能源互联网中高频交流固态变压器系统关键技术研究

发布时间：2017-12-15 00:24

本文关键词：能源互联网中高频交流固态变压器系统关键技术研究

【摘要】：随着智能电网的发展,未来将会有大量分布式能源和储能单元通过电力电子设备接入电网。依托工频输电变压器和开关部件所构成的传统配电网方式将被改变,而作为新型连接设备——高频固态变压器(High Frequency Solid State Transformer,HF-SST)因具有配电母线之间高、低压灵活转换及功率流动智能管理等特点,将在未来智能电网建设中发挥重要角色。本文以HF-SST系统为研究对象,以提高功率密度、优化转换效率和增强运行可靠性为研究目标。通过对HF-SST系统拓扑结构、运行方式以及控制策略的分析,建立核心技术体系,并总结出存在的若干关键问题。(1)HF-SST系统级层面的运行模式和控制管理方案;(2)HF-SST系统核心电路的控制策略及优化设计;(3)级联H桥多电平变换器(Cascaded H-birdge Multilevel Inverter,CHMI)功率和电压不平衡补偿;(4)HF-SST系统中关键部件高压故障隔离装置(High voltage Fault Isolation Device,HV-FID)的可靠运行。由于HF-SST系统转换环节和工作模式繁多,控制结构相对复杂,为提高其能量管理的有序性和正确性,提出分层、分布式控制策略。控制体系分为4层,并将每个控制模型拆分为多个模块化子控制器单元,通过控制目标制定层的逻辑组合,实现不同工作状态下的控制目标。同时对内部核心单元LVDC/HVDC、HVDC/HVAC、LVDC/LVAC和LVAC/LVDC的控制方式进行分析,建立小信号模型,为各转换环节的控制器设计提供优化指导。为实现HF-SST系统高功率密度、高可控性及四象限功率控制能力,本文对其核心电路的特性进行优化,分析双向功率流动的拓扑结构,提出统一离散化控制方法,并将主控制算法和逻辑进程分配到不同控制器中执行,以降低周期性复杂运算。同时针对增加开关频率、提高功率密度方面的分析,提出了动态前馈补偿调节的控制方法,通过改变控制器参数来调节带宽增益,以保证在高开关频率下输入电流的正弦性。由于模块参数和高频变压器规格的差异,使得CHMI环节各H桥单元的输入功率不相等,进而导致其输出端电流和输入端电压的不平衡。针对输出端电流不平衡问题,提出一种新型零序电压注入的控制方法,该方法依据三相功率不平衡度来实现对电压控制信号的补偿,无需三相解耦,具有结构简单、解析量少等特点。针对输入端电压不平衡问题,提出实时调节调制因数M的控制策略,通过改变前端电容充、放电时间,维持输入端电压的均衡。另外,通过建立控制器的数学模型,指出了最大不平衡界定范围。连接HF-SST系统与中压交流配电网的HV-FID,常采用串联开关器件的方式提高其电压阻断等级。但由于器件参数或驱动信号之间存在差异,使得在导通或关断时,可能会引起串联器件的不均压,进而影响系统运行安全性。针对此问题,建立了MOSFET等效电路模型,分析了寄生电感和电容对开关特性的影响机理。对比了2种抑制电压尖峰方案,并据此提出了一种带有电压峰值保持特性的有源箝位均压反馈电路,对其参数确定依据和均压技术进行研究,以便于实现HV-FID的一般性优化设计。针对上述涉及的HF-SST系统各项关键问题,进行了理论仿真,并建立了相应的物理平台,包括:三相CHMI、双向DC/DC和三相AC/DC功率变换单元以及HV-FID单元,以此验证本文针对HF-SST系统关键问题所提出解决方案的正确性和有效性。研究结果期望为我国HF-SST系统在未来智能电网中的应用建设提供一定理论参考。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM41

【参考文献】

中国期刊全文数据库前10条

1 徐殿国;刘瑜超;武健;;多端直流输电系统控制研究综述[J];电工技术学报;2015年17期

2 杨方;白翠粉;张义斌;;能源互联网的价值与实现架构研究[J];中国电机工程学报;2015年14期

3 周海明;刘广一;刘超群;;能源互联网技术框架研究[J];中国电力;2014年11期

4 何湘宁;宗升;吴建德;李武华;赵荣祥;;配电网电力电子装备的互联与网络化技术[J];中国电机工程学报;2014年29期

5 曹军威;孟坤;王继业;杨明博;陈震;李文焯;林闯;;能源互联网与能源路由器[J];中国科学:信息科学;2014年06期

6 曾正;赵荣祥;汤胜清;杨欢;吕志鹏;;可再生能源分散接入用先进并网逆变器研究综述[J];中国电机工程学报;2013年24期

7 周孝信;陈树勇;鲁宗相;;电网和电网技术发展的回顾与展望——试论三代电网[J];中国电机工程学报;2013年22期

8 汤广福;罗湘;魏晓光;;多端直流输电与直流电网技术[J];中国电机工程学报;2013年10期

9 侯凯;卢文兵;姚建国;杨胜春;赵晓冬;董长城;;自适应IGBT串联均压电路设计[J];电力系统自动化;2012年08期

10 庞辉;温家良;贺之渊;汤广福;;大功率IGBT串联电压不平衡机制研究[J];中国电机工程学报;2011年21期