单相PET级联整流SVPWM均压边界及拓展方法

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)是交直流配电系统互联的重要接口设备,然而后级等效负载不平衡将造成前级整流器各模块的电压偏移。针对单相级联H桥整流器空间矢量调制均压失效问题,推导出基于最优矢量选择均压策略的边界计算方法。根据计算所得的负载不平衡度限制边界与级联模块数、调制度以及功率因数的关系,提出了变调制度和功率因数的控制策略以增加均压能力。该策略通过改变直流电压或降低功率因数来重建更宽的均压工作范围,确保原不平衡度均压极限的系统稳定运行。最后,通过三模块级联整流器的仿真与实验验证了该均压边界的正确性,以及所提均压拓展方法保障极端不平衡负载条件下均压的有效性。

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。

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。

H桥级联型功率变换器直流母线电容参数设计

为提高电力电子变压器的性能,拓扑结构设计与元器件参数配置需要重点考虑。本文以H桥级联型电力电子变压器为研究对象,通过分析直流母线电压波动与系统有功功率、母线电容值之间的关系,提出了直流母线支撑电容的参数计算方法,并通过仿真验证与理论分析。

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。

级联整流相内-相间直流电压均衡控制策略

三相级联H桥整流器由于具有灵活性与易模块化的特点,使得其在电力电子变压器(powerelectronic transformer,PET)系统中得到了广泛应用。而该变换器相间-相内模块直流电压不均衡是其亟待解决的问题。针对该问题,提出一种直流电压均衡控制策略,实现相间直流电压均衡与相内模块间直流电压均衡。首先,提出零序补偿控制方案,以解决相间直流电压均衡问题,通过构建端口电压零序分量,在dq坐标系下分析零序功率分布,建立起相间直流电压与零序电压的线性关系。通过控制三相零序功率,实现相间均压的目的;接着,针对相内电压均衡问题,提出了一种脉宽调制和排序均压调制相结合的宽带载范围的均压算法,使部分模块可以空载运行,提高了相内直流电压均压能力。最后,建立了三相级联九模块整流器小功率实验平台。基于FPGA控制器完成了控制程序设计,验证了所提控制策略的正确性与有效性。

电力电子变压器电磁暂态并行仿真等效建模方法

电力电子变压器(power electronic transformer,PET)具有模块化、多节点、频率高的特点,其详细模型的电磁暂态仿真(electromagnetic transient,EMT)效率低下,仿真提速需求迫切。从模型自身提速与提高CPU计算效率两方面入手,提出了PET电磁暂态并行仿真等效建模方法,并以级联H桥型PET(cascaded H-bridge type power electronic transformer,CHB-PET)为例进行了理论推导与仿真验证。首先,以导纳是否可定为标准,将功率模块(power module,PM)划分为不同导纳单元电路的组合;其次,从有载二端口的角度出发,推导出H桥单元对外仅含2种等效导纳,可简化为二值导纳单元;将各单元的导纳参数预存,利用叠加定理求取端口短路电流,即可快速获取PM诺顿等效电路参数,聚合形成CHB-PET串行等效模型;最后,结合该模型的高度并行性构建了并行仿真框架。在PSCAD/EMTDC中进行仿真验证,该模型实现了对详细模型的多工况高度拟合,最大误差小于3%。当单相模块数为48时,最佳并行等效模型可实现对详细模型10000多倍的仿真提速。

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。

自平衡电子电力变压器

提出一种基于级联多电平结构,具有自平衡能力的电子电力变压器(A-EPT),其高压侧采用单相全桥级联技术,低压侧采用交错并联技术,并根据其结构特点提出一种简单有效的控制方案。在该控制方案中,通过采用载波移相技术提高了等效开关频率和输入性能;通过引入相移补偿信号,避免了级联模块间的直流电压不平衡问题。对所提出的A-EPT进行建模和仿真,并与常规变压器的运行状况进行对比分析。仿真结果表明:A-EPT能够很好地实现当变压器任何一侧系统出现电压或电流不平衡时,另一侧系统仍然能够自动保持本侧系统的电压或电流平衡,并且调节过程短,比常规变压器具有更好的性能。

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。

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。

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。

应用于海岛配电网的级联型PET控制策略

海岛配电网位于传统交流配电网末端,存在供电电源单一、网架结构薄弱和分布式能源利用率低等问题,同时还存在配电网的运行状态切换困难以及内部多设备控制模式和控制目标协同配合复杂等难题。为了提升系统的运行能力,应用级联型电力电子变压器(power electronic transformer, PET)构建海岛交直流混合配电网。通过分析实际工程的应用需求,综合考虑并设计PET控制架构及其策略,满足双向功率传输、双向启动、多运行模式及其切换等要求,并在回转器模型基础上增加直流电压前馈环路提升PET的响应特性。系统实验结果表明,PET可实现海岛交直流混合配电网的可控互联,有效提升其功率传输的灵活性和适应性,并为其安全可靠运行提供有力支撑。

电力电子牵引变压器功率平衡控制方法研究

电力电子牵引变压器PETT(Power Electronic Traction Transformer)与传统工频牵引变压器相比具有体积小、质量轻、效率高等优点。针对采用级联H桥和双有源桥式DAB(Dual Active Bridge)变换器的PETT主电路拓扑,首先对级联H桥进行数学建模分析,在此基础上,提出一种基于平均电压调节的直流电压平衡控制方法。同时,通过分析并联输出DAB变换器传输功率不平衡的影响因素,得出其功率平衡原理,进而提出一种基于平均输出电流调节的均流控制方法。构建PETT系统仿真模型,对所提出的级联H桥直流电压平衡控制方法以及并联输出DAB变换器均流控制方法进行仿真研究。设计并搭建2个功率单元组成的PETT实验平台,对上述控制方法进行实验研究。仿真和实验结果相符,验证所提出控制方法的有效性和正确性。

电力电子变压器高压级的综合控制及其DSP实现

为了使电力电子变压器适应配电网高压大功率场合,文章采用了高压级H桥级联低压级H桥并联的电路结构,该结构可以提高系统的电压等级和电流等级。文中主要对系统的工作原理、拓扑结构进行了分析,研究了高压级的控制策略。MATLAB/Simulink仿真验证了本方案的可行性。最后用MOSFET开关管IRFP460自制H桥搭建实验平台,采用32位定点DSP处理器TMS320F2812实现对高压级的综合控制。实验结果表明,该系统可以实现H桥均压,单位功率因数运行和实时无功补偿等功能,具有良好的动静态响应性能。