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。

一种提升直流固态变压器全工况动态性能的新型线性化控制策略

该文针对以输入串联-输出并联的双有源桥变换器为核心的直流固态变压器的控制策略展开研究。传统的由输出电压控制和输入均压控制构成的双环控制系统,各控制环的环路增益特性会随负载等工况发生显著变化,控制器参数的设计难以兼顾全工况下的动态性能。为此,该文利用双有源桥变换器的一阶模型特性,基于直流固态变压器的大信号模型,开发了一种新型的线性化控制策略,以实现输出电压控制和输入均压控制的环路模型的线性化,从而简化控制器参数的设计,并增强变换器对不同工况的适应能力。同时,该文所提出的控制策略保留了比例-积分控制的简洁性和鲁棒性,且实现了对负载的补偿作用。仿真和实验结果证实了所提的控制策略可以显著降低直流固态变压器的环路模型和动态特性对工况的敏感程度,有利于实现全工况范围内动态性能的综合优化。

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。

基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统分析

为了克服柔性中压直流配电网工频方案中变压器体积大、重量大、噪音大、控制不够灵活等问题,提出一种基于高频链直流变压器的柔性中压直流配电系统。该系统中直流配电母线不仅包括中压直流母线,还包括低压直流母线;中低压直流母线之间通过直流变压器进行连接;低压直流母线用于接入各类分布式电源。该系统中高频链直流变压器的使用不仅实现了不同电压等级直流母线间的电压变换、能量管理,还可以有效提高系统功率密度。介绍了中压柔性直流配电系统架构,给出了高频链直流变压器以及其它典型换流器的设计和分析,并对直流配电系统的工作模式和控制器进行了设计。最后,搭建了仿真平台,验证了系统的有效性。

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。

构建煤矿直流配电网的关键技术及可行性分析

直流配电与交流配电相比具有节能、建造及运行成本低、线路损耗小且易于扩展容量等诸多优点,已成为电力电子和电力系统领域的研究热点。但是绝大多数研究集中在基于微网的低压直流配电系统,论文结合煤矿供电网络和用电设备特点,初步提出了煤矿直流配电网络拓扑和针对中高压直流输出的固态变压器拓扑,总结分析了构建煤矿直流配电网涉及的关键技术,并对煤矿实施直流配电网可行性进行了分析和展望。

直流固态变压器新型均衡解耦控制策略

直流固态变压器（DC solid state transformer,DCSST）由双有源全桥（dual-active-bridge,DAB）变换器以输入串联输出并联（input-series output-parallel,ISOP）的方式组合而成,其运行时不仅要控制输出端电压稳定,还需控制各DAB子单元输入电压均衡,并且均压控制与输出电压控制需实现解耦。基于DCSST小信号模型的传统均衡解耦控制方法在输入电压受不均衡扰动较大的情况下会产生解耦误差,影响输出电压控制。针对该问题,文章深入分析了以往均衡控制策略产生解耦误差的原因,由此提出一种新型均衡解耦控制策略。通过定义虚拟控制量实现DCSST模型的完全线性化,进而通过令均压控制量之和为零以及对输出电压控制量进行补偿,消除了耦合影响。仿真与实验结果表明,所提控制方法在DCSST承受较大程度输入电压不均衡扰动时,能够较好地消除输入均压控制对输出电压的耦合影响,其解耦效果明显优于传统控制方法。

混合模块化直流固态变压器I:工作原理及稳态特性分析

作为柔性直流配网的关键设备,直流固态变压器(DCSST)的控制性能和效率对提高系统实用性和经济性具有重要意义。不同于现有的模块化级联型 DCSST,结合移相型双有源桥(PS-DAB)变换器和串联谐振型双有源桥(SR-DAB)变换器,提出一种混合型模块化直流固态变压器(HMDCSST)。该 DCSST 融合了 PS-DAB 控制灵活以及 SR-DAB 运行效率高的优点,较原有的 DCSST 拓扑,在保持灵活的电压调节能力的同时,可提高功率传输效率,且由于 SR-DAB模块运行于开环模式,进而降低了系统设计复杂度。分析 HMDCSST 的工作原理,给出平均值数学模型以及功率损耗模型,并对该混合模型在定输出电压控制模式下的输入输出特性及功率传输效率进行详细分析。最后,通过实验结果表明,所提出混合模块化直流固态变压器的功率传输效率可达 96.4%,较单一 PS-DAB 型 DCSST,可提升约 1.0%。此外,输入侧和输出侧扰动实验进一步验证了工作原理及稳态特性分析的正确性。

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。

单相级联型固态变压器直流电压平衡控制研究

固态变压器可以有效解决传统电力变压器在电力系统中的不足,其中级联型SST可以很好地适应高压电网。但级联结构中存在直流侧平衡问题,这严重影响到装置的可靠性。本文首先分析了单相SST的电路拓扑和工作原理,建立数学模型,进一步对现有的直流电压平衡控制方法进行了比较研究,并确定适合SST的平衡控制方法。通过实验验证了该方法在SST中的有效性和可行性,实验结果表明,该方法在复杂工况下也能够保障装置可靠运行并维持直流电压平衡。

高压SiC器件在FREEDM系统中的应用

碳化硅SiC(silicon carbide)是目前最为成熟的宽禁带半导体材料之一,在高压、高温、高频等领域,碳化硅器件的研究和应用已成为当前的研究热点。针对碳化硅器件目前的生产使用状况,简述了与碳化硅主要生产商CREE紧密合作的FREEDM中心的研究情况,重点分析了高压SiC MOSFET,IGBT,ETO,JFET在SST(Solid State Transformer)和FID(Fault Isolation Device)中的应用。针对各类器件本身的特性,FREEDM中心有针对性的选择了相关应用领域,并开发了多代SST和FID的拓扑,许多重要的研究成果引领了全球高压SiC器件的研究趋势。

基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法

能源互联网通过固态变压器整合分布式可再生能源,但是容易出现不同H桥模块间电压失衡、直流变换效率低以及能耗高的问题,因此,研究基于模式切换的固态变压器多直流电压平衡控制方法。依据直流变换器运行原理,分析移相控制模式和梯形电流控制模式,进行模式切换;分析固态变压器中负责能量传递的双移相桥隔离型双向直流变换器损耗分布情况,为直流变换器效率优化提供分析依据;通过移相控制模式和梯形电流控制模式间的合理切换控制,提高直流变换器效率,实现固态变压器中双向直流变换器全功率范围内的损耗最佳控制;在此基础上,通过空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse width modulation)算法,解决变压器的模块级联H桥型固态变压器出现不同H桥模块间的均压问题,实现变压器多直流电压的平衡控制。结果表明,该方法对固态变压器多直流电压平衡后,固态变压器AC/DC的3H桥电容电压达到了平衡状态,直流母线端口电压以及低压直流端口电压稳定,达到平衡状态。

融合光伏的直流配电网光伏线路极间故障暂态分析

针对直流固态变压器与光伏电源之间端口线路的极间故障,在搭建融合光伏的直流配电网模型基础上,从换流器和光伏电源工作原理的角度分析光伏电源与直流固态变压器端口线路极间故障特性,根据其故障响应,将故障过程分为四个阶段,即双模块直流侧电容放电、光伏电源多回路供电、光伏电源续流和双有源全桥换流器电感续流阶段,并通过每个阶段的故障电流、电压的方程式和等效电路,得到光伏电源与直流固态变压器端口线路发生极间故障时故障电流增长快、幅值高,对二极管器件冲击大,故障复杂的特性。最后在PSCAD/EMTDC中进行建模仿真,在Matlab中进行理论仿真共同验证故障分析的正确性。

一种中压直流短路故障下不间断运行的MMC-SST拓扑及控制

多端口固态变压器是多电压形态多电压等级的交直流混合电网的核心设备,模块化多电平(modular multilevel converter,MMC)型固态变压器(solid state transformer,SST)具有中压直流端口,可接入中压直流配电网,构成多区域交流配电网的柔性互联,提升区域网络间功率灵活调节能力。而采用传统的MMC-SST拓扑及控制,中压直流线路短路故障会引起低压端口供电中断。文中提出一种混合型MMC-SST的拓扑及控制,其具备中压交流、中压直流和低压交直流端口,通过控制使其具有中压直流短路故障耐受能力,同时故障期间保持中压交流和低压端口的不间断功率交互,从而提升低压用户供电可靠性。分析MMC-SST在正常运行和中压直流故障不间断运行控制下内部能量平衡机理,提出中压直流短路故障下电容电压平衡及不间断运行控制策略,实现MMC-SST中压直流短路故障时不间断稳定运行。通过理论分析,仿真与物理动模实验,验证了所提拓扑及控制的可行性及有效性。

适用于配电网互联的内联式MMC型固态变压器

传统配电变压器不具备主动功率控制能力,无法实现交-直电力形态变换。文章提出一种内联式MMC型固态变压器,该变压器拓扑具有多交直端口、高频电压变换、主动功率控制等特性,是交、直流混合配电网的核心,可实现可再生能源的灵活并网和平抑波动。文章首先分析了变压器的拓扑结构和基本工作原理,推导其功率平衡方程,理论论证了该拓扑具备稳态运行能力,并设计了iMMC-SST的控制策略。通过所搭建的4.8 kV·A小功率实验样机,验证了所提拓扑和控制策略的可行性和有效性。

直流固态变压器环流抑制策略

直流固态变压器(DC solid state transformer,DCSST)作为直流微电网中的重要组成部分,通常采用输入均压环和输出电压环结合的双环解耦控制策略,该控制策略在每个双有源全桥变换器(dual-active full-bridge converter,DAB)模块传输效率不一致的情况下,无法保证输出均流,从而降低直流固态变压器的运行效率。针对上述问题,提出一种基于虚拟阻抗的直流固态变压器控制策略,在传统控制的基础上加入环流反馈控制回路,并引入虚拟阻抗调节其环流阻抗,从而实现对每个双有源全桥变换器模块的环流控制,最终使得每个双有源全桥变换器模块的环流减小。所提控制策略使得直流固态变压器可以在子模块功率电路参数不同的情况下,同时保证各子模块输入均压与输出均流。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

用于柔性直流配电的高频隔离链式双向直流固态变压器

双向直流固态变压器是柔性直流输配电网中的关键设备,可以实现高压直流电网和直流微网之间的电压变换和功率流向控制。本文提出了一种基于LLC谐振变换器的双向直流固态变压器的电路拓扑结构,并针对其应用场合,给出了具体电路设计方案。分析了LLC谐振变换器的功率双向流动工作原理和变换器的电压增益特性,提出了一种功率双向流动控制方法;同时依据双向直流固态变压器多单元模块输入输出特性关系,提出了一种功率平衡控制策略。搭建了直流固态变压器的仿真模型,仿真结果验证了本文所提出设计方案及控制策略的有效性和正确性。

应用于直流固态变压器的串联谐振变换电路效率优化分析

直流固态变压器是直流电网中核心元件之一,其变换效率是一个重要指标。以谐振DC-DC变换器作为基本单元级联的直流固态变压器的效率主要由谐振DC-DC变换器所决定。本文通过对串联谐振变换电路进行阶段分析,讨论了影响开关管关断损耗的主要因素;推导了电路的零电压开通条件;探讨了通过优化相位滞后角与谐振频率以提升变换器效率的方案。搭建了串联谐振变换电路实验样机,实验结果初步验证了本文提出的效率优化方案的有效性。

基于虚拟同步电机控制的固态变压器对多控制类型分布式电源接入的适应性分析

固态变压器(SST)具备交直流环节,可用于实现交、直流微电网间的互联。针对交-直-交非隔离型的SST,提出引入直流下垂控制环节的虚拟同步电机(VSM)控制策略,使SST交直流端口具备惯性和阻尼,提升系统稳定性;建立VSM小信号模型分析直流侧电压与功率分配关系,便于实现交、直流侧互联微电网间的能量平衡,进而提出基于VSM的SST整体控制策略,在SST网侧和源荷侧变换器级联新的控制环路,实现网侧变换器快速响应及源荷侧变换器单/三相负荷、多控制类型(恒功率控制、下垂控制、虚拟同步机控制)三相分布式电源接入的需求;通过仿真分析验证所提基于VSM控制的SST对不同控制类型分布式电源的接入适应性。