损耗基本计算模型中求得实心圆导线绕组损耗,利兹线绕组损耗由Tourkhani利兹线绕组损耗精准模型计算。以铜箔样例绕组与实心圆导线样例绕组为例进行实验,实验结果表明,所研究方法的计算值与实际测量值非常接近,计算精准度高,计算结果具有较高的实际应用价值,可为双向直流固态变压器整体效率优化提供参考。

小型固态变压器状态监测及单管开路故障诊断数字孪生方法

固态变压器作为能源路由器的重要实现形式,在交直流配电网、微电网的能量分配与控制等方面具有广阔应用前景。为提高固态变压器运行稳定性,克服固态变压器“多器件”状态监测及“多开关”开路故障定位难题,利用数字孪生的高保真性与互操作性,提出小型固态变压器状态监测及单管开路故障诊断数字孪生方法。该方法利用电磁暂态程序构建可运行开路故障工况的数字孪生体;结合实物系统采集数据,利用量子遗传算法实现数字孪生体关键器件参数同步及状态监测;对比数字孪生体与实物系统的电气量,提出单管开路故障诊断算法,实现开关器件晶体管、反并联二极管开路故障精准定位。算例仿真结果表明,所提出方法可实现器件精准状态监测及快速开路故障诊断。

含固态变压器新型配电网动态无功多目标优化

风机和光伏电池等分布式电源(distributed generator, DG)大量接入配电网会导致电压波动和网损增大等问题,需要对动态无功进行优化。但是由于风光存在的不确定性会影响动态无功优化的效果,因此提出了一种含固态变压器新型配电网动态无功多目标优化方法。首先,通过Weibull分布和Beta分布对风速和光照强度进行曲线拟合,再采用风机和光伏电池出力公式生成DG出力模型。其次,通过蒙特卡洛仿真抽样法对上述模型进行抽样,生成上千个DG日出力场景,并采用k-means聚类算法将上千个场景聚类成k个典型场景,以缩短随机潮流计算时间。再次,以IEEE33节点系统为基础,建立含固态变压器有源配电网方案和含有载调压变压器有源配电网方案,以日内网损和电压波动最小为目标,采用改进型多目标灰狼算法对两种方案的相关参数进行优化。最后,以优化后的相关参数进行仿真和对比,证明了所提方法在降低配电网网损和维持节点电压稳定方面的优越性。

直流微电网DAB变换器和直流固态变压器的非线性控制策略

直流微电网中,当双有源全桥(DAB)变换器及直流固态变压器(DCSST)带恒功率负载运行时,恒功率负载负阻抗特性会对系统的稳定性造成不良影响。文中提出了一种基于非线性扰动观测器及反步控制的新型复合带恒功率负载直流变换器控制策略,推导得出DAB变换器和DCSST数学模型的布鲁诺夫斯基标准型,采用基于非线性扰动观测器的大信号非线性扰动估计方法作为前馈补偿提高输出电压调节的准确性,结合反步控制方法保证DAB变换器和DCSST在大信号扰动下的稳定性。实验结果表明,所提出的控制方法既能在大信号扰动下保证DAB变换器和DCSST的稳定性,又能在不同工况下保证快速动态响应和准确的电压跟踪。

基于固态变压器的互联交直流微电网功率互济自主控制

为充分发挥固态变压器在微电网中的灵活调节能力,提出一种面向多端口固态变压器互联交直流微电网的功率互济自主控制方法。该方法根据固态变压器多端口互联的交直流独立子网的有功-频率以及有功-直流电压下垂控制特性,通过定义各子网的瞬时有功不平衡归一化变量,来衡量交直流微电网全局功率不平衡程度。基于此,以使各子网瞬时有功不平衡归一化变量相等为目标,设计固态变压器中三级换流器的联合控制策略,实现全局不平衡功率在各子网之间的均衡自主分配,促进各子网之间的功率互济。建立小信号模型,并对所提功率互济自主控制的关键参数进行优化。基于RT-LAB的控制器硬件在环实验验证了所提方法能够自主、灵活地实现互联交直流微电网子网间的功率互济。

基于固态变压器的电动汽车集群柔性并网控制方法

级联型固态变压器(SST)为实现电动汽车充放电集群高效稳定并网提供了一种可行的解决方案,但其体积较大、效率低、结构中存在的多直流侧电压不平衡等问题制约了工程应用。为此,本文提出了一种级联型固态变压器柔性并网优化控制方法,在建立数学模型的基础上分析了其直流侧电压的纹波特性,通过引入两级协调控制和比例积分谐振(PIR)控制器,在实现多直流电压平衡的同时,大大减少了直流侧电压的纹波。实验结果表明,与传统方法相比,该方法可以将直流侧电容值减少至原来的1/4左右,有效地减小了装置的体积和质量,提升了系统的效率。

基于固态变压器的电动汽车集群柔性并网控制技术研究

固态变压器(SST)能够在传统变压器基础上实现有效的变压和隔离目标,而且能够对电能进行灵活调度,但是其不具备传统同步发电机的机械特性及同步运行机制。在借助固态变压器将分布式电源接入电网的过程中,因为固态变压器具有一定的波动性和随机性,所以会对上级电网产生一定冲击,造成电网电压和频率出现较大波动。该文研究基于固态变压器的电动汽车集群柔性并网控制策略,从而实现固态变压器并网端口电能质量、阻尼特性等的提升,确保固态变压器具备调节、调控能力。

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。

一种用于固态变压器灭弧电源连接器的设计

本文介绍中压固态变压器直流系统中具有灭弧功效的电源连接器,该结构是利用接触件快速分离加快电弧的熄灭、起弧区烧结铜钨合金等方式保证接触件在多次插拔后仍能有效。

固态变压器拓扑与控制策略研究

本文提出了一个三级型固态变压器,分别为输入级模块、隔离级模块以及输出级模块。其中,输入级模块、输出级模块均采用全桥拓扑,隔离级模块采用带高频变压器的有源H桥。该拓扑结构具备对称性特点,对于输入级模块与输出级模块,可采用相同的分析手段与控制策略,节省控制成本。本文在分析了该拓扑的结构特点、工作特性的基础上,提出了该拓扑的数学模型。并基于该数学模型,推导了固态变压器的控制策略。为验证该拓扑与控制策略,在Matlab/simulink中搭建了仿真模型。仿真结果表明,该控制策略可实现固态变压器对电能质量的控制。

固态变压器不间断电源在数据中心的应用研究

分析了数据中心多种不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)系统,阐述了不同的不间断电源系统的特点及应用场景,探讨了固态变压器新型不间断电源系统和磷酸铁锂电池在国内数据中心的应用,丰富了数据中心不间断电源系统的应用方案,为不间断电源新技术的研究和应用提供参考.

固态变压器拓扑与参数设计方法研究

固态变压器是构成能量路由器的核心设备,具备升压、降压功能,具有调节、控制电能质量的功能。为了实现传统变压器具备的隔离功能,本文提出了一种新型固态变压器,具备3个部分,分别为输入级模块、隔离级模块以及输出级模块。其中,输入级模块与输出级模块为拓扑结构相同的H桥,而隔离级为配置高频变压器的两端有源桥。该固态变压器可实现交流电压的升压、降压控制,可实现能量的双向传输,且实现了源端与负载端的隔离。本文在分析了该固态变压器的工作原理后,提出了参数设计方法。为验证该拓扑与参数设计方法的有效性,利用Matlab/simulink搭建了仿真模型。仿真结果表明:该拓扑能够实现对电能的转换。

电网电压不平衡下MMC-SST反馈线性化滑模控制策略

将模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)投入到固态变压器(solid state transformer,SST)系统中时通常采用比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制方法,但这种策略存在参数选取繁杂、动态性能较差的缺点。为了提高系统的动态性能并简化参数选取,提出了MMC-SST反馈线性化滑模控制策略。首先建立了MMC-SST整体仿真模型。然后建立了采用反馈线性化滑模控制的MMC-SST控制模型。最后利用MATLAB/Simulink平台将所提的控制方法与常规PID控制策略作了仿真比较,验证了所提反馈线性化滑模控制策略具备参数选择容易、动态性能优良的优势。