一种级联H桥型电力电子变压器电磁暂态解耦与仿真模型

电力电子变压器电磁暂态详细模型存在矩阵维数高、仿真步长小、速度慢的问题。基于半隐式延迟解耦电磁暂态仿真方法,该文将其应用于级联H桥型电力电子变压器的电磁暂态快速仿真研究中,提出一种解耦电路简单、导纳矩阵恒定、易于并行、仿真效率高的解耦和快速仿真方法。该文首先从状态方程出发,利用矩阵分裂和延迟技术,建立双有源桥的半隐式延迟解耦模型;然后给出外端口及级联H桥采用不同串、并联组合时的等值解耦电路,实现了各变换级以及不同模块间的细粒度解耦,给出了计算流程,并分析了方法的特点。最后,通过算例验证了该文方法的准确性和有效性。

级联H桥型电力电子变压器平均值模型

针对电力电子变压器仿真效率较低和死区效应越来越显著的问题,基于级联H桥型双有源桥结构电力电子变压器,提出一种考虑死区效应的平均值模型。首先,计及寄生参数将双有源桥单元简化为一阶RL电路,分析各个死区工况下电压电流特性,求解电流的平均化解析表达式,通过等效电流源代替全桥及高频变压器实现对双有源桥单元的平均值建模。其次,基于状态空间平均法,通过占空比将H桥整流单元各工况整合为一个统一的模型,进而使用受控源代替H桥整流单元与交流电网、双有源桥的接口电路。最后,建立输入侧串联输出侧并联型的级联H桥型电力电子变压器平均值模型并给出计算流程。在PSCAD/EMTDC仿真软件上分别搭建电力电子变压器详细模型与平均值模型,仿真结果表明所提出的模型具有较高的精度和运行效率。

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。

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。

级联H桥型电力电子变压器的电磁暂态等效建模方法

应用于中高压配电网的电力电子变压器(power electronic transformer,PET)广泛采用级联H桥整流器与双有源桥DC/DC变换器两级级联结构。针对其在诸如PSCAD/EMTDC、MATLAB等离线仿真平台中仿真速度极慢的问题,基于诺顿等效及嵌套快速同时求解算法,提出一种级联H桥型PET的电磁暂态仿真提速模型。具体而言,即通过灵活构造高频变压器原/副边的解耦伴随网络,将级联子模块分割为两个单端口网络,进而对等效部分正向求解诺顿(戴维南)等效参数、代入电磁暂态程序整体求解,及反解以初始化下一个仿真步长的电气网络。由于对外等效为仅包含4个外部节点的戴维南(诺顿)等效电路,使得所提模型在系统整体求解过程中计算复杂度几乎不随子模块个数增加。在PSCAD/EMTDC中搭建了级联H桥型PET闭环系统,与详细模型仿真结果对比表明,所提模型能够精确仿真PET暂稳态过程,且具有较高的加速比。

基于线性自抗扰控制的单相电力电子变压器整流级控制策略

针对电力电子变压器的非线性特性,传统PI控制的单相电力电子变压器整流级具有对参数变化敏感,响应速度慢,抗扰性能差的特点。提出了一种基于线性自抗扰控制(line active disturbance rejection control,LADRC)的电压环控制策略,该控制策略具有响应速度快、超调量小、鲁棒性强的特点。在仿真软件MATLAB/Simulink中通过搭建三级联H桥整流器模型进行仿真,并与传统PI控制器相比较,仿真结果表明所采用控制策略的优越性、有效性。

基于自抗扰解耦的电力电子牵引变压器整流级直接功率控制

【目的】为改善电力电子牵引变压器(PETT)整流级在传统dq电流解耦双闭环控制下抗干扰能力差、对参数变化敏感、谐波含量高等问题。【方法】通过对直接功率控制(DPC)的解耦方式进行改进,提出了一种无需系统角频率和电感参数基于自抗扰控制(ADRC)的功率解耦控制器。最后,在Matlab/Simulink中搭建模型进行不同工况的仿真分析。【结果】仿真结果表明新型控制策略较传统控制策略网侧电流THD值减少5.38%,等效电感突变时电压跌落值减少48 V,电压频率偏移时电压跌落值减少14 V,新型控制策略在负载突变和负载不平衡工况下具有较好的平衡控制效果。【结论】该控制器通过解耦实现了有功功率和无功功率精确且独立的控制。仿真结果验证了所提控制策略的合理性与有效性。

H桥分时复用方法及其在电力电子变压器中的应用

能源互联网中,电力电子变压器(powerelectronic converter,PET)因功率变换级数较多,体积庞大,成本高昂,且效率不佳。为此,提出了一种有助于减少PET级数的H桥分时复用方法。首先,阐明了分时复用方法的基本原理,定义了单载波周期的工作模式,分析了变压器原边的电流特征;其次,介绍了实用的谐振式开环工作模式切换方法,理论推导了电流脉冲与谐振角度的对应关系;通过样机实验验证了所提高频变压器间歇功率传输与模式切换方法;最后,基于分时复用方法构建了新型PET,并使用电力电子仿真软件PLECS真验证了基本功能。相关方法为优化PET的拓扑与控制提供了新思路。

级联H桥电力电子变压器高频链端口解耦等效模型

文中提出一种级联H桥型电力电子变压器(cascaded H-bridge type power electronic transformer,CHB-PET)高频链解耦等效模型。该模型利用Ward等值先将功率模块内部节点的对外贡献转移到边界节点上,再根据相邻仿真步长间高频链端口电容电压不突变的特点以历史电压值替代当前时刻电压,实现电路解耦,最后再进行一次Ward等值消去剩余节点,得到功率模块的背靠背等效电路。每个相单元中,根据CHB-PET的输入串联输出并联连接特征,将功率模块背靠背电路级联形成相单元等效电路。各相等效电路接入外部系统中,由电磁暂态解算器统一求解。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建基于分立元件的详细模型和基于所提方法的等效模型,从仿真精度和时间效率两方面验证所提模型的正确性。

级联H桥电力电子变压器控制参数优化

PET作为分布式能源的重要环节,受到广泛的关注。由于非线性元件的存在,PET网侧电流谐波含量较高。文中以基于PR控制的CHB-PET为研究对象,采用电压外环和电流内环的双闭环控制策略,对CHB-PET进行参数优化。仿真结果表明,改变PR控制器的比例系数与谐振系数,网侧电流谐波含量也会随之改变。当比例系数保持不变,谐振系数从1000变为100时,网侧电流谐波含量从3.24%下降到3.20%;当谐振系数保持不变,比例系数从50变为25时,网侧电流谐波含量从3.20%降为2.54%。由结果可知,相比于谐振系数,比例系数对网侧电流谐波含量的灵敏度更高。

级联式电力电子变压器混合脉宽调制谐波分析及均衡控制

针对基于级联H桥及隔离双向DC/DC变换器的电力电子变压器,提出一种混合工频和高频调制的混合脉宽调制(HPWM)策略。基于波形合成原理及双重傅里叶积分方法,对5电平级联H桥HPWM输出电压频谱表达式进行了理论推导,并与载波移相调制时输出电压谐波特性进行对比。结果表明HPWM输出电压波形仅含有基波与载波边带谐波,在不增加谐波总畸变率的同时可降低系统开关频率。为解决HPWM时各模块开关模式不对称造成的中间直流电压不均衡问题,提出一种前级级联H桥采用开关函数轮换控制与后级隔离双向DC/DC变换器电压反馈加前馈控制相结合的子模块均衡控制策略,有效确保子模块功率及电容电压处于相同的动态变化范围。仿真和实验结果验证了HPWM谐波分析的正确性及所提控制策略的有效性。

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。

级联式电力电子变压器协调控制策略

电力电子变压器（power electronic transformer,PET）广泛采用级联H桥（cascaded H-bridge,CHB）整流器与隔离双向DC/DC变换器（isolated bidirectional DC/DC converter,IBDC）两级级联结构。直流链电容作为能量缓冲环节,当两侧变换器动态响应差异较大时,易使直流链电容功率不平衡,导致直流链电压动态波动增大和系统稳定性的降低。对此,该文提出将输出电压控制与直流链电压控制的任务分派至CHB级和IBDC级共同承担的协调控制策略。基于频域法对负载扰动下的直流链电压波动响应进行建模分析,以及对闭环稳定性进行分析,并与传统独立控制策略进行对比,论证协调控制方法的优越性。此外,为确保子模块直流链电压均衡,在IBDC级设计均衡控制器,与协调控制策略合并,得到结构紧凑的PET整体控制策略。仿真及实验结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。

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。

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。

基于电力电子变压器的级联H桥IGBT开路故障检测

准确检测并定位开关管故障,是电力电子装置可靠运行的前提之一。针对级联H桥电力电子变压器输入级IGBT开路故障检测,本文提出了一种新的检测算法。通过计算H桥交流侧电压的直流偏置来区分H桥中的互补管开路故障,再通过关闭对管中的任一IGBT的驱动信号观察H桥交流侧电压直流偏置的变化情况,来区分对管开路故障。此故障检测算法采样频率低,计算量小,易于工程实施,可以在开路故障发生后一个工频周期内检测到故障,两个工频周期内定位发生开路故障的IGBT。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,验证了所提基于电力电子变压器的级联H桥IGBT开路故障检测算法的有效性。

基于传统PET的谐振型级联H桥电力电子变压器拓扑分析

为了减少高频变压器、IGBT等原件的用量,基于传统的PET结构提出了一种谐振型级联H桥电力电子变压器拓扑（H-PET）并建立了数学模型。以PSCAD为仿真平台,并选定定直流电压控制、高频链控制、SM均压控制为控制策略对HPET进行稳态和动态仿真分析。

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。

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。