直流型三相电力电子变压器快速动态响应控制策略研究

新型电力系统背景下,大规模新能源及用户侧负荷的随机波动为系统的实时平衡带来巨大挑战,直流型三相电力电子变压器因其高频电力变压特性成为未来提高系统稳定运行的重要智能终端。然而,当变换器采用传统单移相闭环控制时,受负载电流突变影响往往不具备较好的抗干扰及快速动态响应能力。提出一种基于有限集模型预测控制(finite control set-model predictive control,FCS-MPC)的快速动态响应控制策略,以实现在无功率预测工况下的快速动态响应性能。首先,根据运行模式建立直流型三相电力电子变压器的空间状态平均模型并离散化得到预测模型。随后,通过以输出电压为目标的代价函数推导出各采样周期下的最优移相占空比,并转换成开关控制信号。同时,提出逻辑比较单元以省略功率估算不精确对FCS-MPC控制结果造成的影响。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台验证所提控制策略的有效性。

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。

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。

级联矩阵型交直流电力电子变压器预充电策略

与现有四级型交直流电力电子变压器(PET)相比,级联矩阵型PET具有电能变换单元少及功率密度高等特点。级联矩阵型PET内部输入级经高频变压器后直接与输出级耦合,在预充电过程中,若采用传统高压交流侧或低压直流侧充电方式,则需增加相关辅助充电设备或实施复杂的开环充电策略。为解决该问题,本文针对级联矩阵型交直流PET,提出一种简单的开环充电策略。在充电过程中,高低压侧H桥变换器同时解锁,利用辅助充电设备,高压侧级联H桥变换器以固定数量循环轮换投切以产生50%占空比高频方波电压,低压侧H桥变换器持续输出同频同相的方波电压。所提出的充电方法操作简单,无需增加相关辅助充电电路,且充电过程中无电流冲击,实验验证了所提充电策略的有效性和可行性。

星形共直流母线多端口电力电子变压器多状态可靠性模型及应用

星形共直流母线多端口电力电子变压器(star common DC bus multiport power electronic transformer,SBM-PET)各端口故障相互独立,具有多运行状态特点,目前缺少能有效表征其多状态可靠性的数学解析模型。为此提出一种SBM-PET多状态可靠性模型,并将其应用于交直流配电网可靠性评估。首先分析了SBM-PET结构及工作原理,根据SBM-PET各组成模块特点及故障影响范围对其进行功能模块划分,在此基础上考虑元件冗余配置建立SBM-PET各功能模块可靠性模型。然后根据SBM-PET各功能模块停运情况,基于马尔可夫过程建立SBM-PET多状态可靠性模型,求解SBM-PET不同状态下的概率、频率及平均持续时间可靠性指标,并基于此建立交直流配电网可靠性评估模型。最后算例分析计算了SBM-PET多状态可靠性及交直流配电网可靠性,结果验证了所提模型的有效性。

C-MMC型电力电子变压器直流故障分析与保护方法研究

对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)型电力电子变压器的拓扑结构及实现原理进行介绍。分析了在采用半桥子模块的MMC中发生中压直流母线双极短路故障后的电流流通路径,以及其不能实现直流故障闭锁的原因。为解决上述问题,选取箝位双子模块代替半桥模块,并分析了其故障电流流通路径和故障闭锁原理。但由于箝位双子模块在直流故障闭锁后可能出现子模块过电压问题,为此,提出了电力电子变压器隔离级延时闭锁的策略,并分析了MMC闭锁后在该策略下隔离级闭锁前的故障电流流通路径。最后,通过PSCAD仿真平台对箝位双子模块的闭锁功能和隔离级延时闭锁策略进行了仿真验证。

面向交直流混合配电系统的多端口电力电子变压器研究综述

多端口电力电子变压器作为交直流混合配电系统的一种关键枢纽设备,具备能量流动双向、潮流灵活调节、谐波无功可控和端口故障隔离等功能,近年来得到越来越多的关注。针对面向交直流混合配电系统的多端口电力电子变压器,层层深入推演了其拓扑结构的发展历程,从图论的角度归纳出星型和串型结构,从公共能量汇集环节形式的角度归纳出共直流母线结构和高频耦合的结构。然后,对比分析了不同拓扑结构的优劣势,并给出实际交直流混合配电系统不同需求下的拓扑结构选取原则。进一步地,总结了多端口电力电子变压器在仿真、设计、控制与保护方面的应用挑战,进而展望了未来的技术发展方向。

电力电子变压器对交直流混合微网功率控制的研究

针对应用于交直流混合微网的电力电子变压器(PET),分析了并网和离网两种运行模式,并设计了相应的控制策略。并网模式下,控制PET输入接口使交直流混合微网等效为"阻性负载"或"电流源",同时控制交流和直流输出接口都等效为恒定的电压源。对于离网模式,提出了混合功率下垂控制,能根据接口处频率和电压信息,结合混合微网下垂特性得到微网间需交换的功率。搭建了交直流微网系统和电力电子变压器仿真模型,仿真结果表明,在分布式能源功率波动情况下,PET能准确快速地调节主网、交流微网和直流微网三者间功率的流动,实现交直流混合微网的稳定运行,验证了控制策略的可靠性。

面向交直流混合配电应用的10kV-3MV·A四端口电力电子变压器

;电力电子变压器是交直流混合配电系统中实现交直流电能变换与管控的核心设备,该文以应用于苏州同里交直流混合配电系统中10kV-3MV·A四端口电力电子变压器样机为对象,考虑示范工程中多电压等级的交直流设备接入需求,针对交直流混合配电接入的复杂应用场景,在电力电子变压器样机的电路拓扑设计和分布式控制技术方面开展研究,提出一种适用于多端口、直流真双极的电路拓扑及其端口协调控制策略。示范工程现场测试结果验证了该文中电力电子变压器样机设计能够满足交直流混合配电系统复杂应用需求,对于电力电子变压器在交直流混合配电网中推广应用及发展具有重要意义。

一种级联电力电子变压器直流电压平衡控制策略

基于功率反馈的双闭环功率均衡策略是级联型电力电子变压器隔离级DC-DC变换环节的一种典型控制策略。该策略优点之一是控制过程中明确了变换器传递功率指令这一变量,可以通过对其作处理来调节隔离级传递功率,进而实现多种功能。基于此提出一种改进的整流电压平衡控制策略,在DC-DC变换器各级单元功率指令上引入相应前级整流电压偏差补偿量,通过调节隔离级各单元功率分配以自动实现整流侧直流电压平衡。最后通过仿真与实验验证了这种功率指令补偿式电压平衡策略的有效性。

级联型电力电子变压器并联运行的改进下垂控制策略

为了提升级联型电力电子变压器并联运行时的稳态和动态性能,在传统下垂控制的基础上提出了一种改进下垂控制策略。首先,建立传统下垂控制的并联系统等效电路,研究其存在电压控制偏差较大、均流控制精度不高且动态特性较差等问题的原因;然后,通过闭环控制实现对输出电压控制偏差的补偿,推导负载电流与移相角的函数后对其泰勒级数展开式进行线性化处理,并将处理结果作为电流前馈的系数,提升稳态时电压控制的精准度、电流控制的均衡度以及动态时的快速调节能力;最后利用公共直流母线电压取代各自采样的输出电压作为控制反馈值,降低了线路阻抗对电流均衡度的影响。通过一套3台电力电子变压器组成的并联系统进行验证,实验结果表明:该改进下垂控制策略可将并联系统的功率离散度降低至0.18%,直流电压控制偏差降低至0.2 V,验证了工程应用的有效性、可行性和实用性。

三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器

针对不可控三相二极管整流桥,提出了一种三相直流侧并联型有源电力滤波器拓扑结构及其控制策略,该滤波器由工作在工频的3个低频开关和两个串联的双向Boost电路构成。控制策略采用无需进行谐波电流检测和计算的单周控制方法,可抑制整流桥前端注入电网的谐波电流,使整个整流桥装置从电网吸收的电流接近正弦波,功率因数近似为1。与传统的交流侧有源电力滤波器相比,可以减少高频有源开关的数量,降低成本;与功率因数校正器相比,仅处理负载电流中的谐波分量,可减小谐波治理装置的额定容量。仿真和实验结果证明了所提方法的正确性。

级联型电力电子变压器电压与功率均衡控制方法

对于模块级联型电力电子变压器,如果整流级直流输出电压不均衡或各双有源DC-DC变换器(DAB)模块传递的功率不均衡,可能导致开关器件电压或电流应力分配不均。因此提出在整流级采用电压均衡控制,在DAB级采用功率均衡控制来解决整流级输出电压的不均衡问题和因各DAB模块参数不匹配导致的功率不均衡问题。对于该功率均衡控制,是利用各整流模块占空比的有功分量作为反馈量来调节各DAB模块占空比实现的。电压均衡控制与功率均衡控制共同作用,以使系统达到整流级直流输出电压均衡和各DAB模块功率均衡的目的。此外,该功率均衡控制可以很容易由DSP实现,且不需要任何电流传感器。该控制方法已得到仿真验证,并在模块级联型电力电子变压器实验平台上得到实验验证。

基于单周控制的三相直流侧串联型有源电力滤波器

针对大量使用的三相不可控整流桥,提出了一种新型的基于单周控制的三相直流侧串联型有源电力滤波器,该滤波器串联在整流桥和谐波源负载之间,只需要工作在电压电流2个象限,仅处理部分功率,不需要进行复杂的谐波检测计算,通过简单的控制即可实现对谐波电压和无功的同时补偿。文中详细分析了该滤波器的工作原理,通过理论推导,建立了单周控制实现方程。理论分析和仿真结果表明,该单周控制的三相直流侧串联型有源电力滤波器谐波电流跟踪效果好、动态性能优良,能有效补偿整流桥非线性谐波源。

基于电力电子变压器的交直流混合微电网运行模式自适应切换策略

针对交直流混合微电网发生故障时运行模式切换不及时的实际问题,提出了一种基于电力电子变压器的交直流混合微电网运行模式自适应切换策略。以北京崇礼低碳冬奥智能电网综合示范工程为背景,详细介绍了双端供电的交直流混合微电网系统设计方案和各类变流器的控制方法,在此基础上重点设计了6种典型运行模式,利用三元式阐述了各运行模式的稳态判据,并提出了一种基于弱通信的运行模式自适应切换策略。仿真结果表明,所提运行模式自适应切换策略可自行按照预设的切换逻辑在故障条件下及时切换到合适的运行模式,保证了微电网的供电可靠性。

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。

基于电力电子变压器负荷灵敏度辨识的直流微网切负荷方法

快速切除负荷是电力系统在故障后保持稳定的一种常用措施。针对以电力电子变压器为核心的直流微电网,提出一种基于负荷灵敏度在线辨识的直流低压切负荷决策方法。通过控制电力电子变压器直流端电压小扰动实现负荷电压特征系数在线辨识,获得系统中各节点负荷功率对电压变化的灵敏度;然后将辨识得到的负荷特征系数与微网中各调压单元的下垂控制特性曲线相结合,准确评估各节点负荷的切除对直流微网电压的影响程度,从而快速判定负荷切除节点。仿真结果表明,在包含风/光微源、储能及多种特性负荷的直流微网中,当交流主网侧故障或分布式电源输出功率受限使直流电压低于下垂调压范围时,按照所提考虑负荷灵敏度的电压评估式判定负荷切除节点,系统直流母线电压与各调压单元工作模式能够按理论判定值运行,验证了所提方法的有效性。此外,该方法还可克服系统负荷时变性的难题,并具有原理简单、计算方便等特点。

含电力电子变压器的交直流配电网随机运行优化

间歇性可再生能源的接入,使得含电力电子变压器(power electronic transformer,PET)交直流系统的运行面临巨大挑战,因此提出基于场景分析法的优化调度模型。计及风电和光伏出力在空间上的相关性,采用多维高斯混合模型构建风电/光伏出力的联合概率分布,并基于同步回代削减法进行场景缩减,建立了含PET的交直流混合配电网随机运行优化模型,以得到满足典型场景的运行调度方案。然而随机运行优化模型属于海量高维非凸优化问题,难以求解,针对这一问题,提出基于二阶锥松弛技术和线性逼近法的逐次凸逼近规划模型,通过循环迭代实现对该问题的高效求解。仿真算例验证了所提模型方法的有效性和可行性。

含电力电子变压器的交直流配电网电压不平衡优化抑制方法

针对含有电力电子变压器（powerelectronic transformer,PET）的交直流混合配电网络,考虑低压交流系统三相负荷不对称的运行模式,提出了基于PET的电压不平衡优化抑制方法。建立计及换流器损耗的多端口PET的稳态模型。分析其三相不平衡治理机理,较之传统变压器更加具有优势,并在此基础上建立了以网损最小考虑三相电压不平衡度约束的优化模型,提高了系统运行的经济性和可靠性。通过对所构造的算例进行仿真分析,结果验证了所提模型的正确性和有效性。

构网型和跟网型电力电子装备混联系统惯量响应的匹配问题综述

构网型和跟网型电力电子装备具有异质化调频特性,导致2类装备交直流混联系统惯量响应阶段的动态交互作用机理复杂,传统的惯量参数匹配原则难以优化系统频率响应的问题。阐述了电力电子装备系统的惯量响应匹配问题,并对现有电压源型变流器的调频控制方法进行了概述。从功频响应分析方法、调频功率分配原则和频率响应特性3个方面对电力电子装备系统惯量配置问题的研究现状展开梳理。对电力电子装备混联系统的统一建模及惯量响应匹配问题提出了研究思路,旨在通过惯量支撑功率的匹配控制提升低惯量电力系统的频率稳定性,从系统层面为高比例电力电子装备友好并网提供基础理论和关键技术支撑。