级联式电力电子变压器控制技术研究

发布时间：2020-04-27 17:02

【摘要】：传统以化石能源集中式利用为特征的电力系统运行发展模式正在逐步发生变革,而支持可再生能源大规模利用与共享的智能电网或能源互联网将成为最终改变能源利用模式、推动经济和社会可持续发展的新一代电力系统。在新电力系统中电气设备智能、兼容、节能环保以及高功率密度的发展需求下,基于电力电子变换与高频电磁耦合的电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)获得了广泛关注和快速发展。现代电力电子变压器的一种典型拓扑是基于级联H桥整流器与隔离双向DC/DC 变换器(isolated bidirectional DC/DC converter,IBDC)两级变换电路的级联式PET拓扑。级联式PET具有交流波形质量好,电压和双向功率控制灵活,能提供灵活的交直流供电端口,以及易于模块化拓展等优点,但同时其多级功率变换、多模块组合方式对其控制策略提出了更高的要求。本文针对级联式电力电子变压器的关键控制技术进行深入研究,以改善波形质量同时降低开关频率,提高双向功率下系统暂态响应性能和稳定性,以及改善不同应用场合PET的运行效率。主要工作及成果如下:1.混合脉宽多电平调制方法研究。基于波形分解以及一维傅里叶级数和双重傅里叶积分方法,对PET输入级CHB电路混合脉宽调制(Hybrid Pulse Width Modulation,HPWM)的频谱计算方法进行了理论推导,得到HPWM任意电平输出电压频谱解析表达式,为HPWM技术的研究应用、变流器的谐波分析及滤波问题奠定了理论基础;并基于所推导的频谱计算式,将HPWM与常规载波移相(CPS)方法的调制性能进行了对比。2.不同输出方式下的级联式PET子模块均衡控制策略研究。针对输出并联型PET拓扑,分析了 IBDC级ISOP等效电路输入均压和输出均流的内在关系,提出IBDC级直流链电压均衡控制策略,同时可实现功率均衡。所提方法无需CHB级均衡控制器以及高精度电流传感器,且可实现控制环路间的解耦以及模块化控制结构。对于级联式PET-电池储能系统中输出独立型PET,提出基于HPWM调制的电池均衡控制策略,由IBDC控制直流链电压均衡稳定,CHB采用HPWM方法实现对各电池单元进行差异化充放电及SOC均衡控制。3.CHB非线性控制方法研究。基于CHB静止坐标系模型,提出一种状态反馈线性化与自抗扰控制技术相结合的非线性控制策略,无需旋转坐标变换,可确保系统稳态控制精度及动态抗扰性能。根据系统仿射非线性模型及微分几何非线性理论,选择基于部分反馈线性化的零动态设计方案,采用二次型最优方法对线性电流环部分的反馈增益进行确定,并引入谐振环节以补偿跟踪相差;对于零动态(电压平方)则采用基于扩张状态观测器的自抗扰控制策略,以提高系统在负载大范围扰动时的控制品质。4.CHB和IBDC前后级协调控制策略研究。针对PET两级变换结构,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,以缩减两级功率差,降低直流链电压动态波动,提高双向功率运行时系统的动态响应及稳定性。基于频域法对负载扰动下的直流链电压波动响应进行了建模分析,以及基于根轨迹和灵敏度对闭环稳定性进行了分析,并与传统独立控制策略进行对比,论证了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。
【图文】：

电力,原边,分布式发电

华北电力大学博士学位论文逡逑图１－１邋ｂ）为由输入ＡＣ／ＤＣ隔离级和输出逆变器构成的两级式ＰＥＴ｜４１］。该拓逡逑扑由于引入了一级直流环节，其可控性较强于单级式ＰＥＴ，可以实现电源侧功率逡逑因数调节和维持用户侧电压稳定并提供无功功率，可阻断交流扰动传播，可提供逡逑低压直流输出端口以整合分布式发电单元［４２］；其主要缺点是原边矩阵变换器与逡逑高频（或中频）变压器相耦合，存在效率和开关频率相互制约以及中高压串联应逡逑用时难以实现零电压开关（Ｚｅｒｏ－Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ，ＺＶＳ）邋［２４］的问题，，且功率反逡逑向流动时，原边负载端无法提供直流输出，限制了其应用范围。除图１－ｌｂ）外，逡逑电源＆逦＾邋ｉ逦逦ｉ邋［］负载逡逑ＨＶＡＣｊ逦—？邋＾逦邋ＴＬＶＡＣ

拓扑图,级联式,电力电子,拓扑

电或机车制动时回馈的能量输送给电网，高效节能［５８１。值得提出的是，除图逡逑１－２邋ａ）中输出并联型外，当级联式ＰＥＴ用于大规模电池储能系统时，ＩＢＤＣ低压逡逑端可采用独立输出方式，接分列的电池单元，如图１－２邋ｂ）中所示，该级联式逡逑ＰＥＴ－电池储能系统（Ｂａｔｔｅｒｙ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｓｔｏｒａｇｅ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＢＥＳＳ）方便对储能电池单元逡逑进行独立分布式控制，可避免大量单体串联导致电池不均衡、使用寿命短的问逡逑题［５９４１］，且ＩＢＤＣ级可实现电气隔离及通过设置变压器变比进一步降压，与仅逡逑采用ＣＨＢ的单级链式－ＢＥＳＳ相比，更易于蓄电池的灵活配置及降低安全隐患。逡逑／ｓ丨ＨＢ１丨邋逦ＩＢＤＣ邋逦邋｜变频器｜逡逑Ｉ々］［」！＾逦Ｉ）逡逑ＨＢ２逦逦ＩＢＤＣ邋２逦逦逡逑ｆｋ邋：逦￣Ｌ＂邋分布式逡逑「１」ｔｙ」Ｌｊｒ逦电源逡逑ＨＢｊＶ邋＿邋ＩＢＤＣＡ＾逦逡逑ａ）输出并联型ＰＥＴ逡逑ａ）邋Ｏｕｔｐｕｔ－ｐａｒａｌｌｅｄ邋ＰＥＴ逡逑／ｓ邋ＨＢ邋１
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM41

【参考文献】